Salamat sa pagbisita sa nature.com. Ang bersyon sa browser nga imong gigamit adunay limitado nga suporta sa CSS. Para sa pinakamaayong kasinatian, among girekomendar ang paggamit sa pinakabag-ong bersyon sa browser (o pag-off sa compatibility mode sa Internet Explorer). Dugang pa, aron masiguro ang padayon nga suporta, kini nga site dili maglakip sa mga estilo o JavaScript.
Ang paglihok sa mga organo ug tisyu mahimong mosangpot sa mga sayop sa pagpahimutang sa mga X-ray atol sa radiotherapy. Busa, ang mga materyales nga adunay tissue-equivalent mechanical ug radiological properties gikinahanglan aron masundog ang paglihok sa organ alang sa pag-optimize sa radiotherapy. Bisan pa, ang pagpalambo sa ingon nga mga materyales nagpabilin nga usa ka hagit. Ang mga alginate hydrogel adunay mga kabtangan nga susama sa extracellular matrix, nga naghimo kanila nga saad isip tissue-equivalent materials. Niini nga pagtuon, ang alginate hydrogel foams nga adunay gitinguha nga mechanical ug radiological properties gi-synthesize pinaagi sa in situ Ca2+ release. Ang air-to-volume ratio gikontrol pag-ayo aron makakuha og hydrogel foams nga adunay gihubit nga mechanical ug radiological properties. Ang macro- ug micromorphology sa mga materyales gihulagway, ug ang pamatasan sa hydrogel foams ubos sa compression gitun-an. Ang mga radiological properties gibanabana sa teoretikal ug gipamatud-an sa eksperimento gamit ang computed tomography. Kini nga pagtuon naghatag kahayag sa umaabot nga pag-uswag sa mga tissue-equivalent materials nga magamit alang sa radiation dose optimization ug quality control atol sa radiotherapy.
Ang radiation therapy usa ka komon nga pagtambal sa kanser1. Ang paglihok sa mga organo ug tisyu kanunay nga mosangpot sa mga sayop sa pagposisyon sa X-ray atol sa radiation therapy2, nga mahimong moresulta sa dili maayo nga pagtambal sa tumor ug sobra nga pagkaladlad sa palibot nga himsog nga mga selula sa wala kinahanglana nga radiation. Ang abilidad sa pagtagna sa paglihok sa mga organo ug tisyu hinungdanon aron maminusan ang mga sayop sa lokalisasyon sa tumor. Kini nga pagtuon nagpunting sa mga baga, tungod kay kini moagi sa hinungdanon nga mga deformasyon ug paglihok kung ang mga pasyente moginhawa atol sa radiation therapy. Nagkalainlain nga mga modelo sa finite element ang naugmad ug gigamit aron sundogon ang paglihok sa baga sa tawo3,4,5. Bisan pa, ang mga organo ug tisyu sa tawo adunay komplikado nga mga geometriya ug labi nga nagsalig sa pasyente. Busa, ang mga materyales nga adunay mga kabtangan nga katumbas sa tisyu mapuslanon kaayo alang sa pagpalambo sa mga pisikal nga modelo aron mapamatud-an ang mga teoretikal nga modelo, mapadali ang gipauswag nga medikal nga pagtambal, ug alang sa mga katuyoan sa edukasyon sa medisina.
Ang pag-uswag sa mga materyales nga nagsundog sa humok nga tisyu aron makab-ot ang komplikado nga eksternal ug internal nga istruktura sa geometriya nakadani og daghang atensyon tungod kay ang ilang kinaiyanhon nga mekanikal nga mga pagkadili-konsistente mahimong mosangpot sa mga kapakyasan sa mga target nga aplikasyon6,7. Ang pagmodelo sa komplikado nga biomechanics sa tisyu sa baga, nga naghiusa sa grabeng kahumok, elasticity, ug structural porosity, naghatag usa ka dakong hagit sa pagpalambo sa mga modelo nga tukma nga nagkopya sa baga sa tawo. Ang paghiusa ug pagpares sa mekanikal ug radiological nga mga kabtangan hinungdanon alang sa epektibo nga performance sa mga modelo sa baga sa mga therapeutic intervention. Ang additive manufacturing napamatud-an nga epektibo sa pagpalambo sa mga modelo nga espesipiko sa pasyente, nga nagtugot sa paspas nga prototyping sa komplikado nga mga disenyo. Si Shin et al. 8 nakaugmad og usa ka masubli, mabag-o nga modelo sa baga nga adunay 3D-printed airways. Si Haselaar et al. 9 nakaugmad og usa ka phantom nga susama kaayo sa tinuod nga mga pasyente alang sa pagtimbang-timbang sa kalidad sa imahe ug mga pamaagi sa pag-verify sa posisyon alang sa radiotherapy. Si Hong et al10 nakaugmad og usa ka modelo sa CT sa dughan gamit ang 3D printing ug silicone casting technology aron makopya ang intensity sa CT sa lainlaing mga samad sa baga aron masusi ang katukma sa quantification. Apan, kini nga mga prototype sagad ginama sa mga materyales kansang epektibong mga kabtangan lahi kaayo sa mga tisyu sa baga11.
Sa pagkakaron, kadaghanan sa mga lung phantom hinimo sa silicone o polyurethane foam, nga dili mohaom sa mekanikal ug radiological nga mga kabtangan sa tinuod nga lung parenchyma.12,13 Ang mga alginate hydrogel kay biocompatible ug kaylap nga gigamit sa tissue engineering tungod sa ilang tunable mechanical properties.14 Bisan pa, ang pagkopya sa ultra-soft, foam-like consistency nga gikinahanglan para sa usa ka lung phantom nga tukma nga nagsundog sa elasticity ug filling structure sa lung tissue nagpabilin nga usa ka eksperimental nga hagit.
Niini nga pagtuon, gituohan nga ang tisyu sa baga usa ka homogenous nga elastic nga materyal. Ang densidad sa tisyu sa baga sa tawo (\(\:\rho\:\)) gitaho nga 1.06 g/cm3, ug ang densidad sa gipadako nga baga kay 0.26 g/cm315. Daghang klase sa Young's modulus (MY) nga mga kantidad sa tisyu sa baga ang nakuha gamit ang lain-laing mga pamaagi sa eksperimento. Gisukod ni Lai-Fook et al. 16 ang YM sa baga sa tawo nga adunay uniform nga inflation nga 0.42–6.72 kPa. Gigamit ni Goss et al. 17 ang magnetic resonance elastography ug gitaho ang YM nga 2.17 kPa. Gireport ni Liu et al. 18 ang direktang gisukod nga YM nga 0.03–57.2 kPa. Gibanabana ni Ilegbusi et al. 19 ang YM nga 0.1–2.7 kPa base sa 4D CT data nga nakuha gikan sa pinili nga mga pasyente.
Para sa mga radiological nga kabtangan sa baga, daghang mga parameter ang gigamit aron ihulagway ang interaksyon sa tisyu sa baga sa X-ray, lakip ang elemental nga komposisyon, densidad sa electron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), epektibo nga atomic number (\(\:{Z}_{eff}\)), mean excitation energy (\(\:I\)), mass attenuation coefficient (\(\:\mu\:/\rho\:\)) ug ang Hounsfield unit (HU), nga direktang may kalabotan sa \(\:\mu\:/\rho\:\).
Ang densidad sa elektron \(\:{\rho\:}_{e}\) gihubit isip gidaghanon sa mga elektron kada yunit sa volume ug gikalkulo sama sa mosunod:
diin ang \(\:\rho\:\) mao ang densidad sa materyal sa g/cm3, ang \(\:{N}_{A}\) mao ang Avogadro constant, ang \(\:{w}_{i}\) mao ang mass fraction, ang \(\:{Z}_{i}\) mao ang atomic number, ug ang \(\:{A}_{i}\) mao ang atomic weight sa ika-i nga elemento.
Ang atomic number direktang may kalabutan sa kinaiya sa radiation interaction sulod sa materyal. Para sa mga compound ug mixture nga adunay daghang elemento (pananglitan, mga tela), ang effective atomic number \(\:{Z}_{eff}\) kinahanglan nga kuwentahon. Ang pormula gisugyot ni Murthy et al. 20:
Ang aberids nga enerhiya sa pag-excite \(\:I\) naghulagway kon unsa kadali ang pagsuhop sa target nga materyal sa kinetic energy sa mga penetrating particle. Kini naghulagway lamang sa mga kabtangan sa target nga materyal ug walay kalabotan sa mga kabtangan sa mga particle. Ang \(\:I\) mahimong makalkulo pinaagi sa pag-apply sa additivity rule ni Bragg:
Ang mass attenuation coefficient \(\:\mu\:/\rho\:\) naghulagway sa penetration ug energy release sa mga photon sa target nga materyal. Mahimo kining kalkulado gamit ang mosunod nga pormula:
Diin ang \(\:x\) mao ang gibag-on sa materyal, ang \(\:{I}_{0}\) mao ang intensidad sa kahayag nga moabot, ug ang \(\:I\) mao ang intensidad sa photon human sa pagsulod sa materyal. Ang datos sa \(\:\mu\:/\rho\:\) makuha direkta gikan sa NIST 12621 Standards Reference Database. Ang mga kantidad sa \(\:\mu\:/\rho\:\) para sa mga sagol ug mga compound makuha gamit ang additivity rule sama sa mosunod:
Ang HU usa ka estandardisadong walay dimensyon nga yunit sa pagsukod sa radiodensidad sa interpretasyon sa datos sa computed tomography (CT), nga linear nga gibag-o gikan sa gisukod nga attenuation coefficient \(\:\mu\:\). Kini gihubit nga:
diin ang \(\:{\mu\:}_{tubig}\) mao ang koepisyente sa pag-ubos sa hangin sa tubig, ug ang \(\:{\mu\:}_{hangin}\) mao ang koepisyente sa pag-ubos sa hangin sa hangin. Busa, gikan sa pormula (6) atong makita nga ang bili sa HU sa tubig kay 0, ug ang bili sa HU sa hangin kay -1000. Ang bili sa HU para sa baga sa tawo gikan sa -600 hangtod -70022.
Daghang mga materyales nga katumbas sa tisyu ang naugmad. Si Griffith et al. 23 nakaugmad og usa ka modelo nga katumbas sa tisyu sa lawas sa tawo nga hinimo sa polyurethane (PU) diin gidugang ang lainlaing mga konsentrasyon sa calcium carbonate (CaCO3) aron ma-simulate ang linear attenuation coefficients sa lainlaing mga organo sa tawo lakip ang baga sa tawo, ug ang modelo ginganlan og Griffith. Si Taylor24 nagpresentar og ikaduhang modelo nga katumbas sa tisyu sa baga nga gihimo sa Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), nga ginganlan og LLLL1. Si Traub et al.25 nakaugmad og usa ka bag-ong lung tissue substitute gamit ang Foamex XRS-272 nga adunay 5.25% CaCO3 isip performance enhancer, nga ginganlan og ALT2. Ang mga Talaan 1 ug 2 nagpakita sa pagtandi sa \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) ug ang mass attenuation coefficients para sa baga sa tawo (ICRU-44) ug sa mga modelo nga katumbas sa tisyu sa ibabaw.
Bisan pa sa maayo kaayong mga radiological nga kabtangan nga nakab-ot, halos tanang phantom nga materyales hinimo sa polystyrene foam, nga nagpasabot nga ang mekanikal nga mga kabtangan niini nga mga materyales dili makatupong sa mga kabtangan sa baga sa tawo. Ang Young's modulus (YM) sa polyurethane foam mga 500 kPa, nga layo pa sa sulundon kon itandi sa normal nga baga sa tawo (mga 5-10 kPa). Busa, gikinahanglan ang paghimo og bag-ong materyal nga makatagbo sa mekanikal ug radiological nga mga kinaiya sa tinuod nga baga sa tawo.
Ang mga hydrogel kay kaylap nga gigamit sa tissue engineering. Ang istruktura ug mga kabtangan niini susama sa extracellular matrix (ECM) ug dali ra ma-adjust. Niini nga pagtuon, ang puro nga sodium alginate gipili isip biomaterial para sa pag-andam sa mga foam. Ang mga alginate hydrogel kay biocompatible ug kaylap nga gigamit sa tissue engineering tungod sa ilang ma-adjust nga mekanikal nga mga kabtangan. Ang elemental nga komposisyon sa sodium alginate (C6H7NaO6)n ug ang presensya sa Ca2+ nagtugot sa mga radiological nga kabtangan niini nga ma-adjust kung gikinahanglan. Kini nga kombinasyon sa ma-adjust nga mekanikal ug radiological nga mga kabtangan naghimo sa mga alginate hydrogel nga sulundon alang sa among pagtuon. Siyempre, ang mga alginate hydrogel adunay usab mga limitasyon, labi na sa mga termino sa dugay nga kalig-on sa panahon sa simulated respiratory cycles. Busa, gikinahanglan ang dugang nga mga pag-uswag ug gilauman sa umaabot nga mga pagtuon aron matubag kini nga mga limitasyon.
Niini nga trabaho, nakaugmad kami og alginate hydrogel foam nga materyal nga adunay kontrolado nga mga kantidad sa rho, elasticity, ug mga radiological nga kabtangan nga susama sa tisyu sa baga sa tawo. Kini nga pagtuon maghatag usa ka kinatibuk-ang solusyon alang sa paghimo og mga phantom nga sama sa tisyu nga adunay ma-tunable nga elastic ug radiological nga mga kabtangan. Ang mga kabtangan sa materyal dali nga ipasibo sa bisan unsang tisyu ug organo sa tawo.
Ang target nga air to volume ratio sa hydrogel foam gikalkulo base sa HU range sa baga sa tawo (-600 hangtod -700). Gituohan nga ang foam usa ka simpleng sagol nga hangin ug sintetikong alginate hydrogel. Gamit ang simpleng lagda sa pagdugang sa indibidwal nga mga elemento \(\:\mu\:/\rho\:\), ang volume fraction sa hangin ug ang volume ratio sa na-synthesize nga alginate hydrogel mahimong makalkulo.
Ang mga alginate hydrogel foam giandam gamit ang sodium alginate (Part No. W201502), CaCO3 (Part No. 795445, MW: 100.09), ug GDL (Part No. G4750, MW: 178.14) nga gipalit gikan sa Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) gipalit gikan sa Renowned Trading LLC. Gigamit ang deionized nga tubig sa proseso sa pag-andam sa foam. Ang sodium alginate gitunaw sa deionized nga tubig sa temperatura sa kwarto nga adunay kanunay nga pagkutaw (600 rpm) hangtod nga makuha ang usa ka homogenous nga yellow translucent nga solusyon. Ang CaCO3 inubanan sa GDL gigamit isip tinubdan sa Ca2+ aron magsugod sa gelation. Ang SLES 70 gigamit isip surfactant aron maporma ang usa ka porous nga istruktura sulod sa hydrogel. Ang konsentrasyon sa alginate gimentinar sa 5% ug ang Ca2+:-COOH molar ratio gimentinar sa 0.18. Ang CaCO3:GDL molar ratio gimentinar usab sa 0.5 atol sa pag-andam sa foam aron mapadayon ang neutral nga pH. Ang kantidad kay 26. 2% sa volume sa SLES 70 ang gidugang sa tanang sample. Usa ka beaker nga adunay taklob ang gigamit aron makontrol ang mixing ratio sa solusyon ug hangin. Ang kinatibuk-ang volume sa beaker kay 140 ml. Base sa mga resulta sa theoretical calculation, lain-laing volume sa mixture (50 ml, 100 ml, 110 ml) ang gidugang sa beaker aron isagol sa hangin. Ang sample nga adunay 50 ml sa mixture gidisenyo aron isagol sa igong hangin, samtang ang air volume ratio sa laing duha ka sample gikontrol. Una, ang SLES 70 gidugang sa alginate solution ug gikutaw gamit ang electric stirrer hangtod nga hingpit nga nasagol. Dayon, ang CaCO3 suspension gidugang sa mixture ug padayon nga gikutaw hangtod nga hingpit nga nasagol ang mixture, sa dihang ang kolor niini nausab ngadto sa puti. Sa katapusan, ang GDL solution gidugang sa mixture aron masugdan ang gelation, ug ang mechanical stirring gipadayon sa tibuok proseso. Para sa sample nga adunay 50 ml nga sagol, ang mekanikal nga pagkutaw gihunong sa dihang ang gidaghanon sa sagol mihunong sa pag-usab-usab. Para sa mga sample nga adunay 100 ml ug 110 ml nga sagol, ang mekanikal nga pagkutaw gihunong sa dihang ang sagol napuno sa beaker. Gisulayan usab namo ang pag-andam og hydrogel foam nga adunay gidaghanon tali sa 50 ml ug 100 ml. Bisan pa, naobserbahan ang kawalay kalig-on sa istruktura sa foam, tungod kay kini nag-usab-usab tali sa kahimtang sa kompleto nga pagsagol sa hangin ug sa kahimtang sa pagkontrol sa gidaghanon sa hangin, nga miresulta sa dili makanunayon nga pagkontrol sa gidaghanon. Kini nga kawalay kalig-on nagdala og kawalay kasiguroan sa mga kalkulasyon, ug busa kini nga range sa gidaghanon wala gilakip niini nga pagtuon.
Ang densidad \(\:\rho\:\) sa usa ka hydrogel foam gikalkulo pinaagi sa pagsukod sa masa \(\:m\) ug gidaghanon \(\:V\) sa usa ka hydrogel foam sample.
Ang optical microscopic nga mga imahe sa hydrogel foam nakuha gamit ang Zeiss Axio Observer A1 camera. Gigamit ang ImageJ software aron makalkulo ang gidaghanon ug gidak-on sa distribusyon sa mga pores sa usa ka sample sa usa ka piho nga lugar base sa nakuha nga mga imahe. Ang porma sa pore giisip nga lingin.
Aron tun-an ang mekanikal nga mga kabtangan sa alginate hydrogel foam, gihimo ang uniaxial compression tests gamit ang TESTRESOURCES 100 series machine. Ang mga sample giputol ngadto sa rectangular blocks ug ang mga dimensyon sa block gisukod aron makalkulo ang stress ug strains. Ang crosshead speed gibutang sa 10 mm/min. Tulo ka sample ang gisulayan alang sa matag sample ug ang mean ug standard deviation gikalkulo gikan sa mga resulta. Kini nga pagtuon nagpunting sa compressive mechanical properties sa alginate hydrogel foams tungod kay ang tisyu sa baga gipailalom sa compressive forces sa usa ka piho nga yugto sa respiratory cycle. Ang extensibility siyempre importante, labi na aron ipakita ang hingpit nga dinamikong pamatasan sa tisyu sa baga ug kini imbestigahan sa umaabot nga mga pagtuon.
Ang giandam nga mga sample sa hydrogel foam gi-scan sa usa ka Siemens SOMATOM Drive dual-channel CT scanner. Ang mga parameter sa pag-scan gitakda sama sa mosunod: 40 mAs, 120 kVp ug 1 mm nga gibag-on sa slice. Ang resulta nga mga DICOM file gisusi gamit ang MicroDicom DICOM Viewer software aron analisahon ang mga kantidad sa HU sa 5 ka cross-section sa matag sample. Ang mga kantidad sa HU nga nakuha pinaagi sa CT gitandi sa mga teoretikal nga kalkulasyon base sa datos sa densidad sa mga sample.
Ang tumong niini nga pagtuon mao ang pagrebolusyon sa paghimo sa indibidwal nga mga modelo sa organo ug artipisyal nga mga tisyu sa biyolohikal pinaagi sa pag-engineer sa humok nga mga materyales. Ang pagpalambo sa mga materyales nga adunay mekanikal ug radiological nga mga kabtangan nga mohaum sa mekanismo sa pagtrabaho sa baga sa tawo importante alang sa mga gipunting nga aplikasyon sama sa pagpaayo sa pagbansay sa medisina, pagplano sa operasyon, ug pagplano sa radiation therapy. Sa Figure 1A, among gi-plot ang kalainan tali sa mekanikal ug radiological nga mga kabtangan sa humok nga mga materyales nga gituohang gigamit sa paghimo sa mga modelo sa baga sa tawo. Hangtod karon, ang mga materyales naugmad na nga nagpakita sa gitinguha nga mga kabtangan sa radiological, apan ang ilang mekanikal nga mga kabtangan wala makatuman sa gitinguha nga mga kinahanglanon. Ang polyurethane foam ug goma mao ang labing kaylap nga gigamit nga mga materyales alang sa paghimo sa mga deformable nga modelo sa baga sa tawo. Ang mekanikal nga mga kabtangan sa polyurethane foam (Young's modulus, YM) kasagaran 10 hangtod 100 ka pilo nga mas dako kaysa sa normal nga tisyu sa baga sa tawo. Ang mga materyales nga nagpakita sa gitinguha nga mekanikal ug radiological nga mga kabtangan wala pa mahibal-i.
(A) Eskematikong representasyon sa mga kabtangan sa nagkalain-laing humok nga materyales ug pagtandi sa baga sa tawo sa termino sa densidad, Young's modulus ug radiological nga mga kabtangan (sa HU). (B) X-ray diffraction pattern sa \(\:\mu\:/\rho\:\) alginate hydrogel nga adunay konsentrasyon nga 5% ug Ca2+:-COOH molar ratio nga 0.18. (C) Sakup sa mga ratio sa volume sa hangin sa mga hydrogel foams. (D) Eskematikong representasyon sa alginate hydrogel foams nga adunay lain-laing mga ratio sa volume sa hangin.
Ang elemental nga komposisyon sa alginate hydrogels nga adunay konsentrasyon nga 5% ug Ca2+:-COOH molar ratio nga 0.18 gikalkulo, ug ang mga resulta gipakita sa Table 3. Sumala sa addition rule sa miaging pormula (5), ang mass attenuation coefficient sa alginate hydrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) nakuha sama sa gipakita sa Figure 1B.
Ang mga kantidad sa \(\:\mu\:/\rho\:\) para sa hangin ug tubig nakuha direkta gikan sa NIST 12612 standards reference database. Busa, ang Figure 1C nagpakita sa gikalkulo nga air volume ratios sa hydrogel foams nga adunay HU equivalent values ​​tali sa -600 ug -700 para sa baga sa tawo. Ang teoretikal nga gikalkulo nga air volume ratio lig-on sulod sa 60–70% sa energy range gikan sa 1 × 10−3 ngadto sa 2 × 101 MeV, nga nagpakita sa maayong potensyal para sa paggamit sa hydrogel foam sa mga downstream manufacturing processes.
Ang Figure 1D nagpakita sa giandam nga alginate hydrogel foam sample. Ang tanang sample giputol ngadto sa mga cube nga may gitas-on sa ngilit nga 12.7 mm. Ang mga resulta nagpakita nga usa ka homogenous, three-dimensionally stable hydrogel foam ang naporma. Bisan unsa pa ang air volume ratio, walay nakitang dakong kalainan sa hitsura sa hydrogel foams. Ang self-sustaining nature sa hydrogel foam nagsugyot nga ang network nga naporma sulod sa hydrogel igo na ka lig-on aron masuportahan ang gibug-aton sa foam mismo. Gawas sa gamay nga pag-agas sa tubig gikan sa foam, ang foam nagpakita usab og temporaryo nga kalig-on sulod sa pipila ka semana.
Pinaagi sa pagsukod sa masa ug gidaghanon sa sample sa foam, ang densidad sa giandam nga hydrogel foam \(\:\rho\:\) gikalkulo, ug ang mga resulta gipakita sa Table 4. Ang mga resulta nagpakita sa pagsalig sa \(\:\rho\:\) sa ratio sa gidaghanon sa hangin. Kung igo nga hangin ang gisagol sa 50 ml sa sample, ang densidad mahimong labing ubos ug 0.482 g/cm3. Samtang ang gidaghanon sa gisagol nga hangin mokunhod, ang densidad motaas ngadto sa 0.685 g/cm3. Ang pinakataas nga p value tali sa mga grupo nga 50 ml, 100 ml ug 110 ml kay 0.004 < 0.05, nga nagpakita sa statistical significance sa mga resulta.
Ang teoretikal nga bili sa \(\:\rho\:\) gikalkulo usab gamit ang kontroladong ratio sa gidaghanon sa hangin. Ang nasukod nga mga resulta nagpakita nga ang \(\:\rho\:\) mas gamay og 0.1 g/cm³ kaysa sa teoretikal nga bili. Kini nga kalainan mahimong ipasabut sa internal nga stress nga namugna sa hydrogel atol sa proseso sa gelation, nga hinungdan sa paghubag ug busa mosangpot sa pagkunhod sa \(\:\rho\:\). Kini dugang nga gikumpirma sa obserbasyon sa pipila ka mga gintang sulod sa hydrogel foam sa mga imahe sa CT nga gipakita sa Figure 2 (A, B ug C).
Mga hulagway sa optical microscopy sa mga hydrogel foam nga adunay lain-laing gidaghanon sa hangin (A) 50, (B) 100, ug (C) 110. Numero sa selula ug distribusyon sa gidak-on sa mga lungag sa mga sample sa alginate hydrogel foam (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Ang Figure 3 (A, B, C) nagpakita sa mga hulagway sa optical microscope sa mga sample sa hydrogel foam nga adunay lain-laing ratio sa volume sa hangin. Ang mga resulta nagpakita sa optical structure sa hydrogel foam, nga klarong nagpakita sa mga hulagway sa mga pores nga adunay lain-laing diametro. Ang distribusyon sa gidaghanon sa pore ug diametro gikalkulo gamit ang ImageJ. Unom ka mga hulagway ang gikuha alang sa matag sample, ang matag hulagway adunay gidak-on nga 1125.27 μm × 843.96 μm, ug ang kinatibuk-ang gisusi nga lugar alang sa matag sample kay 5.7 mm².
(A) Kompresibong stress-strain nga kinaiya sa alginate hydrogel foam nga adunay lain-laing air volume ratios. (B) Exponential fitting. (C) Kompresibong E0 sa hydrogel foam nga adunay lain-laing air volume ratios. (D) Kinatas-ang compressive stress ug strain sa alginate hydrogel foam nga adunay lain-laing air volume ratios.
Ang Figure 3 (D, E, F) nagpakita nga ang distribusyon sa gidak-on sa pore medyo parehas, gikan sa napulo ka micrometer hangtod sa mga 500 micrometer. Ang gidak-on sa pore halos parehas, ug kini gamay nga mikunhod samtang mikunhod ang gidaghanon sa hangin. Sumala sa datos sa pagsulay, ang aberids nga gidak-on sa pore sa 50 ml nga sample kay 192.16 μm, ang median kay 184.51 μm, ug ang gidaghanon sa mga pores kada unit area kay 103; ang aberids nga gidak-on sa pore sa 100 ml nga sample kay 156.62 μm, ang median kay 151.07 μm, ug ang gidaghanon sa mga pores kada unit area kay 109; ang katugbang nga mga kantidad sa 110 ml nga sample kay 163.07 μm, 150.29 μm ug 115, matag usa. Ang datos nagpakita nga ang mas dagkong mga pores adunay mas dako nga impluwensya sa mga resulta sa estadistika sa aberids nga gidak-on sa pore, ug ang median nga gidak-on sa pore mas maayo nga makapakita sa uso sa pagbag-o sa gidak-on sa pore. Samtang motaas ang gidaghanon sa sample gikan sa 50 ml ngadto sa 110 ml, motaas usab ang gidaghanon sa mga pores. Kon ikombinar ang mga resulta sa estadistika sa median pore diameter ug pore number, mahimong ikahinapos nga sa pagsaka sa gidaghanon, mas daghang pores nga mas gagmay ang maporma sulod sa sample.
Ang datos sa mekanikal nga pagsulay gipakita sa Mga Hulagway 4A ug 4D. Ang Hulagway 4A nagpakita sa compressive stress-strain behavior sa giandam nga hydrogel foam nga adunay lainlaing mga ratio sa volume sa hangin. Ang mga resulta nagpakita nga ang tanan nga mga sample adunay parehas nga nonlinear stress-strain behavior. Alang sa matag sample, ang stress mas paspas nga motaas uban ang pagtaas sa strain. Usa ka exponential curve ang gipahaom sa compressive stress-strain behavior sa hydrogel foam. Ang Hulagway 4B nagpakita sa mga resulta human sa pag-apply sa exponential function isip usa ka approximating model sa hydrogel foam.
Para sa mga hydrogel foam nga adunay lain-laing air volume ratios, gitun-an usab ang ilang compressive modulus (E0). Sama sa pag-analisa sa mga hydrogel, ang compressive Young's modulus gisusi sa range nga 20% initial strain. Ang mga resulta sa compression tests gipakita sa Figure 4C. Ang mga resulta sa Figure 4C nagpakita nga samtang ang air volume ratio mokunhod gikan sa sample 50 ngadto sa sample 110, ang compressive Young's modulus E0 sa alginate hydrogel foam motaas gikan sa 10.86 kPa ngadto sa 18 kPa.
Susama, ang kompletong stress-strain curves sa hydrogel foams, ingon man ang ultimate compressive stress ug strain values, nakuha. Ang Figure 4D nagpakita sa ultimate compressive stress ug strain sa alginate hydrogel foams. Ang matag data point mao ang aberids sa tulo ka resulta sa pagsulay. Ang mga resulta nagpakita nga ang ultimate compressive stress motaas gikan sa 9.84 kPa ngadto sa 17.58 kPa uban sa pagkunhod sa gas content. Ang ultimate strain nagpabilin nga lig-on sa mga 38%.
Ang Figure 2 (A, B, ug C) nagpakita sa mga CT image sa hydrogel foam nga adunay lain-laing air volume ratios nga katumbas sa mga sample 50, 100, ug 110, matag usa. Ang mga imahe nagpakita nga ang naporma nga hydrogel foam halos homogenous. Gamay ra nga gidaghanon sa mga kal-ang ang naobserbahan sa mga sample 100 ug 110. Ang pagkaporma niining mga kal-ang mahimong tungod sa internal stress nga namugna sa hydrogel atol sa proseso sa gelation. Among gikalkulo ang mga kantidad sa HU alang sa 5 ka cross section sa matag sample ug gilista kini sa Table 5 uban sa katugbang nga mga resulta sa teoretikal nga kalkulasyon.
Ang Talaan 5 nagpakita nga ang mga sample nga adunay lain-laing ratio sa volume sa hangin nakakuha og lain-laing mga kantidad sa HU. Ang pinakataas nga p value tali sa 50 ml, 100 ml ug 110 ml nga mga grupo kay 0.004 < 0.05, nga nagpakita sa statistical significance sa mga resulta. Taliwala sa tulo ka sample nga gisulayan, ang sample nga adunay 50 ml nga sagol adunay mga radiological properties nga labing duol sa baga sa tawo. Ang katapusang kolum sa Talaan 5 mao ang resulta nga nakuha pinaagi sa theoretical calculation base sa gisukod nga foam value \(\:\rho\:\). Pinaagi sa pagtandi sa gisukod nga datos sa theoretical results, makita nga ang mga kantidad sa HU nga nakuha pinaagi sa CT scanning kasagaran duol sa theoretical results, nga sa baylo nagpamatuod sa mga resulta sa pagkalkula sa air volume ratio sa Figure 1C.
Ang pangunang tumong niini nga pagtuon mao ang paghimo og materyal nga adunay mekanikal ug radiological nga mga kabtangan nga ikatandi sa mga baga sa tawo. Kini nga tumong nakab-ot pinaagi sa pagpalambo og hydrogel-based nga materyal nga adunay gipahaom nga tissue-equivalent nga mekanikal ug radiological nga mga kabtangan nga labing duol sa mga baga sa tawo. Gigiyahan sa mga kalkulasyon sa teoretikal, ang mga hydrogel foam nga adunay lain-laing mga ratio sa volume sa hangin giandam pinaagi sa mekanikal nga pagsagol sa sodium alginate solution, CaCO3, GDL ug SLES 70. Ang pag-analisar sa morpolohiya nagpakita nga usa ka homogenous nga three-dimensional stable hydrogel foam ang naporma. Pinaagi sa pag-usab sa ratio sa volume sa hangin, ang densidad ug porosity sa foam mahimong mausab sumala sa gusto. Uban sa pagtaas sa sulud sa volume sa hangin, ang gidak-on sa pore gamay nga mikunhod ug ang gidaghanon sa mga pores nagdugang. Gihimo ang mga pagsulay sa kompresyon aron analisahon ang mga mekanikal nga kabtangan sa alginate hydrogel foams. Ang mga resulta nagpakita nga ang compressive modulus (E0) nga nakuha gikan sa mga pagsulay sa kompresyon naa sa sulundon nga range alang sa baga sa tawo. Ang E0 motaas samtang ang ratio sa volume sa hangin mikunhod. Ang mga bili sa radiological properties (HU) sa giandam nga mga sample nakuha base sa CT data sa mga sample ug gitandi sa mga resulta sa teoretikal nga kalkulasyon. Maayo ang resulta. Ang nasukod nga bili duol usab sa HU value sa baga sa tawo. Ang mga resulta nagpakita nga posible ang paghimo og tissue-imitating hydrogel foams nga adunay sulundon nga kombinasyon sa mekanikal ug radiological nga mga kabtangan nga nagsundog sa mga kabtangan sa baga sa tawo.
Bisan pa sa maayong mga resulta, ang kasamtangang mga pamaagi sa paggama kinahanglan nga pauswagon aron mas makontrol ang ratio sa volume sa hangin ug porosity aron mohaum sa mga panagna gikan sa mga teoretikal nga kalkulasyon ug tinuod nga baga sa tawo sa parehas nga global ug lokal nga sukod. Ang kasamtangang pagtuon limitado usab sa pagsulay sa compression mechanics, nga naglimite sa potensyal nga aplikasyon sa phantom sa compression phase sa respiratory cycle. Ang umaabot nga panukiduki makabenepisyo gikan sa pag-imbestiga sa tensile testing ingon man ang kinatibuk-ang mekanikal nga kalig-on sa materyal aron masusi ang mga potensyal nga aplikasyon ubos sa mga kondisyon sa dinamikong pagkarga. Bisan pa niini nga mga limitasyon, ang pagtuon nagtimaan sa unang malampuson nga pagsulay sa paghiusa sa mga radiological ug mekanikal nga kabtangan sa usa ka materyal nga nagsundog sa baga sa tawo.
Ang mga dataset nga nahimo ug/o gisusi atol sa kasamtangang pagtuon anaa na sa katugbang nga awtor kon adunay makatarunganong hangyo. Ang mga eksperimento ug mga dataset parehong mahimong kopyahon.
Song, G., et al. Bag-ong mga nanoteknolohiya ug abanteng mga materyales para sa radiation therapy sa kanser. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Report sa AAPM 76a Task Force on Respiratory Motion Management in Radiation Oncology. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., ug Brock, KK Pagmodelo sa interface ug mga nonlinearidad sa materyal sa baga sa tawo. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Modelo sa kanser sa baga nga sama sa tumor nga gihimo pinaagi sa 3D bioprinting. 3. Biotechnology. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Pagmodelo sa deformation sa baga: usa ka pamaagi nga naghiusa sa mga teknik sa deformable image registration ug spatially varying Young's modulus estimation. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Katig-a sa buhing tisyu ug ang mga implikasyon niini alang sa tissue engineering. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).