nature.com сайтына кергәнегез өчен рәхмәт. Сез куллана торган браузер версиясендә CSS ярдәме чикләнгән. Иң яхшы тәҗрибә өчен, без браузерның соңгы версиясен кулланырга киңәш итәбез (яки Internet Explorer'да туры килүчәнлек режимын сүндерергә). Моннан тыш, ярдәмне дәвам итү өчен, бу сайтта стильләр яки JavaScript булмаячак.
Органнар һәм тукымаларның хәрәкәте радиотерапия вакытында рентген нурларының урнашуында хаталарга китерергә мөмкин. Шуңа күрә, радиотерапияне оптимальләштерү өчен органнар хәрәкәтен имитацияләү өчен тукымаларга эквивалент механик һәм радиологик үзлекләргә ия материаллар кирәк. Ләкин мондый материалларны эшләү авыр булып кала. Альгинат гидрогельләренең үзлекләре тышкы матрицага охшаш, бу аларны тукымаларга эквивалент материаллар буларак перспективалы итә. Бу тикшеренүдә, кирәкле механик һәм радиологик үзлекләргә ия альгинат гидрогель күбекләре in situ Ca2+ чыгару юлы белән синтезланды. Билгеләнгән механик һәм радиологик үзлекләргә ия гидрогель күбекләрен алу өчен һава-күләм нисбәте җентекләп контрольдә тотылды. Материалларның макро- һәм микроморфологиясе характерланды, һәм кысу астында гидрогель күбекләренең үз-үзен тотышы өйрәнелде. Радиологик үзлекләр теоретик яктан бәяләнде һәм компьютер томографиясе ярдәмендә эксперименталь рәвештә тикшерелде. Бу тикшеренү радиотерапия вакытында нурланыш дозасын оптимальләштерү һәм сыйфатны контрольдә тоту өчен кулланылырга мөмкин булган тукымаларга эквивалент материалларның киләчәк үсешен яктырта.
Нур терапиясе - яман шешне дәвалауның киң таралган ысулы1. Органнар һәм тукымаларның хәрәкәте еш кына нур терапиясе вакытында рентген нурларының урнашуында хаталарга китерә2, бу шешнең җитәрлек дәрәҗәдә дәваланмавына һәм тирә-юньдәге сәламәт күзәнәкләрнең кирәксез нурланышка артык дучар булуына китерергә мөмкин. Органнар һәм тукымаларның хәрәкәтен фаразлау сәләте шеш локализациясендәге хаталарны минимальләштерү өчен бик мөһим. Бу тикшеренү үпкәләргә юнәлтелгән, чөнки алар нур терапиясе вакытында пациентлар сулаганда зур деформацияләргә һәм хәрәкәтләргә дучар булалар. Кеше үпкәләренең хәрәкәтен симуляцияләү өчен төрле чикле элемент модельләре эшләнгән һәм кулланылган3,4,5. Ләкин кеше органнары һәм тукымалары катлаулы геометрияләргә ия һәм пациентларга бик бәйле. Шуңа күрә тукымаларга эквивалент үзлекләргә ия материаллар теоретик модельләрне раслау, медицина дәвалавын яхшыртуга ярдәм итү һәм медицина белеме максатларында физик модельләр эшләү өчен бик файдалы.
Катлаулы тышкы һәм эчке структура геометрияләренә ирешү өчен йомшак тукымаларны имитацияләүче материаллар эшләү зур игътибар җәлеп итте, чөнки аларның механик каршылыклары максатчан кушымталарда уңышсызлыкка китерергә мөмкин6,7. Үпкә тукымасының катлаулы биомеханикасын модельләштерү, ул бик йомшаклыкны, эластиклыкны һәм структураль пороховостьны берләштерә, кеше үпкәсен төгәл кабатлый торган модельләр эшләүдә зур кыенлыклар тудыра. Механик һәм радиологик үзенчәлекләрне интеграцияләү һәм туры китерү терапевтик чараларда үпкә модельләренең нәтиҗәле эшләве өчен бик мөһим. Өстәмә җитештерү пациентка хас модельләр эшләүдә нәтиҗәле булып чыкты, бу катлаулы дизайннарны тиз прототиплаштыру мөмкинлеген бирде. Шин һ.б. 8 3D бастырылган һава юллары белән кабатланырлык, деформацияләнерлек үпкә моделен эшләделәр. Хаселар һ.б. 9 сурәт сыйфатын бәяләү һәм нур терапиясе өчен позицияне тикшерү ысуллары өчен чын пациентларга бик охшаш фантом эшләделәр. Хонг һ.б. 10 санлаштыру төгәллеген бәяләү өчен төрле үпкә җәрәхәтләренең компьютер томографиясе интенсивлыгын кабатлау өчен 3D бастыру һәм силикон кою технологиясен кулланып күкрәк томографиясе моделен эшләделәр. Ләкин бу прототиплар еш кына үпкә тукымасыннан бик нык аерылып торган эффектив үзлекләре булган материаллардан ясала11.
Хәзерге вакытта күпчелек үпкә фантомнары силикон яки полиуретан күбегеннән ясалган, алар чын үпкә паренхимасы механик һәм радиологик үзлекләренә туры килми.12,13 Альгинат гидрогельләре био-сыйлашучан һәм көйләнергә мөмкин булган механик үзлекләре аркасында тукыма инженериясендә киң кулланыла.14 Ләкин, үпкә фантомы өчен кирәкле ультра йомшак, күбексыман консистенцияне кабатлау, ул үпкә тукымасының эластиклыгын һәм тутыру структурасын төгәл кабатлау эксперименталь проблема булып кала.
Бу тикшеренүдә үпкә тукымасы бер төрле эластик материал дип фаразланды. Кеше үпкә тукымасының тыгызлыгы (\(\:\rho\:\)) 1,06 г/см3, ә шешенгән үпкәнең тыгызлыгы 0,26 г/см315 дип хәбәр ителә. Төрле эксперименталь ысуллар кулланып, үпкә тукымасының Янг модуле (MY) кыйммәтләренең киң диапазоны алынды. Лай-Фук һ.б. 16 кеше үпкәсенең YM-ын бердәй шешенү белән 0,42–6,72 кПа итеп үлчәделәр. Госс һ.б. 17 магнит-резонанс эластографиясен кулландылар һәм YM 2,17 кПа дип хәбәр иттеләр. Лю һ.б. 18 турыдан-туры үлчәнгән YM 0,03–57,2 кПа дип хәбәр иттеләр. Илегбуси һ.б. 19 сайланган пациентлардан алынган 4D КТ мәгълүматларына нигезләнеп, YM-ны 0,1–2,7 кПа дип бәяләделәр.
Үпкәнең рентгенологик үзенчәлекләре өчен, үпкә тукымасының рентген нурлары белән үзара бәйләнешен тасвирлау өчен берничә параметр кулланыла, шул исәптән элемент составы, электрон тыгызлыгы (\(\:{\rho\:}_{e}\)), эффектив атом саны (\(\:{Z}_{eff}\)), уртача кузгату энергиясе (\(\:I\)), масса сүнү коэффициенты (\(\:\mu\:/\rho\:\)) һәм турыдан-туры \(\:\mu\:/\rho\:\) белән бәйле булган Хаунсфилд берәмлеге (HU).
Электрон тыгызлыгы \(\:{\rho\:}_{e}\) берәмлек күләмдәге электроннар саны буларак билгеләнә һәм түбәндәгечә исәпләнә:
монда \(\:\rho\:\) - материалның тыгызлыгы, г/см3, \(\:{N}_{A}\) - Авогадро даимисе, \(\:{w}_{i}\) - масса өлеше, \(\:{Z}_{i}\) - атом саны, һәм \(\:{A}_{i}\) - i-нче элементның атом авырлыгы.
Атом саны материал эчендәге нурланыш үзара тәэсир итешүенең характерына турыдан-туры бәйле. Берничә элементны үз эченә алган кушылмалар һәм катнашмалар өчен (мәсәлән, тукымаларда) эффектив атом саны \(\:{Z}_{eff}\) исәпләнергә тиеш. Формуланы Мерти һ.б. тәкъдим иткән. 20:
Уртача кузгату энергиясе \(\:I\) максат материалының үтеп керүче кисәкчәләрнең кинетик энергиясен ничек җиңел сеңдерүен күрсәтә. Ул максат материалының үзлекләрен генә сурәтли һәм кисәкчәләрнең үзлекләре белән бернинди бәйләнеше юк. \(\:I\) Брэггның аддитивлык кагыйдәсен кулланып исәпләп була:
Масса сүнү коэффициенты \(\:\mu\:/\rho\:\) максатлы материалда фотоннарның үтеп керүен һәм энергия бүленешен тасвирлый. Аны түбәндәге формула ярдәмендә исәпләп була:
Монда \(\:x\) - материалның калынлыгы, \(\:{I}_{0}\) - төшкән яктылык интенсивлыгы, ә \(\:I\) - материалга үтеп кергәннән соңгы фотон интенсивлыгы. \(\:\mu\:/\rho\:\) мәгълүматларын турыдан-туры NIST 12621 Стандартлар белешмәлек базасыннан алырга мөмкин. Катнашмалар һәм кушылмалар өчен \(\:\mu\:/\rho\:\) кыйммәтләрен түбәндәгечә өстәмә кагыйдә ярдәмендә алырга мөмкин:
HU - компьютер томографиясе (КТ) мәгълүматларын интерпретацияләүдә радиотыгызлыкны үлчәүнең стандартлаштырылган үлчәмсез берәмлеге, ул үлчәнгән сүнү коэффициентыннан сызыклы рәвештә үзгәртелә. Ул болай билгеләнә:
монда \(\:{\mu\:}_{water}\) - суның йомшару коэффициенты, ә \(\:{\mu\:}_{hava}\) - һаваның йомшару коэффициенты. Шуңа күрә, (6) формуладан без суның HU кыйммәтенең 0, ә һаваның HU кыйммәтенең -1000 икәнен күрәбез. Кеше үпкәләре өчен HU кыйммәте -600 дән -700 гә кадәр үзгәрә22.
Берничә тукыма эквивалент материал эшләнгән. Гриффит һ.б. 23 кеше гәүдәсенең полиуретаннан (PU) ясалган тукыма эквивалент моделен эшләгәннәр, аңа төрле концентрациядәге кальций карбонаты (CaCO3) өстәлгән, кеше үпкәсен дә кертеп, кеше гәүдәсенең сызыклы йомшару коэффициентларын симуляцияләү өчен, һәм модель Гриффит дип аталган. Taylor24 Лоуренс Ливермор Милли Лабораториясе (LLNL) тарафыннан эшләнгән икенче үпкә тукыма эквивалент моделен тәкъдим иткән, LLLL1. Traub һ.б.25 Foamex XRS-272 кулланып, 5,25% CaCO3 булган яңа үпкә тукыма алмаштыргычын эшләгәннәр, ул ALT2 дип аталган. 1 һәм 2 нче таблицаларда кеше үпкәсе (ICRU-44) һәм югарыда күрсәтелгән тукыма эквивалент модельләре өчен �(\:\rho\:\), �(\:{\rho\:}_{e}\), �(\:{Z}_{eff}\), �(\:I\) һәм масса йомшару коэффициентларының чагыштырмасы күрсәтелгән.
Ирешелгән искиткеч радиологик үзлекләргә карамастан, барлык фантом материаллары диярлек полистирол күбегеннән ясалган, бу исә бу материалларның механик үзлекләре кеше үпкәләренекенә якынлаша алмый дигән сүз. Полиуретан күбегенең Янг модуле (YM) якынча 500 кПа тәшкил итә, бу гадәти кеше үпкәләре белән чагыштырганда идеальдән ерак (якынча 5-10 кПа). Шуңа күрә чын кеше үпкәләренең механик һәм радиологик үзенчәлекләренә туры килә торган яңа материал эшләү кирәк.
Гидрогельләр тукымалар инженериясендә киң кулланыла. Аның структурасы һәм үзлекләре күзәнәк тышы матрицасына (ЭКМ) охшаш һәм җиңел көйләнә. Бу тикшеренүдә күбекләр әзерләү өчен биоматериал буларак саф натрий альгинаты сайланды. Альгинат гидрогельләре биосыйнышта һәм көйләнә торган механик үзлекләре аркасында тукымалар инженериясендә киң кулланыла. Натрий альгинатының (C6H7NaO6)n элемент составы һәм Ca2+ булуы аның радиологик үзлекләрен кирәк булганда көйләргә мөмкинлек бирә. Көйләнә торган механик һәм радиологик үзлекләрнең бу комбинациясе альгинат гидрогельләрен безнең тикшеренү өчен идеаль итә. Әлбәттә, альгинат гидрогельләренең дә чикләүләре бар, бигрәк тә симуляцияләнгән сулыш цикллары вакытында озак вакытлы тотрыклылык ягыннан. Шуңа күрә, бу чикләүләрне бетерү өчен киләчәктәге тикшеренүләрдә тагын да яхшыртулар кирәк һәм көтелә.
Бу эштә без кеше үпкә тукымаларына охшаш контрольдә тотыла торган rho кыйммәтләренә, эластиклыгына һәм радиологик үзлекләренә ия альгинат гидрогель күбек материалын эшләдек. Бу тикшеренү көйләнерлек эластик һәм радиологик үзлекләргә ия тукыма сыман фантомнар ясау өчен гомуми чишелеш тәкъдим итәчәк. Материал үзлекләрен теләсә нинди кеше тукымасына һәм органына җиңел көйләргә мөмкин.
Гидрогель күбегенең максатлы һава-күләм нисбәте кеше үпкәләренең HU диапазонына (-600 дән -700 гә кадәр) нигезләнеп исәпләнгән. Күбек һава һәм синтетик альгинат гидрогель катнашмасы дип фаразланган. Аерым элементларны гади өстәү кагыйдәсен кулланып, һаваның күләм өлешен һәм синтезланган альгинат гидрогельнең күләм нисбәтен исәпләп чыгарырга мөмкин.
Альгинат гидрогель күбекләре натрий альгинатын (деталь № W201502), CaCO3 (деталь № 795445, MW: 100.09) һәм GDL (деталь № G4750, MW: 178.14) кулланып әзерләнде. 70% натрий лаурил эфир сульфаты (SLES 70) Renowned Trading LLC компаниясеннән сатып алынды. Күбек әзерләү процессында деионизацияләнгән су кулланылды. Натрий альгинаты бүлмә температурасында деионизацияләнгән суда даими болгатып (600 әйләнү/мин) бер төрле сары үтә күренмәле эремә алынганчы эретелде. CaCO3 GDL белән бергә гелацияне башлау өчен Ca2+ чыганагы буларак кулланылды. SLES 70 гидрогель эчендә күзәнәкле структура булдыру өчен өслек актив матдә буларак кулланылды. Альгинат концентрациясе 5%, ә Ca2+:-COOH моляр нисбәте 0.18 дәрәҗәсендә сакланды. Күбек әзерләү вакытында нейтраль рН дәрәҗәсен саклап калу өчен CaCO3:GDL моляр нисбәте дә 0,5 дәрәҗәсендә сакланды. Бу кыйммәт 26,2% тәшкил итә. Барлык үрнәкләргә дә SLES 70 күләм буенча өстәлде. Эремә һәм һаваның кушылу нисбәтен контрольдә тоту өчен капкачлы стакан кулланылды. Стаканның гомуми күләме 140 мл иде. Теоретик исәпләү нәтиҗәләренә нигезләнеп, һава белән кушылу өчен стаканга төрле күләмнәр (50 мл, 100 мл, 110 мл) өстәлде. 50 мл катнашма булган үрнәк җитәрлек һава белән кушылырлык итеп эшләнгән, ә башка ике үрнәктәге һава күләме нисбәте контрольдә тотылды. Башта SLES 70 альгинат эремәсенә өстәлде һәм тулысынча кушылганчы электр болгаткыч белән болгатылды. Аннары катнашмага CaCO3 суспензиясе өстәлде һәм катнашма тулысынча кушылганчы, аның төсе ак төскә үзгәргәнче өзлексез болгатылды. Ниһаять, гелация башлану өчен катнашмага GDL эремәсе өстәлде, һәм процесс дәвамында механик болгату сакланды. 50 мл катнашма булган үрнәк өчен, катнашма күләме үзгәрүдән туктагач, механик болгату туктатылды. 100 мл һәм 110 мл катнашма булган үрнәкләр өчен, катнашма стаканны тутыргач, механик болгату туктатылды. Шулай ук ​​без 50 мл һәм 100 мл арасындагы күләмдәге гидрогель күбекләрен әзерләргә тырыштык. Ләкин күбекнең структураль тотрыксызлыгы күзәтелде, чөнки ул тулысынча һава катнашмасы халәте белән һава күләмен контрольдә тоту халәте арасында үзгәрде, нәтиҗәдә күләмне контрольдә тоту тотрыксыз булды. Бу тотрыксызлык исәпләүләргә билгесезлек китерде, һәм шуңа күрә бу күләм диапазоны бу тикшеренүгә кертелмәде.
Гидрогель күбекнең тыгызлыгы гидрогель күбек үрнәгенең массасын (м) һәм күләмен (В) үлчәү юлы белән исәпләнә.
Гидрогель күбекләренең оптик микроскопик сурәтләре Zeiss Axio Observer A1 камерасы ярдәмендә алынган. Алынган сурәтләр нигезендә билгеле бер мәйдандагы үрнәктәге мәсамәләрнең санын һәм зурлыгын исәпләү өчен ImageJ программасы кулланылган. Мәсамә формасы түгәрәк дип санала.
Альгинат гидрогель күбекләренең механик үзлекләрен өйрәнү өчен, TESTRESOURCES 100 серияле машина ярдәмендә бер күчәрле кысу сынаулары үткәрелде. Үрнәкләр турыпочмаклы блокларга киселде һәм көчәнешләрне һәм деформацияләрне исәпләү өчен блок үлчәмнәре үлчәнде. Кросс-баш тизлеге 10 мм/мин итеп билгеләнде. Һәр үрнәк өчен өч үрнәк тикшерелде һәм нәтиҗәләрдән уртача һәм стандарт тайпылыш исәпләнде. Бу тикшеренү альгинат гидрогель күбекләренең кысу механик үзлекләренә юнәлтелгән, чөнки үпкә тукымасы сулыш алу циклының билгеле бер этабында кысу көчләренә дучар була. Сузылучанлык, әлбәттә, бик мөһим, бигрәк тә үпкә тукымасының тулы динамик үзлеген чагылдыру өчен, һәм бу киләчәк тикшеренүләрдә тикшереләчәк.
Әзерләнгән гидрогель күбек үрнәкләре Siemens SOMATOM Drive ике каналлы компьютер томография сканерында сканерланды. Сканерлау параметрлары түбәндәгечә билгеләнде: 40 мАс, 120 кВп һәм 1 мм кисемтә калынлыгы. Нәтиҗәдә алынган DICOM файллары һәр үрнәкнең 5 кисемтәсенең HU кыйммәтләрен анализлау өчен MicroDicom DICOM Viewer программасы ярдәмендә анализланды. КТ ярдәмендә алынган HU кыйммәтләре үрнәкләрнең тыгызлык мәгълүматларына нигезләнгән теоретик исәпләүләр белән чагыштырылды.
Бу тикшеренүнең максаты - йомшак материаллар җитештерү юлы белән аерым орган модельләрен һәм ясалма биологик тукымалар ясауда революция ясау. Кеше үпкәләренең эш механикасына туры килә торган механик һәм радиологик үзлекләргә ия материаллар эшләү медицина белемен яхшырту, хирургик планлаштыру һәм нур терапиясен планлаштыру кебек максатчан кушымталар өчен мөһим. 1А рәсемендә без кеше үпкә модельләрен ясау өчен кулланылган дип фаразланган йомшак материалларның механик һәм радиологик үзлекләре арасындагы аерманы күрсәттек. Бүгенге көнгә кадәр теләгән радиологик үзлекләргә ия булган материаллар эшләнде, ләкин аларның механик үзлекләре теләгән таләпләргә туры килми. Полиуретан күбек һәм каучук - деформацияләнә торган кеше үпкә модельләрен ясау өчен иң киң кулланыла торган материаллар. Полиуретан күбекнең механик үзлекләре (Юнг модуле, YM) гадәттә гадәти кеше үпкә тукымасына караганда 10-100 тапкыр зуррак. Теләгән механик һәм радиологик үзлекләргә ия булган материаллар әлегә билгеле түгел.
(A) Төрле йомшак материалларның үзлекләрен схематик күрсәтү һәм тыгызлык, Янг модуле һәм радиологик үзлекләре буенча кеше үпкәсе белән чагыштыру (HU'да). (B) 5% концентрацияле һәм 0,18 Ca2+:-COOH моляр нисбәте булган альгинат гидрогельенең рентген дифракциясе үрнәге. (C) Гидрогель күбекләрендә һава күләме нисбәтләренең диапазоны. (D) Һава күләме нисбәтләренең төрле булган альгинат гидрогель күбекләренең схематик күрсәтүе.
5% концентрацияле һәм Ca2+:-COOH моляр нисбәте 0,18 булган альгинат гидрогелләренең элемент составы исәпләнде, һәм нәтиҗәләр 3 нче таблицада күрсәтелгән. Алдагы формуладагы (5) кушу кагыйдәсенә ярашлы, альгинат гидрогеленең масса сүнү коэффициенты 1B рәсемдә күрсәтелгәнчә алына.
Һава һәм су өчен \(\:\mu\:/\rho\:\) кыйммәтләре турыдан-туры NIST 12612 стандартлары белешмәлек базасыннан алынган. Шулай итеп, 1C рәсемдә кеше үпкәсе өчен -600 һәм -700 арасындагы HU эквивалент кыйммәтләре белән гидрогель күбекләрендә исәпләнгән һава күләме нисбәтләре күрсәтелгән. Теоретик яктан исәпләнгән һава күләме нисбәте 1 × 10−3 дән 2 × 101 МэВ га кадәр энергия диапазонында 60–70% эчендә тотрыклы, бу гидрогель күбекне эшкәртү процессларында куллану өчен яхшы потенциалны күрсәтә.
1D рәсемендә әзерләнгән альгинат гидрогель күбек үрнәге күрсәтелгән. Барлык үрнәкләр дә 12,7 мм кырый озынлыгындагы кубикларга киселгән. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, бер үк төрле, өч үлчәмле тотрыклы гидрогель күбеге барлыкка килгән. Һава күләме нисбәтенә карамастан, гидрогель күбекләренең тышкы кыяфәтендә әһәмиятле аермалар күзәтелмәгән. Гидрогель күбегенең үз-үзен тәэмин итүчәнлеге гидрогель эчендә барлыкка килгән челтәрнең күбекнең үз авырлыгын күтәрә алырлык дәрәҗәдә нык булуын күрсәтә. Күбектән аз күләмдә су агып чыгудан тыш, күбек берничә атна дәвамында вакытлыча тотрыклылык та күрсәтте.
Күбек үрнәгенең массасын һәм күләмен үлчәү юлы белән әзерләнгән гидрогель күбегенең тыгызлыгы исәпләнде, һәм нәтиҗәләр 4 нче таблицада күрсәтелгән. Нәтиҗәләр һаваның күләм нисбәтенә бәйлелеген күрсәтә. 50 мл үрнәк белән җитәрлек һава кушылганда, тыгызлык иң түбән була һәм 0,482 г/см3 тәшкил итә. Катнаш һава күләме кимегән саен, тыгызлык 0,685 г/см3 га кадәр арта. 50 мл, 100 мл һәм 110 мл төркемнәре арасында максималь p кыйммәте 0,004 < 0,05 тәшкил итте, бу нәтиҗәләрнең статистик әһәмиятен күрсәтә.
Теоретик \(\:\rho\:\) кыйммәте шулай ук ​​контрольдә тотылган һава күләме нисбәте ярдәмендә исәпләнә. Үлчәнгән нәтиҗәләр күрсәткәнчә, \(\:\rho\:\) теоретик кыйммәттән 0,1 г/см³ кимрәк. Бу аерманы гелация процессы вакытында гидрогельдә барлыкка килгән эчке көчәнеш белән аңлатырга мөмкин, ул шешенүгә китерә һәм шуның белән \(\:\rho\:\) кимүенә китерә. Моны 2 нче рәсемдә күрсәтелгән КТ рәсемнәрендә (А, В һәм С) гидрогель күбеге эчендәге кайбер бушлыкларны күзәтү тагын да раслады.
Төрле һава күләме булган гидрогель күбекләренең оптик микроскопия рәсемнәре (A) 50, (B) 100 һәм (C) 110. Альгинат гидрогель күбек үрнәкләрендә күзәнәкләр саны һәм мәсамә зурлыгы бүленеше (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3 нче рәсемдә (A, B, C) төрле һава күләме нисбәтләре белән гидрогель күбек үрнәкләренең оптик микроскоп рәсемнәре күрсәтелгән. Нәтиҗәләр гидрогель күбекнең оптик структурасын күрсәтә, төрле диаметрлы мәсамәләрнең рәсемнәрен ачык күрсәтә. Мәсамә саны һәм диаметр бүленеше ImageJ ярдәмендә исәпләнгән. Һәр үрнәк өчен алты рәсем алынган, һәр рәсемнең зурлыгы 1125,27 мкм × 843,96 мкм, һәм һәр үрнәк өчен анализланган гомуми мәйдан 5,7 мм² тәшкил иткән.
(A) Төрле һава күләме нисбәтләре булган альгинат гидрогель күбекләренең кысу көчәнеш-деформация үзлеге. (B) Экспоненциаль урнаштыру. (C) Төрле һава күләме нисбәтләре булган гидрогель күбекләренең кысылуы E0. (D) Төрле һава күләме нисбәтләре булган альгинат гидрогель күбекләренең чик кысу көчәнеше һәм деформациясе.
3 нче рәсемдә (D, E, F) күрсәтелгәнчә, тишекләр зурлыгы бүленеше чагыштырмача тигез, дистәләгән микрометрдан алып якынча 500 микрометрга кадәр. Тишекләр зурлыгы, нигездә, тигез, һәм һава күләме кимегән саен бераз кими. Сынау мәгълүматлары буенча, 50 мл үрнәкнең уртача тишекләр зурлыгы 192,16 мкм, медиана 184,51 мкм, һәм берәмлек мәйданга тишекләр саны 103; 100 мл үрнәкнең уртача тишекләр зурлыгы 156,62 мкм, медиана 151,07 мкм, һәм берәмлек мәйданга тишекләр саны 109; 110 мл үрнәкнең тиешле кыйммәтләре 163,07 мкм, 150,29 мкм һәм 115 тәшкил итә. Мәгълүматлар күрсәткәнчә, зуррак тишекләр уртача тишек зурлыгының статистик нәтиҗәләренә зуррак йогынты ясый, һәм медиана тишек зурлыгы тишек зурлыгының үзгәрү тенденциясен яхшырак чагылдыра ала. Үрнәк күләме 50 мл дан 110 мл га кадәр арткан саен, тишекләр саны да арта. Уртача тишек диаметры һәм тишекләр санының статистик нәтиҗәләрен берләштереп, күләм арткан саен, үрнәк эчендә кечерәк зурлыктагы күбрәк тишекләр барлыкка килә дигән нәтиҗә ясарга мөмкин.
Механик сынау мәгълүматлары 4А һәм 4D рәсемнәрендә күрсәтелгән. 4А рәсемдә төрле һава күләме нисбәтләре белән әзерләнгән гидрогель күбекләренең кысылу көчәнеш-деформация үз-үзен тотышы күрсәтелгән. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, барлык үрнәкләр дә охшаш сызыклы булмаган көчәнеш-деформация үз-үзен тотышына ия. Һәр үрнәк өчен көчәнеш көчәнеш арткан саен тизрәк арта. Гидрогель күбегенең кысылу көчәнеш-деформация үз-үзен тотышына экспоненциаль кәкре туры китерелгән. 4В рәсемдә экспоненциаль функцияне гидрогель күбегенә якынча модель буларак кулланганнан соң нәтиҗәләр күрсәтелгән.
Һава күләме нисбәтләре төрле булган гидрогель күбекләре өчен аларның кысу модуле (E0) да өйрәнелде. Гидрогельләрне анализлауга охшаш рәвештә, кысу модуле Янг модуле башлангыч деформациянең 20% диапазонында тикшерелде. Компрессия сынаулары нәтиҗәләре 4C рәсемдә күрсәтелгән. 4C рәсемдәге нәтиҗәләр күрсәткәнчә, һава күләме нисбәте 50 нче үрнәктән 110 нчы үрнәккә кадәр кимү белән, альгинат гидрогель күбегенең кысу модуле Янг E0 10,86 кПа дан 18 кПа га кадәр арта.
Шулай ук, гидрогель күбекләренең тулы көчәнеш-деформация кәкреләре, шулай ук ​​чик кысу көчәнеше һәм деформация кыйммәтләре алынган. 4D рәсемдә альгинат гидрогель күбекләренең чик кысу көчәнеше һәм деформациясе күрсәтелгән. Һәр мәгълүмат ноктасы өч сынау нәтиҗәсенең уртача күрсәткече. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, чик кысу көчәнеше газ күләме кимү белән 9,84 кПа дан 17,58 кПа га кадәр арта. Чик деформация якынча 38% дәрәҗәсендә тотрыклы булып кала.
2 нче рәсемдә (А, В һәм С) 50, 100 һәм 110 нчы үрнәкләргә туры килә торган төрле һава күләме нисбәтләре булган гидрогель күбекләренең КТ рәсемнәре күрсәтелгән. Рәсемнәрдән күренгәнчә, барлыкка килгән гидрогель күбеге диярлек бер төрле. 100 һәм 110 нчы үрнәкләрдә аз санлы бушлыклар күзәтелгән. Бу бушлыкларның барлыкка килүе гелация процессы вакытында гидрогельдә барлыкка килгән эчке көчәнеш аркасында булырга мөмкин. Без һәр үрнәкнең 5 кисемтәсе өчен HU кыйммәтләрен исәпләдек һәм аларны 5 нче таблицада тиешле теоретик исәпләү нәтиҗәләре белән бергә күрсәттек.
5 нче таблицада күрсәтелгәнчә, төрле һава күләме нисбәтләре булган үрнәкләр төрле HU кыйммәтләренә ия булган. 50 мл, 100 мл һәм 110 мл төркемнәре арасындагы максималь p кыйммәте 0,004 < 0,05 тәшкил иткән, бу нәтиҗәләрнең статистик әһәмиятен күрсәтә. Сыналган өч үрнәк арасында 50 мл катнашмасы булган үрнәк кеше үпкәләренекенә иң якын радиологик үзлекләргә ия булган. 5 нче таблицаның соңгы баганасында үлчәнгән күбек кыйммәтенә нигезләнеп теоретик исәпләү юлы белән алынган нәтиҗә күрсәтелгән. Үлчәнгән мәгълүматларны теоретик нәтиҗәләр белән чагыштырып, компьютер томографиясе ярдәмендә алынган HU кыйммәтләренең, гомумән алганда, теоретик нәтиҗәләргә якын булуын ачыкларга мөмкин, бу үз чиратында 1C рәсемендәге һава күләме нисбәтен исәпләү нәтиҗәләрен раслый.
Бу тикшеренүнең төп максаты - кеше үпкәләренекенә охшаш механик һәм радиологик үзлекләргә ия материал булдыру. Бу максатка кеше үпкәләренекенә мөмкин кадәр якын булган, тукымаларга эквивалент механик һәм радиологик үзлекләргә ия гидрогель нигезендәге материал эшләү юлы белән ирешелде. Теоретик исәпләүләргә нигезләнеп, төрле һава күләме нисбәтләренә ия гидрогель күбекләре натрий альгинаты эремәсен, CaCO3, GDL һәм SLES 70 механик рәвештә кушып әзерләнде. Морфологик анализ күрсәткәнчә, гомоген өч үлчәмле тотрыклы гидрогель күбеге барлыкка килгән. Һава күләме нисбәтен үзгәртү юлы белән күбекнең тыгызлыгы һәм порассиблыгы теләсә нинди рәвештә үзгәрергә мөмкин. Һава күләме күләме арткан саен, порассибкалар зурлыгы бераз кими һәм порассибкалар саны арта. Альгинат гидрогель күбекләренең механик үзлекләрен анализлау өчен компрессия сынаулары үткәрелде. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, компрессия сынауларыннан алынган компрессия модуле (E0) кеше үпкәләре өчен идеаль диапазонда. Һава күләме нисбәте кимегән саен E0 арта. Әзерләнгән үрнәкләрнең радиологик үзлекләренең (HU) кыйммәтләре үрнәкләрнең КТ мәгълүматлары нигезендә алынды һәм теоретик исәпләүләр нәтиҗәләре белән чагыштырылды. Нәтиҗәләр уңай булды. Үлчәнгән кыйммәт шулай ук ​​кеше үпкәләренең HU кыйммәтенә якын. Нәтиҗәләр күрсәткәнчә, кеше үпкәләренең үзлекләрен кабатлаучы механик һәм радиологик үзлекләрнең идеаль комбинациясе белән тукымаларны имитацияләүче гидрогель күбекләр ясарга мөмкин.
Өметле нәтиҗәләргә карамастан, хәзерге җитештерү ысулларын теоретик исәпләүләрдән һәм чын кеше үпкәләреннән алынган фаразларга туры китереп, һава күләме нисбәтен һәм күзәнәклелекне яхшырак контрольдә тоту өчен яхшыртырга кирәк, глобаль һәм җирле масштабларда. Хәзерге тикшеренү шулай ук ​​компрессия механикасын сынау белән чикләнә, бу фантомның сулыш циклының компрессия фазасы белән бәйле потенциаль кулланылышын чикли. Киләчәк тикшеренүләр өчен динамик йөкләнеш шартларында потенциаль кулланылышны бәяләү өчен материалның гомуми механик тотрыклылыгын һәм тартылу сынауларын тикшерү файдалы булыр иде. Бу чикләүләргә карамастан, бу тикшеренү кеше үпкәсен кабатлый торган бер материалда радиологик һәм механик үзлекләрне берләштерүнең беренче уңышлы омтылышы булып тора.
Агымдагы тикшеренү барышында булдырылган һәм/яки анализланган мәгълүмат җыелмалары тиешле автордан акылга сыярлык сорау буенча алырга мөмкин. Тәҗрибәләрне дә, мәгълүмат җыелмаларын да кабатлап була.
Song, G. һ.б. Яман шеш нур терапиясе өчен яңа нанотехнологияләр һәм алдынгы материаллар. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ һ.б. Радиация онкологиясендә сулыш алу хәрәкәтен идарә итү буенча AAPM 76a махсус төркеменең отчеты. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Әл-Майя, А., Мозли, Дж., һәм Брок, К.К. Кеше үпкәсендә интерфейсны һәм материалның сызыксызлыгын модельләштерү. Физика һәм медицина һәм биология 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Ван, Х. һ.б. 3D биобасма ярдәмендә алынган шеш сыман үпкә яман шеше моделе. 3. Биотехнология. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Ли, М., һ.б. Үпкә деформациясен модельләштерү: деформацияләнә торган сурәт теркәү ысулларын һәм киңлектә үзгәрүче Янг модулен бәяләүне берләштергән ысул. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Гимарайнс, К.Ф. һ.б. Тере тукымаларның катылыгы һәм аның тукыма инженериясенә йогынтысы. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).