Mercés de visitar nature.com. La version del navigador qu'utilizatz a un supòrt CSS limitat. Per la melhora experiéncia, vos recomandam d'utilizar la darrièra version del navigador (o de desactivar lo mòde de compatibilitat dins Internet Explorer). En mai d'aquò, per assegurar un supòrt contunhat, aqueste sit inclurà pas d'estils o de JavaScript.
Lo movement dels organs e dels teissuts pòt menar a d'errors dins lo posicionament dels rais X pendent la radioterapia. Doncas, de materials amb de proprietats mecanicas e radiologicas equivalentas als teissuts son necessaris per imitar lo movement dels organs per l'optimizacion de la radioterapia. Pasmens, lo desvolopament d'aqueles materials demòra un desfís. Los idrogèls d'alginat an de proprietats similaras a aquelas de la matriça extracellulara, çò que los rend prometeires coma materials equivalents als teissuts. Dins aqueste estudi, d'escumas d'idrogèl d'alginat amb de proprietats mecanicas e radiologicas desiradas foguèron sintetizadas per liberacion in situ de Ca2+. Lo rapòrt aire-volum foguèt soinosament contrarotlat per obténer d'escumas d'idrogèl amb de proprietats mecanicas e radiologicas definidas. La macro- e micromorfologia dels materials foguèron caracterizadas, e lo comportament de las escumas d'idrogèl jos compression foguèt estudiat. Las proprietats radiologicas foguèron estimadas teoricament e verificadas experimentalament en utilizant la tomografia computada. Aqueste estudi esclaira lo desvolopament futur de materials equivalents als teissuts que pòdon èsser utilizats per l'optimizacion de la dòsi de radiacion e lo contraròtle de qualitat pendent la radioterapia.
La radioterapia es un tractament comun pel càncer1. Lo movement dels organs e dels teissuts mena sovent a d'errors dins lo posicionament dels rais X pendent la radioterapia2, çò que pòt resultar en un sostractament de la tumor e una subreexposicion de las cellulas sanas a l'entorn a de radiacions innecessàrias. La capacitat de predire lo movement dels organs e dels teissuts es fondamentala per minimizar las errors de localizacion de la tumor. Aqueste estudi se centrèt suls palmons, doncas que patisson de deformacions e de movements significatius quand los pacients respiran pendent la radioterapia. Divèrses modèls d'elements finits son estats desvolopats e aplicats per simular lo movement dels palmons umans3,4,5. Pasmens, los organs e los teissuts umans an de geometrias complèxas e son fòrça dependents del pacient. Doncas, los materials amb de proprietats equivalentas al teissut son fòrça utils per desvolopar de modèls fisics per validar de modèls teorics, facilitar un tractament medical melhorat, e per de fins d'educacion medicala.
Lo desvolopament de materials imitants de teissuts mous per aténher de geometrias estructuralas extèrnas e intèrnas complèxas a atirat fòrça atencion perque lors incoeréncias mecanicas intrinsècas pòdon menar a de fracasses dins las aplicacions ciblas6,7. La modelizacion de la biomecanica complèxa del teissut pulmonar, que combina una doçor, una elasticitat e una porositat estructurala extrèmas, pausa un desfís significatiu per desvolopar de modèls que reproduson amb precision lo palmon uman. L'integracion e l'acoblament de las proprietats mecanicas e radiologicas son fondamentalas per la performància eficaça dels modèls pulmonars dins las intervencions terapeuticas. La fabricacion additiva s'es mostrada eficaça dins lo desvolopament de modèls especifics al pacient, permetent un prototipatge rapid de dessenhs complèxes. Shin et al. 8 desvolopèt un modèl de palmon reproductible e deformable amb de vias aerianas estampadas en 3D. Haselaar et al. 9 desvolopèt un fantasma fòrça similar als pacients reals per l'avaloracion de la qualitat de l'imatge e los metòdes de verificacion de posicion per la radioterapia. Hong et al10 desvolopèron un modèl de TC de pitre en utilizant l'impression 3D e la tecnologia de fosa de silicona per reproduire l'intensitat TC de divèrsas lesions pulmonaras per avalorar la precision de la quantificacion. Pasmens, aqueles prototipes son sovent faches de materials que lors proprietats eficaças son fòrça diferentas d'aquelas del teissut pulmonar11.
Actualament, la màger part dels fantasmas pulmonars son faches de silicona o d'escuma de poliuretan, que correspondon pas a las proprietats mecanicas e radiologicas del parenquima pulmonar real.12,13 Los idrogèls d'alginat son biocompatibles e son estats largament utilizats dins l'engenharia dels teissuts a causa de lors proprietats mecanicas ajustablas.14 Pasmens, la reproduccion de la consisténcia de l'escuma ultrasovada, requerís una fantasma ultramova per una escuma pulmonara imita amb precision l'elasticitat e l'estructura de rempliment del teissut pulmonar demòra un desfís experimental.
Dins aquel estudi, se supausèt que lo teissut pulmonar es un material elastic omogenèu. La densitat del teissut pulmonar uman (\(\:\rho\:\)) es reportada coma 1,06 g/cm3, e la densitat del palmon gonflat es de 0,26 g/cm315. Una granda gama de valors de modul de Young (MY) del teissut pulmonar son estadas obtengudas en utilizant diferents metòdes experimentals. Lai-Fook et al. 16 mesurèt l'YM del palmon uman amb una inflacion unifòrma a 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 utilizèron l'elastografia per ressonància magnetica e raportèron un YM de 2,17 kPa. Liu et al. 18 raportèt un YM mesurat dirèctament de 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 estimèt lo YM a 0,1–2,7 kPa en foncion de las donadas de CT 4D obtengudas de pacients seleccionats.
Per las proprietats radiologicas del palmon, divèrses paramètres son utilizats per descriure lo comportament d'interaccion del teissut pulmonar amb los rais X, dont la composicion elementala, la densitat d'electrons (\(\:{\rho\:}_{e}\)), lo nombre atomic eficaç (\(\:{Z}_{eff}\)), l'energia d'excitacion mejana (\:\:\)), la coeficienta de massificacion (\(\:\mu\:/\rho\:\)) e l'unitat Hounsfield (HU), qu'es dirèctament ligada a \(\:\mu\:/\rho\:\).
La densitat d'electrons \(\:{\rho\:}_{e}\) es definida coma lo nombre d'electrons per unitat de volum e es calculada de la manièra seguenta:
ont \(\:\rho\:\) es la densitat del material en g/cm3, \(\:{N}_{A}\) es la constanta d'Avogadro, \(\:{w}_{i}\) es la fraccion de massa, \(\:{Z}_{i}\) es lo nombre atomic, e \(\:{A}\{i}\) es lo pes d'a mic i-en element.
Lo nombre atomic es dirèctament ligat a la natura de l'interaccion de radiacion dins lo material. Pels compausats e mesclas contenent divèrses elements (per exemple, teissuts), lo nombre atomic efectiu \(\:{Z}_{eff}\) deu èsser calculat. La formula foguèt prepausada per Murthy et al. 20:
L'energia d'excitacion mejana \(\:I\) descriu la facilitat amb la quala lo material cibla absorbís l'energia cinetica de las particulas penetrantas. Descriu pas que las proprietats del material cibla e a pas res a veire amb las proprietats de las particulas. \(\:I\) pòt èsser calculat en aplicant la règla de l'additivitat de Bragg:
Lo coeficient d'atenuacion de massa \(\:\mu\:/\rho\:\) descriu la penetracion e la liberacion d'energia dels fotons dins lo material cibla. Pòt èsser calculat en utilizant la formula seguenta:
Ont \(\:x\) es l'espessor del material, \(\:{I}_{0}\) es l'intensitat de la lutz incidenta, e \(\:I\) es l'intensitat del foton après la penetracion dins lo material. Las donadas \(\:\mu\:/\rho\:\) pòdon èsser obtengudas dirèctament de la basa de donadas de referéncia dels estandards NIST 12621. Las valors \(\:\mu\:/\rho\:\) per las mesclas e los compausats pòdon èsser derivadas en utilizant la règla d'additivitat coma seguís:
HU es una unitat de mesura sens dimension estandardizada de la radiodensitat dins l'interpretacion de donadas de tomografia computada (TC), que se transforma linearament a partir del coeficient d'atenuacion mesurat \(\:\mu\:\). Es definit coma:
ont \(\:{\mu\:}_{aiga}\) es lo coeficient d'atenuacion de l'aiga, e \(\:{\mu\:}_{aire}\) es lo coeficient d'atenuacion de l'aire. Doncas, a partir de la formula (6) vesèm que la valor HU de l'aiga es 0, e la valor HU de l'aire es -1000. La valor HU pels palmons umans va de -600 a -70022.
Divèrses materials equivalents de teissut son estats desvolopats. Griffith et al. 23 desvolopèt un modèl equivalent de teissut del tors uman fach de poliuretan (PU) al qual divèrsas concentracions de carbonat de calci (CaCO3) foguèron apondudas per simular los coeficients d'atenuacion linearas de divèrses organs umans, dont lo palmon uman, e lo modèl foguèt nomenat Griffith. Taylor24 presentèt un segond modèl equivalent de teissut pulmonar desvolopat pel Laboratòri Nacional Lawrence Livermore (LLNL), nomenat LLLL1. Traub et al.25 desvolopèron un novèl substitut de teissut pulmonar en utilizant Foamex XRS-272 que conteniá 5,25% de CaCO3 coma melhorador de performància, que foguèt nomenat ALT2. Los tablèus 1 e 2 mòstran una comparason de \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) e los coeficients d'atenuacion de massa pel palmon uman (ICRU-44) e los modèls equivalents de teissut susmencionats.
Malgrat las excellentas proprietats radiologicas atenguda, gaireben totes los materials fantasmas son faches d'escuma de poliestirèn, çò que significa que las proprietats mecanicas d'aqueles materials pòdon pas s'aprochar d'aquelas dels palmons umans. Lo modul de Young (YM) de l'escuma de poliuretan es d'aperaquí 500 kPa, çò qu'es luènh d'èsser ideal comparat als palmons umans normals (aperaquí 5-10 kPa). Es doncas necessari de desvolopar un material novèl que pòsca respondre a las caracteristicas mecanicas e radiologicas dels palmons umans reals.
Los idrogèls son largament utilizats dins l'engenharia dels teissuts. Son estructura e sas proprietats son similaras a la matriça extracellulara (ECM) e son aisidament ajustablas. Dins aqueste estudi, l'alginat de sòdi pur foguèt causit coma biomaterial per la preparacion d'escumas. Los idrogèls d'alginat son biocompatibles e largament utilizats dins l'engenharia dels teissuts a causa de lors proprietats mecanicas ajustablas. La composicion elementala de l'alginat de sòdi (C6H7NaO6)n e la preséncia de Ca2+ permeton d'ajustar sas proprietats radiologicas segon lo besonh. Aquesta combinason de proprietats mecanicas e radiologicas ajustablas fa que los idrogèls d'alginat son ideals per nòstre estudi. De segur, los idrogèls d'alginat an tanben de limitacions, mai que mai en tèrmes d'estabilitat a long tèrme pendent de cicles respiratòris simulats. Doncas, de melhoraments suplementaris son necessaris e esperats dins d'estudis futurs per abordar aquelas limitacions.
Dins aqueste trabalh, desvolopèrem un material d'escuma d'idrogèl d'alginat amb de valors rho contrarotlablas, d'elasticitat e de proprietats radiologicas similaras a aquelas del teissut pulmonar uman. Aqueste estudi provesirà una solucion generala per fabricar de fantasmas similars a de teissuts amb de proprietats elasticas e radiologicas ajustables. Las proprietats materialas pòdon èsser aisidament adaptadas a quin teissut e organ uman que siá.
Lo rapòrt cibla aire/volum de l'escuma d'idrogèl foguèt calculat en foncion de la gamma HU dels palmons umans (-600 a -700). Se supausava que l'escuma èra una simpla mescla d'aire e d'idrogèl d'alginat sintetic. En utilizant una règla d'addicion simpla d'elements individuals \(\:\mu\:/\rho\:\), la fraccion de volum de l'aire e lo rapòrt de volum de l'idrogèl d'alginat sintetizat poirián èsser calculats.
Las escumas d'idrogèl d'alginat foguèron preparadas en utilizant d'alginat de sòdi (N° de pèça W201502), de CaCO3 (n° de pèça 795445, MW: 100,09), e de GDL (n° de pèça G4750, MW: 178,14) crompats a Sigma-Aldrich Company, St Louis, MO. 70% de sulfat de lauril de sòdi (SLES 70) foguèt crompat a Renowned Trading LLC. L'aiga desionizada foguèt utilizada dins lo procès de preparacion de l'escuma. L'alginat de sòdi foguèt dissolgut dins d'aiga desionizada a temperatura ambienta amb un agitacion constanta (600 rpm) fins qu'una solucion translucida jauna omogèna foguèt obtenguda. CaCO3 en combinason amb GDL foguèt utilizat coma font de Ca2+ per iniciar la gelacion. SLES 70 foguèt utilizat coma tensioactiu per formar una estructura porosa a l'interior de l'idrogèl. La concentracion d'alginat foguèt mantenguda a 5% e lo rapòrt molar Ca2+:-COOH foguèt mantengut a 0,18. Lo rapòrt molar CaCO3:GDL foguèt tanben mantengut a 0,5 pendent la preparacion de l'escuma per manténer un pH neutre. La valor es de 26. 2% en volum de SLES 70 foguèt apondut a totas las mòstras. Un vas amb una tampa foguèt utilizat per contrarotlar lo rapòrt de mescla de la solucion e de l'aire. Lo volum total del vas èra de 140 ml. En foncion dels resultats del calcul teoric, de volums diferents de la mescla (50 ml, 100 ml, 110 ml) foguèron aponduts al vas per mesclar amb d'aire. La mòstra que conteniá 50 ml de la mescla èra concebuda per se mesclar amb pro d'aire, del temps que lo rapòrt de volum d'aire dins las doas autras mòstras èra contrarotlat. D'en primièr, SLES 70 foguèt apondut a la solucion d'alginat e remenat amb un agitador electric fins a èsser completament mesclat. Puèi, la suspension de CaCO3 foguèt aponduda a la mescla e remenada de contunh fins que la mescla foguèsse completament mesclada, quand sa color cambièt en blanc. Fin finala, la solucion GDL foguèt aponduda a la mescla per iniciar la gelacion, e l'agitacion mecanica foguèt mantenguda pendent tot lo procès. Per la mòstra que conteniá 50 ml de la mescla, l'agitacion mecanica foguèt arrestada quand lo volum de la mescla arrestèt de cambiar. Pels mòstras que contenián 100 ml e 110 ml de la mescla, l'agitacion mecanica foguèt arrestada quand la mescla empliguèt lo vas. Ensagèrem tanben de preparar d'escumas d'idrogèl amb un volum entre 50 ml e 100 ml. Pasmens, s'observèt una instabilitat estructurala de l'escuma, doncas que fluctuava entre l'estat de mescladura completa d'aire e l'estat de contraròtle de volum d'aire, çò que resultèt en un contraròtle de volum incoerent. Aquela instabilitat introdusiguèt d'incertitud dins los calculs, e doncas aquel interval de volum foguèt pas inclus dins aqueste estudi.
La densitat \(\:\rho\:\) d'una escuma d'idrogèl es calculada en mesurant la massa \(\:m\) e lo volum \(\:V\) d'una mòstra d'escuma d'idrogèl.
D'imatges microscopics optics d'escumas d'idrogèl foguèron obtenguts en utilizant una camèra Zeiss Axio Observer A1. Lo logicial ImageJ foguèt utilizat per calcular lo nombre e la distribucion de talha de pòrs dins una mòstra dins una cèrta zòna en foncion de las imatges obtengudas. La forma del pòr es supausada èsser circulara.
Per estudiar las proprietats mecanicas de las escumas d'idrogèl d'alginat, de tèsts de compression uniaxial foguèron realizats en utilizant una maquina de la seria TESTRESOURCES 100. Los mòstras foguèron talhats en blòts rectangulars e las dimensions del blòt foguèron mesuradas per calcular las tensions e las deformacions. La velocitat de la tèsta crosada èra fixada a 10 mm/min. Tres mòstras foguèron testadas per cada mòstra e la mejana e l'escart estandard foguèron calculats a partir dels resultats. Aqueste estudi se centrèt sus las proprietats mecanicas de compression de las escumas d'idrogèl d'alginat doncas que lo teissut pulmonar es sometut a de fòrças de compression a una cèrta estapa del cicle respiratòri. L'extensibilitat es de segur cruciala, mai que mai per reflectir lo comportament dinamic complet del teissut pulmonar e aquò serà estudiat dins d'estudis futurs.
Las mòstras d'escuma d'idrogèl preparadas foguèron escanejadas sus un escanèr CT de doble canal Siemens SOMATOM Drive. Los paramètres d'escanatge foguèron fixats coma seguís: 40 mAs, 120 kVp e 1 mm d'espessor de trancha. Los fichièrs DICOM resultats foguèron analizats en utilizant lo logicial MicroDicom DICOM Viewer per analisar las valors HU de 5 seccions transversalas de cada mòstra. Las valors HU obtengudas per CT foguèron comparadas amb de calculs teorics basats sus las donadas de densitat dels mòstras.
L'objectiu d'aqueste estudi es de revolucionar la fabricacion de modèls d'òrgans individuals e de teissuts biologics artificials en enginerant de materials mous. Desvolopar de materials amb de proprietats mecanicas e radiologicas que correspondon a la mecanica de foncionament dels palmons umans es important per d'aplicacions cibladas coma melhorar la formacion medicala, la planificacion quirurgicala e la planificacion de la radioterapia. Dins la Figura 1A, tracèrem la discrepància entre las proprietats mecanicas e radiologicas de materials mous putativament utilizats per fabricar de modèls de palmons umans. Fins ara, de materials son estats desvolopats qu'expausan las proprietats radiologicas desiradas, mas lors proprietats mecanicas respondon pas als requisits desirats. L'escuma de poliuretan e lo cauchó son los materials mai utilizats per fabricar de modèls de palmons umans deformables. Las proprietats mecanicas de l'escuma de poliuretan (modul de Young, YM) son tipicament de 10 a 100 còps mai grandas qu'aquelas del teissut pulmonar uman normal. Los materials qu'expausan a l'encòp las proprietats mecanicas e radiologicas desiradas son pas encara coneguts.
(A) Representacion esquematica de las proprietats de divèrses materials mous e comparason amb lo palmon uman en tèrmes de densitat, modul de Young e proprietats radiologicas (en HU). (B) Modèl de difraccion de rais X d'idrogèl d'alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) amb una concentracion de 5% e un rapòrt molar Ca2+:-COOH de 0,18. (C) Gamma de rapòrts de volum d'aire dins d'escumas d'idrogèl. (D) Representacion esquematica d'escumas d'idrogèl d'alginat amb de rapòrts de volum d'aire diferents.
La composicion elementala dels idrogels d'alginat amb una concentracion de 5% e un rapòrt molar Ca2+:-COOH de 0,18 foguèt calculada, e los resultats son mostrats dins lo tablèu 3. Segon la règla d'addicion dins la formula precedenta (5), lo coeficient d'atenuacion de massa de l'idrogèl d'alginat \(\:\:\mu\:\:) es obtengut dins la figura. 1B.
Las valors \(\:\mu\:/\rho\:\) per l'aire e l'aiga foguèron obtengudas dirèctament de la basa de donadas de referéncia de las nòrmas NIST 12612. Atal, la figura 1C mòstra los rapòrts de volum d'aire calculats dins d'escumas d'idrogèl amb de valors equivalentas a HU entre -600 e -700 pel palmon uman. Lo rapòrt de volum d'aire calculat teoricament es estable dins 60-70% dins l'interval d'energia de 1 × 10−3 a 2 × 101 MeV, çò qu'indica un bon potencial per l'aplicacion d'escuma d'idrogèl dins los processus de fabricacion en aval.
La figura 1D mòstra la mòstra d'escuma d'idrogèl d'alginat preparada. Totes los mòstras foguèron talhats en cubes amb una longor de bòrd de 12,7 mm. Los resultats mostrèron qu'una escuma d'idrogèl omogenèa, tridimensionalament establa, se formèt. Independentament del rapòrt de volum d'aire, cap de diferéncias significativas dins l'aparéncia de las escumas d'idrogèl foguèron observadas. La natura autosostenenta de l'escuma d'idrogèl suggerís que la ret formada dins l'idrogèl es pro fòrta per suportar lo pes de l'escuma ela meteissa. A despart d'una pichona quantitat de fugida d'aiga de l'escuma, l'escuma demostrèt tanben una estabilitat transitòria pendent qualques setmanas.
En mesurant la massa e lo volum de la mòstra d'escuma, la densitat de l'escuma d'idrogel preparada \(\:\rho\:\) foguèt calculada, e los resultats son mostrats dins lo tablèu 4. Los resultats mòstran la dependéncia de \(\:\rho\:\) del rapòrt de volum de l'aire. Quand pro d'aire es mesclat amb 50 ml de la mòstra, la densitat ven la mai bassa e es 0,482 g/cm3. A mesura que la quantitat d'aire mesclat disminuís, la densitat aumenta a 0,685 g/cm3. La valor p maximala entre los grops de 50 ml, 100 ml e 110 ml èra de 0,004 < 0,05, çò qu'indica la significacion estatistica dels resultats.
La valor teorica \(\:\rho\:\) es tanben calculada en utilizant lo rapòrt de volum d'aire contrarotlat. Los resultats mesurats mòstran que \(\:\rho\:\) es 0,1 g/cm3 mai pichon que la valor teorica. Aquesta diferéncia pòt èsser explicada per l'estrès intèrne generat dins l'idrogèl pendent lo procès de gelacion, que causa l'inflamacion e mena aital a una diminucion de \(\:\rho\:\). Aquò foguèt mai confirmat per l'observacion de qualques lacunas a l'interior de l'escuma d'idrogèl dins las imatges CT mostradas dins la Figura 2 (A, B e C).
Imatges de microscopia optica d'escumas d'idrogèl amb de contenguts de volum d'aire diferents (A) 50, (B) 100, e (C) 110. Nombres de cellulas e distribucion de la talha dels pòrs dins de mòstras d'escuma d'idrogèl d'alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
La figura 3 (A, B, C) mòstra las imatges del microscòpi optic dels mòstras d'escuma d'idrogèl amb de rapòrts de volum d'aire diferents. Los resultats mòstran l'estructura optica de l'escuma d'idrogèl, mostrant clarament las imatges de pòrs amb de diamètres diferents. La distribucion del nombre de pòrs e del diamètre foguèt calculada en utilizant ImageJ. Sièis imatges foguèron presas per cada mòstra, cada imatge aviá una talha de 1125,27 μm × 843,96 μm, e l'airal total analizat per cada mòstra èra de 5,7 mm2.
(A) Comportament de tension-deformacion de compression d'escumas d'idrogèl d'alginat amb de rapòrts de volum d'aire diferents. (B) Ajustament exponencial. (C) Compression E0 d'escumas d'idrogèl amb de rapòrts de volum d'aire diferents. (D) Tension e deformacion de compression finalas d'escumas d'idrogèl d'alginat amb de rapòrts de volum d'aire diferents.
La figura 3 (D, E, F) mòstra que la distribucion de la talha dels pòrs es relativament unifòrma, anant de desenats de micromètres a aperaquí 500 micromètres. La talha dels pòrs es basicament unifòrma, e diminuís leugièrament a mesura que lo volum d'aire diminuís. Segon las donadas de tèst, la talha mejana dels pòrs de la mòstra de 50 ml es de 192,16 μm, la mediana es de 184,51 μm, e lo nombre de pòrs per unitat d'airal es de 103; la talha mejana dels pòrs de la mòstra de 100 ml es de 156,62 μm, la mediana es de 151,07 μm, e lo nombre de pòrs per unitat d'airal es de 109; los valors correspondents de la mòstra de 110 ml son 163,07 μm, 150,29 μm e 115, respectivament. Las donadas mòstran que los pòrs mai grands an una influéncia mai granda suls resultats estatistics de la talha mejana del pòr, e la talha mediana del pòr pòt melhor reflectir la tendéncia de cambiament de la talha del pòr. A mesura que lo volum de mòstra aumenta de 50 ml a 110 ml, lo nombre de pòrs aumenta tanben. En combinant los resultats estatistics del diamètre median dels pòrs e del nombre de pòrs, se pòt conclure qu'amb lo volum creissent, mai de pòrs de talha mai pichona se forman a l'interior de la mòstra.
Las donadas de tèst mecanic son mostradas dins las figuras 4A e 4D. La figura 4A mòstra lo comportament de tension-deformacion de compression de las escumas d'idrogèl preparadas amb de rapòrts de volum d'aire diferents. Los resultats mòstran que totes los mòstras an un comportament tension-deformacion non linear similar. Per cada mòstra, l'estrès aumenta mai rapidament amb l'aumentacion de la deformacion. Una corba exponenciala foguèt ajustada al comportament de tension-deformacion de compression de l'escuma d'idrogèl. La figura 4B mòstra los resultats après aver aplicat la foncion exponenciala coma modèl d'aproximacion a l'escuma d'idrogèl.
Per las escumas d'idrogèl amb de rapòrts de volum d'aire diferents, lor modul de compression (E0) foguèt tanben estudiat. Similar a l'analisi dels idrogèls, lo modul de Young de compression foguèt estudiat dins l'interval de 20% de deformacion iniciala. Los resultats dels tèsts de compression son mostrats dins la Figura 4C. Los resultats de la Figura 4C mòstran que a mesura que lo rapòrt de volum d'aire disminuís de la mòstra 50 a la mòstra 110, lo modul de Young de compression E0 de l'escuma d'idrogel d'alginat aumenta de 10,86 kPa a 18 kPa.
De manièra similara, las corbas de tension-deformacion completas de las escumas d'idrogèl, e tanben las valors de tension e deformacion de compression finalas, foguèron obtengudas. La figura 4D mòstra la tension de compression e la deformacion finalas de las escumas d'idrogèl d'alginat. Cada punt de donadas es la mejana de tres resultats de tèst. Los resultats mòstran que la tension de compression finala aumenta de 9,84 kPa a 17,58 kPa amb lo contengut de gas decreissent. La soca finala demòra establa a aperaquí 38%.
La figura 2 (A, B, e C) mòstra las imatges CT d'escumas d'idrogèl amb de rapòrts de volum d'aire diferents correspondents als mòstras 50, 100 e 110, respectivament. Las imatges mòstran que l'escuma d'idrogèl formada es gaireben omogenèa. Un pichon nombre de lacunas foguèron observadas dins las mòstras 100 e 110. La formacion d'aqueles lacunas pòt èsser deguda a l'estrès intèrne generat dins l'idrogèl pendent lo procès de gelacion. Calculèrem las valors HU per 5 seccions transversalas de cada mòstra e las listam dins lo tablèu 5 amb los resultats de calcul teoric correspondents.
Lo tablèu 5 mòstra que los mòstras amb de rapòrts de volum d'aire diferents obtenguèron de valors HU diferentas. La valor p maximala entre los grops 50 ml, 100 ml e 110 ml èra de 0,004 < 0,05, çò qu'indica la significacion estatistica dels resultats. D'entre las tres mòstras testadas, la mòstra amb 50 ml de mescla aviá las proprietats radiologicas mai pròchas d'aquelas dels palmons umans. La ultima columna dl tabl 5 s l rsultad obtnid pr calcul tóric basad n la valr d espuma mdida \(\:\rho\:\). En comparant las donadas mesuradas amb los resultats teorics, se pòt trobar que las valors HU obtengudas per tomografia computada son generalament pròchas dels resultats teorics, çò que confirma a son torn los resultats del calcul del rapòrt de volum d'aire dins la Figura 1C.
L'objectiu principal d'aqueste estudi es de crear un material amb de proprietats mecanicas e radiologicas comparablas a aquelas dels palmons umans. Aqueste objectiu foguèt atench en desvolopant un material a basa d'idrogèl amb de proprietats mecanicas e radiologicas equivalentas al teissut personalizadas que son lo mai pròchas possible d'aquelas dels palmons umans. Guidats per de calculs teorics, d'escumas d'idrogèl amb de rapòrts de volum d'aire diferents foguèron preparadas en mesclant mecanicament la solucion d'alginat de sòdi, CaCO3, GDL e SLES 70. L'analisi morfologica mostrèt que se formèt una escuma d'idrogèl establa tridimensionala omogenèa. En cambiant lo rapòrt de volum d'aire, la densitat e la porositat de l'escuma pòdon èsser variadas a volontat. Amb l'aument del contengut de volum d'aire, la talha dels pòrs demenís leugièrament e lo nombre de pòrs aumenta. De tèsts de compression foguèron menats per analisar las proprietats mecanicas de las escumas d'idrogèl d'alginat. Los resultats mostrèron que lo modul de compression (E0) obtengut dels tèsts de compression es dins l'interval ideal pels palmons umans. E0 aumenta a mesura que lo rapòrt de volum d'aire disminuís. Las valors de las proprietats radiologicas (HU) dels mòstras preparadas foguèron obtengudas en foncion de las donadas TC dels mòstras e comparadas amb los resultats dels calculs teorics. Los resultats foguèron favorables. La valor mesurada es tanben pròcha de la valor HU dels palmons umans. Los resultats mòstran qu'es possible de crear d'escumas d'idrogèl imitants de teissuts amb una combinason ideala de proprietats mecanicas e radiologicas qu'imitan las proprietats dels palmons umans.
Malgrat los resultats prometeires, los metòdes de fabricacion actuals an de besonh d'èsser melhorats per melhor contrarotlar lo rapòrt de volum d'aire e la porositat per far correspondre las prediccions dels calculs teorics e dels palmons umans reals a l'escala globala e locala. L'estudi actual es tanben limitat a testar la mecanica de compression, çò que limita l'aplicacion potenciala del fantasma a la fasa de compression del cicle respiratòri. Las recèrcas futuras beneficiarián d'enquestar los tèsts de traccion e tanben l'estabilitat mecanica globala del material per avalorar d'aplicacions potencialas jos de condicions de carga dinamica. Malgrat aquelas limitacions, l'estudi marca lo primièr ensag capitat de combinar de proprietats radiologicas e mecanicas dins un sol material que imita lo palmon uman.
Los ensembles de donadas generats e/o analizats pendent l'estudi actual son disponibles de l'autor correspondent sus demanda rasonabla. Las experiéncias e los ensembles de donadas son reproductibles.
Song, G., et al. De novèlas nanotecnologias e de materials avançats per la radioterapia del càncer. Adv. Matèria. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Tuar, PJ, et al. Rapòrt del grop de trabalh AAPM 76a sus la gestion del movement respiratòri en oncologia de radiacion. Med. Fis. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., e Brock, KK Modelatge de l'interfàcia e de las nonlinearitats materialas dins lo palmon uman. Fisica e Medecina e Biologia 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Modèl de càncer de palmon similar a un tumor generat per bioimpression 3D. 3. Biotecnologia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelatge de la deformacion pulmonara: un metòde que combina de tecnicas d'enregistrament d'imatges deformables e d'estimacion del modul de Young variabla espacialament. Med. Fis. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Rigidesa del teissut vivent e sas implicacions per l'engenharia dels teissuts. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).