nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз колдонуп жаткан браузердин версиясында CSS колдоосу чектелүү. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, браузердин акыркы версиясын колдонууну (же Internet Explorerде шайкештик режимин өчүрүүнү) сунуштайбыз. Мындан тышкары, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн бул сайтта стилдер же JavaScript камтылбайт.
Органдардын жана ткандардын кыймылы радиотерапия учурунда рентген нурларынын жайгашуусунда каталарга алып келиши мүмкүн. Ошондуктан, радиотерапияны оптималдаштыруу үчүн органдардын кыймылын туураган ткандарга эквиваленттүү механикалык жана радиологиялык касиеттерге ээ материалдар керек. Бирок, мындай материалдарды иштеп чыгуу кыйынчылык бойдон калууда. Альгинат гидрогелдеринин касиеттери клеткадан тышкаркы матрицага окшош, бул аларды ткандарга эквиваленттүү материалдар катары келечектүү кылат. Бул изилдөөдө каалаган механикалык жана радиологиялык касиеттерге ээ альгинат гидрогел көбүктөрү in situ Ca2+ бөлүп чыгаруу жолу менен синтезделген. Аныкталган механикалык жана радиологиялык касиеттерге ээ гидрогел көбүктөрүн алуу үчүн абанын көлөмгө катышы кылдаттык менен көзөмөлдөнгөн. Материалдардын макро- жана микроморфологиясы мүнөздөлүп, кысуу учурундагы гидрогел көбүктөрүнүн жүрүм-туруму изилденген. Радиологиялык касиеттери теориялык жактан бааланган жана компьютердик томографияны колдонуу менен эксперименталдык түрдө текшерилген. Бул изилдөө радиотерапия учурунда нурлануу дозасын оптималдаштыруу жана сапатты көзөмөлдөө үчүн колдонула турган ткандарга эквиваленттүү материалдардын келечектеги өнүгүшүнө жарык чачат.
Радиациялык терапия ракты дарылоонун кеңири таралган ыкмасы1. Органдардын жана ткандардын кыймылы көбүнчө нур терапиясы учурунда рентген нурларынын жайгашуусундагы каталарга алып келет2, бул шишиктин жетишсиз дарыланышына жана айланадагы дени сак клеткалардын керексиз нурланууга ашыкча дуушар болушуна алып келиши мүмкүн. Органдардын жана ткандардын кыймылын алдын ала айтуу жөндөмү шишиктин локализациясындагы каталарды минималдаштыруу үчүн абдан маанилүү. Бул изилдөө өпкөгө багытталган, анткени алар нур терапиясы учурунда бейтаптар дем алганда олуттуу деформацияларга жана кыймылдарга дуушар болушат. Адамдын өпкөсүнүн кыймылын симуляциялоо үчүн ар кандай чектүү элементтердин моделдери иштелип чыккан жана колдонулган3,4,5. Бирок, адамдын органдары жана ткандары татаал геометрияга ээ жана алар пациентке абдан көз каранды. Ошондуктан, ткандарга эквиваленттүү касиеттери бар материалдар теориялык моделдерди текшерүү, медициналык дарылоону жакшыртууга көмөктөшүү жана медициналык билим берүү максаттары үчүн физикалык моделдерди иштеп чыгуу үчүн абдан пайдалуу.
Татаал тышкы жана ички структуралык геометрияларга жетүү үчүн жумшак ткандарды туураган материалдарды иштеп чыгуу көп көңүлдү бурду, анткени алардын механикалык карама-каршылыктары максаттуу колдонмолордо ийгиликсиздиктерге алып келиши мүмкүн6,7. Өпкө тканынын татаал биомеханикасын моделдөө, өтө жумшактыкты, ийкемдүүлүктү жана структуралык кеуектүүлүктү айкалыштырган, адамдын өпкөсүн так кайра чыгарган моделдерди иштеп чыгууда олуттуу кыйынчылык жаратат. Механикалык жана радиологиялык касиеттерди интеграциялоо жана дал келтирүү терапиялык кийлигишүүлөрдө өпкө моделдеринин натыйжалуу иштеши үчүн абдан маанилүү. Кошумча өндүрүш бейтапка мүнөздүү моделдерди иштеп чыгууда натыйжалуу экени далилденди, бул татаал дизайндарды тез прототиптөөгө мүмкүндүк берет. Шин жана башкалар 8 3D басып чыгарылган аба жолдору менен кайра жасалуучу, деформациялануучу өпкө моделин иштеп чыгышты. Хаселар жана башкалар 9 сүрөттүн сапатын баалоо жана радиотерапия үчүн абалды текшерүү ыкмалары үчүн чыныгы бейтаптарга абдан окшош фантомду иштеп чыгышты. Хонг жана башкалар10 сандык аныктоонун тактыгын баалоо үчүн ар кандай өпкө жабыркоолорунун КТ интенсивдүүлүгүн кайра чыгаруу үчүн 3D басып чыгарууну жана силикон куюу технологиясын колдонуп, көкүрөк компьютердик томографиясынын моделин иштеп чыгышты. Бирок, бул прототиптер көбүнчө өпкө тканынын натыйжалуу касиеттеринен абдан айырмаланган материалдардан жасалат11.
Учурда өпкө фантомдорунун көпчүлүгү силикондон же полиуретан көбүгүнөн жасалган, алар чыныгы өпкө паренхимасынын механикалык жана радиологиялык касиеттерине дал келбейт.12,13 Альгинат гидрогелдери биошайкеш келет жана алардын жөнгө салынуучу механикалык касиеттеринен улам ткань инженериясында кеңири колдонулуп келет.14 Бирок, өпкө тканынын ийкемдүүлүгүн жана толтуруу түзүлүшүн так туураган өпкө фантому үчүн талап кылынган өтө жумшак, көбүк сымал консистенцияны кайра чыгаруу эксперименталдык кыйынчылык бойдон калууда.
Бул изилдөөдө өпкө тканы бир тектүү серпилгич материал деп болжолдонгон. Адамдын өпкө тканынын тыгыздыгы (\(\:\rho\:\)) 1,06 г/см3, ал эми үйлөнгөн өпкөнүн тыгыздыгы 0,26 г/см315 деп айтылат. Өпкө тканынын Янг модулунун (MY) кеңири маанилери ар кандай эксперименталдык ыкмаларды колдонуу менен алынган. Лай-Фук жана башкалар 16 бирдей үйлөтүлгөн адам өпкөсүнүн YMин 0,42–6,72 кПа деп өлчөгөн. Госс жана башкалар 17 магниттик-резонанстык эластографияны колдонуп, YM 2,17 кПа экенин билдиришкен. Лю жана башкалар 18 түз өлчөнгөн YM 0,03–57,2 кПа экенин билдиришкен. Илегбуси жана башкалар 19 тандалган бейтаптардан алынган 4D КТ маалыматтарынын негизинде YMди 0,1–2,7 кПа деп эсептешкен.
Өпкөнүн радиологиялык касиеттери үчүн өпкө тканынын рентген нурлары менен өз ара аракеттенүү жүрүм-турумун сүрөттөө үчүн бир нече параметрлер колдонулат, анын ичинде элементтик курамы, электрон тыгыздыгы (\(\:{\rho\:}_{e}\)), эффективдүү атомдук саны (\(\:{Z}_{eff}\)), орточо дүүлүктүрүү энергиясы (\(\:I\)), массанын басаңдоо коэффициенти (\(\:\mu\:/\rho\:\)) жана түздөн-түз \(\:\mu\:/\rho\:\) менен байланышкан Хаунсфилд бирдиги (HU).
Электрондордун тыгыздыгы \(\:{\rho\:}_{e}\) көлөм бирдигине туура келген электрондордун саны катары аныкталат жана төмөнкүчө эсептелет:
мында √(√) - материалдын тыгыздыгы г/см3 менен, √(√N}_{A}) - Авогадро константасы, √(√w}_{i}) - массалык үлүш, √(√Z}_{i}) - атомдук номер, жана √(√A}_{i}) - i-чи элементтин атомдук салмагы.
Атомдук сан материалдын ичиндеги радиациялык өз ара аракеттенүүнүн мүнөзүнө түздөн-түз байланыштуу. Бир нече элементтерди камтыган кошулмалар жана аралашмалар үчүн (мисалы, кездемелер) эффективдүү атомдук сан \(\:{Z}_{eff}\) эсептелиши керек. Формуланы Мерти жана башкалар сунушташкан. 20:
Орточо дүүлүктүрүү энергиясы \(\:I\) максаттуу материалдын кирип баруучу бөлүкчөлөрдүн кинетикалык энергиясын канчалык оңой сиңирерин сүрөттөйт. Ал максаттуу материалдын касиеттерин гана сүрөттөйт жана бөлүкчөлөрдүн касиеттери менен эч кандай байланышы жок. \(\:I\) Брэггдин аддитивдүүлүк эрежесин колдонуу менен эсептелиши мүмкүн:
Массанын алсыроо коэффициенти \(\:\mu\:/\rho\:\) максаттуу материалдагы фотондордун кирүүсүн жана энергиянын бөлүнүп чыгышын сүрөттөйт. Аны төмөнкү формула менен эсептесе болот:
Мында \(\:x\) - материалдын калыңдыгы, \(\:{I}_{0}\) - түшкөн жарыктын интенсивдүүлүгү, ал эми \(\:I\) - материалга киргенден кийинки фотондун интенсивдүүлүгү. \(\:\mu\:/\rho\:\) маалыматтарын түздөн-түз NIST 12621 Стандарттар Маалыматтык Базасынан алууга болот. Аралашмалар жана кошулмалар үчүн \(\:\mu\:/\rho\:\) маанилерин аддитивдүүлүк эрежесин колдонуу менен төмөнкүдөй алууга болот:
HU – компьютердик томография (КТ) маалыматтарын чечмелөөдө радиотыгыздыкты өлчөөнүн стандартташтырылган өлчөмсүз бирдиги, ал өлчөнгөн басаңдатуу коэффициентинен сызыктуу түрдө өзгөртүлөт \(\:\mu\:\). Ал төмөнкүдөй аныкталат:
мында \(\:{\mu\:}_{water}\) - суунун басаңдоо коэффициенти, ал эми \(\:{\mu\:}_{air}\) - абанын басаңдоо коэффициенти. Демек, (6) формуладан суунун HU мааниси 0гө, ал эми абанын HU мааниси -1000гө барабар экенин көрөбүз. Адамдын өпкөсү үчүн HU мааниси -600дөн -700гө чейин өзгөрөт22.
Бир нече ткандык эквиваленттүү материалдар иштелип чыккан. Гриффит жана башкалар 23 адамдын өпкөсүн кошо алганда, ар кандай адамдын органдарынын сызыктуу алсыроо коэффициенттерин симуляциялоо үчүн ар кандай концентрациядагы кальций карбонатын (CaCO3) кошуп, полиуретандан (PU) жасалган адамдын тулкусунун ткандык эквиваленттүү моделин иштеп чыгышкан жана модель Гриффит деп аталган. Taylor24 Лоуренс Ливермор Улуттук Лабораториясы (LLNL) тарабынан иштелип чыккан LLLL1 деп аталган экинчи өпкө тканынын эквиваленттүү моделин сунуштаган. Traub жана башкалар ALT2 деп аталган, 5,25% CaCO3 камтыган Foamex XRS-272ди натыйжалуулукту күчөткүч катары колдонуп, жаңы өпкө тканынын алмаштыруучусун иштеп чыгышкан. 1 жана 2-таблицаларда адамдын өпкөсү (ICRU-44) жана жогорудагы ткандык эквиваленттүү моделдери үчүн \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) жана массалык алсыроо коэффициенттеринин салыштыруусу көрсөтүлгөн.
Мыкты радиологиялык касиеттерге карабастан, дээрлик бардык фантом материалдары полистирол көбүгүнөн жасалган, бул бул материалдардын механикалык касиеттери адамдын өпкөсүнө жакындай албайт дегенди билдирет. Полиуретан көбүгүнүн Янг модулу (YM) болжол менен 500 кПа түзөт, бул кадимки адамдын өпкөсүнө салыштырмалуу идеалдуу эмес (болжол менен 5-10 кПа). Ошондуктан, чыныгы адамдын өпкөсүнүн механикалык жана радиологиялык мүнөздөмөлөрүнө жооп бере турган жаңы материалды иштеп чыгуу зарыл.
Гидрогельдер ткань инженериясында кеңири колдонулат. Анын түзүлүшү жана касиеттери клеткадан тышкаркы матрицага (КТМ) окшош жана оңой жөнгө салынат. Бул изилдөөдө көбүктөрдү даярдоо үчүн биоматериал катары таза натрий альгинаты тандалып алынган. Альгинат гидрогельдери биошайкеш келет жана жөнгө салынуучу механикалык касиеттеринен улам ткань инженериясында кеңири колдонулат. Натрий альгинатынын (C6H7NaO6)n элементтик курамы жана Ca2+ болушу анын радиологиялык касиеттерин зарылчылыкка жараша жөнгө салууга мүмкүндүк берет. Жөнгө салынуучу механикалык жана радиологиялык касиеттердин мындай айкалышы альгинат гидрогельдерин биздин изилдөө үчүн идеалдуу кылат. Албетте, альгинат гидрогельдеринин да чектөөлөрү бар, айрыкча дем алуу циклдерин симуляциялоо учурунда узак мөөнөттүү туруктуулук жагынан. Ошондуктан, бул чектөөлөрдү чечүү үчүн келечектеги изилдөөлөрдө андан ары жакшыртуулар талап кылынат жана күтүлүүдө.
Бул иште биз адамдын өпкө тканына окшош башкарылуучу rho маанилерине, ийкемдүүлүгүнө жана радиологиялык касиеттерине ээ альгинат гидрогель көбүктүү материалын иштеп чыктык. Бул изилдөө жөнгө салынуучу ийкемдүү жана радиологиялык касиеттери бар ткань сымал фантомдорду жасоонун жалпы чечимин камсыз кылат. Материалдын касиеттерин адамдын каалаган тканына жана органына оңой эле ылайыкташтырууга болот.
Гидрогел көбүгүнүн максаттуу абанын көлөмгө катышы адамдын өпкөсүнүн HU диапазонуна (-600дөн -700гө чейин) негизделип эсептелген. Көбүк аба менен синтетикалык альгинат гидрогелинин жөнөкөй аралашмасы деп болжолдонгон. Жеке элементтерди кошуунун жөнөкөй эрежесин колдонуу менен абанын көлөмдүк үлүшүн жана синтезделген альгинат гидрогелинин көлөмдүк катышын эсептөөгө болот.
Альгинат гидрогелинин көбүктөрү Сент-Луис, Миссури штатындагы Sigma-Aldrich компаниясынан сатылып алынган натрий альгинатын (бөлүк № W201502), CaCO3 (бөлүк № 795445, MW: 100.09) жана GDL (бөлүк № G4750, MW: 178.14) колдонуу менен даярдалган. Renowned Trading LLC компаниясынан 70% натрий лаурил эфир сульфаты (SLES 70) сатылып алынган. Көбүктү даярдоо процессинде деиондоштурулган суу колдонулган. Натрий альгинаты бөлмө температурасында деиондоштурулган сууда бир тектүү сары тунук эритме алынганга чейин тынымсыз аралаштырып (600 айн/мин) эритилген. CaCO3 GDL менен айкалышып, гельдөөнү баштоо үчүн Ca2+ булагы катары колдонулган. SLES 70 гидрогелдин ичинде тешиктүү түзүлүштү түзүү үчүн беттик активдүү зат катары колдонулган. Альгинаттын концентрациясы 5%, ал эми Ca2+:-COOH молярдык катышы 0,18 деңгээлинде сакталган. Көбүктү даярдоо учурунда нейтралдуу рН деңгээлин сактоо үчүн CaCO3:GDL молярдык катышы да 0,5 деңгээлинде сакталган. Бул маани 26,2% түзөт. Бардык үлгүлөргө SLES 70 көлөмү боюнча кошулган. Эритме менен абанын аралаштыруу катышын көзөмөлдөө үчүн капкагы бар стакан колдонулган. Стакандын жалпы көлөмү 140 мл болгон. Теориялык эсептөөлөрдүн жыйынтыктарына таянып, аба менен аралаштыруу үчүн стаканга аралашманын ар кандай көлөмдөрү (50 мл, 100 мл, 110 мл) кошулган. Аралашманын 50 мл камтыган үлгү жетиштүү аба менен аралаштыруу үчүн иштелип чыккан, ал эми калган эки үлгүдөгү абанын көлөмүнүн катышы көзөмөлдөнгөн. Алгач, SLES 70 альгинат эритмесине кошулуп, электр аралаштыргыч менен толук аралашканга чейин аралаштырылган. Андан кийин, аралашмага CaCO3 суспензиясы кошулуп, аралашма толугу менен аралашканга чейин, анын түсү ак түскө өзгөргөнгө чейин тынымсыз аралаштырылган. Акырында, гелдөөнү баштоо үчүн аралашмага GDL эритмеси кошулуп, процесстин жүрүшүндө механикалык аралаштыруу сакталган. 50 мл аралашманы камтыган үлгү үчүн, аралашманын көлөмү өзгөрбөй калганда механикалык аралаштыруу токтотулган. 100 мл жана 110 мл аралашманы камтыган үлгүлөр үчүн, аралашма стаканды толтурганда механикалык аралаштыруу токтотулган. Ошондой эле, көлөмү 50 мл жана 100 мл ортосундагы гидрогель көбүктөрүн даярдоого аракет кылдык. Бирок, көбүктүн структуралык туруксуздугу байкалган, анткени ал толук аба аралашуу абалы менен абанын көлөмүн көзөмөлдөө абалынын ортосунда өзгөрүп турган, бул көлөмдү көзөмөлдөөнүн ыраатсыздыгына алып келген. Бул туруксуздук эсептөөлөргө белгисиздикти алып келген, ошондуктан бул көлөм диапазону бул изилдөөгө киргизилген эмес.
Гидрогель көбүгүнүн тыгыздыгы гидрогель көбүк үлгүсүнүн массасын (м) жана көлөмүн (В) өлчөө менен эсептелет.
Гидрогель көбүктөрүнүн оптикалык микроскопиялык сүрөттөрү Zeiss Axio Observer A1 камерасы аркылуу алынган. Алынган сүрөттөрдүн негизинде белгилүү бир аймактагы үлгүдөгү тешикчелердин санын жана өлчөмүн эсептөө үчүн ImageJ программасы колдонулган. Тешикчелердин формасы тегерек деп болжолдонот.
Альгинат гидрогелинин көбүктөрүнүн механикалык касиеттерин изилдөө үчүн TESTRESOURCES 100 сериясындагы машинаны колдонуу менен бир октуу кысуу сыноолору жүргүзүлдү. Үлгүлөр тик бурчтуу блокторго кесилип, чыңалууларды жана деформацияларды эсептөө үчүн блоктун өлчөмдөрү өлчөнгөн. Кайчылаш ылдамдык 10 мм/мин деп коюлган. Ар бир үлгү үчүн үч үлгү текшерилген жана жыйынтыктардан орточо жана стандарттык четтөө эсептелген. Бул изилдөө альгинат гидрогелинин көбүктөрүнүн кысуу механикалык касиеттерине багытталган, анткени өпкө тканы дем алуу циклинин белгилүү бир этабында кысуу күчтөрүнө дуушар болот. Албетте, созулушу өтө маанилүү, айрыкча өпкө тканынын толук динамикалык жүрүм-турумун чагылдыруу үчүн жана бул келечектеги изилдөөлөрдө изилденет.
Даярдалган гидрогель көбүк үлгүлөрү Siemens SOMATOM Drive кош каналдуу компьютердик томографиясында сканерленген. Сканерлөө параметрлери төмөнкүдөй коюлган: 40 мАс, 120 кВп жана 1 мм кесим калыңдыгы. Алынган DICOM файлдары ар бир үлгүнүн 5 кесилишинин HU маанилерин талдоо үчүн MicroDicom DICOM Viewer программасын колдонуу менен талданган. КТ аркылуу алынган HU маанилери үлгүлөрдүн тыгыздык маалыматтарына негизделген теориялык эсептөөлөр менен салыштырылган.
Бул изилдөөнүн максаты - жумшак материалдарды иштеп чыгуу аркылуу жеке орган моделдерин жана жасалма биологиялык ткандарды жасоодо төңкөрүш жасоо. Адамдын өпкөсүнүн иштөө механикасына дал келген механикалык жана радиологиялык касиеттерге ээ материалдарды иштеп чыгуу медициналык окутууну жакшыртуу, хирургиялык пландаштыруу жана нур терапиясын пландаштыруу сыяктуу максаттуу колдонмолор үчүн маанилүү. 1А-сүрөттө биз адамдын өпкөсүнүн моделдерин жасоодо колдонулган деп болжолдонгон жумшак материалдардын механикалык жана радиологиялык касиеттеринин ортосундагы айырмачылыкты көрсөттүк. Бүгүнкү күнгө чейин каалаган радиологиялык касиеттерди көрсөткөн материалдар иштелип чыккан, бирок алардын механикалык касиеттери каалаган талаптарга жооп бербейт. Полиуретан көбүгү жана резина деформациялануучу адамдын өпкөсүнүн моделдерин жасоо үчүн эң кеңири колдонулган материалдар болуп саналат. Полиуретан көбүгүнүн механикалык касиеттери (Юнг модулу, YM), адатта, кадимки адамдын өпкө тканына караганда 10 эседен 100 эсеге чейин жогору. Каалаган механикалык жана радиологиялык касиеттерди көрсөткөн материалдар азырынча белгисиз.
(A) Ар кандай жумшак материалдардын касиеттеринин схемалык көрсөтүлүшү жана тыгыздыгы, Янг модулу жана радиологиялык касиеттери боюнча адамдын өпкөсү менен салыштыруу (HU менен). (B) 5% концентрациядагы жана 0,18 Ca2+:-COOH молярдык катышындагы альгинат гидрогелинин рентгендик дифракциялык схемасы. (C) Гидрогел көбүктөрүндөгү абанын көлөмүнүн катыштарынын диапазону. (D) Ар кандай абанын көлөмүнүн катыштары бар альгинат гидрогел көбүктөрүнүн схемалык көрсөтүлүшү.
Концентрациясы 5% жана Ca2+:-COOH молярдык катышы 0,18 болгон альгинат гидрогелдеринин элементтик курамы эсептелген жана натыйжалары 3-таблицада көрсөтүлгөн. Мурунку (5) формуладагы кошуу эрежесине ылайык, альгинат гидрогелинин массалык алсыроо коэффициенти 1B сүрөттө көрсөтүлгөндөй алынат.
Аба жана суу үчүн \(\:\mu\:/\rho\:\) маанилери түздөн-түз NIST 12612 стандарттарынын маалымдама базасынан алынган. Ошентип, 1C-сүрөттө адамдын өпкөсү үчүн -600 жана -700 ортосундагы HU эквиваленттүү маанилери бар гидрогель көбүктөрүндөгү эсептелген аба көлөмүнүн катыштары көрсөтүлгөн. Теориялык жактан эсептелген аба көлөмүнүн катышы 1 × 10−3төн 2 × 101 МэВге чейинки энергия диапазонунда 60–70% чегинде туруктуу, бул гидрогель көбүгүн кийинки өндүрүш процесстеринде колдонуунун жакшы потенциалын көрсөтүп турат.
1D-сүрөттө даярдалган альгинат гидрогель көбүгүнүн үлгүсү көрсөтүлгөн. Бардык үлгүлөр четинин узундугу 12,7 мм болгон кубиктерге кесилген. Жыйынтыктар бир тектүү, үч өлчөмдүү туруктуу гидрогель көбүгү пайда болгонун көрсөттү. Аба көлөмүнүн катышына карабастан, гидрогель көбүктөрүнүн сырткы көрүнүшүндө эч кандай олуттуу айырмачылыктар байкалган жок. Гидрогель көбүгүнүн өзүн-өзү камсыз кылуучу мүнөзү гидрогельдин ичинде пайда болгон тармак көбүктүн өзүнүн салмагын көтөрө ала тургандай күчтүү экенин көрсөтүп турат. Көбүктөн бир аз суунун агып чыгышынан тышкары, көбүк бир нече жума бою убактылуу туруктуулукту да көрсөттү.
Көбүк үлгүсүнүн массасын жана көлөмүн өлчөө менен, даярдалган гидрогель көбүгүнүн тыгыздыгы эсептелген жана натыйжалары 4-таблицада көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар абанын көлөмдүк катышына көз карандылыгын көрсөтөт. 50 мл үлгү менен жетиштүү аба аралаштырылганда, тыгыздык эң төмөнкү болуп, 0,482 г/см3 түзөт. Аралаш абанын көлөмү азайган сайын тыгыздык 0,685 г/см3 чейин жогорулайт. 50 мл, 100 мл жана 110 мл топторунун ортосундагы максималдуу p мааниси 0,004 < 0,05 түзгөн, бул жыйынтыктардын статистикалык маанисин көрсөтүп турат.
Теориялык \(\:\rho\:\) мааниси да башкарылуучу аба көлөмүнүн катышын колдонуу менен эсептелет. Өлчөнгөн жыйынтыктар \(\:\rho\:\) теориялык мааниден 0,1 г/см³ кичине экенин көрсөтүп турат. Бул айырмачылыкты гелдөө процессинде гидрогелде пайда болгон ички чыңалуу менен түшүндүрсө болот, ал шишикти пайда кылат жана ошону менен \(\:\rho\:\) азайышына алып келет. Бул 2-сүрөттө (А, В жана С) көрсөтүлгөн КТ сүрөттөрүндө гидрогел көбүгүнүн ичиндеги айрым боштуктарды байкоо менен дагы тастыкталды.
Ар кандай аба көлөмүндөгү гидрогель көбүктөрүнүн оптикалык микроскопиялык сүрөттөрү (A) 50, (B) 100 жана (C) 110. Альгинат гидрогель көбүгүнүн үлгүлөрүндөгү клеткалардын саны жана тешикчелердин өлчөмүнүн бөлүштүрүлүшү (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3-сүрөттө (A, B, C) ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар гидрогель көбүк үлгүлөрүнүн оптикалык микроскоп менен тартылган сүрөттөрү көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар гидрогель көбүгүнүн оптикалык түзүлүшүн көрсөтүп, ар кандай диаметрдеги тешикчелердин сүрөттөрүн даана көрсөтөт. Тешикчелердин санынын жана диаметринин бөлүштүрүлүшү ImageJ колдонуу менен эсептелген. Ар бир үлгү үчүн алты сүрөт тартылган, ар бир сүрөттүн өлчөмү 1125,27 мкм × 843,96 мкм, ал эми ар бир үлгү үчүн жалпы талданган аянт 5,7 мм² түзгөн.
(A) Ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар альгинат гидрогел көбүктөрүнүн кысуу чыңалуу-деформация жүрүм-туруму. (B) Экспоненциалдык тууралоо. (C) Ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар гидрогел көбүктөрүнүн кысылышы E0. (D) Ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар альгинат гидрогел көбүктөрүнүн максималдуу кысуу чыңалуу жана деформациясы.
3-сүрөттө (D, E, F) тешикчелердин өлчөмүнүн бөлүштүрүлүшү салыштырмалуу бирдей экени, ондогон микрометрлерден 500 микрометрге чейин экени көрсөтүлгөн. Тешикчелердин өлчөмү негизинен бирдей жана абанын көлөмү азайган сайын бир аз азаят. Сыноо маалыматтарына ылайык, 50 мл үлгүнүн орточо тешикчелеринин өлчөмү 192,16 мкм, медианасы 184,51 мкм жана бирдик аянтына туура келген тешикчелердин саны 103; 100 мл үлгүнүн орточо тешикчелеринин өлчөмү 156,62 мкм, медианасы 151,07 мкм жана бирдик аянтына туура келген тешикчелердин саны 109; 110 мл үлгүнүн тиешелүү маанилери тиешелүү түрдө 163,07 мкм, 150,29 мкм жана 115. Маалыматтар көрсөткөндөй, чоңураак тешикчелер орточо тешикчелердин өлчөмүнүн статистикалык жыйынтыктарына чоң таасир этет жана медиана тешикчелеринин өлчөмү тешикчелердин өлчөмүнүн өзгөрүү тенденциясын жакшыраак чагылдыра алат. Үлгү көлөмү 50 млден 110 млге чейин көбөйгөн сайын, тешикчелердин саны да көбөйөт. Орточо тешикчелердин диаметринин жана тешикчелердин санынын статистикалык жыйынтыктарын айкалыштыруу менен, көлөмдүн көбөйүшү менен үлгүнүн ичинде кичине өлчөмдөгү көбүрөөк тешикчелер пайда болот деген тыянак чыгарууга болот.
Механикалык сыноо маалыматтары 4A жана 4D сүрөттөрүндө көрсөтүлгөн. 4A сүрөтүндө ар кандай аба көлөмүнүн катышы менен даярдалган гидрогел көбүктөрүнүн кысуу чыңалуу-деформация жүрүм-туруму көрсөтүлгөн. Жыйынтыктар бардык үлгүлөр окшош сызыктуу эмес чыңалуу-деформация жүрүм-турумуна ээ экенин көрсөтүп турат. Ар бир үлгү үчүн чыңалуу чыңалуу көбөйгөн сайын тезирээк жогорулайт. Гидрогел көбүгүнүн кысуу чыңалуу-деформация жүрүм-турумуна экспоненциалдык ийри сызык дал келтирилген. 4B сүрөтүндө экспоненциалдык функцияны гидрогел көбүгүнө жакындаштыруучу модель катары колдонгондон кийинки натыйжалар көрсөтүлгөн.
Ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар гидрогел көбүктөрү үчүн алардын кысуу модулу (E0) да изилденген. Гидрогелдерди анализдөө сыяктуу эле, кысуу модулу 20% баштапкы деформация диапазонунда изилденген. Кысуу сыноолорунун жыйынтыктары 4C сүрөттө көрсөтүлгөн. 4C сүрөттөгү жыйынтыктар көрсөткөндөй, аба көлөмүнүн катышы 50-үлгүдөн 110-үлгүгө чейин төмөндөгөн сайын, альгинат гидрогел көбүгүнүн кысуу модулу E0 10,86 кПадан 18 кПага чейин жогорулайт.
Ошо сыяктуу эле, гидрогел көбүктөрүнүн толук чыңалуу-деформация ийри сызыктары, ошондой эле акыркы кысуу чыңалуусунун жана деформация маанилери алынган. 4D-сүрөттө альгинат гидрогел көбүктөрүнүн акыркы кысуу чыңалуусунун жана деформациясынын мааниси көрсөтүлгөн. Ар бир маалымат чекити үч сыноо натыйжасынын орточо мааниси болуп саналат. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, акыркы кысуу чыңалуусу газдын курамынын азайышы менен 9,84 кПадан 17,58 кПага чейин жогорулайт. Акыркы деформация болжол менен 38% деңгээлинде туруктуу бойдон калууда.
2-сүрөттө (А, В жана С) тиешелүүлүгүнө жараша 50, 100 жана 110 үлгүлөрүнө туура келген ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар гидрогел көбүктөрүнүн КТ сүрөттөрү көрсөтүлгөн. Сүрөттөр пайда болгон гидрогел көбүгү дээрлик бир тектүү экенин көрсөтүп турат. 100 жана 110 үлгүлөрүндө аз сандагы боштуктар байкалган. Бул боштуктардын пайда болушу гелдөө процессинде гидрогелде пайда болгон ички чыңалуудан улам болушу мүмкүн. Биз ар бир үлгүнүн 5 кесилиши үчүн HU маанилерин эсептеп, аларды тиешелүү теориялык эсептөөлөрдүн жыйынтыктары менен бирге 5-таблицада тизмектедик.
5-таблицада ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар үлгүлөр ар кандай HU маанилерин алганы көрсөтүлгөн. 50 мл, 100 мл жана 110 мл топторунун ортосундагы максималдуу p мааниси 0,004 < 0,05 түзгөн, бул жыйынтыктардын статистикалык маанисин көрсөтүп турат. Сыналган үч үлгүнүн ичинен 50 мл аралашмасы бар үлгү адамдын өпкөсүнө жакын радиологиялык касиеттерге ээ болгон. 5-таблицанын акыркы тилкеси өлчөнгөн көбүк маанисине негизделген теориялык эсептөө жолу менен алынган натыйжа болуп саналат \(\:\rho\:\). Өлчөнгөн маалыматтарды теориялык жыйынтыктар менен салыштыруу менен, компьютердик томография аркылуу алынган HU маанилери жалпысынан теориялык жыйынтыктарга жакын экенин көрүүгө болот, бул өз кезегинде 1C сүрөттөгү аба көлөмүнүн катышын эсептөөнүн жыйынтыктарын тастыктайт.
Бул изилдөөнүн негизги максаты - адамдын өпкөсүнө окшош механикалык жана радиологиялык касиеттерге ээ материалды түзүү. Бул максатка адамдын өпкөсүнө мүмкүн болушунча жакын механикалык жана радиологиялык касиеттерге ээ болгон, ткандарга эквиваленттүү гидрогел негизиндеги материалды иштеп чыгуу аркылуу жетишилди. Теориялык эсептөөлөргө таянып, ар кандай аба көлөмүнүн катышы бар гидрогел көбүктөрү натрий альгинатынын эритмесин, CaCO3, GDL жана SLES 70 механикалык жол менен аралаштыруу менен даярдалган. Морфологиялык анализ бир тектүү үч өлчөмдүү туруктуу гидрогел көбүгү пайда болгонун көрсөттү. Абанын көлөмүнүн катышын өзгөртүү менен көбүктүн тыгыздыгы жана кеуектүүлүгү каалагандай өзгөртүлүшү мүмкүн. Абанын көлөмүнүн көбөйүшү менен тешикчелердин өлчөмү бир аз азаят жана тешикчелердин саны көбөйөт. Альгинат гидрогел көбүктөрүнүн механикалык касиеттерин талдоо үчүн кысуу сыноолору жүргүзүлдү. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, кысуу сыноолорунан алынган кысуу модулу (E0) адамдын өпкөсү үчүн идеалдуу диапазондо. Абанын көлөмүнүн катышы азайган сайын E0 көбөйөт. Даярдалган үлгүлөрдүн радиологиялык касиеттеринин (РК) маанилери үлгүлөрдүн КТ маалыматтарынын негизинде алынып, теориялык эсептөөлөрдүн жыйынтыктары менен салыштырылган. Жыйынтыктар жагымдуу болгон. Өлчөнгөн маани адамдын өпкөсүнүн РК маанисине да жакын. Жыйынтыктар адамдын өпкөсүнүн касиеттерин туураган механикалык жана радиологиялык касиеттердин идеалдуу айкалышы менен ткандарды туураган гидрогель көбүктөрүн түзүүгө мүмкүн экенин көрсөтүп турат.
Келечектүү натыйжаларга карабастан, теориялык эсептөөлөрдөн жана глобалдык жана жергиликтүү масштабдардагы адамдын реалдуу өпкөлөрүнөн алынган божомолдорго дал келүү үчүн абанын көлөмүнүн катышын жана тешиктүүлүгүн жакшыраак көзөмөлдөө үчүн учурдагы өндүрүш ыкмаларын жакшыртуу керек. Учурдагы изилдөө ошондой эле кысуу механикасын сыноо менен гана чектелет, бул фантомдун дем алуу циклинин кысуу фазасы менен потенциалдуу колдонулушун чектейт. Келечектеги изилдөөлөр динамикалык жүктөө шарттарында потенциалдуу колдонулушун баалоо үчүн созулууну сыноону, ошондой эле материалдын жалпы механикалык туруктуулугун изилдөөдөн пайда көрөт. Бул чектөөлөргө карабастан, изилдөө адамдын өпкөсүн туураган бир материалда радиологиялык жана механикалык касиеттерди айкалыштыруунун биринчи ийгиликтүү аракети болуп саналат.
Учурдагы изилдөө учурунда түзүлгөн жана/же талданган маалыматтар топтомдору тиешелүү автордон акылга сыярлык суроо-талап боюнча жеткиликтүү. Эксперименттер да, маалыматтар топтомдору да кайталанышы мүмкүн.
Song, G. жана башкалар. Рактын нур терапиясы үчүн жаңы нанотехнологиялар жана өнүккөн материалдар. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ ж.б. Радиациялык онкологияда дем алуу кыймылын башкаруу боюнча AAPM 76a жумушчу тобунун отчету. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Аль-Майя, А., Мозли, Дж. жана Брок, К.К. Адамдын өпкөсүндөгү интерфейсти жана материалдык сызыктуу эместиктерди моделдөө. Физика жана медицина жана биология 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Ван, Х. жана башкалар. 3D биобасып чыгаруу аркылуу түзүлгөн шишик сыяктуу өпкө рагынын модели. 3. Биотехнология. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Ли, М. жана башкалар. Өпкөнүн деформациясын моделдөө: деформациялануучу сүрөттү каттоо ыкмаларын жана мейкиндикте өзгөрүлүүчү Янг модулун баалоону айкалыштырган ыкма. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Гимарайнс, К.Ф. жана башкалар. Тирүү ткандардын катуулугу жана анын ткандардын инженериясына тийгизген таасири. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).