Շնորհակալություն nature.com կայք այցելելու համար: Ձեր օգտագործած դիտարկիչի տարբերակն ունի CSS-ի սահմանափակ աջակցություն: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել դիտարկիչի վերջին տարբերակը (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Բացի այդ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար այս կայքը չի ներառի ոճեր կամ JavaScript:
Օրգանների և հյուսվածքների շարժը կարող է հանգեցնել ռենտգենյան ճառագայթների դիրքավորման սխալների ճառագայթային թերապիայի ընթացքում: Հետևաբար, ճառագայթային թերապիայի օպտիմալացման համար օրգանների շարժումը ընդօրինակելու համար անհրաժեշտ են հյուսվածքին համարժեք մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկություններ ունեցող նյութեր: Այնուամենայնիվ, նման նյութերի մշակումը մնում է մարտահրավեր: Ալգինատային հիդրոգելերն ունեն արտաբջջային մատրիցի հատկություններին նման հատկություններ, ինչը դրանք խոստումնալից է դարձնում որպես հյուսվածքին համարժեք նյութեր: Այս ուսումնասիրության մեջ սինթեզվել են ալգինատային հիդրոգելային փրփուրներ՝ ցանկալի մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկություններով, տեղում Ca2+ արտազատման միջոցով: Օդի և ծավալի հարաբերակցությունը ուշադիր վերահսկվել է՝ որոշակի մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկություններով հիդրոգելային փրփուրներ ստանալու համար: Բնութագրվել է նյութերի մակրո- և միկրոմորֆոլոգիան, և ուսումնասիրվել է հիդրոգելային փրփուրների վարքագիծը սեղմման տակ: Ռադիոլոգիական հատկությունները գնահատվել են տեսականորեն և փորձարարորեն ստուգվել են համակարգչային տոմոգրաֆիայի միջոցով: Այս ուսումնասիրությունը լույս է սփռում հյուսվածքին համարժեք նյութերի ապագա զարգացման վրա, որոնք կարող են օգտագործվել ճառագայթային թերապիայի ընթացքում ճառագայթման դոզայի օպտիմալացման և որակի վերահսկման համար:
Ճառագայթային թերապիան քաղցկեղի բուժման տարածված միջոց է1: Օրգանների և հյուսվածքների շարժը հաճախ հանգեցնում է ռենտգենյան ճառագայթների դիրքավորման սխալների ճառագայթային թերապիայի ընթացքում2, ինչը կարող է հանգեցնել ուռուցքի թերբուժման և շրջակա առողջ բջիջների ավելորդ ճառագայթահարման: Օրգանների և հյուսվածքների շարժը կանխատեսելու ունակությունը կարևոր է ուռուցքի տեղայնացման սխալները նվազագույնի հասցնելու համար: Այս ուսումնասիրությունը կենտրոնացած է թոքերի վրա, քանի որ դրանք զգալի դեֆորմացիաների և շարժումների են ենթարկվում, երբ հիվանդները շնչում են ճառագայթային թերապիայի ընթացքում: Մշակվել և կիրառվել են տարբեր վերջավոր տարրերի մոդելներ՝ մարդու թոքերի շարժումը մոդելավորելու համար3,4,5: Այնուամենայնիվ, մարդու օրգաններն ու հյուսվածքները ունեն բարդ երկրաչափություններ և խիստ կախված են հիվանդից: Հետևաբար, հյուսվածքին համարժեք հատկություններով նյութերը շատ օգտակար են ֆիզիկական մոդելներ մշակելու համար՝ տեսական մոդելները վավերացնելու, բժշկական բուժման բարելավմանը նպաստելու և բժշկական կրթության նպատակներով:
Բարդ արտաքին և ներքին կառուցվածքային երկրաչափություններ ստանալու համար փափուկ հյուսվածքները նմանակող նյութերի մշակումը մեծ ուշադրություն է գրավել, քանի որ դրանց բնածին մեխանիկական անհամապատասխանությունները կարող են հանգեցնել թիրախային կիրառությունների ձախողումների6,7: Թոքային հյուսվածքի բարդ կենսամեխանիկայի մոդելավորումը, որը համատեղում է ծայրահեղ փափկությունը, առաձգականությունը և կառուցվածքային ծակոտկենությունը, լուրջ մարտահրավեր է ներկայացնում մարդու թոքերը ճշգրիտ վերարտադրող մոդելների մշակման գործում: Մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկությունների ինտեգրումը և համապատասխանեցումը կարևոր են թերապևտիկ միջամտություններում թոքերի մոդելների արդյունավետ աշխատանքի համար: Ադիտիվ արտադրությունը ապացուցել է իր արդյունավետությունը հիվանդի համար նախատեսված մոդելների մշակման գործում՝ հնարավորություն տալով բարդ դիզայնի արագ նախատիպավորում: Շինը և այլք8 մշակել են վերարտադրելի, դեֆորմացվող թոքերի մոդել՝ եռաչափ տպիչով շնչուղիներով: Հասելարը և այլք9 մշակել են ֆանտոմ, որը շատ նման է իրական հիվանդներին՝ ճառագայթային թերապիայի պատկերի որակի գնահատման և դիրքի ստուգման մեթոդների համար: Հոնգը և այլք10 մշակել են կրծքավանդակի համակարգչային տոմոգրաֆիայի մոդել՝ օգտագործելով եռաչափ տպագրություն և սիլիկոնային ձուլման տեխնոլոգիա՝ տարբեր թոքային վնասվածքների համակարգչային տոմոգրաֆիայի ինտենսիվությունը վերարտադրելու և քանակականացման ճշգրտությունը գնահատելու համար: Այնուամենայնիվ, այս նախատիպերը հաճախ պատրաստվում են նյութերից, որոնց արդյունավետ հատկությունները շատ տարբերվում են թոքային հյուսվածքի հատկություններից11:
Ներկայումս թոքային ֆանտոմների մեծ մասը պատրաստված է սիլիկոնից կամ պոլիուրեթանային փրփուրից, որոնք չեն համապատասխանում իրական թոքային պարենքիմի մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկություններին։12,13 Ալգինատային հիդրոգելները կենսահամատեղելի են և լայնորեն օգտագործվել են հյուսվածքային ճարտարագիտության մեջ՝ իրենց կարգավորելի մեխանիկական հատկությունների շնորհիվ։14 Այնուամենայնիվ, թոքային հյուսվածքի առաձգականությունն ու լցոնման կառուցվածքը ճշգրտորեն ընդօրինակող թոքային ֆանտոմի համար անհրաժեշտ գերփափուկ, փրփուրանման կոնսիստենցիայի վերարտադրումը մնում է փորձարարական մարտահրավեր։
Այս ուսումնասիրության մեջ ենթադրվել է, որ թոքային հյուսվածքը միատարր առաձգական նյութ է: Մարդու թոքային հյուսվածքի խտությունը (\(\:\rho\:\)) կազմում է 1.06 գ/սմ3, իսկ փքված թոքի խտությունը՝ 0.26 գ/սմ315: Յունգի մոդուլի (ՄՄ) արժեքների լայն շրջանակ ստացվել է տարբեր փորձարարական մեթոդներով: Լայ-Ֆուկը և այլք16 չափել են մարդու թոքի ՄՄ-ը միատարր փքվածությամբ՝ կազմելով 0.42–6.72 կՊա: Գոսը և այլք17 օգտագործել են մագնիսական ռեզոնանսային էլաստոգրաֆիա և հայտնել են 2.17 կՊա ՄՄ: Լյուը և այլք18 հայտնել են 0.03–57.2 կՊա ուղղակիորեն չափված ՄՄ: Իլեգբուսին և այլք19 գնահատել են ՄՄ-ը 0.1–2.7 կՊա՝ ընտրված հիվանդներից ստացված 4D ՀՏ տվյալների հիման վրա:
Թոքերի ռենտգենաբանական հատկությունների համար թոքային հյուսվածքի և ռենտգենյան ճառագայթների փոխազդեցության վարքագիծը նկարագրելու համար օգտագործվում են մի քանի պարամետրեր, այդ թվում՝ տարրական կազմը, էլեկտրոնային խտությունը (\(\:{\rho\:}_{e}\)), արդյունավետ ատոմային թիվը (\(\:{Z}_{eff}\)), միջին գրգռման էներգիան (\(\:I\)), զանգվածի մարման գործակիցը (\(\:\mu\:/\rho\:\)) և Հաունսֆիլդի միավորը (HU), որը անմիջականորեն կապված է \(\:\mu\:/\rho\:\)-ի հետ։
Էլեկտրոնների խտությունը \(\:{\rho\:}_{e}\) սահմանվում է որպես էլեկտրոնների քանակ մեկ միավոր ծավալի մեջ և հաշվարկվում է հետևյալ կերպ՝
որտեղ \(\:\rho\:\)-ն նյութի խտությունն է գ/սմ3-ով, \(\:{N}_{A}\)-ն՝ Ավոգադրոյի հաստատունը, \(\:{w}_{i}\)-ն՝ զանգվածային մասը, \(Z}_{i}\)-ն՝ ատոմային թիվը, իսկ \(A}_{i}\)-ն՝ i-րդ տարրի ատոմային զանգվածը։
Ատոմային համարը ուղղակիորեն կապված է նյութի ներսում ճառագայթային փոխազդեցության բնույթի հետ: Մի քանի տարրեր պարունակող միացությունների և խառնուրդների համար (օրինակ՝ գործվածքներ) պետք է հաշվարկվի արդյունավետ ատոմային համարը՝ \(\:{Z}_{eff}\): Բանաձևը առաջարկել են Մուրթին և այլք։ 20:
Միջին գրգռման էներգիան՝ I, նկարագրում է, թե որքան հեշտությամբ է թիրախային նյութը կլանում թափանցող մասնիկների կինետիկ էներգիան։ Այն նկարագրում է միայն թիրախային նյութի հատկությունները և որևէ կապ չունի մասնիկների հատկությունների հետ։ I-ն կարելի է հաշվարկել՝ կիրառելով Բրեգգի գումարելիության կանոնը։
Զանգվածի մարման գործակիցը \(\:\mu\:/\rho\:\) նկարագրում է ֆոտոնների ներթափանցումը և էներգիայի արտանետումը թիրախային նյութի մեջ։ Այն կարելի է հաշվարկել հետևյալ բանաձևով.
Որտեղ \(\:x\)-ը նյութի հաստությունն է, \(\:{I}_{0}\)-ը՝ ընկնող լույսի ինտենսիվությունը, իսկ \(\:I\)-ը՝ ֆոտոնի ինտենսիվությունը նյութի մեջ ներթափանցելուց հետո։ \(\:\mu\:/\rho\:\) տվյալները կարելի է ստանալ անմիջապես NIST 12621 ստանդարտների հղման տվյալների բազայից։ Խառնուրդների և միացությունների \(\:\mu\:/\rho\:\) արժեքները կարելի է ստանալ հետևյալ կերպ՝ օգտագործելով գումարելիության կանոնը.
Համակարգչային տոմոգրաֆիայի (ՀՏ) տվյալների մեկնաբանման մեջ ռադիոխտության չափման ստանդարտացված անչափ միավոր է, որը գծային կերպով փոխակերպվում է չափված մարման գործակցից (\:\μu\:\): Այն սահմանվում է որպես՝
որտեղ \(\:{\mu\:}_{water}\)-ը ջրի մարման գործակիցն է, իսկ \(\:{\mu\:}_{air}\)-ը՝ օդի մարման գործակիցը։ Հետևաբար, (6) բանաձևից տեսնում ենք, որ ջրի HU արժեքը 0 է, իսկ օդի HU արժեքը՝ -1000։ Մարդու թոքերի HU արժեքը տատանվում է -600-ից մինչև -70022։
Մշակվել են մի քանի հյուսվածքային համարժեք նյութեր: Գրիֆիթը և այլք23 մշակել են մարդու իրանի հյուսվածքային համարժեք մոդել՝ պատրաստված պոլիուրեթանից (PU), որին ավելացվել են կալցիումի կարբոնատի (CaCO3) տարբեր կոնցենտրացիաներ՝ մարդու տարբեր օրգանների, այդ թվում՝ մարդու թոքի, գծային մարման գործակիցները մոդելավորելու համար, և մոդելը անվանվել է Գրիֆիթ: Թեյլորը24 ներկայացրել է Լոուրենս Լիվերմորի ազգային լաբորատորիայի (LLNL) կողմից մշակված երկրորդ թոքային հյուսվածքային համարժեք մոդելը՝ LLLL1 անունով: Տրաուբը և այլք25 մշակել են թոքային հյուսվածքի նոր փոխարինիչ՝ օգտագործելով Foamex XRS-272-ը, որը պարունակում է 5.25% CaCO3՝ որպես արդյունավետության բարելավիչ, որը անվանվել է ALT2: 1-ին և 2-րդ աղյուսակներում ներկայացված է \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) և զանգվածային մարման գործակիցների համեմատությունը մարդու թոքերի (ICRU-44) և վերը նշված հյուսվածքային համարժեք մոդելների համար:
Չնայած ձեռք բերված գերազանց ռադիոլոգիական հատկություններին, գրեթե բոլոր ֆանտոմային նյութերը պատրաստված են պոլիստիրոլային փրփուրից, ինչը նշանակում է, որ այս նյութերի մեխանիկական հատկությունները չեն կարող մոտենալ մարդու թոքերի հատկություններին: Պոլիուրեթանային փրփուրի Յունգի մոդուլը (YM) մոտ 500 կՊա է, որը հեռու է իդեալականից՝ համեմատած նորմալ մարդու թոքերի հետ (մոտ 5-10 կՊա): Հետևաբար, անհրաժեշտ է մշակել նոր նյութ, որը կարող է համապատասխանել իրական մարդու թոքերի մեխանիկական և ռադիոլոգիական բնութագրերին:
Հիդրոգելերը լայնորեն կիրառվում են հյուսվածքային ճարտարագիտության մեջ: Դրանց կառուցվածքը և հատկությունները նման են արտաբջջային մատրիցի (ԷՄՄ) կառուցվածքին և հեշտությամբ կարգավորվող են: Այս ուսումնասիրության մեջ մաքուր նատրիումի ալգինատն ընտրվել է որպես փրփուրների պատրաստման բիոմատերիալ: Ալգինատային հիդրոգելերը կենսահամատեղելի են և լայնորեն կիրառվում են հյուսվածքային ճարտարագիտության մեջ՝ իրենց կարգավորվող մեխանիկական հատկությունների շնորհիվ: Նատրիումի ալգինատի (C6H7NaO6)n տարրական կազմը և Ca2+-ի առկայությունը թույլ են տալիս անհրաժեշտության դեպքում կարգավորել դրա ռադիոլոգիական հատկությունները: Կարգավորվող մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկությունների այս համադրությունը ալգինատային հիդրոգելերը դարձնում է իդեալական մեր ուսումնասիրության համար: Իհարկե, ալգինատային հիդրոգելերը նույնպես ունեն սահմանափակումներ, հատկապես շնչառական ցիկլերի մոդելավորման ընթացքում երկարատև կայունության առումով: Հետևաբար, ապագա ուսումնասիրություններում անհրաժեշտ են և ակնկալվում են հետագա բարելավումներ՝ այդ սահմանափակումները լուծելու համար:
Այս աշխատանքում մենք մշակել ենք ալգինատային հիդրոգելային փրփուրային նյութ՝ կառավարելի rho արժեքներով, առաձգականությամբ և ռադիոլոգիական հատկություններով, որոնք նման են մարդու թոքային հյուսվածքին: Այս ուսումնասիրությունը կապահովի հյուսվածքանման ֆանտոմներ պատրաստելու ընդհանուր լուծում՝ կարգավորելի առաձգական և ռադիոլոգիական հատկություններով: Նյութի հատկությունները կարող են հեշտությամբ հարմարեցվել ցանկացած մարդու հյուսվածքի և օրգանի:
Հիդրոգելային փրփուրի օդի և ծավալի նպատակային հարաբերակցությունը հաշվարկվել է մարդու թոքերի HU միջակայքի (-600-ից -700) հիման վրա: Ենթադրվել է, որ փրփուրը օդի և սինթետիկ ալգինատ հիդրոգելի պարզ խառնուրդ է: Առանձին տարրերի պարզ գումարման կանոնի միջոցով կարելի է հաշվարկել օդի ծավալային մասը և սինթեզված ալգինատ հիդրոգելի ծավալային հարաբերակցությունը:
Ալգինատային հիդրոգելային փրփուրները պատրաստվել են նատրիումի ալգինատի (մաս համար՝ W201502), CaCO3-ի (մաս համար՝ 795445, զանգվածային զանգված՝ 100.09) և GDL-ի (մաս համար՝ G4750, զանգվածային զանգված՝ 178.14) միջոցով, որոնք ձեռք են բերվել Sigma-Aldrich Company-ից, Սենթ Լուիս, Միսսուրի: Renowned Trading LLC-ից ձեռք է բերվել 70% նատրիումի լաուրիլ եթեր սուլֆատ (SLES 70): Փրփուրի պատրաստման գործընթացում օգտագործվել է ապաիոնացված ջուր: Նատրիումի ալգինատը լուծվել է ապաիոնացված ջրի մեջ սենյակային ջերմաստիճանում՝ անընդհատ խառնելով (600 պտ/րոպե), մինչև ստացվել է համասեռ դեղին կիսաթափանցիկ լուծույթ: CaCO3-ը GDL-ի հետ համատեղ օգտագործվել է որպես Ca2+ աղբյուր՝ գելացում սկսելու համար: SLES 70-ը օգտագործվել է որպես մակերևութային ակտիվ նյութ՝ հիդրոգելի ներսում ծակոտկեն կառուցվածք ձևավորելու համար: Ալգինատի կոնցենտրացիան պահպանվել է 5% մակարդակում, իսկ Ca2+:-COOH մոլային հարաբերակցությունը՝ 0.18: CaCO3:GDL մոլային հարաբերակցությունը փրփուրի պատրաստման ընթացքում նույնպես պահպանվել է 0.5-ի վրա՝ չեզոք pH պահպանելու համար: Արժեքը 26 է: Բոլոր նմուշներին ավելացվել է SLES 70-ի 2% ծավալային հարաբերակցություն: Լուծույթի և օդի խառնման հարաբերակցությունը կարգավորելու համար օգտագործվել է կափարիչով բաժակ: Բաժակի ընդհանուր ծավալը կազմել է 140 մլ: Տեսական հաշվարկի արդյունքների հիման վրա, բաժակին ավելացվել են խառնուրդի տարբեր ծավալներ (50 մլ, 100 մլ, 110 մլ)՝ օդի հետ խառնելու համար: Խառնուրդի 50 մլ պարունակող նմուշը նախատեսված էր բավարար քանակությամբ օդի հետ խառնելու համար, մինչդեռ մյուս երկու նմուշներում օդի ծավալային հարաբերակցությունը կարգավորելու համար: Նախ, SLES 70-ը ավելացվել է ալգինատի լուծույթին և խառնվել էլեկտրական խառնիչով մինչև լիովին խառնվելը: Այնուհետև, CaCO3 սուսպենզիան ավելացվել է խառնուրդին և անընդհատ խառնվել մինչև խառնուրդը լիովին խառնվելը, երբ դրա գույնը փոխվել է սպիտակի: Վերջապես, խառնուրդին ավելացվել է GDL լուծույթ՝ գելացում սկսելու համար, և մեխանիկական խառնումը պահպանվել է ամբողջ գործընթացի ընթացքում: 50 մլ խառնուրդ պարունակող նմուշի համար մեխանիկական խառնումը դադարեցվեց, երբ խառնուրդի ծավալը դադարեց փոխվել: 100 մլ և 110 մլ խառնուրդ պարունակող նմուշների համար մեխանիկական խառնումը դադարեցվեց, երբ խառնուրդը լցվեց բաժակը: Մենք նաև փորձեցինք պատրաստել հիդրոգելային փրփուրներ՝ 50 մլ-ից մինչև 100 մլ ծավալով: Այնուամենայնիվ, նկատվեց փրփուրի կառուցվածքային անկայունություն, քանի որ այն տատանվում էր օդի լրիվ խառնման և օդի ծավալի կարգավորման վիճակի միջև, ինչը հանգեցնում էր ծավալի անհամապատասխան կարգավորման: Այս անկայունությունը անորոշություն մտցրեց հաշվարկների մեջ, և, հետևաբար, այս ծավալային միջակայքը չի ներառվել այս ուսումնասիրության մեջ:
Հիդրոգելային փրփուրի խտությունը (\:\rho\:\) հաշվարկվում է հիդրոգելային փրփուրի նմուշի զանգվածը (\:m\) և ծավալը (\:V\) չափելով։
Հիդրոգելային փրփուրների օպտիկական մանրադիտակային պատկերները ստացվել են Zeiss Axio Observer A1 տեսախցիկի միջոցով: Ստացված պատկերների հիման վրա նմուշում որոշակի տարածքում ծակոտիների քանակը և չափերի բաշխումը հաշվարկելու համար օգտագործվել է ImageJ ծրագիրը: Ծակոտիների ձևը ենթադրվում է շրջանաձև:
Ալգինատային հիդրոգելային փրփուրների մեխանիկական հատկությունները ուսումնասիրելու համար TESTRESOURCES 100 շարքի մեքենայի միջոցով իրականացվել են միառանցքային սեղմման փորձարկումներ: Նմուշները կտրվել են ուղղանկյուն բլոկների, և բլոկների չափերը չափվել են՝ լարվածություններն ու դեֆորմացիաները հաշվարկելու համար: Խաչաձև գլխիկի արագությունը սահմանվել է 10 մմ/րոպե: Յուրաքանչյուր նմուշի համար փորձարկվել է երեք նմուշ, և արդյունքներից հաշվարկվել են միջինը և ստանդարտ շեղումը: Այս ուսումնասիրությունը կենտրոնացել է ալգինատային հիդրոգելային փրփուրների սեղմման մեխանիկական հատկությունների վրա, քանի որ թոքային հյուսվածքը շնչառական ցիկլի որոշակի փուլում ենթարկվում է սեղմման ուժերի: Ձգվողությունը, իհարկե, կարևոր է, հատկապես թոքային հյուսվածքի ամբողջական դինամիկ վարքագիծը արտացոլելու համար, և դա կուսումնասիրվի ապագա ուսումնասիրություններում:
Պատրաստված հիդրոգելային փրփուրի նմուշները սկանավորվել են Siemens SOMATOM Drive երկալիք համակարգչային տոմոգրաֆիայի սկաների վրա: Սկանավորման պարամետրերը սահմանվել են հետևյալ կերպ՝ 40 մԱս, 120 կՎպ և 1 մմ շերտի հաստություն: Արդյունքում ստացված DICOM ֆայլերը վերլուծվել են MicroDicom DICOM Viewer ծրագրի միջոցով՝ յուրաքանչյուր նմուշի 5 լայնական հատույթների HU արժեքները վերլուծելու համար: Համակարգչային տոմոգրաֆիայի միջոցով ստացված HU արժեքները համեմատվել են նմուշների խտության տվյալների վրա հիմնված տեսական հաշվարկների հետ:
Այս ուսումնասիրության նպատակն է հեղափոխություն մտցնել առանձին օրգանների մոդելների և արհեստական ​​կենսաբանական հյուսվածքների արտադրության մեջ՝ փափուկ նյութերի ճարտարագիտության միջոցով: Մարդու թոքերի աշխատանքային մեխանիկայի հետ համապատասխանող մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկություններով նյութերի մշակումը կարևոր է թիրախային կիրառությունների համար, ինչպիսիք են բժշկական պատրաստվածության, վիրաբուժական պլանավորման և ճառագայթային թերապիայի պլանավորման բարելավումը: Նկար 1Ա-ում մենք գծագրել ենք մարդու թոքերի մոդելներ պատրաստելու համար ենթադրաբար օգտագործվող փափուկ նյութերի մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկությունների միջև եղած անհամապատասխանությունը: Մինչ օրս մշակվել են նյութեր, որոնք ցուցաբերում են ցանկալի ռադիոլոգիական հատկություններ, սակայն դրանց մեխանիկական հատկությունները չեն բավարարում ցանկալի պահանջները: Պոլիուրեթանային փրփուրը և ռետինը ամենատարածված նյութերն են մարդու թոքերի դեֆորմացվող մոդելներ պատրաստելու համար: Պոլիուրեթանային փրփուրի մեխանիկական հատկությունները (Յանգի մոդուլ, YM) սովորաբար 10-ից 100 անգամ ավելի մեծ են, քան նորմալ մարդու թոքային հյուսվածքինը: Նյութերը, որոնք ցուցաբերում են և՛ ցանկալի մեխանիկական, և՛ ռադիոլոգիական հատկություններ, դեռևս հայտնի չեն:
(Ա) Տարբեր փափուկ նյութերի հատկությունների սխեմատիկ ներկայացումը և մարդու թոքերի հետ համեմատությունը խտության, Յունգի մոդուլի և ռենտգենաբանական հատկությունների առումով (HU-ով): (Բ) \(\:\mu\:/\rho\:\) ալգինատային հիդրոգելի ռենտգենյան դիֆրակցիոն պատկերը՝ 5% կոնցենտրացիայով և 0.18 Ca2+:-COOH մոլային հարաբերակցությամբ: (Գ) Հիդրոգելային փրփուրներում օդի ծավալային հարաբերակցությունների միջակայքը: (Դ) Ալգինատային հիդրոգելային փրփուրների սխեմատիկ ներկայացումը՝ տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով:
Հաշվարկվել է ալգինատային հիդրոգելերի տարրական կազմը՝ 5% կոնցենտրացիայով և 0.18 Ca2+:-COOH մոլային հարաբերակցությամբ, և արդյունքները ներկայացված են աղյուսակ 3-ում: Նախորդ բանաձևի (5) գումարման կանոնի համաձայն, ալգինատային հիդրոգելի զանգվածի մարման գործակիցը \(\:\:\mu\:/\rho\:\) ստացվում է նկար 1Բ-ում ցույց տրվածի պես:
Օդի և ջրի \(\:\mu\:/\rho\:\) արժեքները ստացվել են անմիջապես NIST 12612 ստանդարտների հղման տվյալների բազայից: Այսպիսով, նկար 1C-ն ցույց է տալիս մարդու թոքերի համար հիդրոգելային փրփուրներում հաշվարկված օդի ծավալային հարաբերակցությունները՝ HU համարժեք արժեքներով -600-ից -700 սահմաններում: Տեսականորեն հաշվարկված օդի ծավալային հարաբերակցությունը կայուն է 60–70%-ի սահմաններում՝ 1 × 10−3-ից մինչև 2 × 101 ՄէՎ էներգետիկ տիրույթում, ինչը վկայում է հիդրոգելային փրփուրի կիրառման լավ ներուժի մասին հետագա արտադրական գործընթացներում:
Նկար 1D-ն ցույց է տալիս ալգինատային հիդրոգելային փրփուրի պատրաստված նմուշը: Բոլոր նմուշները կտրվել են խորանարդիկների՝ 12.7 մմ եզրի երկարությամբ: Արդյունքները ցույց են տվել, որ ձևավորվել է միատարր, եռաչափ կայուն հիդրոգելային փրփուր: Անկախ օդի ծավալային հարաբերակցությունից, հիդրոգելային փրփուրների տեսքի մեջ էական տարբերություններ չեն նկատվել: Հիդրոգլելային փրփուրի ինքնապահպանվող բնույթը ենթադրում է, որ հիդրոգելի ներսում ձևավորված ցանցը բավականաչափ ամուր է փրփուրի քաշը պահելու համար: Բացի փրփուրից ջրի փոքր քանակությամբ արտահոսքից, փրփուրը նաև ցույց է տվել մի քանի շաբաթվա անցողիկ կայունություն:
Փրփուրի նմուշի զանգվածը և ծավալը չափելով՝ հաշվարկվել է պատրաստված հիդրոգելային փրփուրի \(\:\rho\:\) խտությունը, և արդյունքները ներկայացված են աղյուսակ 4-ում: Արդյունքները ցույց են տալիս \(\:\rho\:\)-ի կախվածությունը օդի ծավալային հարաբերակցությունից: Երբ բավարար քանակությամբ օդ է խառնվում նմուշի 50 մլ-ի հետ, խտությունը դառնում է ամենացածրը և կազմում է 0.482 գ/սմ3: Խառը օդի քանակը նվազեցնելուն զուգընթաց խտությունը մեծանում է մինչև 0.685 գ/սմ3: 50 մլ, 100 մլ և 110 մլ խմբերի միջև առավելագույն p արժեքը կազմել է 0.004 < 0.05, ինչը ցույց է տալիս արդյունքների վիճակագրական նշանակալիությունը:
Տեսական \(\:\rho\:\) արժեքը նույնպես հաշվարկվում է կառավարվող օդի ծավալային հարաբերակցության միջոցով: Չափված արդյունքները ցույց են տալիս, որ \(\:\rho\:\)-ը 0.1 գ/սմ³ փոքր է տեսական արժեքից: Այս տարբերությունը կարելի է բացատրել գելացման գործընթացի ընթացքում հիդրոգելում առաջացող ներքին լարվածությամբ, որը առաջացնում է այտուցվածություն և, հետևաբար, հանգեցնում է \(\:\rho\:\-ի նվազմանը: Սա հետագայում հաստատվեց նկար 2-ում (A, B և C) ներկայացված համակարգչային տոմոգրաֆիայի պատկերներում հիդրոգելային փրփուրի ներսում որոշ ճեղքերի դիտարկմամբ:
Տարբեր օդային ծավալային պարունակությամբ հիդրոգելային փրփուրների օպտիկական մանրադիտակային պատկերներ (A) 50, (B) 100 և (C) 110: Բջիջների քանակը և ծակոտիների չափերի բաշխումը ալգինատային հիդրոգելային փրփուրի նմուշներում (D) 50, (E) 100, (F) 110:
Նկար 3-ը (A, B, C) ցույց է տալիս հիդրոգելային փրփուրի նմուշների օպտիկական մանրադիտակի պատկերները՝ տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով: Արդյունքները ցույց են տալիս հիդրոգելային փրփուրի օպտիկական կառուցվածքը՝ հստակ ցույց տալով տարբեր տրամագծերի ծակոտիների պատկերները: Ծակոտիների քանակի և տրամագծի բաշխումը հաշվարկվել է ImageJ-ի միջոցով: Յուրաքանչյուր նմուշի համար արվել է վեց պատկեր, յուրաքանչյուր պատկերի չափը կազմել է 1125.27 մկմ × 843.96 մկմ, իսկ յուրաքանչյուր նմուշի ընդհանուր վերլուծված մակերեսը կազմել է 5.7 մմ²:
(Ա) Ալգինատային հիդրոգելային փրփուրների սեղմման լարվածություն-դեֆորմացիա վարքագիծը՝ տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով։ (Բ) Էքսպոնենցիալ հարմարեցում։ (Գ) Հիդրոգելային փրփուրների տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով սեղմման E0 գործակիցը։ (Դ) Ալգինատային հիդրոգելային փրփուրների տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով վերջնական սեղմման լարումը և դեֆորմացիան։
Նկար 3-ը (D, E, F) ցույց է տալիս, որ ծակոտիների չափերի բաշխումը համեմատաբար միատարր է՝ տասնյակ միկրոմետրերից մինչև մոտ 500 միկրոմետր։ Ծակոտիների չափը հիմնականում միատարր է և փոքր-ինչ նվազում է օդի ծավալի նվազումին զուգընթաց։ Փորձարկման տվյալների համաձայն՝ 50 մլ նմուշի ծակոտիների միջին չափը կազմում է 192.16 մկմ, միջնարժեքը՝ 184.51 մկմ, իսկ մեկ միավոր մակերեսի վրա ծակոտիների քանակը՝ 103։ 100 մլ նմուշի ծակոտիների միջին չափը կազմում է 156.62 մկմ, միջնարժեքը՝ 151.07 մկմ, իսկ մեկ միավոր մակերեսի վրա ծակոտիների քանակը՝ 109։ 110 մլ նմուշի համապատասխան արժեքները համապատասխանաբար կազմում են 163.07 մկմ, 150.29 մկմ և 115։ Տվյալները ցույց են տալիս, որ ավելի մեծ ծակոտիներն ավելի մեծ ազդեցություն ունեն միջին ծակոտիների չափի վիճակագրական արդյունքների վրա, և միջնարժեքի չափը կարող է ավելի լավ արտացոլել ծակոտիների չափի փոփոխության միտումը։ Նմուշի ծավալի 50 մլ-ից մինչև 110 մլ մեծանալուն զուգընթաց, մեծանում է նաև ծակոտիների քանակը։ Միջին ծակոտիների տրամագծի և ծակոտիների քանակի վիճակագրական արդյունքները համատեղելով՝ կարելի է եզրակացնել, որ ծավալի աճին զուգընթաց նմուշի ներսում ձևավորվում են ավելի շատ՝ ավելի փոքր չափի ծակոտիներ։
Մեխանիկական փորձարկման տվյալները ներկայացված են նկար 4A-ում և 4D-ում: Նկար 4A-ն ցույց է տալիս պատրաստված հիդրոգելային փրփուրների սեղմման լարվածություն-դեֆորմացիա վարքը՝ տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ բոլոր նմուշներն ունեն նմանատիպ ոչ գծային լարվածություն-դեֆորմացիա վարք: Յուրաքանչյուր նմուշի համար լարվածությունն ավելի արագ է աճում լարվածության աճի հետ մեկտեղ: Հիդրոգելային փրփուրի սեղմման լարվածություն-դեֆորմացիա վարքագծին հարմարեցվել է էքսպոնենցիալ կոր: Նկար 4B-ն ցույց է տալիս արդյունքները՝ էքսպոնենցիալ ֆունկցիան որպես մոտավոր մոդել հիդրոգելային փրփուրի վրա կիրառելուց հետո:
Տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով հիդրոգելային փրփուրների համար ուսումնասիրվել է նաև դրանց սեղմման մոդուլը (E0): Հիդրոգելերի վերլուծության նման, սեղմման Յունգի մոդուլը ուսումնասիրվել է սկզբնական 20% լարվածության միջակայքում: Սեղմման փորձարկումների արդյունքները ներկայացված են նկար 4C-ում: Նկար 4C-ի արդյունքները ցույց են տալիս, որ 50-րդ նմուշից մինչև 110-րդ նմուշ օդի ծավալային հարաբերակցության նվազմանը զուգընթաց, ալգինատային հիդրոգելային փրփուրի սեղմման Յունգի մոդուլը E0 աճում է 10.86 կՊա-ից մինչև 18 կՊա:
Նմանապես, ստացվել են հիդրոգելային փրփուրների ամբողջական լարվածություն-դեֆորմացիա կորերը, ինչպես նաև սեղմման և դեֆորմացիայի վերջնական արժեքները: Նկար 4D-ն ցույց է տալիս ալգինատային հիդրոգելային փրփուրների սեղմման և դեֆորմացիայի վերջնական արժեքները: Յուրաքանչյուր տվյալ երեք փորձարկման արդյունքների միջինն է: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ գազի պարունակության նվազման հետ մեկտեղ սեղմման վերջնական լարումը աճում է 9.84 կՊա-ից մինչև 17.58 կՊա: Վերջնական դեֆորմացիան մնում է կայուն մոտ 38%-ի սահմաններում:
Նկար 2-ը (A, B և C) ցույց է տալիս հիդրոգելային փրփուրների համակարգչային տոմոգրաֆիայի պատկերները՝ տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցություններով, որոնք համապատասխանում են համապատասխանաբար 50, 100 և 110 նմուշներին: Պատկերները ցույց են տալիս, որ ձևավորված հիդրոգելային փրփուրը գրեթե համասեռ է: 100 և 110 նմուշներում նկատվել են փոքր քանակությամբ ճեղքեր: Այս ճեղքերի առաջացումը կարող է պայմանավորված լինել գելացման գործընթացի ընթացքում հիդրոգելում առաջացող ներքին լարվածությամբ: Մենք հաշվարկել ենք HU արժեքները յուրաքանչյուր նմուշի 5 լայնական հատույթների համար և դրանք թվարկել ենք աղյուսակ 5-ում՝ համապատասխան տեսական հաշվարկի արդյունքների հետ միասին:
Աղյուսակ 5-ը ցույց է տալիս, որ տարբեր օդի ծավալի հարաբերակցություններ ունեցող նմուշները ստացել են տարբեր HU արժեքներ: 50 մլ, 100 մլ և 110 մլ խմբերի միջև առավելագույն p արժեքը կազմել է 0.004 < 0.05, ինչը ցույց է տալիս արդյունքների վիճակագրական նշանակալիությունը: Փորձարկված երեք նմուշներից 50 մլ խառնուրդով նմուշն ուներ մարդու թոքերի ռադիոլոգիական հատկություններին ամենամոտ ռադիոլոգիական հատկությունները: Աղյուսակ 5-ի վերջին սյունակը չափված փրփուրի արժեքի \(\:\rho\:\) հիման վրա տեսական հաշվարկով ստացված արդյունքն է: Չափված տվյալները տեսական արդյունքների հետ համեմատելով՝ կարելի է պարզել, որ համակարգչային տոմոգրաֆիայի միջոցով ստացված HU արժեքները, ընդհանուր առմամբ, մոտ են տեսական արդյունքներին, ինչը, իր հերթին, հաստատում է նկար 1C-ում ներկայացված օդի ծավալի հարաբերակցության հաշվարկի արդյունքները:
Այս ուսումնասիրության հիմնական նպատակն է ստեղծել նյութ, որն ունի մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկություններ, որոնք համեմատելի են մարդու թոքերի հատկությունների հետ: Այս նպատակին հասել են հիդրոգելի վրա հիմնված նյութ մշակելով, որն ունի հյուսվածքին համարժեք մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկություններ, որոնք հնարավորինս մոտ են մարդու թոքերի հատկություններին: Տեսական հաշվարկներով առաջնորդվելով՝ նատրիումի ալգինատի լուծույթը, CaCO3-ը, GDL-ը և SLES 70-ը մեխանիկորեն խառնելով պատրաստվել են տարբեր օդի ծավալային հարաբերակցությամբ հիդրոգելային փրփուրներ: Մորֆոլոգիական վերլուծությունը ցույց է տվել, որ ձևավորվել է համասեռ եռաչափ կայուն հիդրոգելային փրփուր: Օդի ծավալային հարաբերակցությունը փոխելով՝ փրփուրի խտությունը և ծակոտկենությունը կարող են փոփոխվել ըստ ցանկության: Օդի ծավալային պարունակության աճին զուգընթաց՝ ծակոտիների չափը փոքր-ինչ նվազում է, իսկ ծակոտիների քանակը՝ ավելանում: Ալգինատային հիդրոգելային փրփուրների մեխանիկական հատկությունները վերլուծելու համար անցկացվել են սեղմման փորձարկումներ: Արդյունքները ցույց են տվել, որ սեղմման փորձարկումներից ստացված սեղմման մոդուլը (E0) գտնվում է մարդու թոքերի համար իդեալական միջակայքում: E0-ն աճում է օդի ծավալային հարաբերակցության նվազմանը զուգընթաց: Պատրաստված նմուշների ռադիոլոգիական հատկությունների (HU) արժեքները ստացվել են նմուշների համակարգչային տոմոգրաֆիայի տվյալների հիման վրա և համեմատվել են տեսական հաշվարկների արդյունքների հետ։ Արդյունքները բարենպաստ էին։ Չափված արժեքը նույնպես մոտ է մարդու թոքերի HU արժեքին։ Արդյունքները ցույց են տալիս, որ հնարավոր է ստեղծել հյուսվածքը նմանակող հիդրոգելային փրփուրներ՝ մեխանիկական և ռադիոլոգիական հատկությունների իդեալական համադրությամբ, որոնք նմանակում են մարդու թոքերի հատկությունները։
Չնայած խոստումնալից արդյունքներին, արտադրության ներկայիս մեթոդները պետք է կատարելագործվեն՝ օդի ծավալի հարաբերակցությունը և ծակոտկենությունը ավելի լավ վերահսկելու համար, որպեսզի համապատասխանեն տեսական հաշվարկներից և իրական մարդու թոքերից ստացված կանխատեսումներին՝ թե՛ գլոբալ, թե՛ տեղական մասշտաբներով: Ներկայիս ուսումնասիրությունը սահմանափակվում է նաև սեղմման մեխանիկայի ստուգմամբ, ինչը սահմանափակում է ֆանտոմի հնարավոր կիրառումը շնչառական ցիկլի սեղմման փուլում: Ապագա հետազոտությունները կշահեն ձգման փորձարկման, ինչպես նաև նյութի ընդհանուր մեխանիկական կայունության ուսումնասիրությունից՝ դինամիկ բեռնման պայմաններում հնարավոր կիրառությունները գնահատելու համար: Այս սահմանափակումներին չնայած, ուսումնասիրությունը ռադիոլոգիական և մեխանիկական հատկությունները համատեղելու առաջին հաջող փորձն է մեկ նյութում, որը նմանակում է մարդու թոքերը:
Ընթացիկ ուսումնասիրության ընթացքում ստեղծված և/կամ վերլուծված տվյալների հավաքածուները հասանելի են համապատասխան հեղինակից՝ ողջամիտ պահանջի դեպքում: Ե՛վ փորձերը, և՛ տվյալների հավաքածուները վերարտադրելի են:
Սոնգ, Գ. և այլք։ Նորարարական նանոտեխնոլոգիաներ և առաջադեմ նյութեր քաղցկեղի ճառագայթային թերապիայի համար։ Adv. Mater. 29, 1700996։ https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017)։
Քիլ, Պ.Ջ. և այլք։ Շնչառական շարժման կառավարման վերաբերյալ AAPM 76a աշխատանքային խմբի զեկույցը ճառագայթային ուռուցքաբանության մեջ։ Բժշկական ֆիզիկա 33, 3874–3900։ https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006)։
Ալ-Մայա, Ա., Մոսլի, Ջ., և Բրոք, Կ.Կ. Մարդու թոքերում միջերեսի և նյութական ոչ գծայինության մոդելավորումը: Ֆիզիկա և բժշկություն և կենսաբանություն 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008):
Վանգ, Շ. և այլք։ 3D բիոտպագրության միջոցով ստեղծված ուռուցքանման թոքերի քաղցկեղի մոդել։ 3. Կենսատեխնոլոգիա։ 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018)։
Լի, Մ. և այլք։ Թոքերի դեֆորմացիայի մոդելավորում. մեթոդ, որը համատեղում է դեֆորմացվող պատկերի գրանցման տեխնիկան և տարածականորեն փոփոխվող Յունգի մոդուլի գնահատումը։ Բժշկական ֆիզիկա 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013)։
Գիմարայեշ, ԿՖ և այլք։ Կենդանի հյուսվածքի կոշտությունը և դրա ազդեցությունը հյուսվածքային ինժեներիայի վրա։ Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020)։