nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz. Kullandığınız tarayıcı sürümünün CSS desteği sınırlıdır. En iyi deneyim için, en son tarayıcı sürümünü kullanmanızı (veya Internet Explorer'da uyumluluk modunu kapatmanızı) öneririz. Ayrıca, sürekli desteği sağlamak için bu sitede stil veya JavaScript yer almayacaktır.
Organ ve dokuların hareketi, radyoterapi sırasında X ışınlarının konumlandırılmasında hatalara yol açabilir. Bu nedenle, radyoterapinin optimizasyonu için organ hareketini taklit etmek amacıyla doku eşdeğeri mekanik ve radyolojik özelliklere sahip malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Bununla birlikte, bu tür malzemelerin geliştirilmesi hala bir zorluk teşkil etmektedir. Aljinat hidrojelleri, hücre dışı matrisin özelliklerine benzer özelliklere sahip olduklarından, doku eşdeğeri malzemeler olarak umut vaat etmektedirler. Bu çalışmada, istenen mekanik ve radyolojik özelliklere sahip aljinat hidrojel köpükleri, yerinde Ca2+ salınımı ile sentezlendi. Belirli mekanik ve radyolojik özelliklere sahip hidrojel köpükleri elde etmek için hava-hacim oranı dikkatlice kontrol edildi. Malzemelerin makro ve mikromorfolojisi karakterize edildi ve hidrojel köpüklerinin sıkıştırma altındaki davranışı incelendi. Radyolojik özellikler teorik olarak tahmin edildi ve bilgisayarlı tomografi kullanılarak deneysel olarak doğrulandı. Bu çalışma, radyoterapi sırasında radyasyon dozu optimizasyonu ve kalite kontrolü için kullanılabilecek doku eşdeğeri malzemelerin gelecekteki gelişimine ışık tutmaktadır.
Radyoterapi, kanser tedavisinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir¹. Organ ve dokuların hareketi, radyoterapi sırasında X ışınlarının konumlandırılmasında hatalara yol açabilir²; bu da tümörün yetersiz tedavi edilmesine ve çevredeki sağlıklı hücrelerin gereksiz radyasyona aşırı maruz kalmasına neden olabilir. Organ ve dokuların hareketini tahmin edebilme yeteneği, tümör lokalizasyon hatalarını en aza indirmek için kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, radyoterapi sırasında hastalar nefes aldığında önemli deformasyonlara ve hareketlere uğrayan akciğerlere odaklanmıştır. İnsan akciğerlerinin hareketini simüle etmek için çeşitli sonlu eleman modelleri geliştirilmiş ve uygulanmıştır³⁻⁵. Bununla birlikte, insan organları ve dokuları karmaşık geometrilere sahiptir ve hastaya oldukça bağımlıdır. Bu nedenle, doku eşdeğeri özelliklere sahip malzemeler, teorik modelleri doğrulamak, tıbbi tedaviyi iyileştirmek ve tıp eğitimi amaçları için fiziksel modeller geliştirmek için çok faydalıdır.
Karmaşık dış ve iç yapısal geometriler elde etmek için yumuşak doku taklit eden malzemelerin geliştirilmesi, doğasında var olan mekanik tutarsızlıkların hedef uygulamalarda arızalara yol açabileceği için büyük ilgi çekmiştir6,7. Aşırı yumuşaklık, esneklik ve yapısal gözenekliliği birleştiren akciğer dokusunun karmaşık biyomekaniğini modellemek, insan akciğerini doğru bir şekilde yeniden üreten modeller geliştirmede önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Mekanik ve radyolojik özelliklerin entegrasyonu ve eşleştirilmesi, akciğer modellerinin terapötik müdahalelerde etkili performansı için kritik öneme sahiptir. Katmanlı üretim, hastaya özgü modeller geliştirmede etkili olduğunu kanıtlamış ve karmaşık tasarımların hızlı prototiplemesini sağlamıştır. Shin ve ark. 8, 3 boyutlu baskı ile üretilmiş hava yollarına sahip, tekrarlanabilir, deforme edilebilir bir akciğer modeli geliştirmiştir. Haselaar ve ark. 9, radyoterapi için görüntü kalitesi değerlendirmesi ve konum doğrulama yöntemleri için gerçek hastalara oldukça benzer bir fantom geliştirmiştir. Hong ve ark. 10, çeşitli akciğer lezyonlarının BT yoğunluğunu yeniden üretmek ve nicelleştirmenin doğruluğunu değerlendirmek için 3 boyutlu baskı ve silikon döküm teknolojisini kullanarak bir göğüs BT modeli geliştirmiştir. Ancak bu prototipler genellikle etkili özellikleri akciğer dokusunun özelliklerinden çok farklı olan malzemelerden üretilir.11
Şu anda, akciğer fantomlarının çoğu silikon veya poliüretan köpükten yapılmıştır ve bunlar gerçek akciğer parankimasının mekanik ve radyolojik özellikleriyle eşleşmemektedir.12,13 Aljinat hidrojelleri biyo-uyumludur ve ayarlanabilir mekanik özellikleri nedeniyle doku mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır.14 Bununla birlikte, akciğer dokusunun elastikiyetini ve dolgu yapısını doğru bir şekilde taklit eden bir akciğer fantomu için gerekli olan ultra yumuşak, köpük benzeri kıvamın yeniden üretilmesi deneysel bir zorluk olmaya devam etmektedir.
Bu çalışmada, akciğer dokusunun homojen elastik bir malzeme olduğu varsayılmıştır. İnsan akciğer dokusunun yoğunluğunun (ρ) 1,06 g/cm³ olduğu ve şişirilmiş akciğerin yoğunluğunun 0,26 g/cm³ olduğu bildirilmiştir¹⁵. Farklı deneysel yöntemler kullanılarak akciğer dokusunun geniş bir Young modülü (MY) değer aralığı elde edilmiştir. Lai-Fook ve ark.¹⁶, düzgün şişirilmiş insan akciğerinin YM değerini 0,42–6,72 kPa olarak ölçmüştür. Goss ve ark.¹⁷, manyetik rezonans elastografisi kullanarak 2,17 kPa'lık bir YM değeri bildirmiştir. Liu ve ark.¹⁸, doğrudan ölçülen YM değerini 0,03–57,2 kPa olarak bildirmiştir. Ilegbusi ve ark.¹⁹, seçilmiş hastalardan elde edilen 4D BT verilerine dayanarak YM değerini 0,1–2,7 kPa olarak tahmin etmiştir.
Akciğerin radyolojik özellikleri için, akciğer dokusunun X ışınlarıyla etkileşim davranışını tanımlamak üzere elementel bileşim, elektron yoğunluğu (\(\:{\rho\:}_{e}\)), etkin atom numarası (\(\:{Z}_{eff}\)), ortalama uyarım enerjisi (\(\:I\)), kütle zayıflama katsayısı (\(\:\mu\:/\rho\:\)) ve doğrudan \(\:\mu\:/\rho\:\) ile ilişkili olan Hounsfield birimi (HU) dahil olmak üzere çeşitli parametreler kullanılır.
Elektron yoğunluğu \(\:{\rho\:}_{e}\), birim hacim başına düşen elektron sayısı olarak tanımlanır ve aşağıdaki gibi hesaplanır:
Burada \(\:\rho\:\) malzemenin yoğunluğunu (g/cm3), \(\:{N}_{A}\) Avogadro sabitini, \(\:{w}_{i}\) kütle oranını, \(\:{Z}_{i}\) atom numarasını ve \(\:{A}_{i}\) i-inci elementin atom ağırlığını ifade eder.
Atom numarası, malzemenin içindeki radyasyon etkileşiminin doğasıyla doğrudan ilişkilidir. Birden fazla element içeren bileşikler ve karışımlar (örneğin, kumaşlar) için etkin atom numarası \(\:{Z}_{eff}\) hesaplanmalıdır. Formül Murthy ve diğerleri tarafından önerilmiştir. 20:
Ortalama uyarım enerjisi \(\:I\), hedef malzemenin nüfuz eden parçacıkların kinetik enerjisini ne kadar kolay absorbe ettiğini açıklar. Sadece hedef malzemenin özelliklerini tanımlar ve parçacıkların özellikleriyle hiçbir ilgisi yoktur. \(\:I\), Bragg'ın toplamsallık kuralı uygulanarak hesaplanabilir:
Kütle zayıflama katsayısı \(\:\mu\:/\rho\:\), fotonların hedef malzemeye nüfuzunu ve enerji salınımını tanımlar. Aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
Burada \(\:x\) malzemenin kalınlığı, \(\:{I}_{0}\) gelen ışık şiddeti ve \(\:I\) malzemenin içine nüfuz ettikten sonraki foton şiddetidir. \(\:\mu\:/\rho\:\) verileri doğrudan NIST 12621 Standart Referans Veritabanından elde edilebilir. Karışımlar ve bileşikler için \(\:\mu\:/\rho\:\) değerleri, aşağıdaki gibi toplamsallık kuralı kullanılarak türetilebilir:
HU, bilgisayarlı tomografi (BT) verilerinin yorumlanmasında radyodensitenin standartlaştırılmış, boyutsuz bir ölçü birimidir ve ölçülen zayıflama katsayısı \(\:\mu\:\)'dan doğrusal olarak dönüştürülür. Şu şekilde tanımlanır:
burada \(\:{\mu\:}_{water}\) suyun zayıflama katsayısı ve \(\:{\mu\:}_{air}\) havanın zayıflama katsayısıdır. Bu nedenle, formül (6)'dan suyun HU değerinin 0, havanın HU değerinin ise -1000 olduğunu görüyoruz. İnsan akciğerleri için HU değeri -600 ile -70022 arasında değişmektedir.
Çeşitli doku eşdeğeri malzemeler geliştirilmiştir. Griffith ve ark. 23, insan akciğeri de dahil olmak üzere çeşitli insan organlarının doğrusal zayıflama katsayılarını simüle etmek için çeşitli konsantrasyonlarda kalsiyum karbonat (CaCO3) eklenmiş poliüretandan (PU) yapılmış insan gövdesinin doku eşdeğeri bir modelini geliştirmiş ve bu modele Griffith adı verilmiştir. Taylor24, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı (LLNL) tarafından geliştirilen ve LLLL1 olarak adlandırılan ikinci bir akciğer doku eşdeğeri modelini sunmuştur. Traub ve ark.25, performans artırıcı olarak %5,25 CaCO3 içeren Foamex XRS-272 kullanarak yeni bir akciğer doku ikamesi geliştirmiş ve buna ALT2 adı verilmiştir. Tablo 1 ve 2, insan akciğeri (ICRU-44) ve yukarıdaki doku eşdeğeri modelleri için ρ, ρe, Zeff, I ve kütle zayıflama katsayılarının karşılaştırmasını göstermektedir.
Elde edilen mükemmel radyolojik özelliklere rağmen, neredeyse tüm fantom malzemeleri polistiren köpükten yapılmıştır; bu da bu malzemelerin mekanik özelliklerinin insan akciğerlerinin mekanik özelliklerine yaklaşamayacağı anlamına gelir. Poliüretan köpüğün Young modülü (YM) yaklaşık 500 kPa'dır ki bu, normal insan akciğerlerine (yaklaşık 5-10 kPa) kıyasla ideal olmaktan çok uzaktır. Bu nedenle, gerçek insan akciğerlerinin mekanik ve radyolojik özelliklerini karşılayabilecek yeni bir malzeme geliştirmek gereklidir.
Hidrojeller doku mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yapısı ve özellikleri hücre dışı matrise (ECM) benzer ve kolayca ayarlanabilir. Bu çalışmada, köpüklerin hazırlanması için biyomateryal olarak saf sodyum aljinat seçilmiştir. Aljinat hidrojelleri biyouyumludur ve ayarlanabilir mekanik özellikleri nedeniyle doku mühendisliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sodyum aljinatın (C6H7NaO6)n elementel bileşimi ve Ca2+ varlığı, radyolojik özelliklerinin gerektiği gibi ayarlanmasına olanak tanır. Ayarlanabilir mekanik ve radyolojik özelliklerin bu kombinasyonu, aljinat hidrojellerini çalışmamız için ideal hale getirmektedir. Elbette, aljinat hidrojellerinin özellikle simüle edilmiş solunum döngüleri sırasında uzun vadeli stabilite açısından da sınırlamaları vardır. Bu nedenle, bu sınırlamaları gidermek için gelecekteki çalışmalarda daha fazla iyileştirme yapılması gerekmektedir.
Bu çalışmada, kontrol edilebilir rho değerlerine, elastikiyete ve insan akciğer dokusuna benzer radyolojik özelliklere sahip bir aljinat hidrojeli köpük malzeme geliştirdik. Bu çalışma, ayarlanabilir elastik ve radyolojik özelliklere sahip doku benzeri fantomların üretimi için genel bir çözüm sağlayacaktır. Malzeme özellikleri, herhangi bir insan dokusuna ve organına kolayca uyarlanabilir.
Hidrojel köpüğünün hedef hava/hacim oranı, insan akciğerlerinin HU aralığına (-600 ila -700) göre hesaplandı. Köpüğün, hava ve sentetik aljinat hidrojelin basit bir karışımı olduğu varsayıldı. Bireysel elementlerin basit bir toplama kuralı \(\:\mu\:/\rho\:\) kullanılarak, havanın hacim oranı ve sentezlenen aljinat hidrojelin hacim oranı hesaplanabildi.
Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO'dan satın alınan sodyum aljinat (Parça No. W201502), CaCO3 (Parça No. 795445, MW: 100.09) ve GDL (Parça No. G4750, MW: 178.14) kullanılarak aljinat hidrojel köpükleri hazırlandı. %70 Sodyum Lauril Eter Sülfat (SLES 70) Renowned Trading LLC'den satın alındı. Köpük hazırlama işleminde deiyonize su kullanıldı. Sodyum aljinat, homojen sarı yarı saydam bir çözelti elde edilene kadar oda sıcaklığında sürekli karıştırma (600 rpm) ile deiyonize suda çözüldü. Jel oluşumunu başlatmak için Ca2+ kaynağı olarak GDL ile birlikte CaCO3 kullanıldı. Hidrojelin içinde gözenekli bir yapı oluşturmak için yüzey aktif madde olarak SLES 70 kullanıldı. Aljinat konsantrasyonu %5'te ve Ca2+:-COOH molar oranı 0,18'de sabit tutuldu. Nötr pH'ı korumak için köpük hazırlama sırasında CaCO3:GDL molar oranı da 0,5'te sabit tutuldu. Değer 26'dır. Tüm numunelere hacimce %2 SLES 70 eklendi. Çözelti ve havanın karıştırma oranını kontrol etmek için kapaklı bir beher kullanıldı. Beherin toplam hacmi 140 ml idi. Teorik hesaplama sonuçlarına dayanarak, hava ile karıştırmak için behere farklı hacimlerde karışım (50 ml, 100 ml, 110 ml) eklendi. 50 ml karışım içeren numune, yeterli hava ile karıştırılacak şekilde tasarlandı, diğer iki numunede ise hava hacim oranı kontrol edildi. İlk olarak, aljinat çözeltisine SLES 70 eklendi ve tamamen karışana kadar elektrikli karıştırıcı ile karıştırıldı. Daha sonra, karışıma CaCO3 süspansiyonu eklendi ve karışım tamamen karışana ve rengi beyaza dönene kadar sürekli karıştırıldı. Son olarak, jelleşmeyi başlatmak için karışıma GDL çözeltisi eklendi ve işlem boyunca mekanik karıştırma sürdürüldü. 50 ml karışım içeren numune için, karışımın hacmi değişmeyi bıraktığında mekanik karıştırma durduruldu. 100 ml ve 110 ml karışım içeren numuneler için, karışım beheri doldurduğunda mekanik karıştırma durduruldu. Ayrıca 50 ml ile 100 ml arasında değişen hacimlerde hidrojel köpükler hazırlamayı da denedik. Bununla birlikte, köpüğün yapısal kararsızlığı gözlemlendi; tamamen hava karışımı durumu ile hava hacmi kontrolü durumu arasında dalgalanmalar meydana geldi ve bu da tutarsız hacim kontrolüne yol açtı. Bu kararsızlık hesaplamalara belirsizlik getirdi ve bu nedenle bu hacim aralığı bu çalışmaya dahil edilmedi.
Hidrojel köpüğünün yoğunluğu \(\:\rho\:\), hidrojel köpüğü numunesinin kütlesi \(\:m\) ve hacmi \(\:V\) ölçülerek hesaplanır.
Hidrojel köpüklerinin optik mikroskop görüntüleri, Zeiss Axio Observer A1 kamera kullanılarak elde edildi. Elde edilen görüntülere dayanarak, belirli bir alandaki gözeneklerin sayısını ve boyut dağılımını hesaplamak için ImageJ yazılımı kullanıldı. Gözenek şeklinin dairesel olduğu varsayıldı.
Aljinat hidrojel köpüklerinin mekanik özelliklerini incelemek için, TESTRESOURCES 100 serisi bir makine kullanılarak tek eksenli sıkıştırma testleri yapılmıştır. Numuneler dikdörtgen bloklar halinde kesilmiş ve blok boyutları ölçülerek gerilim ve gerinimler hesaplanmıştır. Çapraz kafa hızı 10 mm/dak olarak ayarlanmıştır. Her numune için üç örnek test edilmiş ve sonuçlardan ortalama ve standart sapma hesaplanmıştır. Bu çalışma, akciğer dokusunun solunum döngüsünün belirli bir aşamasında sıkıştırma kuvvetlerine maruz kalması nedeniyle, aljinat hidrojel köpüklerinin sıkıştırma mekanik özelliklerine odaklanmıştır. Genişleyebilirlik elbette çok önemlidir, özellikle akciğer dokusunun tam dinamik davranışını yansıtmak için ve bu gelecekteki çalışmalarda incelenecektir.
Hazırlanan hidrojel köpük numuneleri, Siemens SOMATOM Drive çift kanallı BT tarayıcıda tarandı. Tarama parametreleri şu şekilde ayarlandı: 40 mAs, 120 kVp ve 1 mm dilim kalınlığı. Elde edilen DICOM dosyaları, her numunenin 5 kesitinin HU değerlerini analiz etmek için MicroDicom DICOM Viewer yazılımı kullanılarak analiz edildi. BT ile elde edilen HU değerleri, numunelerin yoğunluk verilerine dayalı teorik hesaplamalarla karşılaştırıldı.
Bu çalışmanın amacı, yumuşak malzemelerin mühendisliği yoluyla bireysel organ modelleri ve yapay biyolojik dokuların üretiminde devrim yaratmaktır. İnsan akciğerlerinin çalışma mekaniğiyle eşleşen mekanik ve radyolojik özelliklere sahip malzemelerin geliştirilmesi, tıp eğitimi, cerrahi planlama ve radyoterapi planlaması gibi hedeflenen uygulamalar için önemlidir. Şekil 1A'da, insan akciğer modelleri üretmek için kullanılan yumuşak malzemelerin mekanik ve radyolojik özellikleri arasındaki farkı gösterdik. Bugüne kadar, istenen radyolojik özelliklere sahip malzemeler geliştirilmiştir, ancak mekanik özellikleri istenen gereksinimleri karşılamamaktadır. Poliüretan köpük ve kauçuk, deforme edilebilir insan akciğer modelleri üretmek için en yaygın kullanılan malzemelerdir. Poliüretan köpüğün mekanik özellikleri (Young modülü, YM), normal insan akciğer dokusunun mekanik özelliklerinden tipik olarak 10 ila 100 kat daha fazladır. Hem istenen mekanik hem de radyolojik özelliklere sahip malzemeler henüz bilinmemektedir.
(A) Çeşitli yumuşak malzemelerin özelliklerinin şematik gösterimi ve yoğunluk, Young modülü ve radyolojik özellikler (HU cinsinden) açısından insan akciğeriyle karşılaştırılması. (B) %5 konsantrasyonlu ve 0,18 Ca2+:-COOH molar oranına sahip μ/ρ aljinat hidrojelin X-ışını kırınım deseni. (C) Hidrojel köpüklerindeki hava hacmi oranlarının aralığı. (D) Farklı hava hacmi oranlarına sahip aljinat hidrojel köpüklerinin şematik gösterimi.
%5 konsantrasyonlu ve 0,18 Ca2+:-COOH molar oranına sahip aljinat hidrojellerinin elementel bileşimi hesaplandı ve sonuçlar Tablo 3'te gösterildi. Önceki formüldeki (5) ekleme kuralına göre, aljinat hidrojelin kütle zayıflama katsayısı \(\:\:\mu\:/\rho\:\) Şekil 1B'de gösterildiği gibi elde edildi.
Hava ve su için \(\:\mu\:/\rho\:\) değerleri doğrudan NIST 12612 standart referans veri tabanından elde edilmiştir. Bu nedenle, Şekil 1C, insan akciğeri için -600 ile -700 arasında HU eşdeğer değerlerine sahip hidrojel köpüklerdeki hesaplanan hava hacmi oranlarını göstermektedir. Teorik olarak hesaplanan hava hacmi oranı, 1 × 10−3 ile 2 × 101 MeV arasındaki enerji aralığında %60-70 arasında sabittir ve bu da hidrojel köpüğün sonraki üretim süreçlerinde uygulanması için iyi bir potansiyele işaret etmektedir.
Şekil 1D, hazırlanan aljinat hidrojeli köpük örneğini göstermektedir. Tüm örnekler, kenar uzunluğu 12,7 mm olan küpler halinde kesilmiştir. Sonuçlar, homojen, üç boyutlu olarak kararlı bir hidrojeli köpüğün oluştuğunu göstermiştir. Hava hacmi oranından bağımsız olarak, hidrojeli köpüklerin görünümünde önemli bir fark gözlemlenmemiştir. Hidrojeli köpüğün kendi kendini destekleme özelliği, hidrojelin içinde oluşan ağın, köpüğün kendi ağırlığını taşıyacak kadar güçlü olduğunu göstermektedir. Köpükten az miktarda su sızıntısı dışında, köpük birkaç hafta boyunca geçici bir kararlılık da göstermiştir.
Köpük numunesinin kütlesi ve hacmi ölçülerek, hazırlanan hidrojel köpüğünün yoğunluğu ρ hesaplandı ve sonuçlar Tablo 4'te gösterilmiştir. Sonuçlar, ρ'nun hava hacim oranına bağlılığını göstermektedir. 50 ml numuneye yeterli miktarda hava karıştırıldığında, yoğunluk en düşük seviyeye iner ve 0,482 g/cm³ olur. Karıştırılan hava miktarı azaldıkça, yoğunluk 0,685 g/cm³'e yükselir. 50 ml, 100 ml ve 110 ml grupları arasındaki maksimum p değeri 0,004 < 0,05 olup, sonuçların istatistiksel olarak anlamlı olduğunu göstermektedir.
Teorik \(\:\rho\:\) değeri, kontrollü hava hacmi oranı kullanılarak da hesaplanmıştır. Ölçülen sonuçlar, \(\:\rho\:\) değerinin teorik değerden 0,1 g/cm³ daha küçük olduğunu göstermektedir. Bu fark, jelleşme işlemi sırasında hidrojelde oluşan iç gerilimden kaynaklanmaktadır; bu gerilim şişmeye ve dolayısıyla \(\:\rho\:\) değerinde azalmaya yol açmaktadır. Bu durum, Şekil 2'de (A, B ve C) gösterilen BT görüntülerinde hidrojel köpüğünün içinde bazı boşlukların gözlemlenmesiyle de doğrulanmıştır.
Farklı hava hacmi içeriklerine sahip hidrojel köpüklerinin optik mikroskopi görüntüleri (A) 50, (B) 100 ve (C) 110. Aljinat hidrojel köpük örneklerinde hücre sayıları ve gözenek boyutu dağılımı (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Şekil 3 (A, B, C), farklı hava hacmi oranlarına sahip hidrojelli köpük numunelerinin optik mikroskop görüntülerini göstermektedir. Sonuçlar, hidrojelli köpüğün optik yapısını ortaya koyarak, farklı çaplardaki gözeneklerin görüntülerini net bir şekilde göstermektedir. Gözenek sayısı ve çapının dağılımı ImageJ kullanılarak hesaplanmıştır. Her numune için altı görüntü alınmış olup, her görüntünün boyutu 1125,27 μm × 843,96 μm'dir ve her numune için analiz edilen toplam alan 5,7 mm²'dir.
(A) Farklı hava hacmi oranlarına sahip aljinat hidrojel köpüklerinin basınç gerilme-gerinim davranışı. (B) Üstel uyum. (C) Farklı hava hacmi oranlarına sahip hidrojel köpüklerinin E0 basınç değeri. (D) Farklı hava hacmi oranlarına sahip aljinat hidrojel köpüklerinin nihai basınç gerilmesi ve gerinimi.
Şekil 3 (D, E, F), gözenek boyutu dağılımının nispeten homojen olduğunu ve onlarca mikrometreden yaklaşık 500 mikrometreye kadar değiştiğini göstermektedir. Gözenek boyutu temelde homojendir ve hava hacmi azaldıkça hafifçe azalmaktadır. Test verilerine göre, 50 ml'lik numunenin ortalama gözenek boyutu 192,16 μm, medyan değeri 184,51 μm ve birim alan başına gözenek sayısı 103'tür; 100 ml'lik numunenin ortalama gözenek boyutu 156,62 μm, medyan değeri 151,07 μm ve birim alan başına gözenek sayısı 109'dur; 110 ml'lik numunenin karşılık gelen değerleri ise sırasıyla 163,07 μm, 150,29 μm ve 115'tir. Veriler, daha büyük gözeneklerin ortalama gözenek boyutu istatistiksel sonuçları üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu ve medyan gözenek boyutunun gözenek boyutunun değişim trendini daha iyi yansıttığını göstermektedir. Numune hacmi 50 ml'den 110 ml'ye çıktıkça, gözenek sayısı da artmaktadır. Medyan gözenek çapı ve gözenek sayısının istatistiksel sonuçlarını birleştirerek, hacim arttıkça numune içinde daha küçük boyutlu daha fazla gözenek oluştuğu sonucuna varılabilir.
Mekanik test verileri Şekil 4A ve 4D'de gösterilmiştir. Şekil 4A, farklı hava hacmi oranlarına sahip hazırlanan hidrojel köpüklerin basma gerilme-gerinim davranışını göstermektedir. Sonuçlar, tüm numunelerin benzer doğrusal olmayan gerilme-gerinim davranışına sahip olduğunu göstermektedir. Her numune için, gerilme, gerinim arttıkça daha hızlı artmaktadır. Hidrojel köpüğün basma gerilme-gerinim davranışına üstel bir eğri uydurulmuştur. Şekil 4B, üstel fonksiyonun yaklaşık bir model olarak hidrojel köpüğe uygulanmasından sonraki sonuçları göstermektedir.
Farklı hava hacmi oranlarına sahip hidrojel köpükler için, sıkıştırma modülü (E0) de incelenmiştir. Hidrojellerin analizine benzer şekilde, sıkıştırma Young modülü %20 başlangıç ​​gerilimi aralığında araştırılmıştır. Sıkıştırma testlerinin sonuçları Şekil 4C'de gösterilmiştir. Şekil 4C'deki sonuçlar, hava hacmi oranının 50 numaralı örnekten 110 numaralı örneğe doğru azalmasıyla, aljinat hidrojel köpüğünün sıkıştırma Young modülü E0'ının 10,86 kPa'dan 18 kPa'ya yükseldiğini göstermektedir.
Benzer şekilde, hidrojel köpüklerin tam gerilme-gerinim eğrileri ile nihai basma gerilme ve gerinim değerleri elde edildi. Şekil 4D, aljinat hidrojel köpüklerin nihai basma gerilmesini ve gerinimini göstermektedir. Her veri noktası, üç test sonucunun ortalamasıdır. Sonuçlar, gaz içeriği azaldıkça nihai basma gerilmesinin 9,84 kPa'dan 17,58 kPa'ya yükseldiğini göstermektedir. Nihai gerinim yaklaşık %38'de sabit kalmaktadır.
Şekil 2 (A, B ve C), sırasıyla 50, 100 ve 110 numaralı örneklere karşılık gelen farklı hava hacmi oranlarına sahip hidrojel köpüklerinin BT görüntülerini göstermektedir. Görüntüler, oluşan hidrojel köpüğünün neredeyse homojen olduğunu göstermektedir. 100 ve 110 numaralı örneklerde az sayıda boşluk gözlemlenmiştir. Bu boşlukların oluşumu, jelleşme işlemi sırasında hidrojelde oluşan iç gerilmeden kaynaklanıyor olabilir. Her bir örneğin 5 kesiti için HU değerlerini hesapladık ve bunları ilgili teorik hesaplama sonuçlarıyla birlikte Tablo 5'te listeledik.
Tablo 5, farklı hava hacmi oranlarına sahip örneklerin farklı HU değerleri elde ettiğini göstermektedir. 50 ml, 100 ml ve 110 ml grupları arasındaki maksimum p değeri 0,004 < 0,05 olup, sonuçların istatistiksel olarak anlamlı olduğunu göstermektedir. Test edilen üç örnek arasında, 50 ml karışım içeren örnek, insan akciğerlerine en yakın radyolojik özelliklere sahipti. Tablo 5'in son sütunu, ölçülen köpük değeri \(\:\rho\:\) temel alınarak yapılan teorik hesaplamanın sonucudur. Ölçülen veriler ile teorik sonuçlar karşılaştırıldığında, BT taraması ile elde edilen HU değerlerinin genel olarak teorik sonuçlara yakın olduğu ve bunun da Şekil 1C'deki hava hacmi oranı hesaplama sonuçlarını doğruladığı görülmektedir.
Bu çalışmanın temel amacı, insan akciğerlerinin mekanik ve radyolojik özelliklerine benzer özelliklere sahip bir malzeme oluşturmaktır. Bu amaç, insan akciğerlerinin özelliklerine mümkün olduğunca yakın, özel olarak tasarlanmış doku eşdeğeri mekanik ve radyolojik özelliklere sahip bir hidrojel bazlı malzeme geliştirilerek elde edilmiştir. Teorik hesaplamalar rehberliğinde, sodyum aljinat çözeltisi, CaCO3, GDL ve SLES 70'in mekanik olarak karıştırılmasıyla farklı hava hacmi oranlarına sahip hidrojel köpükler hazırlanmıştır. Morfolojik analiz, homojen üç boyutlu kararlı bir hidrojel köpüğün oluştuğunu göstermiştir. Hava hacmi oranı değiştirilerek, köpüğün yoğunluğu ve gözenekliliği istenildiği gibi değiştirilebilir. Hava hacmi içeriğinin artmasıyla gözenek boyutu hafifçe azalır ve gözenek sayısı artar. Aljinat hidrojel köpüklerinin mekanik özelliklerini analiz etmek için sıkıştırma testleri yapılmıştır. Sonuçlar, sıkıştırma testlerinden elde edilen sıkıştırma modülünün (E0) insan akciğerleri için ideal aralıkta olduğunu göstermiştir. Hava hacmi oranı azaldıkça E0 artmaktadır. Hazırlanan numunelerin radyolojik özelliklerinin (HU) değerleri, numunelerin BT verilerine dayanarak elde edildi ve teorik hesaplamaların sonuçlarıyla karşılaştırıldı. Sonuçlar olumlu çıktı. Ölçülen değer, insan akciğerlerinin HU değerine de yakındır. Sonuçlar, insan akciğerlerinin özelliklerini taklit eden, mekanik ve radyolojik özelliklerin ideal bir kombinasyonuna sahip doku taklit eden hidrojel köpükler oluşturmanın mümkün olduğunu göstermektedir.
Umut vadeden sonuçlara rağmen, mevcut üretim yöntemlerinin, hem küresel hem de yerel ölçekte teorik hesaplamalardan ve gerçek insan akciğerlerinden elde edilen tahminlerle eşleşmesi için hava hacmi oranını ve gözenekliliği daha iyi kontrol edecek şekilde geliştirilmesi gerekmektedir. Mevcut çalışma ayrıca, yalnızca sıkıştırma mekaniğinin test edilmesiyle sınırlıdır; bu da fantomun potansiyel uygulamasını solunum döngüsünün sıkıştırma aşamasıyla sınırlandırmaktadır. Gelecekteki araştırmalar, dinamik yükleme koşulları altında potansiyel uygulamaları değerlendirmek için çekme testinin yanı sıra malzemenin genel mekanik stabilitesini de incelemekten fayda sağlayacaktır. Bu sınırlamalara rağmen, çalışma, insan akciğerini taklit eden tek bir malzemede radyolojik ve mekanik özellikleri birleştirme konusunda ilk başarılı girişimi temsil etmektedir.
Bu çalışmada oluşturulan ve/veya analiz edilen veri setleri, makul bir talep üzerine ilgili yazardan temin edilebilir. Hem deneyler hem de veri setleri tekrarlanabilir niteliktedir.
Song, G., ve diğerleri. Kanser radyoterapisi için yeni nanoteknolojiler ve gelişmiş malzemeler. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, ve diğerleri. Radyasyon Onkolojisinde Solunum Hareketi Yönetimi Üzerine AAPM 76a Görev Gücü Raporu. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. ve Brock, KK İnsan akciğerindeki arayüz ve malzeme doğrusal olmayanlıklarının modellenmesi. Fizik, Tıp ve Biyoloji 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., ve diğerleri. 3D biyobaskı ile oluşturulan tümör benzeri akciğer kanseri modeli. 3. Biyoteknoloji. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., ve diğerleri. Akciğer deformasyonunun modellenmesi: deforme edilebilir görüntü kaydı tekniklerini ve uzamsal olarak değişen Young modülü tahminini birleştiren bir yöntem. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF ve diğerleri. Canlı dokunun sertliği ve doku mühendisliği için etkileri. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).