Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε την πιο πρόσφατη έκδοση του προγράμματος περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Επιπλέον, για να διασφαλιστεί η συνεχής υποστήριξη, αυτός ο ιστότοπος δεν θα περιλαμβάνει στυλ ή JavaScript.
Η κίνηση οργάνων και ιστών μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα στην τοποθέτηση των ακτίνων Χ κατά τη διάρκεια της ακτινοθεραπείας. Επομένως, απαιτούνται υλικά με μηχανικές και ακτινολογικές ιδιότητες ισοδύναμες με ιστούς για να μιμηθούν την κίνηση των οργάνων για τη βελτιστοποίηση της ακτινοθεραπείας. Ωστόσο, η ανάπτυξη τέτοιων υλικών παραμένει μια πρόκληση. Οι υδρογέλες αλγινικού οξέος έχουν ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες της εξωκυτταρικής μήτρας, γεγονός που τις καθιστά πολλά υποσχόμενες ως υλικά ισοδύναμα με ιστούς. Σε αυτή τη μελέτη, αφροί υδρογέλης αλγινικού οξέος με επιθυμητές μηχανικές και ακτινολογικές ιδιότητες συντέθηκαν με in situ απελευθέρωση Ca2+. Η αναλογία αέρα προς όγκο ελέγχθηκε προσεκτικά για να ληφθούν αφροί υδρογέλης με καθορισμένες μηχανικές και ακτινολογικές ιδιότητες. Χαρακτηρίστηκε η μακρο- και μικρομορφολογία των υλικών και μελετήθηκε η συμπεριφορά των αφρών υδρογέλης υπό συμπίεση. Οι ακτινολογικές ιδιότητες εκτιμήθηκαν θεωρητικά και επαληθεύτηκαν πειραματικά χρησιμοποιώντας αξονική τομογραφία. Αυτή η μελέτη ρίχνει φως στη μελλοντική ανάπτυξη υλικών ισοδύναμων με ιστούς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για βελτιστοποίηση της δόσης ακτινοβολίας και έλεγχο ποιότητας κατά τη διάρκεια της ακτινοθεραπείας.
Η ακτινοθεραπεία είναι μια κοινή θεραπεία για τον καρκίνο1. Η κίνηση οργάνων και ιστών συχνά οδηγεί σε σφάλματα στην τοποθέτηση των ακτίνων Χ κατά τη διάρκεια της ακτινοθεραπείας2, τα οποία μπορούν να οδηγήσουν σε υποθεραπεία του όγκου και υπερέκθεση των γύρω υγιών κυττάρων σε περιττή ακτινοβολία. Η ικανότητα πρόβλεψης της κίνησης των οργάνων και των ιστών είναι κρίσιμη για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων εντοπισμού του όγκου. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε στους πνεύμονες, καθώς υφίστανται σημαντικές παραμορφώσεις και κινήσεις όταν οι ασθενείς αναπνέουν κατά τη διάρκεια της ακτινοθεραπείας. Διάφορα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί για την προσομοίωση της κίνησης των ανθρώπινων πνευμόνων3,4,5. Ωστόσο, τα ανθρώπινα όργανα και οι ιστοί έχουν σύνθετες γεωμετρίες και εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τον ασθενή. Επομένως, τα υλικά με ιδιότητες ισοδύναμες με ιστούς είναι πολύ χρήσιμα για την ανάπτυξη φυσικών μοντέλων για την επικύρωση θεωρητικών μοντέλων, τη διευκόλυνση βελτιωμένης ιατρικής θεραπείας και για σκοπούς ιατρικής εκπαίδευσης.
Η ανάπτυξη υλικών που μιμούνται μαλακούς ιστούς για την επίτευξη σύνθετων εξωτερικών και εσωτερικών δομικών γεωμετριών έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή επειδή οι εγγενείς μηχανικές ασυνέπειές τους μπορούν να οδηγήσουν σε αποτυχίες στις εφαρμογές-στόχους6,7. Η μοντελοποίηση της σύνθετης βιομηχανικής του πνευμονικού ιστού, η οποία συνδυάζει εξαιρετική απαλότητα, ελαστικότητα και δομικό πορώδες, αποτελεί σημαντική πρόκληση στην ανάπτυξη μοντέλων που αναπαράγουν με ακρίβεια τον ανθρώπινο πνεύμονα. Η ενσωμάτωση και η αντιστοίχιση μηχανικών και ακτινολογικών ιδιοτήτων είναι κρίσιμες για την αποτελεσματική απόδοση των πνευμονικών μοντέλων σε θεραπευτικές παρεμβάσεις. Η προσθετική κατασκευή έχει αποδειχθεί αποτελεσματική στην ανάπτυξη μοντέλων ειδικών για τον ασθενή, επιτρέποντας την ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων σύνθετων σχεδίων. Οι Shin et al. 8 ανέπτυξαν ένα αναπαραγώγιμο, παραμορφώσιμο μοντέλο πνεύμονα με τρισδιάστατα εκτυπωμένους αεραγωγούς. Οι Haselaar et al. 9 ανέπτυξαν ένα ομοίωμα πολύ παρόμοιο με πραγματικούς ασθενείς για μεθόδους αξιολόγησης της ποιότητας εικόνας και επαλήθευσης θέσης για ακτινοθεραπεία. Οι Hong et al. 10 ανέπτυξαν ένα μοντέλο αξονικής τομογραφίας θώρακος χρησιμοποιώντας τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης και χύτευσης σιλικόνης για την αναπαραγωγή της έντασης αξονικής τομογραφίας διαφόρων πνευμονικών αλλοιώσεων, ώστε να αξιολογηθεί η ακρίβεια της ποσοτικοποίησης. Ωστόσο, αυτά τα πρωτότυπα συχνά κατασκευάζονται από υλικά των οποίων οι αποτελεσματικές ιδιότητες είναι πολύ διαφορετικές από αυτές του πνευμονικού ιστού11.
Επί του παρόντος, τα περισσότερα ομοιώματα πνευμόνων είναι κατασκευασμένα από σιλικόνη ή αφρό πολυουρεθάνης, τα οποία δεν ταιριάζουν με τις μηχανικές και ακτινολογικές ιδιότητες του πραγματικού πνευμονικού παρεγχύματος.12,13 Οι υδρογέλες αλγινικού οξέος είναι βιοσυμβατές και έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στη μηχανική ιστών λόγω των ρυθμιζόμενων μηχανικών ιδιοτήτων τους.14 Ωστόσο, η αναπαραγωγή της εξαιρετικά μαλακής, αφρώδους υφής που απαιτείται για ένα πνευμονικό ομοίωμα που μιμείται με ακρίβεια την ελαστικότητα και τη δομή πλήρωσης του πνευμονικού ιστού παραμένει μια πειραματική πρόκληση.
Σε αυτήν τη μελέτη, υποτέθηκε ότι ο πνευμονικός ιστός είναι ένα ομοιογενές ελαστικό υλικό. Η πυκνότητα του ανθρώπινου πνευμονικού ιστού (\(\:\rho\:\)) αναφέρεται ότι είναι 1,06 g/cm3 και η πυκνότητα του φουσκωμένου πνεύμονα είναι 0,26 g/cm315. Ένα ευρύ φάσμα τιμών μέτρου ελαστικότητας Young (MY) του πνευμονικού ιστού έχει ληφθεί χρησιμοποιώντας διαφορετικές πειραματικές μεθόδους. Οι Lai-Fook et al. 16 μέτρησαν το YM του ανθρώπινου πνεύμονα με ομοιόμορφο φούσκωμα στα 0,42–6,72 kPa. Οι Goss et al. 17 χρησιμοποίησαν ελαστογραφία μαγνητικού συντονισμού και ανέφεραν YM 2,17 kPa. Οι Liu et al. 18 ανέφεραν ένα άμεσα μετρημένο YM 0,03–57,2 kPa. Οι Ilegbusi et al. 19 εκτίμησαν το YM στα 0,1–2,7 kPa με βάση δεδομένα 4D CT που ελήφθησαν από επιλεγμένους ασθενείς.
Για τις ακτινολογικές ιδιότητες του πνεύμονα, χρησιμοποιούνται διάφορες παράμετροι για την περιγραφή της συμπεριφοράς αλληλεπίδρασης του πνευμονικού ιστού με τις ακτίνες Χ, συμπεριλαμβανομένης της στοιχειακής σύνθεσης, της πυκνότητας ηλεκτρονίων (\(\:{\rho\:}_{e}\)), του ενεργού ατομικού αριθμού (\(\:{Z}_{eff}\)), της μέσης ενέργειας διέγερσης (\(\:I\)), του συντελεστή εξασθένησης μάζας (\(\:\mu\:/\rho\:\)) και της μονάδας Hounsfield (HU), η οποία σχετίζεται άμεσα με το \(\:\mu\:/\rho\:\).
Η πυκνότητα ηλεκτρονίων \(\:{\rho\:}_{e}\) ορίζεται ως ο αριθμός των ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου και υπολογίζεται ως εξής:
όπου \(\:\rho\:\) είναι η πυκνότητα του υλικού σε g/cm3, \(\:{N}_{A}\) είναι η σταθερά του Avogadro, \(\:{w}_{i}\) είναι το κλάσμα μάζας, \(\:{Z}_{i}\) είναι ο ατομικός αριθμός και \(\:{A}_{i}\) είναι το ατομικό βάρος του i-οστού στοιχείου.
Ο ατομικός αριθμός σχετίζεται άμεσα με τη φύση της αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας μέσα στο υλικό. Για ενώσεις και μείγματα που περιέχουν πολλά στοιχεία (π.χ. υφάσματα), πρέπει να υπολογιστεί ο αποτελεσματικός ατομικός αριθμός \(\:{Z}_{eff}\). Ο τύπος προτάθηκε από τους Murthy et al. 20:
Η μέση ενέργεια διέγερσης \(\:I\) περιγράφει πόσο εύκολα το υλικό-στόχος απορροφά την κινητική ενέργεια των διεισδυτικών σωματιδίων. Περιγράφει μόνο τις ιδιότητες του υλικού-στόχου και δεν έχει καμία σχέση με τις ιδιότητες των σωματιδίων. Η \(\:I\) μπορεί να υπολογιστεί εφαρμόζοντας τον κανόνα προσθετικότητας του Bragg:
Ο συντελεστής εξασθένησης μάζας \(\:\mu\:/\rho\:\) περιγράφει τη διείσδυση και την απελευθέρωση ενέργειας των φωτονίων στο υλικό-στόχο. Μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Όπου \(\:x\) είναι το πάχος του υλικού, \(\:{I}_{0}\) είναι η ένταση του προσπίπτοντος φωτός και \(\:I\) είναι η ένταση των φωτονίων μετά τη διείσδυση στο υλικό. Τα δεδομένα \(\:\mu\:/\rho\:\) μπορούν να ληφθούν απευθείας από τη Βάση Δεδομένων Προτύπων NIST 12621. Οι τιμές \(\:\mu\:/\rho\:\) για μείγματα και ενώσεις μπορούν να εξαχθούν χρησιμοποιώντας τον κανόνα προσθετικότητας ως εξής:
Η HU είναι μια τυποποιημένη αδιάστατη μονάδα μέτρησης της ραδιοπυκνότητας στην ερμηνεία δεδομένων αξονικής τομογραφίας (CT), η οποία μετασχηματίζεται γραμμικά από τον μετρούμενο συντελεστή εξασθένησης \(\:\mu\:\). Ορίζεται ως:
όπου \(\:{\mu\:}_{water}\) είναι ο συντελεστής εξασθένησης του νερού και \(\:{\mu\:}_{air}\) είναι ο συντελεστής εξασθένησης του αέρα. Επομένως, από τον τύπο (6) βλέπουμε ότι η τιμή HU του νερού είναι 0 και η τιμή HU του αέρα είναι -1000. Η τιμή HU για τους ανθρώπινους πνεύμονες κυμαίνεται από -600 έως -70022.
Έχουν αναπτυχθεί αρκετά υλικά ισοδύναμα ιστών. Οι Griffith et al. 23 ανέπτυξαν ένα μοντέλο ισοδύναμου ιστού του ανθρώπινου κορμού κατασκευασμένο από πολυουρεθάνη (PU) στο οποίο προστέθηκαν διάφορες συγκεντρώσεις ανθρακικού ασβεστίου (CaCO3) για την προσομοίωση των γραμμικών συντελεστών εξασθένησης διαφόρων ανθρώπινων οργάνων, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπινου πνεύμονα, και το μοντέλο ονομάστηκε Griffith. Ο Taylor24 παρουσίασε ένα δεύτερο μοντέλο ισοδύναμου πνευμονικού ιστού που αναπτύχθηκε από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore (LLNL), με την ονομασία LLLL1. Οι Traub et al. 25 ανέπτυξαν ένα νέο υποκατάστατο πνευμονικού ιστού χρησιμοποιώντας Foamex XRS-272 που περιείχε 5,25% CaCO3 ως ενισχυτικό απόδοσης, το οποίο ονομάστηκε ALT2. Οι Πίνακες 1 και 2 δείχνουν μια σύγκριση των \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) και των συντελεστών εξασθένησης μάζας για τον ανθρώπινο πνεύμονα (ICRU-44) και τα παραπάνω μοντέλα ισοδύναμου ιστού.
Παρά τις εξαιρετικές ακτινολογικές ιδιότητες που έχουν επιτευχθεί, σχεδόν όλα τα φανταστικά υλικά είναι κατασκευασμένα από αφρό πολυστερίνης, πράγμα που σημαίνει ότι οι μηχανικές ιδιότητες αυτών των υλικών δεν μπορούν να πλησιάσουν εκείνες των ανθρώπινων πνευμόνων. Το μέτρο ελαστικότητας Young (YM) του αφρού πολυουρεθάνης είναι περίπου 500 kPa, το οποίο απέχει πολύ από το ιδανικό σε σύγκριση με τους φυσιολογικούς ανθρώπινους πνεύμονες (περίπου 5-10 kPa). Επομένως, είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί ένα νέο υλικό που να μπορεί να ανταποκριθεί στα μηχανικά και ακτινολογικά χαρακτηριστικά των πραγματικών ανθρώπινων πνευμόνων.
Οι υδρογέλες χρησιμοποιούνται ευρέως στη μηχανική ιστών. Η δομή και οι ιδιότητές τους είναι παρόμοιες με την εξωκυτταρική μήτρα (ECM) και είναι εύκολα ρυθμιζόμενες. Σε αυτή τη μελέτη, επιλέχθηκε καθαρό αλγινικό νάτριο ως βιοϋλικό για την παρασκευή αφρών. Οι υδρογέλες αλγινικού είναι βιοσυμβατές και χρησιμοποιούνται ευρέως στη μηχανική ιστών λόγω των ρυθμιζόμενων μηχανικών ιδιοτήτων τους. Η στοιχειακή σύνθεση του αλγινικού νατρίου (C6H7NaO6)n και η παρουσία Ca2+ επιτρέπουν την προσαρμογή των ακτινολογικών ιδιοτήτων του ανάλογα με τις ανάγκες. Αυτός ο συνδυασμός ρυθμιζόμενων μηχανικών και ακτινολογικών ιδιοτήτων καθιστά τις υδρογέλες αλγινικού ιδανικές για τη μελέτη μας. Φυσικά, οι υδρογέλες αλγινικού έχουν επίσης περιορισμούς, ειδικά όσον αφορά τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα κατά τη διάρκεια προσομοιωμένων αναπνευστικών κύκλων. Επομένως, απαιτούνται και αναμένονται περαιτέρω βελτιώσεις σε μελλοντικές μελέτες για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών.
Σε αυτήν την εργασία, αναπτύξαμε ένα αφρώδες υλικό υδρογέλης αλγινικού οξέος με ελεγχόμενες τιμές rho, ελαστικότητα και ακτινολογικές ιδιότητες παρόμοιες με εκείνες του ανθρώπινου πνευμονικού ιστού. Αυτή η μελέτη θα παρέχει μια γενική λύση για την κατασκευή ιστοειδών ομοιόμορφων με ρυθμιζόμενες ελαστικές και ακτινολογικές ιδιότητες. Οι ιδιότητες του υλικού μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν σε οποιονδήποτε ανθρώπινο ιστό και όργανο.
Η στοχευόμενη αναλογία αέρα προς όγκο του αφρού υδρογέλης υπολογίστηκε με βάση το εύρος HU των ανθρώπινων πνευμόνων (-600 έως -700). Υποτέθηκε ότι ο αφρός ήταν ένα απλό μείγμα αέρα και συνθετικής υδρογέλης αλγινικού. Χρησιμοποιώντας έναν απλό κανόνα πρόσθεσης μεμονωμένων στοιχείων \(\:\mu\:/\rho\:\), μπορούσαν να υπολογιστούν το κλάσμα όγκου του αέρα και η αναλογία όγκου της συνθετικής υδρογέλης αλγινικού.
Οι αφροί υδρογέλης αλγινικού παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας αλγινικό νάτριο (Αριθμός Μέρους W201502), CaCO3 (Αριθμός Μέρους 795445, ΜΒ: 100,09) και GDL (Αριθμός Μέρους G4750, ΜΒ: 178,14) που αγοράστηκαν από την Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. Αγοράστηκε 70% θειικό λαυρυλαιθέρα νατρίου (SLES 70) από την Renowned Trading LLC. Στη διαδικασία παρασκευής αφρού χρησιμοποιήθηκε απιονισμένο νερό. Το αλγινικό νάτριο διαλύθηκε σε απιονισμένο νερό σε θερμοκρασία δωματίου με συνεχή ανάδευση (600 στροφές/λεπτό) μέχρι να ληφθεί ένα ομοιογενές κίτρινο ημιδιαφανές διάλυμα. Το CaCO3 σε συνδυασμό με το GDL χρησιμοποιήθηκε ως πηγή Ca2+ για την έναρξη της ζελατινοποίησης. Το SLES 70 χρησιμοποιήθηκε ως επιφανειοδραστικό για να σχηματίσει μια πορώδη δομή μέσα στην υδρογέλη. Η συγκέντρωση αλγινικού διατηρήθηκε στο 5% και η μοριακή αναλογία Ca2+:-COOH διατηρήθηκε στο 0,18. Η μοριακή αναλογία CaCO3:GDL διατηρήθηκε επίσης στο 0,5 κατά την παρασκευή αφρού για να διατηρηθεί ένα ουδέτερο pH. Η τιμή είναι 26. Σε όλα τα δείγματα προστέθηκε 2% κατ' όγκο SLES 70. Χρησιμοποιήθηκε ένα ποτήρι ζέσεως με καπάκι για τον έλεγχο της αναλογίας ανάμειξης του διαλύματος και του αέρα. Ο συνολικός όγκος του ποτηριού ζέσεως ήταν 140 ml. Με βάση τα θεωρητικά αποτελέσματα υπολογισμού, προστέθηκαν στο ποτήρι ζέσεως διαφορετικοί όγκοι του μείγματος (50 ml, 100 ml, 110 ml) για να αναμειχθεί με τον αέρα. Το δείγμα που περιείχε 50 ml του μείγματος σχεδιάστηκε για να αναμειχθεί με επαρκή ποσότητα αέρα, ενώ η αναλογία όγκου αέρα στα άλλα δύο δείγματα ελέγχθηκε. Αρχικά, το SLES 70 προστέθηκε στο διάλυμα αλγινικού και αναδεύτηκε με ηλεκτρικό αναδευτήρα μέχρι να αναμειχθεί πλήρως. Στη συνέχεια, το εναιώρημα CaCO3 προστέθηκε στο μείγμα και αναδεύτηκε συνεχώς μέχρι να αναμειχθεί πλήρως το μείγμα, όταν το χρώμα του άλλαξε σε λευκό. Τέλος, το διάλυμα GDL προστέθηκε στο μείγμα για να ξεκινήσει η ζελατινοποίηση και διατηρήθηκε μηχανική ανάδευση καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας. Για το δείγμα που περιείχε 50 ml του μείγματος, η μηχανική ανάδευση σταμάτησε όταν ο όγκος του μείγματος σταμάτησε να αλλάζει. Για τα δείγματα που περιείχαν 100 ml και 110 ml του μείγματος, η μηχανική ανάδευση σταμάτησε όταν το μείγμα γέμισε το ποτήρι ζέσεως. Προσπαθήσαμε επίσης να παρασκευάσουμε αφρούς υδρογέλης με όγκο μεταξύ 50 ml και 100 ml. Ωστόσο, παρατηρήθηκε δομική αστάθεια του αφρού, καθώς κυμαινόταν μεταξύ της κατάστασης πλήρους ανάμειξης αέρα και της κατάστασης ελέγχου του όγκου του αέρα, με αποτέλεσμα τον ασυνεπή έλεγχο του όγκου. Αυτή η αστάθεια εισήγαγε αβεβαιότητα στους υπολογισμούς και, ως εκ τούτου, αυτό το εύρος όγκου δεν συμπεριλήφθηκε στην παρούσα μελέτη.
Η πυκνότητα \(\:\rho\:\) ενός αφρού υδρογέλης υπολογίζεται μετρώντας τη μάζα \(\:m\) και τον όγκο \(\:V\) ενός δείγματος αφρού υδρογέλης.
Οι οπτικές μικροσκοπικές εικόνες αφρών υδρογέλης ελήφθησαν χρησιμοποιώντας μια κάμερα Zeiss Axio Observer A1. Το λογισμικό ImageJ χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του αριθμού και της κατανομής μεγέθους των πόρων σε ένα δείγμα σε μια συγκεκριμένη περιοχή με βάση τις εικόνες που ελήφθησαν. Το σχήμα των πόρων θεωρείται κυκλικό.
Για τη μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των αφρών υδρογέλης αλγινικού οξέος, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μονοαξονικής συμπίεσης χρησιμοποιώντας μια μηχανή σειράς TESTRESOURCES 100. Τα δείγματα κόπηκαν σε ορθογώνια μπλοκ και οι διαστάσεις των μπλοκ μετρήθηκαν για τον υπολογισμό των τάσεων και των παραμορφώσεων. Η ταχύτητα της εγκάρσιας κεφαλής ορίστηκε στα 10 mm/min. Τρία δείγματα ελέγχθηκαν για κάθε δείγμα και η μέση και η τυπική απόκλιση υπολογίστηκαν από τα αποτελέσματα. Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε στις μηχανικές ιδιότητες συμπίεσης των αφρών υδρογέλης αλγινικού οξέος, καθώς ο πνευμονικός ιστός υπόκειται σε συμπιεστικές δυνάμεις σε ένα συγκεκριμένο στάδιο του αναπνευστικού κύκλου. Η εκτασιμότητα είναι φυσικά κρίσιμη, ειδικά για να αντικατοπτρίζει την πλήρη δυναμική συμπεριφορά του πνευμονικού ιστού και αυτό θα διερευνηθεί σε μελλοντικές μελέτες.
Τα παρασκευασμένα δείγματα αφρού υδρογέλης σαρώθηκαν σε έναν αξονικό τομογράφο διπλού καναλιού Siemens SOMATOM Drive. Οι παράμετροι σάρωσης ορίστηκαν ως εξής: 40 mAs, 120 kVp και πάχος τομής 1 mm. Τα προκύπτοντα αρχεία DICOM αναλύθηκαν χρησιμοποιώντας το λογισμικό MicroDicom DICOM Viewer για την ανάλυση των τιμών HU 5 διατομών κάθε δείγματος. Οι τιμές HU που ελήφθησαν με CT συγκρίθηκαν με θεωρητικούς υπολογισμούς που βασίζονται στα δεδομένα πυκνότητας των δειγμάτων.
Στόχος της παρούσας μελέτης είναι να φέρει επανάσταση στην κατασκευή μεμονωμένων μοντέλων οργάνων και τεχνητών βιολογικών ιστών μέσω της κατασκευής μαλακών υλικών. Η ανάπτυξη υλικών με μηχανικές και ακτινολογικές ιδιότητες που ταιριάζουν με τους μηχανισμούς λειτουργίας των ανθρώπινων πνευμόνων είναι σημαντική για στοχευμένες εφαρμογές όπως η βελτίωση της ιατρικής εκπαίδευσης, ο χειρουργικός σχεδιασμός και ο σχεδιασμός ακτινοθεραπείας. Στο Σχήμα 1Α, απεικονίσαμε την απόκλιση μεταξύ των μηχανικών και ακτινολογικών ιδιοτήτων των μαλακών υλικών που πιθανολογείται ότι χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μοντέλων ανθρώπινων πνευμόνων. Μέχρι σήμερα, έχουν αναπτυχθεί υλικά που εμφανίζουν τις επιθυμητές ακτινολογικές ιδιότητες, αλλά οι μηχανικές τους ιδιότητες δεν πληρούν τις επιθυμητές απαιτήσεις. Ο αφρός πολυουρεθάνης και το καουτσούκ είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά για την κατασκευή παραμορφώσιμων μοντέλων ανθρώπινων πνευμόνων. Οι μηχανικές ιδιότητες του αφρού πολυουρεθάνης (μέτρο ελαστικότητας Young, YM) είναι συνήθως 10 έως 100 φορές μεγαλύτερες από εκείνες του φυσιολογικού ανθρώπινου πνευμονικού ιστού. Τα υλικά που εμφανίζουν τόσο τις επιθυμητές μηχανικές όσο και τις ακτινολογικές ιδιότητες δεν είναι ακόμη γνωστά.
(Α) Σχηματική αναπαράσταση των ιδιοτήτων διαφόρων μαλακών υλικών και σύγκριση με τον ανθρώπινο πνεύμονα όσον αφορά την πυκνότητα, το μέτρο ελαστικότητας Young και τις ακτινολογικές ιδιότητες (σε HU). (Β) Διάγραμμα περίθλασης ακτίνων Χ υδρογέλης αλγινικού \(\:\mu\:/\rho\:\) με συγκέντρωση 5% και μοριακή αναλογία Ca2+:-COOH 0,18. (Γ) Εύρος αναλογιών όγκου αέρα σε αφρούς υδρογέλης. (Δ) Σχηματική αναπαράσταση αφρών υδρογέλης αλγινικού με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα.
Η στοιχειακή σύνθεση των υδρογελών αλγινικού οξέος με συγκέντρωση 5% και μοριακή αναλογία Ca2+:-COOH 0,18 υπολογίστηκε και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον Πίνακα 3. Σύμφωνα με τον κανόνα πρόσθεσης στον προηγούμενο τύπο (5), ο συντελεστής εξασθένησης μάζας της υδρογελής αλγινικού οξέος \(\:\:\mu\:/\rho\:\) λαμβάνεται όπως φαίνεται στο Σχήμα 1Β.
Οι τιμές \(\:\mu\:/\rho\:\) για τον αέρα και το νερό ελήφθησαν απευθείας από τη βάση δεδομένων αναφοράς προτύπων NIST 12612. Έτσι, το Σχήμα 1C δείχνει τις υπολογισμένες αναλογίες όγκου αέρα σε αφρούς υδρογέλης με ισοδύναμες τιμές HU μεταξύ -600 και -700 για τον ανθρώπινο πνεύμονα. Η θεωρητικά υπολογισμένη αναλογία όγκου αέρα είναι σταθερή εντός 60-70% στο ενεργειακό εύρος από 1 × 10−3 έως 2 × 101 MeV, υποδεικνύοντας καλές δυνατότητες για την εφαρμογή αφρού υδρογέλης σε διαδικασίες παραγωγής κατάντη.
Το Σχήμα 1D δείχνει το παρασκευασμένο δείγμα αφρού υδρογέλης αλγινικού οξέος. Όλα τα δείγματα κόπηκαν σε κύβους με μήκος ακμής 12,7 mm. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σχηματίστηκε ένας ομοιογενής, τρισδιάστατα σταθερός αφρός υδρογέλης. Ανεξάρτητα από την αναλογία όγκου αέρα, δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στην εμφάνιση των αφρών υδρογέλης. Η αυτοσυντηρούμενη φύση του αφρού υδρογέλης υποδηλώνει ότι το δίκτυο που σχηματίζεται μέσα στην υδρογέλη είναι αρκετά ισχυρό για να υποστηρίξει το βάρος του ίδιου του αφρού. Εκτός από μια μικρή ποσότητα διαρροής νερού από τον αφρό, ο αφρός επέδειξε επίσης παροδική σταθερότητα για αρκετές εβδομάδες.
Μετρώντας τη μάζα και τον όγκο του δείγματος αφρού, υπολογίστηκε η πυκνότητα του παρασκευασμένου αφρού υδρογέλης \(\:\rho\:\) και τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον Πίνακα 4. Τα αποτελέσματα δείχνουν την εξάρτηση του \(\:\rho\:\) από την αναλογία όγκου του αέρα. Όταν αναμειγνύεται αρκετός αέρας με 50 ml του δείγματος, η πυκνότητα γίνεται η χαμηλότερη και είναι 0,482 g/cm3. Καθώς μειώνεται η ποσότητα του αναμεμειγμένου αέρα, η πυκνότητα αυξάνεται στα 0,685 g/cm3. Η μέγιστη τιμή p μεταξύ των ομάδων των 50 ml, 100 ml και 110 ml ήταν 0,004 < 0,05, υποδεικνύοντας τη στατιστική σημαντικότητα των αποτελεσμάτων.
Η θεωρητική τιμή \(\:\rho\:\) υπολογίζεται επίσης χρησιμοποιώντας την ελεγχόμενη αναλογία όγκου αέρα. Τα μετρούμενα αποτελέσματα δείχνουν ότι η \(\:\rho\:\) είναι 0,1 g/cm³ μικρότερη από τη θεωρητική τιμή. Αυτή η διαφορά μπορεί να εξηγηθεί από την εσωτερική τάση που δημιουργείται στην υδρογέλη κατά τη διαδικασία ζελατινοποίησης, η οποία προκαλεί διόγκωση και έτσι οδηγεί σε μείωση της \(\:\rho\:\). Αυτό επιβεβαιώθηκε περαιτέρω από την παρατήρηση ορισμένων κενών μέσα στον αφρό υδρογέλης στις εικόνες CT που φαίνονται στο Σχήμα 2 (A, B και C).
Εικόνες οπτικής μικροσκοπίας αφρών υδρογέλης με διαφορετική περιεκτικότητα σε όγκο αέρα (A) 50, (B) 100 και (C) 110. Αριθμός κυττάρων και κατανομή μεγέθους πόρων σε δείγματα αφρού υδρογέλης αλγινικού οξέος (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Το Σχήμα 3 (A, B, C) δείχνει τις εικόνες οπτικού μικροσκοπίου των δειγμάτων αφρού υδρογέλης με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την οπτική δομή του αφρού υδρογέλης, δείχνοντας σαφώς τις εικόνες πόρων με διαφορετικές διαμέτρους. Η κατανομή του αριθμού και της διαμέτρου των πόρων υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το ImageJ. Λήφθηκαν έξι εικόνες για κάθε δείγμα, κάθε εικόνα είχε μέγεθος 1125,27 μm × 843,96 μm και η συνολική αναλυθείσα περιοχή για κάθε δείγμα ήταν 5,7 mm².
(Α) Συμπεριφορά θλιπτικής τάσης-παραμόρφωσης αφρών υδρογέλης αλγινικού οξέος με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα. (Β) Εκθετική προσαρμογή. (Γ) Συμπίεση E0 αφρών υδρογέλης με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα. (Δ) Μέγιστη θλιπτική τάση και παραμόρφωση αφρών υδρογέλης αλγινικού οξέος με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα.
Το Σχήμα 3 (D, E, F) δείχνει ότι η κατανομή του μεγέθους των πόρων είναι σχετικά ομοιόμορφη, κυμαινόμενη από δεκάδες μικρόμετρα έως περίπου 500 μικρόμετρα. Το μέγεθος των πόρων είναι βασικά ομοιόμορφο και μειώνεται ελαφρώς καθώς μειώνεται ο όγκος του αέρα. Σύμφωνα με τα δεδομένα δοκιμών, το μέσο μέγεθος πόρων του δείγματος των 50 ml είναι 192,16 μm, η διάμεση τιμή είναι 184,51 μm και ο αριθμός των πόρων ανά μονάδα επιφάνειας είναι 103. Το μέσο μέγεθος πόρων του δείγματος των 100 ml είναι 156,62 μm, η διάμεση τιμή είναι 151,07 μm και ο αριθμός των πόρων ανά μονάδα επιφάνειας είναι 109. Οι αντίστοιχες τιμές του δείγματος των 110 ml είναι 163,07 μm, 150,29 μm και 115, αντίστοιχα. Τα δεδομένα δείχνουν ότι οι μεγαλύτεροι πόροι έχουν μεγαλύτερη επίδραση στα στατιστικά αποτελέσματα του μέσου μεγέθους πόρων και το διάμεσο μέγεθος πόρων μπορεί να αντικατοπτρίζει καλύτερα την τάση αλλαγής του μεγέθους των πόρων. Καθώς ο όγκος του δείγματος αυξάνεται από 50 ml σε 110 ml, αυξάνεται και ο αριθμός των πόρων. Συνδυάζοντας τα στατιστικά αποτελέσματα της μέσης διαμέτρου των πόρων και του αριθμού των πόρων, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι με την αύξηση του όγκου, σχηματίζονται περισσότεροι πόροι μικρότερου μεγέθους μέσα στο δείγμα.
Τα δεδομένα μηχανικών δοκιμών παρουσιάζονται στα Σχήματα 4Α και 4Δ. Το Σχήμα 4Α δείχνει τη συμπεριφορά θλιπτικής τάσης-παραμόρφωσης των παρασκευασμένων αφρών υδρογέλης με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όλα τα δείγματα έχουν παρόμοια μη γραμμική συμπεριφορά τάσης-παραμόρφωσης. Για κάθε δείγμα, η τάση αυξάνεται ταχύτερα με την αύξηση της παραμόρφωσης. Προσαρμόστηκε μια εκθετική καμπύλη στη συμπεριφορά θλιπτικής τάσης-παραμόρφωσης του αφρού υδρογέλης. Το Σχήμα 4Β δείχνει τα αποτελέσματα μετά την εφαρμογή της εκθετικής συνάρτησης ως προσεγγιστικού μοντέλου στον αφρό υδρογέλης.
Για τους αφρούς υδρογέλης με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα, μελετήθηκε επίσης το μέτρο συμπίεσης (E0). Όπως και με την ανάλυση των υδρογελών, το μέτρο συμπίεσης Young διερευνήθηκε στο εύρος της αρχικής παραμόρφωσης 20%. Τα αποτελέσματα των δοκιμών συμπίεσης φαίνονται στο Σχήμα 4C. Τα αποτελέσματα στο Σχήμα 4C δείχνουν ότι καθώς η αναλογία όγκου αέρα μειώνεται από το δείγμα 50 στο δείγμα 110, το μέτρο συμπίεσης Young E0 του αφρού υδρογέλης αλγινικού αυξάνεται από 10,86 kPa σε 18 kPa.
Ομοίως, ελήφθησαν οι πλήρεις καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης των αφρών υδρογέλης, καθώς και οι οριακές τιμές θλιπτικής τάσης και παραμόρφωσης. Το Σχήμα 4D δείχνει την οριακή θλιπτική τάση και παραμόρφωση των αφρών υδρογέλης αλγινικού. Κάθε σημείο δεδομένων είναι ο μέσος όρος τριών αποτελεσμάτων δοκιμών. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η οριακή θλιπτική τάση αυξάνεται από 9,84 kPa σε 17,58 kPa με τη μείωση της περιεκτικότητας σε αέριο. Η οριακή παραμόρφωση παραμένει σταθερή σε περίπου 38%.
Το Σχήμα 2 (A, B και C) δείχνει τις εικόνες CT αφρών υδρογέλης με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα που αντιστοιχούν στα δείγματα 50, 100 και 110, αντίστοιχα. Οι εικόνες δείχνουν ότι ο σχηματισμένος αφρός υδρογέλης είναι σχεδόν ομοιογενής. Ένας μικρός αριθμός κενών παρατηρήθηκε στα δείγματα 100 και 110. Ο σχηματισμός αυτών των κενών μπορεί να οφείλεται στην εσωτερική τάση που δημιουργείται στην υδρογέλη κατά τη διαδικασία ζελατινοποίησης. Υπολογίσαμε τις τιμές HU για 5 διατομές κάθε δείγματος και τις παραθέσαμε στον Πίνακα 5 μαζί με τα αντίστοιχα θεωρητικά αποτελέσματα υπολογισμού.
Ο Πίνακας 5 δείχνει ότι τα δείγματα με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα έλαβαν διαφορετικές τιμές HU. Η μέγιστη τιμή p μεταξύ των ομάδων των 50 ml, 100 ml και 110 ml ήταν 0,004 < 0,05, υποδεικνύοντας τη στατιστική σημαντικότητα των αποτελεσμάτων. Μεταξύ των τριών δειγμάτων που εξετάστηκαν, το δείγμα με μείγμα 50 ml είχε τις ακτινολογικές ιδιότητες που πλησιάζουν περισσότερο σε εκείνες των ανθρώπινων πνευμόνων. Η τελευταία στήλη του Πίνακα 5 είναι το αποτέλεσμα που ελήφθη με θεωρητικό υπολογισμό με βάση τη μετρούμενη τιμή αφρού \(\:\rho\:\). Συγκρίνοντας τα μετρούμενα δεδομένα με τα θεωρητικά αποτελέσματα, διαπιστώνεται ότι οι τιμές HU που ελήφθησαν με αξονική τομογραφία είναι γενικά κοντά στα θεωρητικά αποτελέσματα, γεγονός που με τη σειρά του επιβεβαιώνει τα αποτελέσματα υπολογισμού της αναλογίας όγκου αέρα στο Σχήμα 1C.
Ο κύριος στόχος της παρούσας μελέτης είναι η δημιουργία ενός υλικού με μηχανικές και ακτινολογικές ιδιότητες συγκρίσιμες με εκείνες των ανθρώπινων πνευμόνων. Αυτός ο στόχος επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη ενός υλικού με βάση την υδρογέλη με προσαρμοσμένες μηχανικές και ακτινολογικές ιδιότητες ισοδύναμες με αυτές των ανθρώπινων πνευμόνων, οι οποίες είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά σε εκείνες των ανθρώπινων πνευμόνων. Με βάση θεωρητικούς υπολογισμούς, παρασκευάστηκαν αφροί υδρογέλης με διαφορετικές αναλογίες όγκου αέρα με μηχανική ανάμειξη διαλύματος αλγινικού νατρίου, CaCO3, GDL και SLES 70. Η μορφολογική ανάλυση έδειξε ότι σχηματίστηκε ένας ομοιογενής τρισδιάστατος σταθερός αφρός υδρογέλης. Αλλάζοντας την αναλογία όγκου αέρα, η πυκνότητα και το πορώδες του αφρού μπορούν να μεταβληθούν κατά βούληση. Με την αύξηση της περιεκτικότητας σε όγκο αέρα, το μέγεθος των πόρων μειώνεται ελαφρώς και ο αριθμός των πόρων αυξάνεται. Διεξήχθησαν δοκιμές συμπίεσης για την ανάλυση των μηχανικών ιδιοτήτων των αφρών υδρογέλης αλγινικού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το μέτρο συμπίεσης (E0) που ελήφθη από τις δοκιμές συμπίεσης βρίσκεται στο ιδανικό εύρος για τους ανθρώπινους πνεύμονες. Το E0 αυξάνεται καθώς μειώνεται η αναλογία όγκου αέρα. Οι τιμές των ακτινολογικών ιδιοτήτων (HU) των παρασκευασμένων δειγμάτων ελήφθησαν με βάση τα δεδομένα CT των δειγμάτων και συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα των θεωρητικών υπολογισμών. Τα αποτελέσματα ήταν ευνοϊκά. Η μετρούμενη τιμή είναι επίσης κοντά στην τιμή HU των ανθρώπινων πνευμόνων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι είναι δυνατή η δημιουργία αφρών υδρογέλης που μιμούνται τους ιστούς με έναν ιδανικό συνδυασμό μηχανικών και ακτινολογικών ιδιοτήτων που μιμούνται τις ιδιότητες των ανθρώπινων πνευμόνων.
Παρά τα πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, οι τρέχουσες μέθοδοι κατασκευής πρέπει να βελτιωθούν για να ελέγχουν καλύτερα την αναλογία όγκου αέρα και την πορώδη υφή, ώστε να αντιστοιχούν στις προβλέψεις από θεωρητικούς υπολογισμούς και πραγματικούς ανθρώπινους πνεύμονες τόσο σε παγκόσμια όσο και σε τοπική κλίμακα. Η τρέχουσα μελέτη περιορίζεται επίσης στη δοκιμή της μηχανικής συμπίεσης, γεγονός που περιορίζει την πιθανή εφαρμογή του ομοιώματος στη φάση συμπίεσης του αναπνευστικού κύκλου. Η μελλοντική έρευνα θα ωφεληθεί από τη διερεύνηση των δοκιμών εφελκυσμού, καθώς και της συνολικής μηχανικής σταθερότητας του υλικού, για την αξιολόγηση πιθανών εφαρμογών υπό συνθήκες δυναμικής φόρτισης. Παρά τους περιορισμούς αυτούς, η μελέτη σηματοδοτεί την πρώτη επιτυχημένη προσπάθεια συνδυασμού ακτινολογικών και μηχανικών ιδιοτήτων σε ένα μόνο υλικό που μιμείται τον ανθρώπινο πνεύμονα.
Τα σύνολα δεδομένων που δημιουργήθηκαν ή/και αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια της τρέχουσας μελέτης είναι διαθέσιμα από τον αντίστοιχο συγγραφέα κατόπιν εύλογου αιτήματος. Τόσο τα πειράματα όσο και τα σύνολα δεδομένων είναι αναπαραγώγιμα.
Song, G., et al. Νέες νανοτεχνολογίες και προηγμένα υλικά για την ακτινοθεραπεία του καρκίνου. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Έκθεση της Ομάδας Εργασίας AAPM 76a για τη Διαχείριση της Αναπνευστικής Κίνησης στην Ακτινοθεραπευτική Ογκολογία. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., και Brock, KK Μοντελοποίηση της διεπαφής και των μη γραμμικών στοιχείων στον ανθρώπινο πνεύμονα. Φυσική και Ιατρική και Βιολογία 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Μοντέλο καρκίνου του πνεύμονα που μοιάζει με όγκο και δημιουργήθηκε με τρισδιάστατη βιοεκτύπωση. 3. Βιοτεχνολογία. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Μοντελοποίηση παραμόρφωσης πνεύμονα: μια μέθοδος που συνδυάζει τεχνικές καταγραφής παραμορφώσιμης εικόνας και χωρικά μεταβαλλόμενη εκτίμηση του μέτρου ελαστικότητας του Young. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Δυσκαμψία ζωντανού ιστού και οι επιπτώσεις της στη μηχανική ιστών. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).