از بازدید شما از nature.com متشکریم. نسخه مرورگری که استفاده می‌کنید پشتیبانی محدودی از CSS دارد. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از آخرین نسخه مرورگر استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، این سایت شامل استایل‌ها یا جاوا اسکریپت نخواهد بود.
حرکت اندام‌ها و بافت‌ها می‌تواند منجر به خطا در موقعیت‌یابی اشعه ایکس در طول پرتودرمانی شود. بنابراین، موادی با خواص مکانیکی و رادیولوژیکی معادل بافت برای تقلید حرکت اندام جهت بهینه‌سازی پرتودرمانی مورد نیاز است. با این حال، توسعه چنین موادی همچنان یک چالش است. هیدروژل‌های آلژینات خواصی مشابه ماتریکس خارج سلولی دارند که آنها را به عنوان مواد معادل بافت امیدوارکننده می‌کند. در این مطالعه، فوم‌های هیدروژل آلژینات با خواص مکانیکی و رادیولوژیکی مطلوب با آزادسازی Ca2+ در محل سنتز شدند. نسبت هوا به حجم به دقت کنترل شد تا فوم‌های هیدروژلی با خواص مکانیکی و رادیولوژیکی تعریف‌شده به دست آید. ماکرومورفولوژی و میکرومورفولوژی مواد مشخص شد و رفتار فوم‌های هیدروژل تحت فشار مورد مطالعه قرار گرفت. خواص رادیولوژیکی به صورت نظری تخمین زده شد و با استفاده از توموگرافی کامپیوتری به صورت تجربی تأیید شد. این مطالعه، توسعه آینده مواد معادل بافت را که می‌توانند برای بهینه‌سازی دوز تابش و کنترل کیفیت در طول پرتودرمانی استفاده شوند، روشن می‌کند.
پرتودرمانی یک درمان رایج برای سرطان است1. حرکت اندام‌ها و بافت‌ها اغلب منجر به خطا در موقعیت‌یابی اشعه ایکس در طول پرتودرمانی می‌شود2 که می‌تواند منجر به درمان ناکافی تومور و قرار گرفتن بیش از حد سلول‌های سالم اطراف در معرض تابش غیرضروری شود. توانایی پیش‌بینی حرکت اندام‌ها و بافت‌ها برای به حداقل رساندن خطاهای محلی‌سازی تومور بسیار مهم است. این مطالعه بر روی ریه‌ها متمرکز بود، زیرا آنها هنگام تنفس بیماران در طول پرتودرمانی دچار تغییر شکل‌ها و حرکات قابل توجهی می‌شوند. مدل‌های المان محدود مختلفی برای شبیه‌سازی حرکت ریه‌های انسان توسعه داده شده و به کار گرفته شده‌اند3،4،5. با این حال، اندام‌ها و بافت‌های انسان هندسه‌های پیچیده‌ای دارند و به شدت به بیمار وابسته هستند. بنابراین، موادی با خواص معادل بافت برای توسعه مدل‌های فیزیکی جهت اعتبارسنجی مدل‌های نظری، تسهیل درمان پزشکی بهبود یافته و برای اهداف آموزش پزشکی بسیار مفید هستند.
توسعه مواد تقلیدکننده بافت نرم برای دستیابی به هندسه‌های ساختاری پیچیده خارجی و داخلی، توجه زیادی را به خود جلب کرده است، زیرا ناسازگاری‌های مکانیکی ذاتی آنها می‌تواند منجر به شکست در کاربردهای هدف شود6،7. مدل‌سازی بیومکانیک پیچیده بافت ریه، که ترکیبی از نرمی، الاستیسیته و تخلخل ساختاری شدید است، چالش مهمی را در توسعه مدل‌هایی که ریه انسان را به طور دقیق بازتولید می‌کنند، ایجاد می‌کند. ادغام و تطبیق خواص مکانیکی و رادیولوژیکی برای عملکرد مؤثر مدل‌های ریه در مداخلات درمانی بسیار مهم است. تولید افزایشی در توسعه مدل‌های خاص بیمار مؤثر بوده و امکان نمونه‌سازی سریع طرح‌های پیچیده را فراهم می‌کند. شین و همکاران. 8 یک مدل ریه قابل تکرار و تغییر شکل با مجاری هوایی چاپ سه‌بعدی توسعه دادند. هاسلار و همکاران. 9 یک فانتوم بسیار شبیه به بیماران واقعی برای ارزیابی کیفیت تصویر و روش‌های تأیید موقعیت برای پرتودرمانی توسعه دادند. هونگ و همکاران10 یک مدل سی‌تی‌اسکن قفسه سینه با استفاده از چاپ سه‌بعدی و فناوری ریخته‌گری سیلیکونی برای بازتولید شدت سی‌تی‌اسکن ضایعات مختلف ریه برای ارزیابی دقت کمی‌سازی توسعه دادند. با این حال، این نمونه‌های اولیه اغلب از موادی ساخته می‌شوند که خواص مؤثر آنها با بافت ریه بسیار متفاوت است11.
در حال حاضر، اکثر فانتوم‌های ریه از سیلیکون یا فوم پلی اورتان ساخته می‌شوند که با خواص مکانیکی و رادیولوژیکی پارانشیم ریه واقعی مطابقت ندارند.12،13 هیدروژل‌های آلژینات زیست سازگار هستند و به دلیل خواص مکانیکی قابل تنظیم خود به طور گسترده در مهندسی بافت مورد استفاده قرار گرفته‌اند.14 با این حال، بازتولید قوام فوق نرم و فوم مانند مورد نیاز برای یک فانتوم ریه که به طور دقیق خاصیت ارتجاعی و ساختار پرکننده بافت ریه را تقلید کند، همچنان یک چالش تجربی است.
در این مطالعه، فرض بر این بود که بافت ریه یک ماده الاستیک همگن است. چگالی بافت ریه انسان (\(\:\rho\:\)) 1.06 گرم بر سانتی‌متر مکعب و چگالی ریه متورم 0.26 گرم بر سانتی‌متر مکعب گزارش شده است. طیف گسترده‌ای از مقادیر مدول یانگ (MY) بافت ریه با استفاده از روش‌های تجربی مختلف به دست آمده است. لای-فوک و همکارانش 16، مدول یانگ ریه انسان را با تورم یکنواخت 0.42 تا 6.72 کیلوپاسکال اندازه‌گیری کردند. گاس و همکارانش 17 از الاستوگرافی رزونانس مغناطیسی استفاده کردند و مدول یانگ 2.17 کیلوپاسکال را گزارش کردند. لیو و همکارانش 18، مدول یانگ اندازه‌گیری شده مستقیم 0.03 تا 57.2 کیلوپاسکال را گزارش کردند. ایلگبوسی و همکارانش 19، مدول یانگ را بر اساس داده‌های سی‌تی‌اسکن چهاربعدی به‌دست‌آمده از بیماران منتخب، 0.1 تا 2.7 کیلوپاسکال تخمین زدند.
برای خواص رادیولوژیکی ریه، از چندین پارامتر برای توصیف رفتار برهمکنش بافت ریه با اشعه ایکس استفاده می‌شود، از جمله ترکیب عنصری، چگالی الکترون (\(\:{\rho\:}_{e}\))، عدد اتمی مؤثر (\(\:{\:{Z}_{eff}\))، میانگین انرژی تحریک (\(\:I\))، ضریب تضعیف جرم (\(\:\mu\:/\rho\:\)) و واحد هانسفیلد (HU) که ​​مستقیماً با \(\:\mu\:/\rho\:\) مرتبط است.
چگالی الکترون (\:{\rho\:}_{e}\) به صورت تعداد الکترون‌ها در واحد حجم تعریف می‌شود و به صورت زیر محاسبه می‌شود:
که در آن \(\:\rho\:\) چگالی ماده بر حسب گرم بر سانتی‌متر مکعب، \(\:{N}_{A}\) ثابت آووگادرو، \(\:{w}_{i}\) کسر جرمی، \(\:{Z}_{i}\) عدد اتمی و \(\:{A}_{i}\) وزن اتمی عنصر i ام است.
عدد اتمی مستقیماً با ماهیت برهمکنش تابش در درون ماده مرتبط است. برای ترکیبات و مخلوط‌هایی که حاوی چندین عنصر هستند (مثلاً پارچه‌ها)، عدد اتمی مؤثر \(\:{Z}_{eff}\) باید محاسبه شود. این فرمول توسط مورتی و همکارانش در 20 ارائه شده است:
انرژی تحریک متوسط ​​\(\:I\) نشان می‌دهد که ماده هدف چقدر آسان انرژی جنبشی ذرات نفوذکننده را جذب می‌کند. این انرژی فقط خواص ماده هدف را توصیف می‌کند و هیچ ارتباطی با خواص ذرات ندارد. \(\:I\) را می‌توان با اعمال قانون جمع‌پذیری براگ محاسبه کرد:
ضریب تضعیف جرمی \(\:\mu\:/\rho\:\) میزان نفوذ و آزادسازی انرژی فوتون‌ها در ماده هدف را توصیف می‌کند. این ضریب را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
که در آن \(\:x\) ضخامت ماده، \(\:{I}_{0}\) شدت نور فرودی و \(\:I\) شدت فوتون پس از نفوذ به ماده است. داده‌های \(\:\mu\:/\rho\:\) را می‌توان مستقیماً از پایگاه داده مرجع استانداردهای NIST 12621 به دست آورد. مقادیر \(\:\mu\:/\rho\:\) برای مخلوط‌ها و ترکیبات را می‌توان با استفاده از قانون جمع‌پذیری به شرح زیر استخراج کرد:
HU یک واحد استاندارد بدون بعد برای اندازه‌گیری چگالی رادیویی در تفسیر داده‌های توموگرافی کامپیوتری (CT) است که به صورت خطی از ضریب تضعیف اندازه‌گیری شده \(\:\mu\:\) تبدیل می‌شود. این واحد به صورت زیر تعریف می‌شود:
که در آن \(\:{\mu\:}_{water}\) ضریب تضعیف آب و \(\:{\mu\:}_{air}\) ضریب تضعیف هوا است. بنابراین، از فرمول (6) می‌بینیم که مقدار HU آب 0 و مقدار HU هوا -1000 است. مقدار HU برای ریه‌های انسان از -600 تا -70022 متغیر است.
چندین ماده معادل بافت توسعه داده شده‌اند. گریفیث و همکارانش ۲۳ یک مدل معادل بافت از نیم‌تنه انسان ساخته شده از پلی‌اورتان (PU) توسعه دادند که به آن غلظت‌های مختلفی از کربنات کلسیم (CaCO3) برای شبیه‌سازی ضرایب تضعیف خطی اندام‌های مختلف انسان از جمله ریه انسان اضافه شد و این مدل گریفیث نامگذاری شد. تیلور۲۴ دومین مدل معادل بافت ریه را که توسط آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور (LLNL) توسعه داده شده بود، با نام LLLL1 ارائه کرد. تراب و همکارانش ۲۵ یک جایگزین بافت ریه جدید با استفاده از Foamex XRS-272 حاوی ۵.۲۵٪ CaCO3 به عنوان یک تقویت‌کننده عملکرد توسعه دادند که ALT2 نامگذاری شد. جداول ۱ و ۲ مقایسه‌ای از ضرایب تضعیف جرمی، ضرایب تضعیف جرمی، ضرایب تضعیف جرمی و ضرایب تضعیف جرمی برای ریه انسان (ICRU-44) و مدل‌های معادل بافت فوق را نشان می‌دهند.
با وجود خواص رادیولوژیکی عالی به دست آمده، تقریباً تمام مواد فانتوم از فوم پلی استایرن ساخته شده‌اند، به این معنی که خواص مکانیکی این مواد نمی‌تواند به خواص ریه‌های انسان نزدیک شود. مدول یانگ (YM) فوم پلی اورتان حدود ۵۰۰ کیلو پاسکال است که در مقایسه با ریه‌های طبیعی انسان (حدود ۵-۱۰ کیلو پاسکال) بسیار دور از ایده‌آل است. بنابراین، لازم است ماده جدیدی توسعه یابد که بتواند ویژگی‌های مکانیکی و رادیولوژیکی ریه‌های واقعی انسان را برآورده کند.
هیدروژل‌ها به طور گسترده در مهندسی بافت استفاده می‌شوند. ساختار و خواص آن مشابه ماتریکس خارج سلولی (ECM) است و به راحتی قابل تنظیم است. در این مطالعه، آلژینات سدیم خالص به عنوان ماده زیستی برای تهیه فوم‌ها انتخاب شد. هیدروژل‌های آلژینات زیست سازگار هستند و به دلیل خواص مکانیکی قابل تنظیم خود، به طور گسترده در مهندسی بافت مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترکیب عنصری آلژینات سدیم (C6H7NaO6)n و وجود Ca2+ امکان تنظیم خواص رادیولوژیکی آن را در صورت نیاز فراهم می‌کند. این ترکیب از خواص مکانیکی و رادیولوژیکی قابل تنظیم، هیدروژل‌های آلژینات را برای مطالعه ما ایده‌آل می‌کند. البته، هیدروژل‌های آلژینات نیز محدودیت‌هایی دارند، به ویژه از نظر پایداری طولانی مدت در طول چرخه‌های تنفسی شبیه‌سازی شده. بنابراین، برای رفع این محدودیت‌ها، پیشرفت‌های بیشتری در مطالعات آینده مورد نیاز و انتظار است.
در این کار، ما یک ماده فوم هیدروژل آلژینات با مقادیر rho قابل کنترل، الاستیسیته و خواص رادیولوژیکی مشابه با بافت ریه انسان توسعه دادیم. این مطالعه یک راه حل کلی برای ساخت فانتوم‌های بافت مانند با خواص الاستیک و رادیولوژیکی قابل تنظیم ارائه می‌دهد. خواص این ماده را می‌توان به راحتی با هر بافت و اندام انسانی تنظیم کرد.
نسبت هوای هدف به حجم فوم هیدروژل بر اساس محدوده HU ریه‌های انسان (-600 تا -700) محاسبه شد. فرض بر این بود که فوم ترکیبی ساده از هوا و هیدروژل آلژینات مصنوعی است. با استفاده از یک قانون جمع ساده عناصر منفرد \(\:\mu\:/\rho\:\)، کسر حجمی هوا و نسبت حجمی هیدروژل آلژینات سنتز شده قابل محاسبه بود.
فوم‌های هیدروژل آلژینات با استفاده از آلژینات سدیم (شماره قطعه W201502)، CaCO3 (شماره قطعه 795445، MW: 100.09) و GDL (شماره قطعه G4750، MW: 178.14) خریداری شده از شرکت سیگما-آلدریچ، سنت لوئیس، میسوری تهیه شدند. 70٪ سدیم لوریل اتر سولفات (SLES 70) از شرکت Renowned Trading LLC خریداری شد. در فرآیند تهیه فوم از آب دیونیزه استفاده شد. آلژینات سدیم در دمای اتاق با هم زدن مداوم (600 دور در دقیقه) در آب دیونیزه حل شد تا یک محلول همگن زرد شفاف به دست آید. CaCO3 در ترکیب با GDL به عنوان منبع Ca2+ برای شروع ژل شدن استفاده شد. SLES 70 به عنوان سورفکتانت برای تشکیل یک ساختار متخلخل در داخل هیدروژل استفاده شد. غلظت آلژینات در 5٪ و نسبت مولی Ca2+:-COOH در 0.18 حفظ شد. نسبت مولی CaCO3:GDL نیز در طول تهیه فوم روی 0.5 حفظ شد تا pH خنثی حفظ شود. این مقدار 26 است. 2٪ حجمی SLES 70 به همه نمونه‌ها اضافه شد. از یک بشر درب‌دار برای کنترل نسبت اختلاط محلول و هوا استفاده شد. حجم کل بشر 140 میلی‌لیتر بود. بر اساس نتایج محاسبات نظری، حجم‌های مختلفی از مخلوط (50 میلی‌لیتر، 100 میلی‌لیتر، 110 میلی‌لیتر) به بشر اضافه شد تا با هوا مخلوط شود. نمونه حاوی 50 میلی‌لیتر از مخلوط به گونه‌ای طراحی شد که با هوای کافی مخلوط شود، در حالی که نسبت حجمی هوا در دو نمونه دیگر کنترل شد. ابتدا SLES 70 به محلول آلژینات اضافه شد و با همزن برقی هم زده شد تا کاملاً مخلوط شود. سپس، سوسپانسیون CaCO3 به مخلوط اضافه شد و به طور مداوم هم زده شد تا مخلوط کاملاً مخلوط شود و رنگ آن به سفید تغییر کند. در نهایت، محلول GDL برای شروع ژل شدن به مخلوط اضافه شد و هم زدن مکانیکی در طول فرآیند حفظ شد. برای نمونه حاوی ۵۰ میلی‌لیتر از مخلوط، هم زدن مکانیکی زمانی متوقف شد که حجم مخلوط دیگر تغییر نمی‌کرد. برای نمونه‌های حاوی ۱۰۰ میلی‌لیتر و ۱۱۰ میلی‌لیتر از مخلوط، هم زدن مکانیکی زمانی متوقف شد که مخلوط، بشر را پر کرد. ما همچنین تلاش کردیم تا فوم‌های هیدروژلی با حجمی بین ۵۰ میلی‌لیتر و ۱۰۰ میلی‌لیتر تهیه کنیم. با این حال، ناپایداری ساختاری فوم مشاهده شد، زیرا بین حالت اختلاط کامل هوا و حالت کنترل حجم هوا نوسان داشت و منجر به کنترل حجم ناپایدار شد. این ناپایداری باعث عدم قطعیت در محاسبات شد و بنابراین این محدوده حجم در این مطالعه لحاظ نشد.
چگالی یک فوم هیدروژل با اندازه‌گیری جرم و حجم یک نمونه فوم هیدروژل محاسبه می‌شود.
تصاویر میکروسکوپی نوری از فوم‌های هیدروژل با استفاده از دوربین Zeiss Axio Observer A1 به دست آمد. از نرم‌افزار ImageJ برای محاسبه تعداد و توزیع اندازه منافذ در یک نمونه در یک ناحیه مشخص بر اساس تصاویر به دست آمده استفاده شد. شکل منافذ دایره‌ای فرض شده است.
برای مطالعه خواص مکانیکی فوم‌های هیدروژل آلژینات، آزمایش‌های فشار تک‌محوری با استفاده از دستگاه سری TESTRESOURCES 100 انجام شد. نمونه‌ها به بلوک‌های مستطیلی برش داده شدند و ابعاد بلوک برای محاسبه تنش‌ها و کرنش‌ها اندازه‌گیری شد. سرعت کراس‌هد روی 10 میلی‌متر در دقیقه تنظیم شد. برای هر نمونه سه نمونه آزمایش شد و میانگین و انحراف معیار از نتایج محاسبه شد. این مطالعه بر خواص مکانیکی فشاری فوم‌های هیدروژل آلژینات متمرکز بود، زیرا بافت ریه در مرحله خاصی از چرخه تنفسی تحت نیروهای فشاری قرار می‌گیرد. البته قابلیت انبساط بسیار مهم است، به خصوص برای منعکس کردن رفتار دینامیکی کامل بافت ریه و این موضوع در مطالعات آینده بررسی خواهد شد.
نمونه‌های فوم هیدروژل تهیه‌شده با استفاده از یک اسکنر سی‌تی‌اسکن دو کاناله Siemens SOMATOM Drive اسکن شدند. پارامترهای اسکن به شرح زیر تنظیم شدند: ۴۰ میلی‌آمپرساعت، ۱۲۰ کیلوولت‌ولت و ضخامت برش ۱ میلی‌متر. فایل‌های DICOM حاصل با استفاده از نرم‌افزار MicroDicom DICOM Viewer برای تجزیه و تحلیل مقادیر HU 5 مقطع عرضی از هر نمونه تجزیه و تحلیل شدند. مقادیر HU به‌دست‌آمده توسط سی‌تی‌اسکن با محاسبات نظری بر اساس داده‌های چگالی نمونه‌ها مقایسه شدند.
هدف از این مطالعه، ایجاد انقلابی در ساخت مدل‌های اندام‌های فردی و بافت‌های بیولوژیکی مصنوعی با مهندسی مواد نرم است. توسعه موادی با خواص مکانیکی و رادیولوژیکی که با مکانیک کار ریه‌های انسان مطابقت داشته باشند، برای کاربردهای هدفمند مانند بهبود آموزش پزشکی، برنامه‌ریزی جراحی و برنامه‌ریزی پرتودرمانی مهم است. در شکل 1A، ما اختلاف بین خواص مکانیکی و رادیولوژیکی مواد نرمی را که احتمالاً برای ساخت مدل‌های ریه انسان استفاده می‌شوند، رسم کردیم. تا به امروز، موادی توسعه یافته‌اند که خواص رادیولوژیکی مطلوب را نشان می‌دهند، اما خواص مکانیکی آنها الزامات مورد نظر را برآورده نمی‌کند. فوم پلی اورتان و لاستیک پرکاربردترین مواد برای ساخت مدل‌های تغییر شکل‌پذیر ریه انسان هستند. خواص مکانیکی فوم پلی اورتان (مدول یانگ، YM) معمولاً 10 تا 100 برابر بیشتر از بافت ریه طبیعی انسان است. موادی که هم خواص مکانیکی و هم خواص رادیولوژیکی مطلوب را نشان می‌دهند، هنوز شناخته نشده‌اند.
(الف) نمایش شماتیک خواص مواد نرم مختلف و مقایسه آن با ریه انسان از نظر چگالی، مدول یانگ و خواص رادیولوژیکی (در واحد HU). (ب) الگوی پراش اشعه ایکس هیدروژل آلژینات \(\:\mu\:/\rho\:\) با غلظت 5٪ و نسبت مولی Ca2+:-COOH برابر با 0.18. (ج) محدوده نسبت‌های حجمی هوا در فوم‌های هیدروژل. (د) نمایش شماتیک فوم‌های هیدروژل آلژینات با نسبت‌های حجمی هوای مختلف.
ترکیب عنصری هیدروژل‌های آلژینات با غلظت 5% و نسبت مولی Ca2+:-COOH برابر با 0.18 محاسبه شد و نتایج در جدول 3 نشان داده شده است. طبق قانون جمع در فرمول قبلی (5)، ضریب تضعیف جرم هیدروژل آلژینات \(\:\:\mu\:\:\) همانطور که در شکل 1B نشان داده شده است، بدست می‌آید.
مقادیر \(\:\mu\:/\rho\:\) برای هوا و آب مستقیماً از پایگاه داده مرجع استانداردهای NIST 12612 به دست آمده است. بنابراین، شکل 1C نسبت‌های حجم هوای محاسبه‌شده در فوم‌های هیدروژل را با مقادیر معادل HU بین -600 و -700 برای ریه انسان نشان می‌دهد. نسبت حجم هوای محاسبه‌شده از نظر تئوری در محدوده 60 تا 70 درصد در محدوده انرژی از 1 × 10−3 تا 2 × 101 MeV پایدار است که نشان‌دهنده پتانسیل خوب برای کاربرد فوم هیدروژل در فرآیندهای تولید پایین‌دستی است.
شکل 1D نمونه فوم هیدروژل آلژینات آماده شده را نشان می‌دهد. همه نمونه‌ها به مکعب‌هایی با طول لبه 12.7 میلی‌متر برش داده شدند. نتایج نشان داد که یک فوم هیدروژل همگن و سه‌بعدی پایدار تشکیل شده است. صرف نظر از نسبت حجم هوا، هیچ تفاوت قابل توجهی در ظاهر فوم‌های هیدروژل مشاهده نشد. ماهیت خودپایدار فوم هیدروژل نشان می‌دهد که شبکه تشکیل شده در هیدروژل به اندازه کافی قوی است که وزن خود فوم را تحمل کند. جدا از مقدار کمی نشت آب از فوم، فوم همچنین پایداری گذرا را برای چند هفته نشان داد.
با اندازه‌گیری جرم و حجم نمونه فوم، چگالی فوم هیدروژل تهیه‌شده \(\:\rho\:\) محاسبه شد و نتایج در جدول 4 نشان داده شده است. نتایج وابستگی \(\:\rho\:\) به نسبت حجمی هوا را نشان می‌دهد. هنگامی که هوای کافی با 50 میلی‌لیتر از نمونه مخلوط می‌شود، چگالی به کمترین مقدار خود می‌رسد و 0.482 گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌شود. با کاهش مقدار هوای مخلوط، چگالی به 0.685 گرم بر سانتی‌متر مکعب افزایش می‌یابد. حداکثر مقدار p بین گروه‌های 50 میلی‌لیتر، 100 میلی‌لیتر و 110 میلی‌لیتر 0.004 < 0.05 بود که نشان‌دهنده اهمیت آماری نتایج است.
مقدار نظری \(\:\rho\:\) نیز با استفاده از نسبت حجم هوای کنترل‌شده محاسبه می‌شود. نتایج اندازه‌گیری شده نشان می‌دهد که \(\:\rho\:\) 0.1 گرم بر سانتی‌متر مکعب کمتر از مقدار نظری است. این تفاوت را می‌توان با تنش داخلی ایجاد شده در هیدروژل در طول فرآیند ژل شدن توضیح داد که باعث تورم و در نتیجه کاهش \(\:\rho\:\) می‌شود. این موضوع با مشاهده برخی شکاف‌ها در داخل فوم هیدروژل در تصاویر سی‌تی‌اسکن نشان داده شده در شکل 2 (A، B و C) بیشتر تأیید شد.
تصاویر میکروسکوپ نوری از فوم‌های هیدروژل با حجم‌های مختلف هوا (A) 50، (B) 100 و (C) 110. تعداد سلول‌ها و توزیع اندازه منافذ در نمونه‌های فوم هیدروژل آلژینات (D) 50، (E) 100، (F) 110.
شکل 3 (الف، ب، ج) تصاویر میکروسکوپ نوری نمونه‌های فوم هیدروژل با نسبت‌های حجم هوای مختلف را نشان می‌دهد. نتایج، ساختار نوری فوم هیدروژل را نشان می‌دهد و به وضوح تصاویر منافذ با قطرهای مختلف را نشان می‌دهد. توزیع تعداد و قطر منافذ با استفاده از ImageJ محاسبه شد. برای هر نمونه شش تصویر گرفته شد، هر تصویر اندازه‌ای برابر با 1125.27 میکرومتر × 843.96 میکرومتر داشت و کل مساحت آنالیز شده برای هر نمونه 5.7 میلی‌متر مربع بود.
(الف) رفتار تنش-کرنش فشاری فوم‌های هیدروژل آلژینات با نسبت‌های حجم هوای مختلف. (ب) برازش نمایی. (ج) فشردگی E0 فوم‌های هیدروژل با نسبت‌های حجم هوای مختلف. (د) تنش و کرنش فشاری نهایی فوم‌های هیدروژل آلژینات با نسبت‌های حجم هوای مختلف.
شکل 3 (D، E، F) نشان می‌دهد که توزیع اندازه منافذ نسبتاً یکنواخت است و از ده‌ها میکرومتر تا حدود 500 میکرومتر متغیر است. اندازه منافذ اساساً یکنواخت است و با کاهش حجم هوا، اندکی کاهش می‌یابد. طبق داده‌های آزمایش، میانگین اندازه منافذ نمونه 50 میلی‌لیتری 192.16 میکرومتر، میانه 184.51 میکرومتر و تعداد منافذ در واحد سطح 103 است؛ میانگین اندازه منافذ نمونه 100 میلی‌لیتری 156.62 میکرومتر، میانه 151.07 میکرومتر و تعداد منافذ در واحد سطح 109 است؛ مقادیر مربوطه برای نمونه 110 میلی‌لیتری به ترتیب 163.07 میکرومتر، 150.29 میکرومتر و 115 است. داده‌ها نشان می‌دهند که منافذ بزرگ‌تر تأثیر بیشتری بر نتایج آماری میانگین اندازه منافذ دارند و اندازه متوسط ​​منافذ می‌تواند روند تغییر اندازه منافذ را بهتر منعکس کند. با افزایش حجم نمونه از 50 میلی‌لیتر به 110 میلی‌لیتر، تعداد منافذ نیز افزایش می‌یابد. با ترکیب نتایج آماری قطر متوسط ​​منافذ و تعداد منافذ، می‌توان نتیجه گرفت که با افزایش حجم، منافذ بیشتری با اندازه کوچکتر در داخل نمونه تشکیل می‌شوند.
داده‌های آزمایش مکانیکی در شکل‌های 4A و 4D نشان داده شده‌اند. شکل 4A رفتار تنش-کرنش فشاری فوم‌های هیدروژل تهیه‌شده با نسبت‌های حجم هوای مختلف را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که همه نمونه‌ها رفتار تنش-کرنش غیرخطی مشابهی دارند. برای هر نمونه، تنش با افزایش کرنش سریع‌تر افزایش می‌یابد. یک منحنی نمایی بر رفتار تنش-کرنش فشاری فوم هیدروژل برازش داده شد. شکل 4B نتایج را پس از اعمال تابع نمایی به عنوان یک مدل تقریبی برای فوم هیدروژل نشان می‌دهد.
برای فوم‌های هیدروژل با نسبت‌های حجمی هوای مختلف، مدول فشاری آنها (E0) نیز مورد مطالعه قرار گرفت. مشابه تجزیه و تحلیل هیدروژل‌ها، مدول یانگ فشاری در محدوده کرنش اولیه 20٪ بررسی شد. نتایج آزمایش‌های فشاری در شکل 4C نشان داده شده است. نتایج شکل 4C نشان می‌دهد که با کاهش نسبت حجمی هوا از نمونه 50 به نمونه 110، مدول یانگ فشاری E0 فوم هیدروژل آلژینات از 10.86 کیلوپاسکال به 18 کیلوپاسکال افزایش می‌یابد.
به طور مشابه، منحنی‌های کامل تنش-کرنش فوم‌های هیدروژل و همچنین مقادیر تنش فشاری و کرنش نهایی به دست آمدند. شکل 4D تنش و کرنش فشاری نهایی فوم‌های هیدروژل آلژینات را نشان می‌دهد. هر نقطه داده میانگین سه نتیجه آزمایش است. نتایج نشان می‌دهد که تنش فشاری نهایی با کاهش محتوای گاز از 9.84 کیلوپاسکال به 17.58 کیلوپاسکال افزایش می‌یابد. کرنش نهایی در حدود 38٪ ثابت می‌ماند.
شکل 2 (الف، ب و ج) تصاویر سی‌تی‌اسکن فوم‌های هیدروژل با نسبت‌های حجم هوای مختلف مربوط به نمونه‌های 50، 100 و 110 را نشان می‌دهد. تصاویر نشان می‌دهند که فوم هیدروژل تشکیل‌شده تقریباً همگن است. تعداد کمی شکاف در نمونه‌های 100 و 110 مشاهده شد. تشکیل این شکاف‌ها ممکن است به دلیل تنش داخلی ایجاد شده در هیدروژل در طول فرآیند ژل شدن باشد. ما مقادیر HU را برای 5 مقطع عرضی از هر نمونه محاسبه کردیم و آنها را در جدول 5 به همراه نتایج محاسبات نظری مربوطه فهرست کردیم.
جدول 5 نشان می‌دهد که نمونه‌های با نسبت‌های حجم هوای مختلف، مقادیر HU متفاوتی به دست آوردند. حداکثر مقدار p بین گروه‌های 50 میلی‌لیتر، 100 میلی‌لیتر و 110 میلی‌لیتر 0.004 < 0.05 بود که نشان‌دهنده اهمیت آماری نتایج است. در بین سه نمونه آزمایش شده، نمونه با مخلوط 50 میلی‌لیتر، خواص رادیولوژیکی نزدیک به ریه‌های انسان داشت. ستون آخر جدول 5 نتیجه‌ای است که با محاسبه نظری بر اساس مقدار فوم اندازه‌گیری شده \(\:\rho\:\) به دست آمده است. با مقایسه داده‌های اندازه‌گیری شده با نتایج نظری، می‌توان دریافت که مقادیر HU به‌دست‌آمده از سی‌تی‌اسکن عموماً به نتایج نظری نزدیک هستند، که به نوبه خود نتایج محاسبه نسبت حجم هوا در شکل 1C را تأیید می‌کند.
هدف اصلی این مطالعه، ایجاد ماده‌ای با خواص مکانیکی و رادیولوژیکی قابل مقایسه با ریه‌های انسان است. این هدف با توسعه یک ماده مبتنی بر هیدروژل با خواص مکانیکی و رادیولوژیکی معادل بافت متناسب که تا حد امکان به ریه‌های انسان نزدیک باشد، محقق شد. با هدایت محاسبات نظری، فوم‌های هیدروژل با نسبت‌های حجم هوای مختلف با مخلوط کردن مکانیکی محلول آلژینات سدیم، CaCO3، GDL و SLES 70 تهیه شدند. تجزیه و تحلیل مورفولوژیکی نشان داد که یک فوم هیدروژلی پایدار سه‌بعدی همگن تشکیل می‌شود. با تغییر نسبت حجم هوا، چگالی و تخلخل فوم را می‌توان به دلخواه تغییر داد. با افزایش محتوای حجم هوا، اندازه منافذ کمی کاهش و تعداد منافذ افزایش می‌یابد. آزمایش‌های فشرده‌سازی برای تجزیه و تحلیل خواص مکانیکی فوم‌های هیدروژل آلژینات انجام شد. نتایج نشان داد که مدول فشاری (E0) به‌دست‌آمده از آزمایش‌های فشرده‌سازی در محدوده ایده‌آل برای ریه‌های انسان است. E0 با کاهش نسبت حجم هوا افزایش می‌یابد. مقادیر خواص رادیولوژیکی (HU) نمونه‌های تهیه‌شده بر اساس داده‌های سی‌تی‌اسکن نمونه‌ها به دست آمد و با نتایج محاسبات نظری مقایسه شد. نتایج مطلوب بود. مقدار اندازه‌گیری شده نیز نزدیک به مقدار HU ریه‌های انسان است. نتایج نشان می‌دهد که می‌توان فوم‌های هیدروژلی تقلیدکننده بافت را با ترکیبی ایده‌آل از خواص مکانیکی و رادیولوژیکی که خواص ریه‌های انسان را تقلید می‌کنند، ایجاد کرد.
با وجود نتایج امیدوارکننده، روش‌های ساخت فعلی باید بهبود یابند تا نسبت حجم هوا و تخلخل بهتر کنترل شوند تا با پیش‌بینی‌های محاسبات نظری و ریه‌های واقعی انسان در مقیاس‌های جهانی و محلی مطابقت داشته باشند. مطالعه حاضر همچنین به آزمایش مکانیک فشرده‌سازی محدود شده است، که کاربرد بالقوه فانتوم را به مرحله فشرده‌سازی چرخه تنفسی محدود می‌کند. تحقیقات آینده از بررسی آزمایش کشش و همچنین پایداری مکانیکی کلی ماده برای ارزیابی کاربردهای بالقوه تحت شرایط بارگذاری دینامیکی سود خواهند برد. با وجود این محدودیت‌ها، این مطالعه اولین تلاش موفق برای ترکیب خواص رادیولوژیکی و مکانیکی در یک ماده واحد است که ریه انسان را تقلید می‌کند.
مجموعه داده‌های تولید شده و/یا تحلیل شده در طول مطالعه حاضر، بنا به درخواست معقول، از نویسنده مسئول در دسترس است. هم آزمایش‌ها و هم مجموعه داده‌ها قابل تکرار هستند.
سانگ، جی. و همکاران. نانوفناوری‌های نوین و مواد پیشرفته برای پرتودرمانی سرطان. Adv. Mater. 29، 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
کیل، پی‌جی، و همکاران. گزارش کارگروه AAPM 76a در مورد مدیریت حرکت تنفسی در انکولوژی پرتودرمانی. پزشکی فیزیک. 33، 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
آل-مایا، آ.، موزلی، جی.، و براک، کی. کی. مدل‌سازی غیرخطی بودن رابط و ماده در ریه انسان. فیزیک و پزشکی و زیست‌شناسی 53، 305-317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
وانگ، ایکس. و همکاران. مدل سرطان ریه شبه توموری تولید شده توسط چاپ زیستی سه‌بعدی. 3. بیوتکنولوژی. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
لی، م. و همکاران. مدل‌سازی تغییر شکل ریه: روشی که تکنیک‌های ثبت تصویر تغییر شکل‌پذیر و تخمین مدول یانگ با تغییر مکانی را ترکیب می‌کند. پزشکی فیزیک. 40، 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
گویمارائس، سی‌اف و همکاران. سفتی بافت زنده و پیامدهای آن برای مهندسی بافت. Nature Reviews Materials and Environment 5، 351–370 (2020).