Þakka þér fyrir að heimsækja nature.com. Vafraútgáfan sem þú notar hefur takmarkaðan CSS-stuðning. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir nýjustu útgáfuna af vafranum (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Til að tryggja áframhaldandi stuðning mun þessi síða ekki innihalda stíla eða JavaScript.
Hreyfing líffæra og vefja getur leitt til villna í staðsetningu röntgengeisla meðan á geislameðferð stendur. Því er þörf á efnum með vefjajafngildum vélrænum og geislafræðilegum eiginleikum til að líkja eftir hreyfingum líffæra til að hámarka geislameðferð. Þróun slíkra efna er þó enn áskorun. Alginat-hýdrógel hafa svipaða eiginleika og utanfrumuefni, sem gerir þau efnileg sem vefjajafngild efni. Í þessari rannsókn voru alginat-hýdrógelfroður með tilætluðum vélrænum og geislafræðilegum eiginleikum mynduð með losun Ca2+ in situ. Hlutfall lofts og rúmmáls var vandlega stjórnað til að fá hýdrógelfroður með skilgreindum vélrænum og geislafræðilegum eiginleikum. Makró- og örformgerð efnanna var einkennd og hegðun hýdrógelfroðunnar undir þjöppun var rannsökuð. Geislafræðilegir eiginleikar voru metnir fræðilega og staðfestir tilraunakennt með tölvusneiðmyndatöku. Þessi rannsókn varpar ljósi á framtíðarþróun vefjajafngildra efna sem hægt er að nota til að hámarka geislaskammta og gæðaeftirlit meðan á geislameðferð stendur.
Geislameðferð er algeng meðferð við krabbameini1. Hreyfing líffæra og vefja leiðir oft til villna í staðsetningu röntgengeisla meðan á geislameðferð stendur2, sem getur leitt til vanmeðhöndlunar æxlisins og of mikillar geislunar á heilbrigðum frumum í kring. Hæfni til að spá fyrir um hreyfingu líffæra og vefja er mikilvæg til að lágmarka villur í staðsetningu æxlis. Þessi rannsókn beindist að lungum, þar sem þau verða fyrir verulegum aflögunum og hreyfingum þegar sjúklingar anda meðan á geislameðferð stendur. Ýmsar endanlegar þátta líkön hafa verið þróaðar og notaðar til að herma eftir hreyfingu lungna manna3,4,5. Hins vegar hafa líffæri og vefir manna flókna rúmfræði og eru mjög sjúklingaháðir. Þess vegna eru efni með vefjajafngilda eiginleika mjög gagnleg til að þróa eðlisfræðileg líkön til að staðfesta fræðileg líkön, auðvelda bætta læknismeðferð og í læknisfræðilegri menntun.
Þróun efna sem líkjast mjúkvefjum til að ná fram flóknum ytri og innri byggingarformum hefur vakið mikla athygli vegna þess að meðfæddur vélrænn ósamræmi þeirra getur leitt til bilana í markmiðum 6,7. Líkanagerð flókinnar lífvélafræði lungnavefs, sem sameinar mikla mýkt, teygjanleika og byggingarholbrot, er veruleg áskorun við þróun líkana sem endurskapa nákvæmlega mannslunga. Samþætting og samsvörun vélrænna og geislafræðilegra eiginleika er mikilvæg fyrir árangursríka frammistöðu lungnalíkana í meðferðaríhlutunum. Aukefnisframleiðsla hefur reynst áhrifarík við þróun sjúklingasértækra líkana, sem gerir kleift að smíða fljótt frumgerðir af flóknum hönnunum. Shin o.fl. 8 þróuðu endurtakanlega, aflögunarhæfa lungnalíkan með þrívíddarprentaðri öndunarvegi. Haselaar o.fl. 9 þróuðu draug sem var mjög líkur raunverulegum sjúklingum fyrir myndgæðamat og staðsetningarstaðfestingaraðferðir fyrir geislameðferð. Hong o.fl. 10 þróuðu brjósthols-tölvusneiðmyndatökulíkan með þrívíddarprentun og sílikonsteyputækni til að endurskapa tölvusneiðmyndatökustyrkleika ýmissa lungnaskemmda til að meta nákvæmni magngreiningarinnar. Hins vegar eru þessar frumgerðir oft gerðar úr efnum sem hafa mjög ólíka virkni en lungnavefs.
Eins og er eru flestir lungnadraumar úr sílikoni eða pólýúretanfroðu, sem jafnast ekki á við vélræna og geislafræðilega eiginleika raunverulegs lungnavefs.12,13 Alginathýdrógel eru lífsamhæf og hafa verið mikið notuð í vefjaverkfræði vegna stillanlegra vélrænna eiginleika þeirra.14 Hins vegar er það enn tilraunakennt að endurskapa þá afar mjúku, froðukenndu áferð sem þarf fyrir lungnadraum sem líkir nákvæmlega eftir teygjanleika og fyllingarbyggingu lungnavefs.
Í þessari rannsókn var gert ráð fyrir að lungnavefur væri einsleitt teygjanlegt efni. Þéttleiki lungnavefs manna (\(\:\rho\:\)) er sagður vera 1,06 g/cm3 og þéttleiki uppblásins lunga er 0,26 g/cm315. Breitt svið Youngs stuðulls (MY) gilda í lungnavef hefur verið mælt með mismunandi tilraunaaðferðum. Lai-Fook o.fl. 16 mældu Youngs stuðull mannalunga með jafnri uppblásun sem 0,42–6,72 kPa. Goss o.fl. 17 notuðu segulómun og greindu frá YM upp á 2,17 kPa. Liu o.fl. 18 greindu frá beint mældum YM upp á 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi o.fl. 19 áætluðu YM sem 0,1–2,7 kPa byggt á 4D tölvusneiðmyndatökugögnum sem fengust frá völdum sjúklingum.
Fyrir geislafræðilega eiginleika lungnanna eru nokkrir þættir notaðir til að lýsa víxlverkunarhegðun lungnavefs við röntgengeisla, þar á meðal frumefnasamsetning, rafeindaþéttleiki (\(\:{\rho\:}_{e}\)), virkt sætisnúmer (\(\:{Z}_{eff}\)), meðalörvunarorka (\(\:I\)), massadempunarstuðull (\(\:\:\:/\rho\:\)) og Hounsfield-einingin (HU), sem er í beinu samhengi við \(\:\:\:/\rho\:\).
Rafeindaþéttleiki \(\:{\rho\:}_{e}\) er skilgreindur sem fjöldi rafeinda á rúmmálseiningu og er reiknaður út á eftirfarandi hátt:
þar sem \(\:\rho\:\) er eðlisþyngd efnisins í g/cm3, \(\:{N}_{A}\) er Avogadro-stuðullinn, \(\:{w}_{i}\) er massahlutfallið, \(\:{Z}_{i}\) er atómtalan og \(\:{A}_{i}\) er atómþyngd i-ta frumefnisins.
Atómtalan tengist beint eðli geislunarvíxlverkunarinnar innan efnisins. Fyrir efnasambönd og blöndur sem innihalda nokkur frumefni (t.d. efni) verður að reikna út virka atómtöluna \(\:{Z}_{eff}\). Formúlan var lögð til af Murthy o.fl. 20:
Meðalörvunarorkan \(\:I\) lýsir því hversu auðveldlega markefnið gleypir hreyfiorku agnanna sem komast inn. Hún lýsir aðeins eiginleikum markefnisins og hefur ekkert með eiginleika agnanna að gera. \(\:I\) er hægt að reikna út með því að beita samlagningarreglu Braggs:
Massadýfingarstuðullinn \(\:\mu\:/\rho\:\) lýsir ídrátt og orkulosun ljóseinda í markefninu. Hana má reikna með eftirfarandi formúlu:
Þar sem \(\:x\) er þykkt efnisins, \(\:{I}_{0}\) er styrkleiki innfallandi ljóss og \(\:I\) er ljósstyrkur eftir að ljósið hefur komist inn í efnið. \(\:\mu\:/\rho\:\) gögn er hægt að fá beint úr NIST 12621 staðlagrunninum. \(\:\:\:\:/\rho\:\) gildi fyrir blöndur og efnasambönd er hægt að leiða út með því að nota samlagningarregluna á eftirfarandi hátt:
HU er stöðluð víddarlaus mælieining fyrir geislaþéttleika við túlkun á tölvusneiðmyndagögnum (CT), sem er línulega umbreytt frá mældum deyfingarstuðli \(\:\mu\:\). Hún er skilgreind sem:
þar sem \(\:{\mu\:}_{vatn}\) er deyfingarstuðull vatns og \(\:{\mu\:}_{loft}\) er deyfingarstuðull lofts. Þess vegna sjáum við úr formúlu (6) að HU gildi vatns er 0 og HU gildi lofts er -1000. HU gildið fyrir lungu manna er á bilinu -600 til -70022.
Nokkur vefjajafngildisefni hafa verið þróuð. Griffith o.fl. 23 þróuðu vefjajafngildislíkan af mannsbol úr pólýúretan (PU) þar sem mismunandi styrk kalsíumkarbónats (CaCO3) var bætt við til að líkja eftir línulegum deyfingarstuðlum ýmissa líffæra, þar á meðal mannslunga, og líkanið fékk nafnið Griffith. Taylor24 kynnti annað lungnavefjajafngildislíkan þróað af Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), kallað LLLL1. Traub o.fl.25 þróuðu nýjan lungnavefsstaðgengil með því að nota Foamex XRS-272 sem inniheldur 5,25% CaCO3 sem afkastabætiefni, sem fékk nafnið ALT2. Tafla 1 og 2 sýna samanburð á \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) og massadeyfingarstuðlunum fyrir mannslunga (ICRU-44) og ofangreindum vefjajafngildislíkönum.
Þrátt fyrir framúrskarandi geislafræðilega eiginleika sem náðst hafa, eru nánast öll fantomefni úr pólýstýrenfroðu, sem þýðir að vélrænir eiginleikar þessara efna geta ekki nálgast þá sem eru í lungum manna. Youngs stuðullinn (YM) í pólýúretanfroðu er um 500 kPa, sem er langt frá því að vera kjörinn miðað við venjuleg lungu manna (um 5-10 kPa). Þess vegna er nauðsynlegt að þróa nýtt efni sem getur uppfyllt vélræna og geislafræðilega eiginleika raunverulegra lungna manna.
Vetnisgel eru mikið notuð í vefjaverkfræði. Uppbygging þeirra og eiginleikar eru svipaðir og utanfrumuefnisins (ECM) og auðvelt er að stilla þá. Í þessari rannsókn var hreint natríumalginat valið sem lífefni til að búa til froður. Alginatvetnisgel eru lífsamhæf og mikið notuð í vefjaverkfræði vegna stillanlegra vélrænna eiginleika þeirra. Frumefnasamsetning natríumalginats (C6H7NaO6)n og nærvera Ca2+ gerir kleift að aðlaga geislafræðilega eiginleika þess eftir þörfum. Þessi samsetning stillanlegra vélrænna og geislafræðilegra eiginleika gerir alginatvetnisgel tilvalin fyrir rannsókn okkar. Að sjálfsögðu hafa alginatvetnisgel einnig takmarkanir, sérstaklega hvað varðar langtímastöðugleika meðan á hermdum öndunarferlum stendur. Því er þörf á frekari úrbótum og búist er við þeim í framtíðarrannsóknum til að takast á við þessar takmarkanir.
Í þessari vinnu þróuðum við alginat hýdrógel froðuefni með stýranlegum rho gildum, teygjanleika og geislafræðilegum eiginleikum sem eru svipaðir og í lungnavef manna. Þessi rannsókn mun veita almenna lausn fyrir framleiðslu á vefjalíkum draugum með stillanlegum teygjanleika og geislafræðilegum eiginleikum. Efniseiginleikarnir er auðvelt að aðlaga að hvaða vef og líffæri sem er hjá mönnum.
Markmiðshlutfall lofts og rúmmáls í hýdrógelfroðunni var reiknað út frá HU bili lungna manna (-600 til -700). Gert var ráð fyrir að froðan væri einföld blanda af lofti og tilbúnu alginathýdrógeli. Með því að nota einfalda samlagningarreglu einstakra frumefna \(\:\mu\:/\rho\:\) var hægt að reikna út rúmmálshlutfall lofts og rúmmálshlutfall myndaðs alginathýdrógelsins.
Alginat hýdrógelfroður voru útbúnar með natríumalginati (hlutanúmer W201502), CaCO3 (hlutanúmer 795445, MW: 100,09) og GDL (hlutanúmer G4750, MW: 178,14) keypt frá Sigma-Aldrich Company, St. Louis, Missouri. 70% natríumlaurýletersúlfat (SLES 70) var keypt frá Renowned Trading LLC. Afjónað vatn var notað í froðuframleiðsluferlinu. Natríumalginat var leyst upp í afjónuðu vatni við stofuhita undir stöðugri hrærslu (600 snúningar á mínútu) þar til einsleit, gul, gegnsæ lausn fékkst. CaCO3 ásamt GDL var notað sem Ca2+ uppspretta til að hefja gelmyndun. SLES 70 var notað sem yfirborðsefni til að mynda porous uppbyggingu inni í hýdrógelinu. Alginatþéttnin var haldið við 5% og Ca2+:-COOH mólhlutfallið var haldið við 0,18. Mólhlutfall CaCO3:GDL var einnig haldið við 0,5 við froðuframleiðslu til að viðhalda hlutlausu pH gildi. Gildið er 26,2% af SLES 70 miðað við rúmmál var bætt út í öll sýnin. Bikarglas með loki var notað til að stjórna blöndunarhlutfalli lausnarinnar og loftsins. Heildarrúmmál bikarglassins var 140 ml. Byggt á niðurstöðum fræðilegra útreikninga var mismunandi rúmmál af blöndunni (50 ml, 100 ml, 110 ml) bætt út í bikarglasið til að blanda við loftið. Sýnið sem innihélt 50 ml af blöndunni var hannað til að blandast við nægilegt loft, en loftrúmmálshlutfallið í hinum tveimur sýnunum var stjórnað. Fyrst var SLES 70 bætt út í alginatlausnina og hrært með rafmagnshrærivél þar til hún var alveg blandað. Síðan var CaCO3 sviflausninni bætt út í blönduna og hrært stöðugt þar til blandan var alveg blanduð, þegar liturinn breyttist í hvítt. Að lokum var GDL lausninni bætt út í blönduna til að hefja gelmyndun og vélræn hrærsla var viðhaldið allan tímann. Fyrir sýnið sem innihélt 50 ml af blöndunni var vélrænni hræringu hætt þegar rúmmál blöndunnar hætti að breytast. Fyrir sýnin sem innihéldu 100 ml og 110 ml af blöndunni var vélrænni hræringu hætt þegar blandan fyllti bikarglasið. Við reyndum einnig að búa til hýdrógelfroður með rúmmáli á milli 50 ml og 100 ml. Hins vegar sást óstöðugleiki í uppbyggingu froðunnar, þar sem hún sveiflaðist á milli þess að loftið hefði verið alveg blandað saman og þess að loftmagnið hefði verið stjórnað, sem leiddi til ósamræmis í rúmmálsstýringu. Þessi óstöðugleiki olli óvissu í útreikningunum og því var þetta rúmmálsbil ekki tekið með í þessari rannsókn.
Þéttleiki \(\:\rho\:\) vatnsgelfroðu er reiknaður með því að mæla massa \(\:m\) og rúmmál \(\:V\) vatnsgelfroðusýnis.
Sjónrænar smásjármyndir af vatnsgelfroðum voru teknar með Zeiss Axio Observer A1 myndavél. ImageJ hugbúnaður var notaður til að reikna út fjölda og stærðardreifingu svitahola í sýni á ákveðnu svæði út frá myndunum sem fengust. Gert er ráð fyrir að lögun svitaholanna sé hringlaga.
Til að rannsaka vélræna eiginleika alginat-hýdrogelfroðunnar voru framkvæmd einása þjöppunarprófanir með TESTRESOURCES 100 seríu vél. Sýnin voru skorin í rétthyrnda blokkir og stærð blokkanna mæld til að reikna út spennu og álag. Hraði þversniðsins var stilltur á 10 mm/mín. Þrjú sýni voru prófuð fyrir hvert sýni og meðaltal og staðalfrávik reiknuð út frá niðurstöðunum. Þessi rannsókn beindi sjónum að vélrænum þjöppunareiginleikum alginat-hýdrogelfroðunnar þar sem lungnavefurinn verður fyrir þjöppunarkrafti á ákveðnu stigi öndunarferlisins. Teygjanleikinn er auðvitað mikilvægur, sérstaklega til að endurspegla alla hreyfifræðilega hegðun lungnavefjarins og þetta verður rannsakað í framtíðarrannsóknum.
Sýnin úr vatnsgelfroðu voru skönnuð með tvírása tölvusneiðmyndatæki frá Siemens SOMATOM Drive. Skannunarbreyturnar voru stilltar á eftirfarandi hátt: 40 mAs, 120 kVp og 1 mm sneiðþykkt. DICOM skrárnar sem fengust voru greindar með MicroDicom DICOM Viewer hugbúnaði til að greina HU gildi 5 þversniða af hverju sýni. HU gildin sem fengust með tölvusneiðmyndatöku voru borin saman við fræðilegar útreikningar byggðar á eðlisþyngdargögnum sýnanna.
Markmið þessarar rannsóknar er að gjörbylta framleiðslu einstakra líffæralíkana og tilbúinna lífvefa með því að hanna mjúk efni. Þróun efna með vélrænum og geislafræðilegum eiginleikum sem passa við virkni lungna manna er mikilvæg fyrir markviss notkun eins og að bæta læknisfræðilega þjálfun, skurðaðgerðaráætlanagerð og geislameðferðaráætlanagerð. Á mynd 1A sýndum við misræmið milli vélrænna og geislafræðilegra eiginleika mjúkra efna sem hugsanlega eru notuð til að framleiða lungnalíkön manna. Hingað til hafa efni verið þróuð sem sýna tilætlaða geislafræðilega eiginleika, en vélrænir eiginleikar þeirra uppfylla ekki tilætlaðar kröfur. Pólýúretan froða og gúmmí eru mest notuðu efnin til að framleiða aflögunarhæf lungnalíkön manna. Vélrænir eiginleikar pólýúretan froðu (Young's modulus, YM) eru yfirleitt 10 til 100 sinnum meiri en venjulegs lungnavefs manna. Efni sem sýna bæði tilætlaða vélræna og geislafræðilega eiginleika eru ekki enn þekkt.
(A) Skýringarmynd af eiginleikum ýmissa mjúkra efna og samanburður við lungu manna hvað varðar eðlisþyngd, Youngs stuðull og geislafræðilega eiginleika (í HU). (B) Röntgengeislunarmynstur af \(\:\:\\:\\:/\\rho\:\\) alginat hýdrógels með 5% styrk og Ca2+:-COOH mólhlutfall upp á 0,18. (C) Bil loftrúmmálshlutfölla í hýdrógelsfroðum. (D) Skýringarmynd af alginat hýdrógelsfroðum með mismunandi loftrúmmálshlutföllum.
Frumefnasamsetning alginat-hýdrógels með 5% styrk og Ca2+:-COOH mólhlutfall upp á 0,18 var reiknuð út og niðurstöðurnar eru sýndar í töflu 3. Samkvæmt samlagningarreglunni í fyrri formúlu (5) fæst massadeyfingarstuðull alginat-hýdrógels \(\:\:\:\:/\rho\:\) eins og sýnt er á mynd 1B.
Gildi \(\:\mu\:/\rho\:\) fyrir loft og vatn voru fengin beint úr viðmiðunargrunni NIST 12612 staðlanna. Þannig sýnir mynd 1C útreiknuð loftrúmmálshlutföll í vetnisgelfroðu með HU jafngildisgildum á bilinu -600 og -700 fyrir mannslungu. Fræðilega reiknaða loftrúmmálshlutfallið er stöðugt innan 60–70% á orkubilinu frá 1 × 10−3 til 2 × 101 MeV, sem bendir til góðra möguleika á notkun vetnisgelfroðu í framleiðsluferlum á eftir.
Mynd 1D sýnir sýni af undirbúnu alginat hýdrógel froðusýni. Öll sýnin voru skorin í teninga með 12,7 mm brúnlengd. Niðurstöðurnar sýndu að einsleitt, þrívítt stöðugt hýdrógel froða myndaðist. Óháð loftrúmmálshlutfallinu sást enginn marktækur munur á útliti hýdrógel froðunnar. Sjálfbærni hýdrógel froðunnar bendir til þess að netið sem myndast innan hýdrógelsins sé nógu sterkt til að bera þyngd froðunnar sjálfrar. Fyrir utan lítinn vatnsleka úr froðunni sýndi froðan einnig tímabundna stöðugleika í nokkrar vikur.
Með því að mæla massa og rúmmál froðusýnisins var eðlisþyngd útbúins vatnsgelfroðunnar reiknað út og niðurstöðurnar eru sýndar í töflu 4. Niðurstöðurnar sýna hvernig eðlisþyngdin er háð rúmmálshlutfalli lofts. Þegar nægilegt loft er blandað saman við 50 ml af sýninu verður eðlisþyngdin lægst og er 0,482 g/cm3. Þegar magn blandaðs lofts minnkar eykst eðlisþyngdin í 0,685 g/cm3. Hámarks p-gildi milli hópanna 50 ml, 100 ml og 110 ml var 0,004 < 0,05, sem gefur til kynna tölfræðilega marktækni niðurstaðnanna.
Fræðilegt gildi \(\:\rho\:\) er einnig reiknað með því að nota stýrt loftrúmmálshlutfall. Mælingarniðurstöðurnar sýna að \(\:\rho\:\) er 0,1 g/cm³ minna en fræðilega gildið. Þennan mun má skýra með innri spennu sem myndast í vatnsgelinu við hlaupmyndunarferlið, sem veldur bólgu og leiðir þannig til lækkunar á \(\:\rho\:\). Þetta var enn frekar staðfest með athugun á nokkrum rifum inni í vatnsgelfroðunni á tölvusneiðmyndunum sem sýndar eru á mynd 2 (A, B og C).
Myndir úr ljósfræðilegri smásjárskoðun af vatnsgelfroðum með mismunandi loftrúmmáli (A) 50, (B) 100 og (C) 110. Fjöldi frumna og dreifing porustærða í sýnum úr alginat vatnsgelfroðu (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Mynd 3 (A, B, C) sýnir ljósasmásjármyndir af vatnsgelfroðusýnum með mismunandi loftrúmmálshlutföllum. Niðurstöðurnar sýna ljósfræðilega uppbyggingu vatnsgelfroðunnar og sýna greinilega myndir af svitaholum með mismunandi þvermál. Dreifing fjölda og þvermáls svitahola var reiknuð með ImageJ. Sex myndir voru teknar fyrir hvert sýni, hver mynd var 1125,27 μm × 843,96 μm að stærð, og heildargreiningarflatarmál hvers sýnis var 5,7 mm².
(A) Þjöppunar- og álagshegðun alginat-hýdrógelfroða með mismunandi loftrúmmálshlutföllum. (B) Veldisvísisaðlögun. (C) Þjöppun E0 í hýdrógelfroðum með mismunandi loftrúmmálshlutföllum. (D) Hámarksþjöppunar- og álagseiginleikar alginat-hýdrógelfroða með mismunandi loftrúmmálshlutföllum.
Mynd 3 (D, E, F) sýnir að dreifing porastærða er tiltölulega jöfn, frá tugum míkrómetra upp í um 500 míkrómetra. Porastærðin er í grundvallaratriðum jöfn og minnkar lítillega eftir því sem loftrúmmál minnkar. Samkvæmt prófunargögnunum er meðalporastærð 50 ml sýnisins 192,16 μm, miðgildið er 184,51 μm og fjöldi pora á flatarmálseiningu er 103; meðalporastærð 100 ml sýnisins er 156,62 μm, miðgildið er 151,07 μm og fjöldi pora á flatarmálseiningu er 109; samsvarandi gildi fyrir 110 ml sýnið eru 163,07 μm, 150,29 μm og 115, talið í sömu röð. Gögnin sýna að stærri porur hafa meiri áhrif á tölfræðilegar niðurstöður meðalporastærðarinnar og miðgildi porastærðarinnar getur betur endurspeglað breytingarþróun porastærðarinnar. Þegar sýnisrúmmálið eykst úr 50 ml í 110 ml, eykst einnig fjöldi svitahola. Með því að sameina tölfræðilegar niðurstöður um miðgildi svitaholþvermáls og fjölda svitahola má álykta að með auknu rúmmáli myndast fleiri smærri svitaholur inni í sýninu.
Gögn úr vélrænu prófunum eru sýnd á myndum 4A og 4D. Mynd 4A sýnir þjöppunarhegðun spennu-álags í tilbúnum vatnsgelfroðum með mismunandi loftrúmmálshlutföllum. Niðurstöðurnar sýna að öll sýnin hafa svipaða ólínulega spennu-álagshegðun. Fyrir hvert sýni eykst spennan hraðar með aukinni álagi. Veldisvísisferill var útfærður á þjöppunarhegðun spennu-álags í vatnsgelfroðunni. Mynd 4B sýnir niðurstöðurnar eftir að veldisvísisfallið var notað sem nálgunarmódel á vatnsgelfroðuna.
Fyrir hýdrógelfroður með mismunandi loftrúmmálshlutföll var þjöppunarstuðull þeirra (E0) einnig rannsakaður. Líkt og við greiningu á hýdrógelunum var þjöppunarstuðullinn rannsakaður á bilinu 20% upphafsálag. Niðurstöður þjöppunarprófanna eru sýndar á mynd 4C. Niðurstöðurnar á mynd 4C sýna að þegar loftrúmmálshlutfallið lækkar frá sýni 50 í sýni 110, eykst þjöppunarstuðullinn E0 í alginathýdrógelfroðunni úr 10,86 kPa í 18 kPa.
Á sama hátt voru fengnar heildarspennu-álagsferlar fyrir hýdrógelfroðuna, sem og gildi fyrir endanlega þjöppunarspennu og -álag. Mynd 4D sýnir endanlega þjöppunarspennu og -álag í alginathýdrógelfroðunum. Hvert gagnapunkt er meðaltal þriggja prófunarniðurstaðna. Niðurstöðurnar sýna að endanleg þjöppunarspenna eykst úr 9,84 kPa í 17,58 kPa með minnkandi gasinnihaldi. Endanleg álag helst stöðugt við um 38%.
Mynd 2 (A, B og C) sýnir tölvusneiðmyndir af vatnsgelfroðum með mismunandi loftrúmmálshlutföllum sem samsvara sýnum 50, 100 og 110, talið í sömu röð. Myndirnar sýna að myndaða vatnsgelfroðan er nánast einsleit. Lítil bil sáust í sýnum 100 og 110. Myndun þessara bila gæti stafað af innri spennu sem myndast í vatnsgelinu við gelmyndunarferlið. Við reiknuðum HU gildi fyrir 5 þversnið af hverju sýni og settum þau fram í töflu 5 ásamt samsvarandi fræðilegum útreikningsniðurstöðum.
Tafla 5 sýnir að sýnin með mismunandi loftrúmmálshlutföll fengu mismunandi HU gildi. Hámarks p gildi milli 50 ml, 100 ml og 110 ml hópanna var 0,004 < 0,05, sem gefur til kynna tölfræðilega marktækni niðurstaðnanna. Meðal þriggja sýna sem prófuð voru hafði sýnið með 50 ml blöndu þá geislafræðilegu eiginleika sem líktust lungum manna. Síðasti dálkurinn í töflu 5 er niðurstaðan sem fengin var með fræðilegum útreikningum byggðum á mældu froðugildi \(\:\rho\:\). Með því að bera saman mæld gögn við fræðilegar niðurstöður má sjá að HU gildin sem fengust með tölvusneiðmynd eru almennt nálægt fræðilegum niðurstöðum, sem staðfestir niðurstöður útreikninga á loftrúmmálshlutfallinu á mynd 1C.
Meginmarkmið þessarar rannsóknar er að búa til efni með vélræna og geislafræðilega eiginleika sem eru sambærilegir við eiginleika mannslungna. Þessu markmiði var náð með því að þróa efni sem byggir á hýdrógeli með vefjajafngildum vélrænum og geislafræðilegum eiginleikum sem eru eins líkir og mögulegt er eiginleikum mannslungna. Með hliðsjón af fræðilegum útreikningum voru hýdrógelfroður með mismunandi loftrúmmálshlutföllum útbúin með því að blanda saman natríumalginatlausn, CaCO3, GDL og SLES 70 vélrænt. Formfræðileg greining sýndi að einsleit þrívíddar stöðug hýdrógelfroða myndaðist. Með því að breyta loftrúmmálshlutfallinu er hægt að breyta eðlisþyngd og gegndræpi froðunnar að vild. Með aukningu á loftrúmmálsinnihaldi minnkar porastærðin lítillega og fjöldi pora eykst. Þjöppunarprófanir voru gerðar til að greina vélræna eiginleika alginathýdrógelfroðunnar. Niðurstöðurnar sýndu að þjöppunarstuðullinn (E0) sem fékkst úr þjöppunarprófunum er á kjörsviði fyrir mannslungu. E0 eykst þegar loftrúmmálshlutfallið minnkar. Gildi geislafræðilegra eiginleika (HU) sýnanna sem voru undirbúin voru fengin út frá tölvusneiðmyndatöku gagna sýnanna og borin saman við niðurstöður fræðilegra útreikninga. Niðurstöðurnar voru hagstæðar. Mæligildið er einnig nálægt HU-gildi mannslungna. Niðurstöðurnar sýna að það er mögulegt að búa til vefjalíkandi hýdrógelfroður með kjörblöndu af vélrænum og geislafræðilegum eiginleikum sem líkja eftir eiginleikum mannslungna.
Þrátt fyrir efnilegar niðurstöður þarf að bæta núverandi framleiðsluaðferðir til að stjórna betur loftrúmmálshlutfalli og gegndræpi til að passa við spár úr fræðilegum útreikningum og raunverulegum lungum manna, bæði á hnattrænum og staðbundnum skala. Núverandi rannsókn takmarkast einnig við að prófa þjöppunarvélina, sem takmarkar mögulega notkun sýndarverunnar við þjöppunarfasa öndunarhringrásarinnar. Framtíðarrannsóknir myndu njóta góðs af því að kanna togprófanir sem og heildar vélrænan stöðugleika efnisins til að meta möguleg notkun við breytilegar álagsaðstæður. Þrátt fyrir þessar takmarkanir markar rannsóknin fyrstu farsælu tilraunina til að sameina geislafræðilega og vélræna eiginleika í einu efni sem líkir eftir lungum manna.
Gögnin sem voru búin til og/eða greind í þessari rannsókn eru aðgengileg frá viðkomandi höfundi ef sanngjörn beiðni berst. Bæði tilraunir og gagnasöfn eru endurtakanleg.
Song, G., o.fl. Nýjar nanótækni og háþróuð efni fyrir geislameðferð við krabbameini. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, o.fl. Skýrsla AAPM 76a verkefnahópsins um stjórnun öndunarfærahreyfinga í geislameðferð. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., og Brock, KK Líkanagerð á ólínuleika tengiflata og efnis í lungum manna. Eðlisfræði, læknisfræði og líffræði 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., o.fl. Æxlislíkt lungnakrabbameinslíkan búið til með þrívíddarlífprentun. 3. Líftækni. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., o.fl. Líkanagerð lungnaaflögunar: aðferð sem sameinar aðferðir við skráningu aflögunarhæfra mynda og rúmfræðilega breytilega mat á Youngs stuðli. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF o.fl. Stífleiki lifandi vefja og áhrif hennar á vefjaverkfræði. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).