nature.com saytına daxil olduğunuz üçün təşəkkür edirik. İstifadə etdiyiniz brauzer versiyasında CSS dəstəyi məhduddur. Ən yaxşı təcrübə üçün ən son brauzer versiyasından istifadə etməyi (və ya Internet Explorer-də uyğunluq rejimini söndürməyi) tövsiyə edirik. Bundan əlavə, davamlı dəstəyi təmin etmək üçün bu saytda stillər və ya JavaScript olmayacaq.
Radioterapiya zamanı orqan və toxumaların hərəkəti rentgen şüalarının yerləşdirilməsində səhvlərə səbəb ola bilər. Buna görə də, radioterapiyanın optimallaşdırılması üçün orqan hərəkətini təqlid etmək üçün toxuma ekvivalent mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərə malik materiallara ehtiyac var. Lakin, bu cür materialların hazırlanması çətin olaraq qalır. Alginat hidrojelləri hüceyrədənkənar matrisin xüsusiyyətlərinə bənzər xüsusiyyətlərə malikdir və bu da onları toxuma ekvivalenti materiallar kimi perspektivli edir. Bu tədqiqatda, istənilən mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərə malik alginat hidrojel köpükləri yerində Ca2+ buraxılması ilə sintez edilmişdir. Müəyyən edilmiş mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərə malik hidrojel köpükləri əldə etmək üçün hava-həcm nisbəti diqqətlə idarə edilmişdir. Materialların makro- və mikromorfologiyası xarakterizə edilmiş və sıxılma altında hidrojel köpüklərinin davranışı öyrənilmişdir. Radioloji xüsusiyyətlər nəzəri olaraq qiymətləndirilmiş və kompüter tomoqrafiyası istifadə edərək eksperimental olaraq təsdiq edilmişdir. Bu tədqiqat radioterapiya zamanı radiasiya dozasının optimallaşdırılması və keyfiyyətə nəzarət üçün istifadə edilə bilən toxuma ekvivalenti materialların gələcək inkişafına işıq salır.
Radiasiya terapiyası xərçəng üçün geniş yayılmış bir müalicə üsuludur1. Orqan və toxumaların hərəkəti tez-tez şüa terapiyası zamanı rentgen şüalarının yerləşdirilməsində səhvlərə səbəb olur2 ki, bu da şişin lazımsız müalicəsinə və ətrafdakı sağlam hüceyrələrin lazımsız şüalanmaya həddindən artıq məruz qalmasına səbəb ola bilər. Orqan və toxumaların hərəkətini proqnozlaşdırmaq qabiliyyəti şişin lokalizasiya səhvlərini minimuma endirmək üçün vacibdir. Bu tədqiqat ağciyərlərə yönəlmişdir, çünki xəstələr şüa terapiyası zamanı nəfəs aldıqda əhəmiyyətli deformasiyalara və hərəkətlərə məruz qalırlar. İnsan ağciyərlərinin hərəkətini simulyasiya etmək üçün müxtəlif sonlu element modelləri hazırlanmış və tətbiq edilmişdir3,4,5. Lakin insan orqanları və toxumaları mürəkkəb həndəsələrə malikdir və xəstədən çox asılıdır. Buna görə də, toxuma ekvivalent xüsusiyyətlərinə malik materiallar nəzəri modelləri təsdiqləmək, təkmilləşdirilmiş tibbi müalicəni asanlaşdırmaq və tibbi təhsil məqsədləri üçün fiziki modellərin hazırlanması üçün çox faydalıdır.
Mürəkkəb xarici və daxili struktur həndəsələrinə nail olmaq üçün yumşaq toxuma təqlid edən materialların hazırlanması çox diqqət çəkib, çünki onların daxili mexaniki uyğunsuzluqları hədəf tətbiqlərində uğursuzluqlara səbəb ola bilər6,7. Həddindən artıq yumşaqlığı, elastikliyi və struktur məsaməliliyini özündə birləşdirən ağciyər toxumasının mürəkkəb biomekanikasının modelləşdirilməsi insan ağciyərini dəqiq şəkildə təkrarlayan modellərin hazırlanmasında əhəmiyyətli bir çətinlik yaradır. Mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərin inteqrasiyası və uyğunlaşdırılması terapevtik müdaxilələrdə ağciyər modellərinin effektiv işləməsi üçün vacibdir. Əlavə istehsalın xəstəyə xas modellərin hazırlanmasında təsirli olduğu sübut edilmişdir ki, bu da mürəkkəb dizaynların sürətli prototipləşdirilməsinə imkan verir. Shin və digərləri 8 3D çaplı hava yolları ilə təkrarlana bilən, deformasiya edilə bilən ağciyər modeli hazırlamışlar. Haselaar və digərləri 9 görüntü keyfiyyətinin qiymətləndirilməsi və radioterapiya üçün mövqe təsdiqləmə metodları üçün real xəstələrə çox bənzər bir fantom hazırlamışlar. Hong və digərləri 10 müxtəlif ağciyər lezyonlarının KT intensivliyini təkrarlamaq üçün 3D çap və silikon tökmə texnologiyasından istifadə edərək sinə KT modeli hazırlamışlar ki, bu da kəmiyyətləndirmənin dəqiqliyini qiymətləndirmək üçün müxtəlif ağciyər lezyonlarının KT intensivliyini təkrarlayır. Lakin, bu prototiplər çox vaxt effektiv xüsusiyyətləri ağciyər toxumasının xüsusiyyətlərindən çox fərqli olan materiallardan hazırlanır11.
Hal-hazırda, ağciyər fantomlarının əksəriyyəti silikon və ya poliuretan köpükdən hazırlanır ki, bu da əsl ağciyər parenximasının mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərinə uyğun gəlmir.12,13 Alginat hidrojelləri biouyğundur və tənzimlənən mexaniki xüsusiyyətlərinə görə toxuma mühəndisliyində geniş istifadə olunur.14 Lakin, ağciyər toxumasının elastikliyini və doldurma strukturunu dəqiq şəkildə təqlid edən ağciyər fantomu üçün tələb olunan ultra yumşaq, köpük kimi konsistensiyanı təkrar istehsal etmək eksperimental bir problem olaraq qalır.
Bu tədqiqatda ağciyər toxumasının homojen elastik material olduğu fərz edilmişdir. İnsan ağciyər toxumasının sıxlığının (\(\:\rho\:\)) 1,06 q/sm3, şişirdilmiş ağciyərin sıxlığının isə 0,26 q/sm3 olduğu bildirilir. Müxtəlif eksperimental metodlardan istifadə edərək ağciyər toxumasının geniş diapazonlu Yanq modulu (MY) dəyərləri əldə edilmişdir. Lai-Fook və digərləri 16 vahid şişirdilmiş insan ağciyərinin YM-ni 0,42–6,72 kPa olaraq ölçmüşlər. Goss və digərləri 17 maqnit rezonans elastoqrafiyasından istifadə etmiş və 2,17 kPa YM bildirmişdir. Liu və digərləri 18 birbaşa ölçülmüş YM-nin 0,03–57,2 kPa olduğunu bildirmişdir. Ilegbusi və digərləri 19 seçilmiş xəstələrdən əldə edilən 4D KT məlumatlarına əsasən YM-nin 0,1–2,7 kPa olduğunu təxmin etmişdirlər.
Ağciyərin radioloji xüsusiyyətləri üçün ağciyər toxumasının rentgen şüaları ilə qarşılıqlı təsirini təsvir etmək üçün bir neçə parametrdən istifadə olunur, o cümlədən element tərkibi, elektron sıxlığı (\(\:{\rho\:}_{e}\)), effektiv atom sayı (\(\:{Z}_{eff}\)), orta həyəcanlanma enerjisi (\(\:I\)), kütlə zəifləmə əmsalı (\(\:\mu\:/\rho\:\)) və birbaşa \(\:\mu\:/\rho\:\) ilə əlaqəli olan Hounsfield vahidi (HU).
Elektron sıxlığı \(\:{\rho\:}_{e}\) vahid həcmə düşən elektronların sayı kimi müəyyən edilir və aşağıdakı kimi hesablanır:
burada \(\:\rho\:\) materialın q/sm3 ilə ifadə edilən sıxlığı, \(\:{N}_{A}\) Avogadro sabiti, \(\:{w}_{i}\) kütlə payı, \(\:{Z}_{i}\) atom ədədi və \(\:{A}_{i}\) i-ci elementin atom çəkisidir.
Atom nömrəsi material daxilindəki radiasiya qarşılıqlı təsirinin təbiəti ilə birbaşa əlaqəlidir. Bir neçə element (məsələn, parçalar) ehtiva edən birləşmələr və qarışıqlar üçün effektiv atom nömrəsi \(\:{Z}_{eff}\) hesablanmalıdır. Düstur Murthy və digərləri tərəfindən təklif edilmişdir. 20:
Orta həyəcanlanma enerjisi \(\:I\) hədəf materialın nüfuz edən hissəciklərin kinetik enerjisini nə qədər asanlıqla udduğunu təsvir edir. Bu, yalnız hədəf materialın xüsusiyyətlərini təsvir edir və hissəciklərin xüsusiyyətləri ilə heç bir əlaqəsi yoxdur. \(\:I\) Bragg additivlik qaydasını tətbiq etməklə hesablana bilər:
Kütlənin zəifləmə əmsalı \(\:\mu\:/\rho\:\) hədəf materialda fotonların nüfuzetmə və enerji buraxılışını təsvir edir. Bu, aşağıdakı düsturla hesablana bilər:
Burada \(x\) materialın qalınlığı, \(\:{I}_{0}\) düşən işığın intensivliyi və \(\:I\) materiala nüfuz etdikdən sonra foton intensivliyidir. \(\:\mu\:/\rho\:\) məlumatları birbaşa NIST 12621 Standartlar İstinad Verilənlər Bazasından əldə edilə bilər. Qarışıqlar və birləşmələr üçün \(\:\mu\:/\rho\:\) dəyərləri aşqarlanma qaydasından istifadə etməklə aşağıdakı kimi əldə edilə bilər:
HU, kompüter tomoqrafiyası (KT) məlumatlarının interpretasiyasında ölçülmüş zəifləmə əmsalından xətti olaraq transformasiya edilən radiosıxlığın standartlaşdırılmış ölçüsüz ölçü vahididir. O, aşağıdakı kimi təyin olunur:
burada \(\:{\mu\:}_{water}\) suyun zəifləmə əmsalıdır və \(\:{\mu\:}_{air}\) havanın zəifləmə əmsalıdır. Buna görə də, (6) düsturundan suyun HU dəyərinin 0, havanın HU dəyərinin isə -1000 olduğunu görürük. İnsan ağciyərləri üçün HU dəyəri -600 ilə -700 arasında dəyişir22.
Bir neçə toxuma ekvivalenti material hazırlanmışdır. Griffith və digərləri 23 insan ağciyəri də daxil olmaqla müxtəlif insan orqanlarının xətti zəifləmə əmsallarını simulyasiya etmək üçün müxtəlif konsentrasiyalı kalsium karbonat (CaCO3) əlavə edilmiş poliuretandan (PU) hazırlanmış insan torsosunun toxuma ekvivalenti modelini hazırlamışlar və model Griffith adlandırılmışdır. Taylor24, Lawrence Livermore Milli Laboratoriyası (LLNL) tərəfindən hazırlanmış LLLL1 adlı ikinci ağciyər toxuması ekvivalenti modelini təqdim etmişdir. Traub və digərləri 25, performans gücləndiricisi olaraq 5,25% CaCO3 ehtiva edən Foamex XRS-272 istifadə edərək ALT2 adlandırılan yeni bir ağciyər toxuması əvəzedicisi hazırlamışdır. Cədvəl 1 və 2, insan ağciyəri (ICRU-44) və yuxarıdakı toxuma ekvivalenti modelləri üçün \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) və kütlə zəifləmə əmsallarının müqayisəsini göstərir.
Əldə edilən əla radioloji xüsusiyyətlərə baxmayaraq, demək olar ki, bütün fantom materialları polistirol köpükdən hazırlanır, bu da o deməkdir ki, bu materialların mexaniki xüsusiyyətləri insan ağciyərlərinin xüsusiyyətlərinə yaxınlaşa bilməz. Poliuretan köpüyün Yanq modulu (YM) təxminən 500 kPa-dır ki, bu da normal insan ağciyərləri ilə müqayisədə idealdan çox uzaqdır (təxminən 5-10 kPa). Buna görə də, real insan ağciyərlərinin mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərinə cavab verə biləcək yeni bir material hazırlamaq lazımdır.
Hidrogellər toxuma mühəndisliyində geniş istifadə olunur. Quruluşu və xüsusiyyətləri hüceyrədənkənar matrisə (EKM) bənzəyir və asanlıqla tənzimlənir. Bu tədqiqatda köpüklərin hazırlanması üçün biomaterial kimi təmiz natrium alginat seçilmişdir. Alginat hidrogelləri biouyğundur və tənzimlənən mexaniki xüsusiyyətlərinə görə toxuma mühəndisliyində geniş istifadə olunur. Natrium alginat (C6H7NaO6)n-in elementar tərkibi və Ca2+-in olması onun radioloji xüsusiyyətlərinin lazım olduqda tənzimlənməsinə imkan verir. Tənzimlənən mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərin bu kombinasiyası alginat hidrogellərini tədqiqatımız üçün ideal edir. Əlbəttə ki, alginat hidrogellərinin də məhdudiyyətləri var, xüsusən də simulyasiya edilmiş tənəffüs dövrləri zamanı uzunmüddətli stabillik baxımından. Buna görə də, bu məhdudiyyətləri aradan qaldırmaq üçün gələcək tədqiqatlarda daha da təkmilləşdirmələrə ehtiyac var və gözlənilir.
Bu işdə, insan ağciyər toxumasına bənzər idarəolunan rho dəyərlərinə, elastikliyinə və radioloji xüsusiyyətlərinə malik alginat hidrogel köpük materialı hazırladıq. Bu tədqiqat, tənzimlənən elastik və radioloji xüsusiyyətlərə malik toxuma bənzəri fantomların hazırlanması üçün ümumi bir həll təqdim edəcək. Material xüsusiyyətləri istənilən insan toxumasına və orqanına asanlıqla uyğunlaşdırıla bilər.
Hidrogel köpüyünün hədəf hava-həcm nisbəti insan ağciyərlərinin HU diapazonuna (-600 ilə -700 arasında) əsasən hesablanmışdır. Köpüyün hava və sintetik alginat hidrojelinin sadə bir qarışığı olduğu güman edilirdi. Fərdi elementlərin sadə bir əlavə qaydasından istifadə edərək havanın həcm hissəsini və sintez edilmiş alginat hidrojelinin həcm nisbətini hesablamaq mümkün idi.
Alginat hidrojel köpükləri, Sent-Luis, MO-dakı Sigma-Aldrich Şirkətindən alınmış natrium alginat (Hissə № W201502), CaCO3 (Hissə № 795445, MW: 100.09) və GDL (Hissə № G4750, MW: 178.14) istifadə edilərək hazırlanmışdır. Renowned Trading MMC-dən 70% Natrium Lauril Eter Sulfat (SLES 70) alınmışdır. Köpük hazırlama prosesində deionlaşdırılmış su istifadə edilmişdir. Natrium alginat, homojen sarı şəffaf məhlul əldə edilənə qədər otaq temperaturunda daim qarışdırılaraq (600 dövr/dəq) deionlaşdırılmış suda həll edilmişdir. CaCO3, jelatinləşməni başlatmaq üçün Ca2+ mənbəyi kimi GDL ilə birlikdə istifadə edilmişdir. Hidrojelin içərisində məsaməli bir struktur yaratmaq üçün SLES 70 səthi aktiv maddə kimi istifadə edilmişdir. Alginat konsentrasiyası 5%, Ca2+:-COOH molar nisbəti isə 0.18 səviyyəsində saxlanılmışdır. Neytral pH-ı saxlamaq üçün köpük hazırlama zamanı CaCO3:GDL molar nisbəti də 0,5 səviyyəsində saxlanılmışdır. Dəyər 26,2% həcmə bərabərdir. Bütün nümunələrə SLES 70-in həcmə görə miqdarı əlavə edilmişdir. Məhlul və havanın qarışdırma nisbətini idarə etmək üçün qapaqlı bir stəkan istifadə edilmişdir. Stəkanın ümumi həcmi 140 ml idi. Nəzəri hesablama nəticələrinə əsasən, hava ilə qarışdırmaq üçün qarışığın müxtəlif həcmləri (50 ml, 100 ml, 110 ml) stəkana əlavə edilmişdir. Qarışığın 50 ml-ni ehtiva edən nümunə kifayət qədər hava ilə qarışdırılmaq üçün hazırlanmışdı, digər iki nümunədəki havanın həcm nisbəti isə nəzarət altına alınmışdır. Əvvəlcə SLES 70 alginat məhluluna əlavə edilmiş və tamamilə qarışana qədər elektrik qarışdırıcı ilə qarışdırılmışdır. Daha sonra qarışığa CaCO3 suspenziyası əlavə edilmiş və qarışıq tamamilə qarışana qədər, rəngi ağa çevrilənə qədər davamlı olaraq qarışdırılmışdır. Nəhayət, jeleləşməni başlatmaq üçün qarışığa GDL məhlulu əlavə edilmiş və proses boyunca mexaniki qarışdırma davam etdirilmişdir. 50 ml qarışıq ehtiva edən nümunə üçün, qarışığın həcmi dəyişməyi dayandırdıqda mexaniki qarışdırma dayandırıldı. 100 ml və 110 ml qarışıq ehtiva edən nümunələr üçün, qarışıq stəkanı doldurduqda mexaniki qarışdırma dayandırıldı. Həmçinin, həcmi 50 ml ilə 100 ml arasında olan hidrogel köpükləri hazırlamağa çalışdıq. Lakin, köpükün struktur qeyri-sabitliyi müşahidə edildi, çünki o, tam hava qarışdırma vəziyyəti ilə hava həcminə nəzarət vəziyyəti arasında dəyişdi və nəticədə həcmə nəzarət uyğunsuz oldu. Bu qeyri-sabitlik hesablamalara qeyri-müəyyənlik gətirdi və buna görə də bu həcm diapazonu bu tədqiqata daxil edilmədi.
Hidrogel köpüyün sıxlığı hidrogel köpük nümunəsinin kütləsini (m) və həcmini (V) ölçməklə hesablanır.
Hidrogel köpüklərinin optik mikroskopik görüntüləri Zeiss Axio Observer A1 kamerası istifadə edilərək əldə edilmişdir. Əldə edilən görüntülərə əsasən müəyyən bir sahədə nümunədəki məsamələrin sayını və ölçüsünü hesablamaq üçün ImageJ proqram təminatından istifadə edilmişdir. Məsamə formasının dairəvi olduğu fərz edilir.
Alginat hidrogel köpüklərinin mexaniki xüsusiyyətlərini öyrənmək üçün TESTRESOURCES 100 seriyalı maşın istifadə edilərək biroxlu sıxılma sınaqları aparılmışdır. Nümunələr düzbucaqlı bloklara kəsilmiş və gərginlik və deformasiyaları hesablamaq üçün blok ölçüləri ölçülmüşdür. Çarpaz başlıq sürəti 10 mm/dəq olaraq təyin edilmişdir. Hər nümunə üçün üç nümunə sınaqdan keçirilmiş və nəticələrdən orta və standart sapma hesablanmışdır. Bu tədqiqat, ağciyər toxuması tənəffüs dövrünün müəyyən bir mərhələsində sıxıcı qüvvələrə məruz qaldığı üçün alginat hidrogel köpüklərinin sıxıcı mexaniki xüsusiyyətlərinə yönəlmişdir. Genişlənmə, əlbəttə ki, xüsusilə ağciyər toxumasının tam dinamik davranışını əks etdirmək üçün çox vacibdir və bu, gələcək tədqiqatlarda araşdırılacaq.
Hazırlanmış hidrogel köpük nümunələri Siemens SOMATOM Drive iki kanallı KT skanerində skan edilmişdir. Skan parametrləri aşağıdakı kimi təyin edilmişdir: 40 mAs, 120 kVp və 1 mm dilim qalınlığı. Nəticədə əldə edilən DICOM faylları hər nümunənin 5 en kəsiyinin HU dəyərlərini təhlil etmək üçün MicroDicom DICOM Viewer proqram təminatı istifadə edilərək təhlil edilmişdir. KT ilə əldə edilən HU dəyərləri nümunələrin sıxlıq məlumatlarına əsaslanan nəzəri hesablamalarla müqayisə edilmişdir.
Bu tədqiqatın məqsədi yumşaq materialların mühəndisliyi yolu ilə fərdi orqan modellərinin və süni bioloji toxumaların istehsalında inqilab etməkdir. İnsan ağciyərlərinin iş mexanikasına uyğun mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərə malik materialların hazırlanması tibbi təlimin təkmilləşdirilməsi, cərrahi planlaşdırma və şüa terapiyasının planlaşdırılması kimi hədəf tətbiqlər üçün vacibdir. Şəkil 1A-da insan ağciyər modellərinin hazırlanması üçün istifadə edildiyi ehtimal olunan yumşaq materialların mexaniki və radioloji xüsusiyyətləri arasındakı uyğunsuzluğu qrafik şəklində göstərdik. Bu günə qədər istənilən radioloji xüsusiyyətlərə malik materiallar hazırlanmışdır, lakin onların mexaniki xüsusiyyətləri istənilən tələblərə cavab vermir. Poliuretan köpük və rezin deformasiyaya uğrayan insan ağciyər modellərinin hazırlanması üçün ən çox istifadə edilən materiallardır. Poliuretan köpüyün mexaniki xüsusiyyətləri (Yanq modulu, YM) adətən normal insan ağciyər toxumasının xüsusiyyətlərindən 10-100 dəfə çoxdur. İstənilən mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərə malik materiallar hələ məlum deyil.
(A) Müxtəlif yumşaq materialların xüsusiyyətlərinin sxematik təsviri və sıxlıq, Yanq modulu və radioloji xüsusiyyətləri baxımından insan ağciyəri ilə müqayisəsi (HU ilə). (B) 5% konsentrasiyası və 0,18 Ca2+:-COOH molar nisbəti olan alginat hidrogelinin rentgen difraksiyası nümunəsi. (C) Hidrogel köpüklərində hava həcm nisbətlərinin diapazonu. (D) Müxtəlif hava həcm nisbətlərinə malik alginat hidrogel köpüklərinin sxematik təsviri.
Konsentrasiyası 5% və Ca2+:-COOH molyar nisbəti 0,18 olan alginat hidrojellərinin elementar tərkibi hesablanmışdır və nəticələr Cədvəl 3-də göstərilmişdir. Əvvəlki düsturdakı (5) əlavə qaydasına əsasən, alginat hidrojelinin kütlə zəifləmə əmsalı Şəkil 1B-də göstərildiyi kimi əldə edilir.
Hava və su üçün \(\:\mu\:/\rho\:\) dəyərləri birbaşa NIST 12612 standartlar istinad məlumat bazasından əldə edilmişdir. Beləliklə, Şəkil 1C, insan ağciyəri üçün -600 ilə -700 arasında HU ekvivalent dəyərləri olan hidrogel köpüklərində hesablanmış hava həcmi nisbətlərini göstərir. Nəzəri olaraq hesablanmış hava həcmi nisbəti 1 × 10−3 ilə 2 × 101 MeV arasında enerji diapazonunda 60-70% arasında sabitdir ki, bu da hidrogel köpüyünün sonrakı istehsal proseslərində tətbiqi üçün yaxşı potensialın olduğunu göstərir.
Şəkil 1D-də hazırlanmış alginat hidrogel köpük nümunəsi göstərilir. Bütün nümunələr 12,7 mm kənar uzunluğunda kublar şəklində kəsilmişdir. Nəticələr göstərdi ki, homogen, üçölçülü sabit hidrogel köpüyü əmələ gəlmişdir. Hava həcmi nisbətindən asılı olmayaraq, hidrogel köpüklərinin görünüşündə heç bir əhəmiyyətli fərq müşahidə edilməmişdir. Hidrogel köpüyünün özünütəmin edən təbiəti, hidrogel daxilində əmələ gələn şəbəkənin köpüyün özünün çəkisini daşımaq üçün kifayət qədər güclü olduğunu göstərir. Köpükdən az miqdarda su sızmasından başqa, köpük bir neçə həftə ərzində müvəqqəti sabitlik də nümayiş etdirmişdir.
Köpük nümunəsinin kütlə və həcmini ölçməklə hazırlanmış hidrogel köpüyünün sıxlığı hesablanmışdır və nəticələr Cədvəl 4-də göstərilmişdir. Nəticələr havanın həcm nisbətindən asılılığını göstərir. 50 ml nümunə ilə kifayət qədər hava qarışdırıldıqda, sıxlıq ən aşağı səviyyəyə çatır və 0,482 q/sm3-dür. Qarışıq havanın miqdarı azaldıqca sıxlıq 0,685 q/sm3-ə qədər artır. 50 ml, 100 ml və 110 ml qrupları arasında maksimum p dəyəri 0,004 < 0,05 idi ki, bu da nəticələrin statistik əhəmiyyətini göstərir.
Nəzəri \(\:\rho\:\) dəyəri də nəzarət edilən hava həcmi nisbəti istifadə edilərək hesablanır. Ölçülmüş nəticələr göstərir ki, \(\:\rho\:\) nəzəri dəyərdən 0,1 q/sm³ kiçikdir. Bu fərq, gelləşmə prosesi zamanı hidrogeldə yaranan daxili gərginliklə izah edilə bilər ki, bu da şişməyə səbəb olur və beləliklə \(\:\rho\:\) azalmasına səbəb olur. Bu, Şəkil 2-də (A, B və C) göstərilən KT şəkillərində hidrogel köpüyün içərisindəki bəzi boşluqların müşahidə edilməsi ilə daha da təsdiqləndi.
Müxtəlif hava həcmli tərkibli hidrogel köpüklərinin optik mikroskopiya görüntüləri (A) 50, (B) 100 və (C) 110. Alginat hidrogel köpük nümunələrində hüceyrə nömrələri və məsamə ölçüsünün paylanması (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Şəkil 3 (A, B, C) müxtəlif hava həcm nisbətlərinə malik hidrogel köpük nümunələrinin optik mikroskop şəkillərini göstərir. Nəticələr hidrogel köpükünün optik quruluşunu nümayiş etdirir və müxtəlif diametrli məsamələrin şəkillərini aydın şəkildə göstərir. Məsamə sayının və diametrinin paylanması ImageJ istifadə edilərək hesablanmışdır. Hər nümunə üçün altı şəkil çəkilmişdir, hər şəklin ölçüsü 1125.27 μm × 843.96 μm, hər nümunə üçün isə ümumi təhlil sahəsi 5.7 mm² olmuşdur.
(A) Müxtəlif hava həcmi nisbətlərinə malik alginat hidrogel köpüklərinin sıxılma gərginliyi-deformasiya davranışı. (B) Eksponensial uyğunlaşdırma. (C) Müxtəlif hava həcmi nisbətlərinə malik hidrogel köpüklərinin sıxılması E0. (D) Müxtəlif hava həcmi nisbətlərinə malik alginat hidrogel köpüklərinin son sıxılma gərginliyi və deformasiya.
Şəkil 3 (D, E, F) göstərir ki, məsamə ölçüsü paylanması nisbətən vahiddir və onlarla mikrometrdən təxminən 500 mikrometrə qədər dəyişir. Məsamə ölçüsü əsasən vahiddir və hava həcmi azaldıqca bir qədər azalır. Test məlumatlarına görə, 50 ml nümunənin orta məsamə ölçüsü 192,16 μm, median 184,51 μm, vahid sahəyə düşən məsamələrin sayı 103-dür; 100 ml nümunənin orta məsamə ölçüsü 156,62 μm, median 151,07 μm və vahid sahəyə düşən məsamələrin sayı 109-dur; 110 ml nümunənin müvafiq dəyərləri müvafiq olaraq 163,07 μm, 150,29 μm və 115-dir. Məlumatlar göstərir ki, daha böyük məsamələr orta məsamə ölçüsünün statistik nəticələrinə daha çox təsir göstərir və median məsamə ölçüsü məsamə ölçüsünün dəyişmə tendensiyasını daha yaxşı əks etdirə bilər. Nümunə həcmi 50 ml-dən 110 ml-ə qədər artdıqca məsamələrin sayı da artır. Median məsamə diametri və məsamə sayının statistik nəticələrini birləşdirərək belə bir nəticəyə gəlmək olar ki, həcm artdıqca nümunənin içərisində daha kiçik ölçülü daha çox məsamə əmələ gəlir.
Mexaniki sınaq məlumatları Şəkil 4A və 4D-də göstərilmişdir. Şəkil 4A, fərqli hava həcmi nisbətləri ilə hazırlanmış hidrogel köpüklərinin sıxılma gərginlik-deformasiya davranışını göstərir. Nəticələr göstərir ki, bütün nümunələr oxşar qeyri-xətti gərginlik-deformasiya davranışına malikdir. Hər bir nümunə üçün gərginlik artan deformasiya ilə daha sürətli artır. Hidrogel köpüyünün sıxılma gərginlik-deformasiya davranışına eksponensial əyri uyğunlaşdırılmışdır. Şəkil 4B, eksponensial funksiyanı hidrogel köpüyünə təxmini model kimi tətbiq etdikdən sonra əldə edilən nəticələri göstərir.
Fərqli hava həcm nisbətlərinə malik hidrogel köpükləri üçün onların sıxılma modulu (E0) da öyrənilmişdir. Hidrogellərin təhlilinə bənzər şəkildə, sıxılma Yanq modulu 20% ilkin gərginlik diapazonunda araşdırılmışdır. Sıxılma testlərinin nəticələri Şəkil 4C-də göstərilmişdir. Şəkil 4C-dəki nəticələr göstərir ki, hava həcm nisbəti 50-ci nümunədən 110-cu nümunəyə qədər azaldıqca, alginat hidrogel köpüyünün sıxılma Yanq modulu E0 10,86 kPa-dan 18 kPa-ya qədər artır.
Eynilə, hidrogel köpüklərinin tam gərginlik-deformasiya əyriləri, eləcə də son sıxılma gərginliyi və deformasiya dəyərləri əldə edilmişdir. Şəkil 4D alginat hidrogel köpüklərinin son sıxılma gərginliyini və deformasiyasını göstərir. Hər bir məlumat nöqtəsi üç sınaq nəticəsinin ortalamasıdır. Nəticələr göstərir ki, qaz tərkibi azaldıqca son sıxılma gərginliyi 9,84 kPa-dan 17,58 kPa-ya qədər artır. Son deformasiya təxminən 38% səviyyəsində sabit qalır.
Şəkil 2 (A, B və C) müvafiq olaraq 50, 100 və 110 nümunələrinə uyğun olaraq fərqli hava həcmi nisbətlərinə malik hidrogel köpüklərinin KT görüntülərini göstərir. Şəkillər göstərir ki, əmələ gələn hidrogel köpüyü demək olar ki, homojendir. 100 və 110 nümunələrində az sayda boşluq müşahidə edilmişdir. Bu boşluqların əmələ gəlməsi gelləşmə prosesi zamanı hidrogeldə yaranan daxili gərginlikdən qaynaqlana bilər. Hər nümunənin 5 en kəsiyi üçün HU dəyərlərini hesabladıq və onları müvafiq nəzəri hesablama nəticələri ilə birlikdə Cədvəl 5-də sadaladıq.
Cədvəl 5 göstərir ki, fərqli hava həcmi nisbətlərinə malik nümunələr fərqli HU dəyərləri əldə edib. 50 ml, 100 ml və 110 ml qrupları arasında maksimum p dəyəri 0,004 < 0,05 olub ki, bu da nəticələrin statistik əhəmiyyətini göstərir. Test edilmiş üç nümunə arasında 50 ml qarışığı olan nümunə insan ağciyərlərinin radioloji xüsusiyyətlərinə ən yaxın olub. Cədvəl 5-in son sütunu ölçülmüş köpük dəyəri \(\:\rho\:\) əsasında nəzəri hesablama ilə əldə edilən nəticədir. Ölçülmüş məlumatları nəzəri nəticələrlə müqayisə etməklə, KT müayinəsi ilə əldə edilən HU dəyərlərinin ümumiyyətlə nəzəri nəticələrə yaxın olduğunu görmək olar ki, bu da öz növbəsində Şəkil 1C-də hava həcmi nisbətinin hesablanması nəticələrini təsdiqləyir.
Bu tədqiqatın əsas məqsədi insan ağciyərlərinin mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərinə malik bir material yaratmaqdır. Bu məqsədə insan ağciyərlərinin mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərinə mümkün qədər yaxın olan toxuma ekvivalent mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərinə malik hidrogel əsaslı bir material hazırlamaqla nail olunmuşdur. Nəzəri hesablamalara əsasən, natrium alginat məhlulu, CaCO3, GDL və SLES 70 mexaniki şəkildə qarışdırılaraq müxtəlif hava həcm nisbətlərinə malik hidrogel köpükləri hazırlanmışdır. Morfoloji analiz göstərdi ki, homojen üçölçülü stabil hidrogel köpüyü əmələ gəlmişdir. Hava həcm nisbətini dəyişdirməklə köpüyün sıxlığı və məsaməliliyi istənilən şəkildə dəyişdirilə bilər. Hava həcm tərkibinin artması ilə məsamə ölçüsü bir qədər azalır və məsamələrin sayı artır. Alginat hidrogel köpüklərinin mexaniki xüsusiyyətlərini təhlil etmək üçün sıxılma testləri aparılmışdır. Nəticələr göstərdi ki, sıxılma testlərindən əldə edilən sıxılma modulu (E0) insan ağciyərləri üçün ideal diapazondadır. Hava həcm nisbəti azaldıqca E0 artır. Hazırlanmış nümunələrin radioloji xüsusiyyətlərinin (RX) dəyərləri nümunələrin KT məlumatlarına əsasən əldə edilmiş və nəzəri hesablamaların nəticələri ilə müqayisə edilmişdir. Nəticələr əlverişli olmuşdur. Ölçülmüş dəyər həmçinin insan ağciyərlərinin RX dəyərinə yaxındır. Nəticələr göstərir ki, insan ağciyərlərinin xüsusiyyətlərini təqlid edən mexaniki və radioloji xüsusiyyətlərin ideal kombinasiyasına malik toxuma təqlid edən hidrogel köpükləri yaratmaq mümkündür.
Ümidverici nəticələrə baxmayaraq, nəzəri hesablamalardan və real insan ağciyərlərindən əldə edilən proqnozlara həm qlobal, həm də yerli miqyasda uyğunlaşmaq üçün hava həcmi nisbətini və məsaməliliyini daha yaxşı idarə etmək üçün mövcud istehsal üsulları təkmilləşdirilməlidir. Hazırkı tədqiqat həmçinin sıxılma mexanikasını sınaqdan keçirməklə məhdudlaşır ki, bu da fantomun potensial tətbiqini tənəffüs dövrünün sıxılma mərhələsi ilə məhdudlaşdırır. Gələcək tədqiqatlar dinamik yükləmə şəraitində potensial tətbiqləri qiymətləndirmək üçün dartılma testini, eləcə də materialın ümumi mexaniki dayanıqlığını araşdırmaqdan faydalanacaq. Bu məhdudiyyətlərə baxmayaraq, tədqiqat insan ağciyərini təqlid edən tək bir materialda radioloji və mexaniki xüsusiyyətləri birləşdirmək üçün ilk uğurlu cəhddir.
Cari tədqiqat zamanı yaradılan və/və ya təhlil edilən məlumat dəstləri müvafiq müəllifdən ağlabatan tələb olduqda əldə edilə bilər. Həm təcrübələr, həm də məlumat dəstləri təkrar istehsal edilə bilər.
Song, G. və b. Xərçəng şüa terapiyası üçün yeni nanotexnologiyalar və qabaqcıl materiallar. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ və b. Radiasiya Onkologiyasında Tənəffüs Hərəkətinin İdarə Edilməsi üzrə AAPM 76a İşçi Qrupunun Hesabatı. Tibbi Fizika Jurnalı 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Əl-Maya, A., Moseley, J. və Brock, KK İnsan ağciyərində interfeys və material qeyri-xəttiliyinin modelləşdirilməsi. Fizika və Tibb və Biologiya 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. və b. 3D bioçap vasitəsilə yaradılan şişəbənzər ağciyər xərçəngi modeli. 3. Biotexnologiya. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M. və b. Ağciyər deformasiyasının modelləşdirilməsi: deformasiya olunan görüntü qeydiyyatı üsullarını və fəza baxımından dəyişən Yanq modulunun qiymətləndirilməsini birləşdirən bir üsul. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF və b. Canlı toxumaların sərtliyi və onun toxuma mühəndisliyi üçün nəticələri. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).