Tack för att du besöker nature.com. Webbläsarversionen du använder har begränsat CSS-stöd. För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder den senaste webbläsarversionen (eller att du stänger av kompatibilitetsläget i Internet Explorer). För att säkerställa fortsatt stöd kommer den här webbplatsen dessutom inte att innehålla stilar eller JavaScript.
Rörelse av organ och vävnader kan leda till fel i positioneringen av röntgenstrålar under strålbehandling. Därför behövs material med vävnadsekvivalenta mekaniska och radiologiska egenskaper för att efterlikna organrörelser för optimering av strålbehandling. Utvecklingen av sådana material är dock fortfarande en utmaning. Alginathydrogeler har egenskaper som liknar de hos den extracellulära matrisen, vilket gör dem lovande som vävnadsekvivalenta material. I denna studie syntetiserades alginathydrogelskum med önskade mekaniska och radiologiska egenskaper genom in situ Ca2+-frisättning. Luft-till-volym-förhållandet kontrollerades noggrant för att erhålla hydrogelskum med definierade mekaniska och radiologiska egenskaper. Materialens makro- och mikromorfologi karakteriserades, och hydrogelskummens beteende under kompression studerades. De radiologiska egenskaperna uppskattades teoretiskt och verifierades experimentellt med hjälp av datortomografi. Denna studie belyser den framtida utvecklingen av vävnadsekvivalenta material som kan användas för stråldosoptimering och kvalitetskontroll under strålbehandling.
Strålbehandling är en vanlig behandling för cancer1. Förflyttning av organ och vävnader leder ofta till fel i placeringen av röntgenstrålar under strålbehandling2, vilket kan resultera i underbehandling av tumören och överexponering av omgivande friska celler för onödig strålning. Förmågan att förutsäga organs och vävnaders rörelse är avgörande för att minimera tumörlokaliseringsfel. Denna studie fokuserade på lungorna, eftersom de genomgår betydande deformationer och rörelser när patienter andas under strålbehandling. Olika finita elementmodeller har utvecklats och tillämpats för att simulera rörelsen hos mänskliga lungor3,4,5. Mänskliga organ och vävnader har dock komplexa geometrier och är mycket patientberoende. Därför är material med vävnadsekvivalenta egenskaper mycket användbara för att utveckla fysikaliska modeller för att validera teoretiska modeller, underlätta förbättrad medicinsk behandling och för medicinska utbildningsändamål.
Utvecklingen av mjukvävnadsliknande material för att uppnå komplexa externa och interna strukturgeometrier har väckt stor uppmärksamhet eftersom deras inneboende mekaniska inkonsekvenser kan leda till misslyckanden i målapplikationer6,7. Modellering av lungvävnadens komplexa biomekanik, som kombinerar extrem mjukhet, elasticitet och strukturell porositet, utgör en betydande utmaning vid utveckling av modeller som korrekt reproducerar den mänskliga lungan. Integreringen och matchningen av mekaniska och radiologiska egenskaper är avgörande för effektiv prestanda hos lungmodeller i terapeutiska interventioner. Additiv tillverkning har visat sig vara effektiv vid utveckling av patientspecifika modeller, vilket möjliggör snabb prototypframställning av komplexa designer. Shin et al.8 utvecklade en reproducerbar, deformerbar lungmodell med 3D-printade luftvägar. Haselaar et al.9 utvecklade en fantombild som är mycket lik verkliga patienter för bildkvalitetsbedömning och positionsverifieringsmetoder för strålbehandling. Hong et al10 utvecklade en CT-modell av bröstkorgen med hjälp av 3D-printing och silikongjutningsteknik för att reproducera CT-intensiteten hos olika lunglesioner för att utvärdera kvantifieringens noggrannhet. Dessa prototyper är dock ofta tillverkade av material vars effektiva egenskaper skiljer sig mycket från lungvävnadens.
För närvarande är de flesta lungfantom tillverkade av silikon eller polyuretanskum, vilket inte matchar de mekaniska och radiologiska egenskaperna hos verkligt lungparenkym.12,13 Alginathydrogeler är biokompatibla och har använts i stor utsträckning inom vävnadsteknik på grund av deras avstämbara mekaniska egenskaper.14 Att reproducera den ultramjuka, skumliknande konsistensen som krävs för ett lungfantom som exakt efterliknar lungvävnadens elasticitet och fyllnadsstruktur är dock fortfarande en experimentell utmaning.
I denna studie antogs det att lungvävnaden är ett homogent elastiskt material. Densiteten hos mänsklig lungvävnad (\(\:\rho\:\)) rapporteras vara 1,06 g/cm3, och densiteten hos den uppblåsta lungan är 0,26 g/cm315. Ett brett spektrum av Youngs modul (MY)-värden för lungvävnad har erhållits med hjälp av olika experimentella metoder. Lai-Fook et al. 16 mätte YM hos mänsklig lunga med enhetlig uppblåsning till 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 använde magnetisk resonanselastografi och rapporterade en YM på 2,17 kPa. Liu et al. 18 rapporterade en direkt uppmätt YM på 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 uppskattade YM till 0,1–2,7 kPa baserat på 4D CT-data erhållna från utvalda patienter.
För lungans radiologiska egenskaper används flera parametrar för att beskriva lungvävnadens interaktionsbeteende med röntgenstrålar, inklusive elementarsammansättning, elektrondensitet (\(\:{\rho\:}_{e}\)), effektivt atomnummer (\(\:{Z}_{eff}\)), genomsnittlig excitationsenergi (\(\:I\)), massdämpningskoefficient (\(\:\:\:/\rho\:\)) och Hounsfield-enheten (HU), som är direkt relaterad till \(\:\:\:/\rho\:\).
Elektrondensiteten \(\:{\rho\:}_{e}\) definieras som antalet elektroner per volymenhet och beräknas enligt följande:
där \(\:\rho\:\) är materialets densitet i g/cm3, \(\:{N}_{A}\) är Avogadros konstant, \(\:{w}_{i}\) är massfraktionen, \(\:{Z}_{i}\) är atomnumret och \(\:{A}_{i}\) är atomvikten för det i:te elementet.
Atomnumret är direkt relaterat till typen av strålningsinteraktion inom materialet. För föreningar och blandningar som innehåller flera element (t.ex. tyger) måste det effektiva atomnumret \(\:{Z}_{eff}\) beräknas. Formeln föreslogs av Murthy et al. 20:
Den genomsnittliga excitationsenergin \(\:I\) beskriver hur lätt målmaterialet absorberar den kinetiska energin från de penetrerande partiklarna. Den beskriver endast målmaterialets egenskaper och har ingenting att göra med partiklarnas egenskaper. \(\:I\) kan beräknas genom att tillämpa Braggs additivitetsregel:
Massdämpningskoefficienten _(_:\mu\:/_rho\:\) beskriver penetrationen och energifrigöringen av fotoner i målmaterialet. Den kan beräknas med följande formel:
Där \(\:x\) är materialets tjocklek, \(\:{I}_{0}\) är den infallande ljusintensiteten och \(\:I\) är fotonintensiteten efter penetration in i materialet. \(\:\mu\:/\rho\:\) data kan erhållas direkt från NIST 12621 Standards Reference Database. \(\:\:\:\:/\rho\:\) värden för blandningar och föreningar kan härledas med hjälp av additivitetsregeln enligt följande:
HU är en standardiserad dimensionslös måttenhet för radiodensitet vid tolkning av datortomografidata (CT), vilken linjärt transformeras från den uppmätta dämpningskoefficienten \(\:\mu\:\). Den definieras som:
där \(\:{\mu\:}_{water}\) är dämpningskoefficienten för vatten och \(\:{\mu\:}_{air}\) är dämpningskoefficienten för luft. Därför ser vi från formel (6) att HU-värdet för vatten är 0 och HU-värdet för luft är -1000. HU-värdet för mänskliga lungor varierar från -600 till -70022.
Flera vävnadsekvivalenta material har utvecklats. Griffith et al. 23 utvecklade en vävnadsekvivalentmodell av den mänskliga torsoen tillverkad av polyuretan (PU) till vilken olika koncentrationer av kalciumkarbonat (CaCO3) tillsattes för att simulera de linjära dämpningskoefficienterna för olika mänskliga organ, inklusive den mänskliga lungan, och modellen fick namnet Griffith. Taylor24 presenterade en andra lungvävnadsekvivalentmodell utvecklad av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), kallad LLLL1. Traub et al.25 utvecklade ett nytt lungvävnadsersättningsmedel med Foamex XRS-272 innehållande 5,25 % CaCO3 som prestationshöjande medel, vilket fick namnet ALT2. Tabell 1 och 2 visar en jämförelse av \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) och massdämpningskoefficienterna för den mänskliga lungan (ICRU-44) och ovanstående vävnadsekvivalentmodeller.
Trots de utmärkta radiologiska egenskaper som uppnåtts är nästan alla fantommaterial tillverkade av polystyrenskum, vilket innebär att de mekaniska egenskaperna hos dessa material inte kan närma sig de hos mänskliga lungor. Elasticitetsmodulen (YM) för polyuretanskum är cirka 500 kPa, vilket är långt ifrån idealiskt jämfört med normala mänskliga lungor (cirka 5-10 kPa). Därför är det nödvändigt att utveckla ett nytt material som kan uppfylla de mekaniska och radiologiska egenskaperna hos riktiga mänskliga lungor.
Hydrogeler används ofta inom vävnadsteknik. Dess struktur och egenskaper liknar den extracellulära matrisen (ECM) och är lätta att justera. I denna studie valdes ren natriumalginat som biomaterial för framställning av skum. Alginathydrogeler är biokompatibla och används ofta inom vävnadsteknik på grund av deras justerbara mekaniska egenskaper. Elementarsammansättningen av natriumalginat (C6H7NaO6)n och närvaron av Ca2+ gör att dess radiologiska egenskaper kan justeras efter behov. Denna kombination av justerbara mekaniska och radiologiska egenskaper gör alginathydrogeler idealiska för vår studie. Naturligtvis har alginathydrogeler också begränsningar, särskilt när det gäller långsiktig stabilitet under simulerade andningscykler. Därför behövs och förväntas ytterligare förbättringar i framtida studier för att ta itu med dessa begränsningar.
I detta arbete utvecklade vi ett alginathydrogelskummaterial med kontrollerbara rho-värden, elasticitet och radiologiska egenskaper liknande de hos mänsklig lungvävnad. Denna studie kommer att ge en generell lösning för att tillverka vävnadsliknande fantomer med avstämbara elastiska och radiologiska egenskaper. Materialegenskaperna kan enkelt anpassas till vilken mänsklig vävnad och organ som helst.
Målförhållandet mellan luft och volym för hydrogelskummet beräknades baserat på HU-intervallet för mänskliga lungor (-600 till -700). Det antogs att skummet var en enkel blandning av luft och syntetisk alginathydrogel. Med hjälp av en enkel additionsregel för individuella element \(\:\mu\:/\rho\:\) kunde volymfraktionen av luft och volymförhållandet för den syntetiserade alginathydrogelen beräknas.
Alginathydrogelskum framställdes med natriumalginat (artikelnummer W201502), CaCO3 (artikelnummer 795445, molekylvikt: 100,09) och GDL (artikelnummer G4750, molekylvikt: 178,14) inköpta från Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70 % natriumlauryletersulfat (SLES 70) köptes från Renowned Trading LLC. Avjoniserat vatten användes i skumframställningsprocessen. Natriumalginat löstes i avjoniserat vatten vid rumstemperatur under konstant omrörning (600 rpm) tills en homogen gul genomskinlig lösning erhölls. CaCO3 i kombination med GDL användes som en Ca2+-källa för att initiera gelbildning. SLES 70 användes som ett ytaktivt ämne för att bilda en porös struktur inuti hydrogelen. Alginatkoncentrationen hölls vid 5 % och molförhållandet Ca2+:-COOH hölls vid 0,18. Molförhållandet CaCO3:GDL hölls också vid 0,5 under skumframställningen för att bibehålla ett neutralt pH. Värdet är 26. 2 volymprocent SLES 70 tillsattes till alla prover. En bägare med lock användes för att kontrollera blandningsförhållandet mellan lösning och luft. Bägarens totala volym var 140 ml. Baserat på de teoretiska beräkningsresultaten tillsattes olika volymer av blandningen (50 ml, 100 ml, 110 ml) till bägaren för att blandas med luft. Provet innehållande 50 ml av blandningen utformades för att blandas med tillräckligt med luft, medan luftvolymförhållandet i de andra två proverna kontrollerades. Först tillsattes SLES 70 till alginatlösningen och omrördes med en elektrisk omrörare tills den var helt blandad. Därefter tillsattes CaCO3-suspensionen till blandningen och omrördes kontinuerligt tills blandningen var helt blandad, då dess färg ändrades till vit. Slutligen tillsattes GDL-lösningen till blandningen för att initiera gelbildning, och mekanisk omrörning upprätthölls under hela processen. För provet som innehöll 50 ml av blandningen avbröts den mekaniska omrörningen när blandningens volym slutade förändras. För proverna som innehöll 100 ml och 110 ml av blandningen avbröts den mekaniska omrörningen när blandningen fyllde bägaren. Vi försökte också framställa hydrogelskum med en volym mellan 50 ml och 100 ml. Emellertid observerades strukturell instabilitet hos skummet, eftersom det fluktuerade mellan tillståndet med fullständig luftblandning och tillståndet med luftvolymkontroll, vilket resulterade i inkonsekvent volymkontroll. Denna instabilitet introducerade osäkerhet i beräkningarna, och därför inkluderades inte detta volymintervall i denna studie.
Densiteten \(\:\rho\:\) för ett hydrogelskum beräknas genom att mäta massan \(\:m\) och volymen \(\:V\) av ett hydrogelskumprov.
Optiska mikroskopbilder av hydrogelskum erhölls med en Zeiss Axio Observer A1-kamera. ImageJ-programvara användes för att beräkna antalet och storleksfördelningen av porer i ett prov i ett visst område baserat på de erhållna bilderna. Porformen antas vara cirkulär.
För att studera de mekaniska egenskaperna hos alginathydrogelskum utfördes enaxiella kompressionstester med en TESTRESOURCES 100-seriemaskin. Proverna skars i rektangulära block och blockdimensionerna mättes för att beräkna spänningar och töjningar. Tvärhuvudets hastighet ställdes in på 10 mm/min. Tre prover testades för varje prov och medelvärdet och standardavvikelsen beräknades från resultaten. Denna studie fokuserade på de mekaniska kompressionsegenskaperna hos alginathydrogelskum eftersom lungvävnaden utsätts för kompressionskrafter i ett visst skede av andningscykeln. Töjbarheten är naturligtvis avgörande, särskilt för att återspegla lungvävnadens fulla dynamiska beteende och detta kommer att undersökas i framtida studier.
De framställda hydrogelskumproverna skannades på en Siemens SOMATOM Drive dubbelkanalig CT-skanner. Skanningsparametrarna ställdes in enligt följande: 40 mAs, 120 kVp och 1 mm skivtjocklek. De resulterande DICOM-filerna analyserades med hjälp av MicroDicom DICOM Viewer-programvaran för att analysera HU-värdena för 5 tvärsnitt av varje prov. De HU-värden som erhölls med CT jämfördes med teoretiska beräkningar baserade på provernas densitetsdata.
Syftet med denna studie är att revolutionera tillverkningen av individuella organmodeller och artificiella biologiska vävnader genom att konstruera mjuka material. Att utveckla material med mekaniska och radiologiska egenskaper som matchar arbetsmekaniken hos mänskliga lungor är viktigt för riktade tillämpningar som att förbättra medicinsk utbildning, kirurgisk planering och planering av strålbehandling. I figur 1A har vi ritat skillnaden mellan de mekaniska och radiologiska egenskaperna hos mjuka material som förmodligen används för att tillverka mänskliga lungmodeller. Hittills har material utvecklats som uppvisar de önskade radiologiska egenskaperna, men deras mekaniska egenskaper uppfyller inte de önskade kraven. Polyuretanskum och gummi är de mest använda materialen för att tillverka deformerbara mänskliga lungmodeller. De mekaniska egenskaperna hos polyuretanskum (Young's modul, YM) är vanligtvis 10 till 100 gånger större än de hos normal mänsklig lungvävnad. Material som uppvisar både de önskade mekaniska och radiologiska egenskaperna är ännu inte kända.
(A) Schematisk representation av egenskaperna hos olika mjuka material och jämförelse med mänsklig lunga med avseende på densitet, Youngs modul och radiologiska egenskaper (i HU). (B) Röntgendiffraktionsmönster av \(\:\mu\:/\rho\:\) alginathydrogel med en koncentration på 5% och ett Ca2+:-COOH-molförhållande på 0,18. (C) Intervall för luftvolymförhållanden i hydrogelskum. (D) Schematisk representation av alginathydrogelskum med olika luftvolymförhållanden.
Elementarsammansättningen av alginathydrogeler med en koncentration på 5 % och ett molärt Ca2+:-COOH-förhållande på 0,18 beräknades, och resultaten visas i tabell 3. Enligt additionsregeln i föregående formel (5) erhålls massförsvagningskoefficienten för alginathydrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) enligt figur 1B.
Värdena för luft och vatten erhölls direkt från NIST 12612-standardreferensdatabasen. Figur 1C visar således de beräknade luftvolymförhållandena i hydrogelskum med HU-ekvivalenta värden mellan -600 och -700 för den mänskliga lungan. Det teoretiskt beräknade luftvolymförhållandet är stabilt inom 60–70 % i energiområdet från 1 × 10⁻³ till 2 × 10¹ MeV, vilket indikerar god potential för tillämpning av hydrogelskum i nedströms tillverkningsprocesser.
Figur 1D visar det framställda provet av alginathydrogelskum. Alla prover skars i kuber med en kantlängd på 12,7 mm. Resultaten visade att ett homogent, tredimensionellt stabilt hydrogelskum bildades. Oavsett luftvolymförhållandet observerades inga signifikanta skillnader i hydrogelskummens utseende. Hydrogelskummets självbärande natur tyder på att nätverket som bildas inuti hydrogelen är tillräckligt starkt för att bära upp skummets vikt. Bortsett från en liten mängd vattenläckage från skummet uppvisade skummet också övergående stabilitet i flera veckor.
Genom att mäta massan och volymen av skumprovet beräknades densiteten hos det framställda hydrogelskummet, och resultaten visas i tabell 4. Resultaten visar beroendet av \(\:\rho\:\) på luftens volymförhållande. När tillräckligt med luft blandas med 50 ml av provet blir densiteten som lägst och är 0,482 g/cm3. När mängden blandad luft minskar ökar densiteten till 0,685 g/cm3. Det maximala p-värdet mellan grupperna 50 ml, 100 ml och 110 ml var 0,004 < 0,05, vilket indikerar resultatens statistiska signifikans.
Det teoretiska värdet \(\:\rho\:\) beräknas också med hjälp av det kontrollerade luftvolymförhållandet. De uppmätta resultaten visar att \(\:\rho\:\) är 0,1 g/cm³ mindre än det teoretiska värdet. Denna skillnad kan förklaras av den interna spänningen som genereras i hydrogelen under gelningsprocessen, vilket orsakar svullnad och därmed leder till en minskning av \(\:\rho\:\). Detta bekräftades ytterligare genom observationen av några springor inuti hydrogelskummet i CT-bilderna som visas i figur 2 (A, B och C).
Optiska mikroskopibilder av hydrogelskum med olika luftvolyminnehåll (A) 50, (B) 100 och (C) 110. Cellantal och porstorleksfördelning i alginathydrogelskumprover (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figur 3 (A, B, C) visar optiska mikroskopbilder av hydrogelskumproverna med olika luftvolymförhållanden. Resultaten visar hydrogelskummets optiska struktur och visar tydligt bilder av porer med olika diametrar. Fördelningen av porantal och diameter beräknades med hjälp av ImageJ. Sex bilder togs för varje prov, varje bild hade en storlek på 1125,27 μm × 843,96 μm, och den totala analyserade arean för varje prov var 5,7 mm².
(A) Tryckspännings-töjningsbeteende hos alginathydrogelskum med olika luftvolymförhållanden. (B) Exponentiell anpassning. (C) Kompressions-E0 hos hydrogelskum med olika luftvolymförhållanden. (D) Ultimat tryckspänning och töjning hos alginathydrogelskum med olika luftvolymförhållanden.
Figur 3 (D, E, F) visar att porstorleksfördelningen är relativt jämn och sträcker sig från tiotals mikrometer till cirka 500 mikrometer. Porstorleken är i princip jämn och minskar något när luftvolymen minskar. Enligt testdata är den genomsnittliga porstorleken för 50 ml-provet 192,16 μm, medianen är 184,51 μm och antalet porer per ytenhet är 103; den genomsnittliga porstorleken för 100 ml-provet är 156,62 μm, medianen är 151,07 μm och antalet porer per ytenhet är 109; motsvarande värden för 110 ml-provet är 163,07 μm, 150,29 μm respektive 115. Data visar att de större porerna har större inverkan på de statistiska resultaten av den genomsnittliga porstorleken, och medianporstorleken kan bättre återspegla förändringstrenden för porstorleken. Allt eftersom provvolymen ökar från 50 ml till 110 ml ökar även antalet porer. Genom att kombinera de statistiska resultaten av medianpordiameter och porantal kan man dra slutsatsen att med ökande volym bildas fler porer av mindre storlek inuti provet.
De mekaniska testdata visas i figur 4A och 4D. Figur 4A visar det trycksatta spännings-töjningsbeteendet hos de framställda hydrogelskummen med olika luftvolymförhållanden. Resultaten visar att alla prover har liknande ickelinjära spännings-töjningsbeteende. För varje prov ökar spänningen snabbare med ökande töjning. En exponentiell kurva anpassades till det trycksatta spännings-töjningsbeteendet hos hydrogelskummet. Figur 4B visar resultaten efter att den exponentiala funktionen tillämpats som en approximativ modell på hydrogelskummet.
För hydrogelskum med olika luftvolymförhållanden studerades även deras tryckmodul (E0). I likhet med analysen av hydrogelerna undersöktes den trycksatta Youngs modul i intervallet 20 % initial töjning. Resultaten av kompressionstesterna visas i figur 4C. Resultaten i figur 4C visar att när luftvolymförhållandet minskar från prov 50 till prov 110, ökar den trycksatta Youngs modul E0 för alginathydrogelskummet från 10,86 kPa till 18 kPa.
På liknande sätt erhölls de fullständiga spänning-töjningskurvorna för hydrogelskummen, såväl som de ultimata värdena för tryckspänning och töjning. Figur 4D visar den ultimata tryckspänningen och töjningen för alginathydrogelskummen. Varje datapunkt är medelvärdet av tre testresultat. Resultaten visar att den ultimata tryckspänningen ökar från 9,84 kPa till 17,58 kPa med minskande gashalt. Den ultimata töjningen förblir stabil vid cirka 38 %.
Figur 2 (A, B och C) visar CT-bilder av hydrogelskum med olika luftvolymförhållanden motsvarande proverna 50, 100 respektive 110. Bilderna visar att det bildade hydrogelskummet är nästan homogent. Ett litet antal mellanrum observerades i proverna 100 och 110. Bildandet av dessa mellanrum kan bero på den interna spänning som genereras i hydrogelen under gelningsprocessen. Vi beräknade HU-värdena för 5 tvärsnitt av varje prov och listade dem i tabell 5 tillsammans med motsvarande teoretiska beräkningsresultat.
Tabell 5 visar att proverna med olika luftvolymförhållanden erhöll olika HU-värden. Det maximala p-värdet mellan grupperna 50 ml, 100 ml och 110 ml var 0,004 < 0,05, vilket indikerar resultatens statistiska signifikans. Bland de tre testade proverna hade provet med 50 ml blandning de radiologiska egenskaper som låg närmast de hos mänskliga lungor. Den sista kolumnen i tabell 5 är resultatet som erhållits genom teoretisk beräkning baserad på det uppmätta skumvärdet \(\:\rho\:\). Genom att jämföra de uppmätta data med de teoretiska resultaten kan man konstatera att HU-värdena som erhållits genom datortomografi i allmänhet ligger nära de teoretiska resultaten, vilket i sin tur bekräftar resultaten av beräkningen av luftvolymförhållandena i figur 1C.
Huvudsyftet med denna studie är att skapa ett material med mekaniska och radiologiska egenskaper jämförbara med de hos mänskliga lungor. Detta mål uppnåddes genom att utveckla ett hydrogelbaserat material med skräddarsydda vävnadsekvivalenta mekaniska och radiologiska egenskaper som är så nära som möjligt de hos mänskliga lungor. Med vägledning av teoretiska beräkningar framställdes hydrogelskum med olika luftvolymförhållanden genom att mekaniskt blanda natriumalginatlösning, CaCO3, GDL och SLES 70. Morfologisk analys visade att ett homogent tredimensionellt stabilt hydrogelskum bildades. Genom att ändra luftvolymförhållandet kan skummets densitet och porositet varieras efter önskemål. Med ökningen av luftvolyminnehållet minskar porstorleken något och antalet porer ökar. Kompressionstester utfördes för att analysera de mekaniska egenskaperna hos alginathydrogelskummen. Resultaten visade att kompressionsmodulen (E0) som erhölls från kompressionstesterna ligger inom det ideala intervallet för mänskliga lungor. E0 ökar när luftvolymförhållandet minskar. Värdena för de radiologiska egenskaperna (HU) för de framställda proverna erhölls baserat på CT-data från proverna och jämfördes med resultaten av teoretiska beräkningar. Resultaten var gynnsamma. Det uppmätta värdet ligger också nära HU-värdet för mänskliga lungor. Resultaten visar att det är möjligt att skapa vävnadsimiterande hydrogelskum med en idealisk kombination av mekaniska och radiologiska egenskaper som imiterar egenskaperna hos mänskliga lungor.
Trots de lovande resultaten behöver de nuvarande tillverkningsmetoderna förbättras för att bättre kontrollera luftvolymsförhållandet och porositeten för att matcha förutsägelser från teoretiska beräkningar och verkliga mänskliga lungor på både global och lokal skala. Den aktuella studien är också begränsad till att testa kompressionsmekaniken, vilket begränsar fantomens potentiella tillämpning till kompressionsfasen av andningscykeln. Framtida forskning skulle dra nytta av att undersöka dragprovning samt materialets övergripande mekaniska stabilitet för att bedöma potentiella tillämpningar under dynamiska belastningsförhållanden. Trots dessa begränsningar markerar studien det första framgångsrika försöket att kombinera radiologiska och mekaniska egenskaper i ett enda material som efterliknar den mänskliga lungan.
De dataset som genererats och/eller analyserats under den aktuella studien är tillgängliga från respektive författare på rimlig begäran. Både experiment och dataset är reproducerbara.
Song, G., et al. Nya nanoteknologier och avancerade material för strålbehandling av cancer. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Rapport från AAPM 76a-arbetsgruppen om hantering av andningsrörelser inom strålbehandling. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., och Brock, KK Modellering av gränssnitts- och materialnonlineariteter i den mänskliga lungan. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumörliknande lungcancermodell genererad genom 3D-bioprinting. 3. Biotechnology. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modellering av lungdeformation: en metod som kombinerar deformerbara bildregistreringstekniker och rumsligt varierande uppskattning av Youngs modul. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Styvhet hos levande vävnad och dess konsekvenser för vävnadsteknik. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).