Matur nuwun sampun ngunjungi nature.com. Versi browser sing sampeyan gunakake nduweni dhukungan CSS sing winates. Kanggo pengalaman sing paling apik, disaranake nggunakake versi browser paling anyar (utawa mateni mode kompatibilitas ing Internet Explorer). Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, situs iki ora bakal kalebu gaya utawa JavaScript.
Obahing organ lan jaringan bisa nyebabake kesalahan ing posisi sinar-X sajrone radioterapi. Mulane, bahan kanthi sifat mekanik lan radiologis sing padha karo jaringan dibutuhake kanggo niru gerakan organ kanggo optimalisasi radioterapi. Nanging, pangembangan bahan kasebut tetep dadi tantangan. Hidrogel alginat nduweni sifat sing padha karo matriks ekstraseluler, saengga dadi bahan sing janjeni minangka bahan sing padha karo jaringan. Ing panliten iki, busa hidrogel alginat kanthi sifat mekanik lan radiologis sing dikarepake disintesis kanthi pelepasan Ca2+ in situ. Rasio udara-kanggo-volume dikontrol kanthi ati-ati kanggo entuk busa hidrogel kanthi sifat mekanik lan radiologis sing wis ditemtokake. Makro lan mikromorfologi bahan kasebut ditondoi, lan prilaku busa hidrogel ing sangisore kompresi disinaoni. Sifat radiologis diestimasikake kanthi teoritis lan diverifikasi kanthi eksperimen nggunakake tomografi komputer. Panliten iki menehi cahya babagan pangembangan bahan sing padha karo jaringan ing mangsa ngarep sing bisa digunakake kanggo optimalisasi dosis radiasi lan kontrol kualitas sajrone radioterapi.
Terapi radiasi minangka perawatan umum kanggo kanker1. Gerakan organ lan jaringan asring nyebabake kesalahan ing posisi sinar-X sajrone terapi radiasi2, sing bisa nyebabake tumor ora ditangani kanthi becik lan sel sehat ing sekitar kena radiasi sing ora perlu. Kemampuan kanggo prédhiksi gerakan organ lan jaringan penting banget kanggo nyuda kesalahan lokalisasi tumor. Panliten iki fokus ing paru-paru, amarga paru-paru ngalami deformasi lan gerakan sing signifikan nalika pasien ambegan sajrone terapi radiasi. Macem-macem model unsur terbatas wis dikembangake lan diterapake kanggo simulasi gerakan paru-paru manungsa3,4,5. Nanging, organ lan jaringan manungsa duwe geometri sing kompleks lan gumantung banget karo pasien. Mulane, bahan kanthi sifat sing padha karo jaringan migunani banget kanggo ngembangake model fisik kanggo validasi model teoretis, nggampangake perawatan medis sing luwih apik, lan kanggo tujuan pendidikan medis.
Pangembangan bahan sing niru jaringan alus kanggo entuk geometri struktural eksternal lan internal sing kompleks wis narik kawigaten akeh amarga inkonsistensi mekanik sing ana ing njero bisa nyebabake kegagalan ing aplikasi target6,7. Pemodelan biomekanik kompleks jaringan paru-paru, sing nggabungake kelembutan, elastisitas, lan porositas struktural sing ekstrem, dadi tantangan sing signifikan kanggo ngembangake model sing kanthi akurat ngasilake paru-paru manungsa. Integrasi lan pencocokan sifat mekanik lan radiologis penting banget kanggo kinerja model paru-paru sing efektif ing intervensi terapeutik. Manufaktur aditif wis kabukten efektif kanggo ngembangake model khusus pasien, sing ngaktifake prototipe cepet saka desain sing kompleks. Shin et al. 8 ngembangake model paru-paru sing bisa direproduksi lan bisa dideformasi kanthi saluran napas sing dicithak 3D. Haselaar et al. 9 ngembangake phantom sing meh padha karo pasien nyata kanggo penilaian kualitas gambar lan metode verifikasi posisi kanggo radioterapi. Hong et al10 ngembangake model CT dada nggunakake teknologi pencetakan 3D lan pengecoran silikon kanggo ngasilake intensitas CT saka macem-macem lesi paru-paru kanggo ngevaluasi akurasi kuantifikasi. Nanging, prototipe iki asring digawe saka bahan sing sifat efektife beda banget karo jaringan paru-paru11.
Saiki, umume phantom paru-paru digawe saka silikon utawa busa poliuretan, sing ora cocog karo sifat mekanik lan radiologis parenkim paru-paru sing nyata.12,13 Hidrogel alginat biokompatibel lan wis digunakake sacara wiyar ing teknik jaringan amarga sifat mekanik sing bisa diatur.14 Nanging, ngasilake konsistensi ultra-alus kaya busa sing dibutuhake kanggo phantom paru-paru sing kanthi akurat niru elastisitas lan struktur pengisian jaringan paru-paru tetep dadi tantangan eksperimental.
Ing panliten iki, diasumsikake yen jaringan paru-paru minangka bahan elastis sing homogen. Kapadhetan jaringan paru-paru manungsa (\(\:\rho\:\)) dilaporake 1,06 g/cm3, lan kapadhetan paru-paru sing dikembangke yaiku 0,26 g/cm315. Macem-macem nilai modulus Young (MY) saka jaringan paru-paru wis dipikolehi nggunakake macem-macem metode eksperimen. Lai-Fook et al. 16 ngukur YM paru-paru manungsa kanthi inflasi seragam dadi 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 nggunakake elastografi resonansi magnetik lan nglaporake YM 2,17 kPa. Liu et al. 18 nglaporake YM sing diukur langsung yaiku 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 ngira-ira YM dadi 0,1–2,7 kPa adhedhasar data CT 4D sing dipikolehi saka pasien sing dipilih.
Kanggo sipat radiologis paru-paru, sawetara parameter digunakake kanggo njlèntrèhaké prilaku interaksi jaringan paru-paru karo sinar-X, kalebu komposisi unsur, kapadhetan elektron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), nomer atom efektif (\(\:{Z}_{eff}\)), energi eksitasi rata-rata (\(\:I\)), koefisien atenuasi massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) lan unit Hounsfield (HU), sing ana hubungane langsung karo \(\:\mu\:/\rho\:\).
Kapadhetan elektron \(\:{\rho\:}_{e}\) ditegesake minangka cacahing elektron saben unit volume lan diitung kaya ing ngisor iki:
ing ngendi \(\:\rho\:\) minangka kapadhetan materi ing g/cm3, \(\:{N}_{A}\) minangka konstanta Avogadro, \(\:{w}_{i}\) minangka fraksi massa, \(\:{Z}_{i}\) minangka nomer atom, lan \(\:{A}_{i}\) minangka bobot atom unsur kaping-i.
Nomer atom ana hubungane langsung karo sifat interaksi radiasi ing njero materi kasebut. Kanggo senyawa lan campuran sing ngemot sawetara unsur (kayata, kain), nomer atom efektif \(\:{Z}_{eff}\) kudu diitung. Rumus kasebut diusulake dening Murthy et al. 20:
Energi eksitasi rata-rata \(\:I\) nggambarake kepiye gampange materi target nyerep energi kinetik partikel sing nembus. Iki mung nggambarake sifat-sifat materi target lan ora ana hubungane karo sifat-sifat partikel kasebut. \(\:I\) bisa diitung kanthi ngetrapake aturan aditivitas Bragg:
Koefisien atenuasi massa \(\:\mu\:/\rho\:\) nggambarake penetrasi lan pelepasan energi foton ing materi target. Iki bisa diitung nggunakake rumus ing ngisor iki:
Ing ngendi \(\:x\) minangka kekandelan materi, \(\:{I}_{0}\) minangka intensitas cahya sing teka, lan \(\:I\) minangka intensitas foton sawise penetrasi menyang materi. Data \(\:\mu\:/\rho\:\) bisa dipikolehi langsung saka Database Referensi Standar NIST 12621. Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) kanggo campuran lan senyawa bisa diturunake nggunakake aturan aditivitas kaya ing ngisor iki:
HU iku unit tanpa dimensi standar kanggo pangukuran radiodensitas ing interpretasi data tomografi komputer (CT), sing diowahi sacara linier saka koefisien atenuasi sing diukur \(\:\mu\:\). Iki ditegesake minangka:
ing ngendi \(\:{\mu\:}_{banyu}\) minangka koefisien atenuasi banyu, lan \(\:{\mu\:}_{udara}\) minangka koefisien atenuasi udara. Mulane, saka rumus (6) kita weruh yen nilai HU banyu yaiku 0, lan nilai HU udara yaiku -1000. Nilai HU kanggo paru-paru manungsa wiwit saka -600 nganti -70022.
Sawetara bahan sing padha karo jaringan wis dikembangake. Griffith et al. 23 ngembangake model sing padha karo jaringan saka awak manungsa sing digawe saka poliuretan (PU) sing ditambahake macem-macem konsentrasi kalsium karbonat (CaCO3) kanggo simulasi koefisien atenuasi linier saka macem-macem organ manungsa kalebu paru-paru manungsa, lan model kasebut dijenengi Griffith. Taylor24 nampilake model sing padha karo jaringan paru-paru kapindho sing dikembangake dening Laboratorium Nasional Lawrence Livermore (LLNL), sing dijenengi LLLL1. Traub et al.25 ngembangake pengganti jaringan paru-paru anyar nggunakake Foamex XRS-272 sing ngemot 5,25% CaCO3 minangka penambah kinerja, sing dijenengi ALT2. Tabel 1 lan 2 nuduhake perbandingan \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) lan koefisien atenuasi massa kanggo paru-paru manungsa (ICRU-44) lan model sing padha karo jaringan ing ndhuwur.
Senajan nduweni sipat radiologis sing apik banget, meh kabeh bahan phantom digawe saka busa polistirena, sing tegese sipat mekanik bahan kasebut ora bisa nyedhaki paru-paru manungsa. Modulus Young (YM) busa poliuretan yaiku udakara 500 kPa, sing adoh saka ideal dibandhingake karo paru-paru manungsa normal (udakara 5-10 kPa). Mulane, perlu dikembangake bahan anyar sing bisa nyukupi karakteristik mekanik lan radiologis paru-paru manungsa nyata.
Hidrogel digunakake sacara wiyar ing rekayasa jaringan. Struktur lan sipate padha karo matriks ekstraseluler (ECM) lan gampang diatur. Ing panliten iki, natrium alginat murni dipilih minangka biomaterial kanggo nyiapake busa. Hidrogel alginat biokompatibel lan digunakake sacara wiyar ing rekayasa jaringan amarga sipat mekanik sing bisa diatur. Komposisi unsur natrium alginat (C6H7NaO6)n lan anané Ca2+ ngidini sipat radiologis diatur miturut kabutuhan. Kombinasi sipat mekanik lan radiologis sing bisa diatur iki ndadekake hidrogel alginat cocog kanggo panliten kita. Mesthi wae, hidrogel alginat uga duwe watesan, utamane babagan stabilitas jangka panjang sajrone siklus pernapasan simulasi. Mulane, perbaikan luwih lanjut dibutuhake lan diarepake ing panliten mbesuk kanggo ngatasi watesan kasebut.
Ing karya iki, kita ngembangake bahan busa hidrogel alginat kanthi nilai rho sing bisa dikontrol, elastisitas, lan sifat radiologis sing padha karo jaringan paru-paru manungsa. Panliten iki bakal menehi solusi umum kanggo nggawe phantom kaya jaringan kanthi sifat elastis lan radiologis sing bisa diatur. Sifat materi kasebut bisa disesuaikan kanthi gampang karo jaringan lan organ manungsa apa wae.
Rasio target udara karo volume busa hidrogel diitung adhedhasar kisaran HU paru-paru manungsa (-600 nganti -700). Busa kasebut dianggep minangka campuran udara lan hidrogel alginat sintetis sing prasaja. Nggunakake aturan tambahan prasaja saka unsur-unsur individu \(\:\mu\:/\rho\:\), fraksi volume udara lan rasio volume hidrogel alginat sing disintesis bisa diitung.
Busa hidrogel alginat digawe nggunakake natrium alginat (Nomer Bagian W201502), CaCO3 (Nomer Bagian 795445, MW: 100.09), lan GDL (Nomer Bagian G4750, MW: 178.14) sing dituku saka Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) dituku saka Renowned Trading LLC. Banyu deionisasi digunakake ing proses persiapan busa. Natrium alginat dilarutake ing banyu deionisasi ing suhu kamar kanthi diaduk terus-terusan (600 rpm) nganti larutan transparan kuning homogen dipikolehi. CaCO3 sing digabungake karo GDL digunakake minangka sumber Ca2+ kanggo miwiti gelasi. SLES 70 digunakake minangka surfaktan kanggo mbentuk struktur keropos ing njero hidrogel. Konsentrasi alginat dijaga ing 5% lan rasio molar Ca2+:-COOH dijaga ing 0,18. Rasio molar CaCO3:GDL uga dijaga ing 0,5 sajrone persiapan busa kanggo njaga pH netral. Nilai kasebut yaiku 26. 2% volume SLES 70 ditambahake menyang kabeh sampel. Gelas beaker nganggo tutup digunakake kanggo ngontrol rasio pencampuran larutan lan udara. Volume total gelas beaker yaiku 140 ml. Adhedhasar asil pitungan teoritis, volume campuran sing beda-beda (50 ml, 100 ml, 110 ml) ditambahake menyang gelas beaker kanggo dicampur karo udara. Sampel sing ngemot 50 ml campuran dirancang kanggo dicampur karo udara sing cukup, dene rasio volume udara ing rong sampel liyane dikontrol. Kapisan, SLES 70 ditambahake menyang larutan alginat lan diaduk nganggo pengaduk listrik nganti rata. Banjur, suspensi CaCO3 ditambahake menyang campuran lan diaduk terus-terusan nganti campuran rata, nalika warnane owah dadi putih. Pungkasan, larutan GDL ditambahake menyang campuran kanggo miwiti gelasi, lan pengadukan mekanik dijaga sajrone proses kasebut. Kanggo sampel sing ngandhut 50 ml campuran, pengadukan mekanik dihentikan nalika volume campuran mandheg owah. Kanggo sampel sing ngandhut 100 ml lan 110 ml campuran, pengadukan mekanik dihentikan nalika campuran ngisi gelas kimia. Kita uga nyoba nyiyapake busa hidrogel kanthi volume antarane 50 ml lan 100 ml. Nanging, ketidakstabilan struktural busa diamati, amarga fluktuasi antarane kahanan pencampuran udara lengkap lan kahanan kontrol volume udara, sing nyebabake kontrol volume ora konsisten. Ketidakstabilan iki nyebabake ketidakpastian ing perhitungan, lan mulane rentang volume iki ora kalebu ing panliten iki.
Kapadhetan \(\:\rho\:\) saka busa hidrogel diitung kanthi ngukur massa \(\:m\) lan volume \(\:V\) saka sampel busa hidrogel.
Gambar mikroskopis optik saka busa hidrogel dijupuk nggunakake kamera Zeiss Axio Observer A1. Piranti lunak ImageJ digunakake kanggo ngetung distribusi jumlah lan ukuran pori-pori ing sampel ing area tartamtu adhedhasar gambar sing dipikolehi. Wangun pori dianggep bunder.
Kanggo nyinaoni sifat mekanik busa hidrogel alginat, uji kompresi uniaksial ditindakake nggunakake mesin TESTRESOURCES seri 100. Sampel dipotong dadi blok persegi panjang lan dimensi blok diukur kanggo ngetung tekanan lan regangan. Kecepatan crosshead disetel ing 10 mm/menit. Telung sampel diuji kanggo saben sampel lan rata-rata lan deviasi standar diitung saka asil kasebut. Panliten iki fokus ing sifat mekanik kompresi busa hidrogel alginat amarga jaringan paru-paru kena gaya kompresi ing tahap tartamtu saka siklus pernapasan. Ekstensibilitas mesthi penting banget, utamane kanggo nggambarake prilaku dinamis jaringan paru-paru kanthi lengkap lan iki bakal diselidiki ing panliten sabanjure.
Sampel busa hidrogel sing wis disiapake dipindai nganggo pemindai CT dual-channel Siemens SOMATOM Drive. Parameter pemindaian disetel kaya ing ngisor iki: 40 mAs, 120 kVp lan kekandelan irisan 1 mm. File DICOM sing diasilake dianalisis nggunakake piranti lunak MicroDicom DICOM Viewer kanggo nganalisis nilai HU saka 5 penampang saben sampel. Nilai HU sing dipikolehi kanthi CT dibandhingake karo perhitungan teoretis adhedhasar data kapadhetan sampel.
Tujuan saka panliten iki yaiku kanggo ngrevolusi fabrikasi model organ individu lan jaringan biologis buatan kanthi ngrancang bahan alus. Ngembangake bahan kanthi sifat mekanik lan radiologis sing cocog karo mekanika kerja paru-paru manungsa penting kanggo aplikasi sing ditargetake kayata ningkatake pelatihan medis, perencanaan bedhah, lan perencanaan terapi radiasi. Ing Gambar 1A, kita nggambar bedane antarane sifat mekanik lan radiologis bahan alus sing diduga digunakake kanggo nggawe model paru-paru manungsa. Nganti saiki, bahan wis dikembangake sing nuduhake sifat radiologis sing dikarepake, nanging sifat mekanike ora memenuhi syarat sing dikarepake. Busa poliuretan lan karet minangka bahan sing paling akeh digunakake kanggo nggawe model paru-paru manungsa sing bisa dideformasi. Sifat mekanik busa poliuretan (modulus Young, YM) biasane 10 nganti 100 kali luwih gedhe tinimbang jaringan paru-paru manungsa normal. Bahan sing nuduhake sifat mekanik lan radiologis sing dikarepake durung dingerteni.
(A) Representasi skematis saka sifat-sifat macem-macem bahan alus lan perbandingan karo paru-paru manungsa babagan kapadhetan, modulus Young lan sifat radiologis (ing HU). (B) Pola difraksi sinar-X hidrogel alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) kanthi konsentrasi 5% lan rasio molar Ca2+:-COOH 0,18. (C) Rentang rasio volume udara ing busa hidrogel. (D) Representasi skematis busa hidrogel alginat kanthi rasio volume udara sing beda-beda.
Komposisi unsur hidrogel alginat kanthi konsentrasi 5% lan rasio molar Ca2+:-COOH 0,18 diitung, lan asilé dituduhake ing Tabel 3. Miturut aturan tambahan ing rumus sadurungé (5), koefisien atenuasi massa hidrogel alginat \(\:\:\mu\:/\rho\:\) dipikolehi kaya sing dituduhake ing Gambar 1B.
Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) kanggo udara lan banyu dipikolehi langsung saka basis data referensi standar NIST 12612. Dadi, Gambar 1C nuduhake rasio volume udara sing diitung ing busa hidrogel kanthi nilai setara HU antarane -600 lan -700 kanggo paru-paru manungsa. Rasio volume udara sing diitung sacara teoritis stabil ing kisaran energi saka 1 × 10−3 nganti 2 × 101 MeV, sing nuduhake potensial sing apik kanggo aplikasi busa hidrogel ing proses manufaktur hilir.
Gambar 1D nuduhake sampel busa hidrogel alginat sing wis disiapake. Kabeh sampel dipotong dadi kubus kanthi dawa pinggiran 12,7 mm. Asil kasebut nuduhake yen busa hidrogel sing homogen lan stabil telung dimensi wis kawangun. Preduli saka rasio volume udara, ora ana bedane sing signifikan ing tampilan busa hidrogel. Sifat busa hidrogel sing mandiri nuduhake yen jaringan sing kawangun ing njero hidrogel cukup kuwat kanggo nyangga bobot busa kasebut dhewe. Saliyane saka bocor banyu sing sithik saka busa, busa kasebut uga nuduhake stabilitas sementara sajrone pirang-pirang minggu.
Kanthi ngukur massa lan volume sampel busa, kapadhetan busa hidrogel sing wis disiapake \(\:\rho\:\) diitung, lan asilé dituduhake ing Tabel 4. Asil kasebut nuduhake katergantungan \(\:\rho\:\) marang rasio volume udara. Nalika udara sing cukup dicampur karo 50 ml sampel, kapadhetan dadi paling endhek lan yaiku 0,482 g/cm3. Nalika jumlah udara campuran mudhun, kapadhetan mundhak dadi 0,685 g/cm3. Nilai p maksimum antarane klompok 50 ml, 100 ml lan 110 ml yaiku 0,004 < 0,05, sing nuduhake signifikansi statistik saka asil kasebut.
Nilai teoretis \(\:\rho\:\) uga diitung nggunakake rasio volume udara sing dikontrol. Asil sing diukur nuduhake yen \(\:\rho\:\) luwih cilik 0,1 g/cm³ tinimbang nilai teoretis. Bedane iki bisa diterangake dening stres internal sing diasilake ing hidrogel sajrone proses gelasi, sing nyebabake pembengkakan lan kanthi mangkono nyebabake penurunan \(\:\rho\:\). Iki luwih dikonfirmasi dening pengamatan sawetara celah ing njero busa hidrogel ing gambar CT sing dituduhake ing Gambar 2 (A, B lan C).
Gambar mikroskop optik saka busa hidrogel kanthi isi volume udara sing beda-beda (A) 50, (B) 100, lan (C) 110. Jumlah sel lan distribusi ukuran pori ing sampel busa hidrogel alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Gambar 3 (A, B, C) nuduhake gambar mikroskop optik saka sampel busa hidrogel kanthi rasio volume udara sing beda-beda. Asil kasebut nuduhake struktur optik busa hidrogel, kanthi jelas nuduhake gambar pori-pori kanthi diameter sing beda-beda. Distribusi jumlah pori lan diameter diitung nggunakake ImageJ. Enem gambar dijupuk kanggo saben sampel, saben gambar duwe ukuran 1125,27 μm × 843,96 μm, lan total area sing dianalisis kanggo saben sampel yaiku 5,7 mm².
(A) Prilaku tegangan-regangan tekan busa hidrogel alginat kanthi rasio volume udara sing beda. (B) Pas eksponensial. (C) Kompresi E0 busa hidrogel kanthi rasio volume udara sing beda. (D) Tegangan tekan lan regangan pamungkas busa hidrogel alginat kanthi rasio volume udara sing beda.
Gambar 3 (D, E, F) nuduhake yen distribusi ukuran pori relatif seragam, wiwit saka puluhan mikrometer nganti udakara 500 mikrometer. Ukuran pori umume seragam, lan rada mudhun nalika volume udara mudhun. Miturut data tes, ukuran pori rata-rata sampel 50 ml yaiku 192,16 μm, median yaiku 184,51 μm, lan jumlah pori saben unit area yaiku 103; ukuran pori rata-rata sampel 100 ml yaiku 156,62 μm, median yaiku 151,07 μm, lan jumlah pori saben unit area yaiku 109; nilai sing cocog saka sampel 110 ml yaiku 163,07 μm, 150,29 μm lan 115. Data nuduhake yen pori sing luwih gedhe duwe pengaruh sing luwih gedhe marang asil statistik ukuran pori rata-rata, lan ukuran pori median bisa luwih nggambarake tren owah-owahan ukuran pori. Nalika volume sampel mundhak saka 50 ml dadi 110 ml, jumlah pori uga mundhak. Nggabungake asil statistik diameter pori median lan jumlah pori, bisa disimpulake yen kanthi volume sing mundhak, luwih akeh pori sing ukurane luwih cilik sing kawangun ing njero sampel.
Data uji mekanik dituduhake ing Gambar 4A lan 4D. Gambar 4A nuduhake prilaku tegangan-regangan tekan saka busa hidrogel sing disiapake kanthi rasio volume udara sing beda. Asil kasebut nuduhake yen kabeh sampel duwe prilaku tegangan-regangan nonlinier sing padha. Kanggo saben sampel, stres mundhak luwih cepet kanthi nambah regangan. Kurva eksponensial dipasang ing prilaku tegangan-regangan tekan saka busa hidrogel. Gambar 4B nuduhake asil sawise ngetrapake fungsi eksponensial minangka model sing meh padha karo busa hidrogel.
Kanggo busa hidrogel kanthi rasio volume udara sing beda-beda, modulus kompresi (E0) uga ditliti. Padha karo analisis hidrogel, modulus kompresi Young diselidiki ing kisaran regangan awal 20%. Asil tes kompresi dituduhake ing Gambar 4C. Asil ing Gambar 4C nuduhake yen rasio volume udara mudhun saka sampel 50 nganti sampel 110, modulus kompresi Young E0 saka busa hidrogel alginat mundhak saka 10,86 kPa dadi 18 kPa.
Semono uga, kurva tegangan-regangan lengkap saka busa hidrogel, uga nilai tegangan tekan lan regangan pamungkas, dipikolehi. Gambar 4D nuduhake tegangan tekan lan regangan pamungkas saka busa hidrogel alginat. Saben titik data minangka rata-rata saka telung asil tes. Asil kasebut nuduhake yen tegangan tekan pamungkas mundhak saka 9,84 kPa dadi 17,58 kPa kanthi kandungan gas sing mudhun. Regangan pamungkas tetep stabil ing udakara 38%.
Gambar 2 (A, B, lan C) nuduhake gambar CT saka busa hidrogel kanthi rasio volume udara sing beda-beda sing cocog karo sampel 50, 100, lan 110. Gambar kasebut nuduhake yen busa hidrogel sing dibentuk meh homogen. Sawetara celah diamati ing sampel 100 lan 110. Pembentukan celah kasebut bisa uga amarga stres internal sing diasilake ing hidrogel sajrone proses gelasi. Kita ngetung nilai HU kanggo 5 penampang saben sampel lan ndhaptar ing Tabel 5 bebarengan karo asil pitungan teoritis sing cocog.
Tabel 5 nuduhake yen sampel kanthi rasio volume udara sing beda-beda entuk nilai HU sing beda-beda. Nilai p maksimum antarane klompok 50 ml, 100 ml lan 110 ml yaiku 0,004 < 0,05, sing nuduhake signifikansi statistik saka asil kasebut. Saka telung sampel sing dites, sampel kanthi campuran 50 ml nduweni sifat radiologis sing paling cedhak karo paru-paru manungsa. Kolom pungkasan Tabel 5 minangka asil sing dipikolehi kanthi pitungan teoretis adhedhasar nilai busa sing diukur \(\:\rho\:\). Kanthi mbandhingake data sing diukur karo asil teoretis, bisa ditemokake yen nilai HU sing dipikolehi kanthi CT scan umume cedhak karo asil teoretis, sing banjur ngonfirmasi asil pitungan rasio volume udara ing Gambar 1C.
Tujuan utama saka panliten iki yaiku nggawe bahan kanthi sifat mekanik lan radiologis sing bisa dibandhingake karo paru-paru manungsa. Tujuan iki digayuh kanthi ngembangake bahan berbasis hidrogel kanthi sifat mekanik lan radiologis sing padha karo jaringan sing cocog karo paru-paru manungsa. Dipandu dening perhitungan teoretis, busa hidrogel kanthi rasio volume udara sing beda-beda disiapake kanthi nyampur larutan natrium alginat, CaCO3, GDL lan SLES 70 kanthi mekanis. Analisis morfologis nuduhake yen busa hidrogel telung dimensi sing stabil lan homogen dibentuk. Kanthi ngganti rasio volume udara, kapadhetan lan porositas busa bisa divariasi miturut kekarepan. Kanthi nambah isi volume udara, ukuran pori rada mudhun lan jumlah pori mundhak. Tes kompresi ditindakake kanggo nganalisis sifat mekanik busa hidrogel alginat. Asil kasebut nuduhake yen modulus kompresi (E0) sing dipikolehi saka tes kompresi ana ing kisaran sing ideal kanggo paru-paru manungsa. E0 mundhak nalika rasio volume udara mudhun. Nilai-nilai sifat radiologis (HU) saka sampel sing wis disiapake dipikolehi adhedhasar data CT sampel lan dibandhingake karo asil perhitungan teoretis. Asil kasebut apik. Nilai sing diukur uga cedhak karo nilai HU paru-paru manungsa. Asil kasebut nuduhake yen bisa nggawe busa hidrogel sing niru jaringan kanthi kombinasi ideal saka sifat mekanik lan radiologis sing niru sifat paru-paru manungsa.
Senajan asilé apik, cara fabrikasi saiki kudu ditingkatake supaya bisa ngontrol rasio volume udara lan porositas kanthi luwih apik supaya cocog karo prediksi saka itungan teoretis lan paru-paru manungsa nyata ing skala global lan lokal. Panliten saiki uga diwatesi mung kanggo nguji mekanika kompresi, sing mbatesi aplikasi potensial phantom menyang fase kompresi siklus pernapasan. Riset ing mangsa ngarep bakal entuk manfaat saka nyelidiki uji tarik uga stabilitas mekanik sakabèhé saka materi kanggo netepake aplikasi potensial ing kahanan pemuatan dinamis. Senadyan watesan kasebut, panliten iki nandhani upaya sukses pisanan kanggo nggabungake sifat radiologis lan mekanik ing siji materi sing niru paru-paru manungsa.
Kumpulan data sing digawe lan/utawa dianalisis sajrone panliten iki kasedhiya saka penulis sing cocog yen ana panyuwunan sing cukup. Eksperimen lan kumpulan data bisa direproduksi.
Song, G., dkk. Nanoteknologi anyar lan bahan canggih kanggo terapi radiasi kanker. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, dkk. Laporan Gugus Tugas AAPM 76a babagan Manajemen Gerakan Pernapasan ing Onkologi Radiasi. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., lan Brock, KK Pemodelan antarmuka lan nonlinieritas materi ing paru-paru manungsa. Fisika lan Kedokteran lan Biologi 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Model kanker paru-paru kaya tumor sing digawe nganggo bioprinting 3D. 3. Bioteknologi. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Pemodelan deformasi paru-paru: metode sing nggabungake teknik registrasi gambar sing bisa dideformasi lan estimasi modulus Young sing beda-beda sacara spasial. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Kekakuan jaringan urip lan implikasine kanggo rekayasa jaringan. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).