nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझर आवृत्तीला मर्यादित CSS सपोर्ट आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही नवीनतम ब्राउझर आवृत्ती वापरण्याची शिफारस करतो (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड बंद करा). याव्यतिरिक्त, सतत सपोर्ट सुनिश्चित करण्यासाठी, या साइटमध्ये शैली किंवा JavaScript समाविष्ट नसेल.
रेडिओथेरपी दरम्यान अवयव आणि ऊतींच्या हालचालींमुळे एक्स-रेच्या स्थितीत त्रुटी येऊ शकतात. म्हणून, रेडिओथेरपीच्या ऑप्टिमायझेशनसाठी अवयवांच्या हालचालींची नक्कल करण्यासाठी ऊती-समतुल्य यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेल्या पदार्थांची आवश्यकता असते. तथापि, अशा पदार्थांचा विकास हा एक आव्हान आहे. अल्जिनेट हायड्रोजेलमध्ये बाह्य पेशीय मॅट्रिक्ससारखे गुणधर्म असतात, ज्यामुळे ते ऊती-समतुल्य पदार्थ म्हणून आशादायक बनतात. या अभ्यासात, इच्छित यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम इन सिटू Ca2+ रिलीजद्वारे संश्लेषित केले गेले. परिभाषित यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांसह हायड्रोजेल फोम मिळविण्यासाठी एअर-टू-व्हॉल्यूम रेशो काळजीपूर्वक नियंत्रित केला गेला. पदार्थांचे मॅक्रो- आणि मायक्रोमॉर्फोलॉजी वैशिष्ट्यीकृत केले गेले आणि कॉम्प्रेशन अंतर्गत हायड्रोजेल फोमचे वर्तन अभ्यासले गेले. रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांचे सैद्धांतिकदृष्ट्या मूल्यांकन केले गेले आणि संगणकीय टोमोग्राफी वापरून प्रायोगिकरित्या सत्यापित केले गेले. हा अभ्यास रेडिओथेरपी दरम्यान रेडिएशन डोस ऑप्टिमायझेशन आणि गुणवत्ता नियंत्रणासाठी वापरल्या जाऊ शकणाऱ्या ऊती-समतुल्य पदार्थांच्या भविष्यातील विकासावर प्रकाश टाकतो.
रेडिएशन थेरपी ही कर्करोगासाठी एक सामान्य उपचार आहे1. रेडिएशन थेरपी दरम्यान अवयव आणि ऊतींच्या हालचालीमुळे अनेकदा एक्स-रेच्या स्थितीत त्रुटी निर्माण होतात2, ज्यामुळे ट्यूमरवर उपचार कमी होऊ शकतात आणि आसपासच्या निरोगी पेशी अनावश्यक रेडिएशनच्या अतिरेकी संपर्कात येऊ शकतात. ट्यूमर स्थानिकीकरण त्रुटी कमी करण्यासाठी अवयव आणि ऊतींच्या हालचालीचा अंदाज लावण्याची क्षमता महत्त्वाची आहे. हा अभ्यास फुफ्फुसांवर केंद्रित आहे, कारण रुग्ण रेडिएशन थेरपी दरम्यान श्वास घेत असताना त्यांच्यात लक्षणीय विकृती आणि हालचाल होतात. मानवी फुफ्फुसांच्या हालचालीचे अनुकरण करण्यासाठी विविध मर्यादित घटक मॉडेल विकसित केले गेले आहेत3,4,5. तथापि, मानवी अवयव आणि ऊतींमध्ये जटिल भूमिती असतात आणि ते रुग्णांवर अवलंबून असतात. म्हणून, सैद्धांतिक मॉडेल्स प्रमाणित करण्यासाठी, सुधारित वैद्यकीय उपचार सुलभ करण्यासाठी आणि वैद्यकीय शिक्षणाच्या उद्देशाने भौतिक मॉडेल्स विकसित करण्यासाठी ऊती-समतुल्य गुणधर्म असलेली सामग्री खूप उपयुक्त आहे.
जटिल बाह्य आणि अंतर्गत संरचनात्मक भूमिती साध्य करण्यासाठी मऊ ऊतींचे अनुकरण करणाऱ्या पदार्थांच्या विकासाकडे बरेच लक्ष वेधले गेले आहे कारण त्यांच्या अंतर्निहित यांत्रिक विसंगती लक्ष्य अनुप्रयोगांमध्ये अपयश आणू शकतात6,7. फुफ्फुसाच्या ऊतींचे जटिल बायोमेकॅनिक्सचे मॉडेलिंग, जे अत्यंत मऊपणा, लवचिकता आणि संरचनात्मक सच्छिद्रता एकत्र करते, मानवी फुफ्फुसांचे अचूक पुनरुत्पादन करणारे मॉडेल विकसित करण्यात एक महत्त्वपूर्ण आव्हान उभे करते. उपचारात्मक हस्तक्षेपांमध्ये फुफ्फुसांच्या मॉडेल्सच्या प्रभावी कामगिरीसाठी यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांचे एकत्रीकरण आणि जुळणी महत्त्वपूर्ण आहे. रुग्ण-विशिष्ट मॉडेल्स विकसित करण्यात अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग प्रभावी असल्याचे सिद्ध झाले आहे, ज्यामुळे जटिल डिझाइनचे जलद प्रोटोटाइपिंग शक्य होते. शिन एट अल. 8 ने 3D-प्रिंटेड वायुमार्गांसह पुनरुत्पादन करण्यायोग्य, विकृत फुफ्फुसांचे मॉडेल विकसित केले. हसेलार एट अल. 9 ने रेडिओथेरपीसाठी प्रतिमा गुणवत्ता मूल्यांकन आणि स्थिती पडताळणी पद्धतींसाठी वास्तविक रुग्णांसारखेच एक फॅन्टम विकसित केले. हाँग एट अल. 10 ने 3D प्रिंटिंग आणि सिलिकॉन कास्टिंग तंत्रज्ञानाचा वापर करून छातीचे सीटी मॉडेल विकसित केले जेणेकरून परिमाणनाच्या अचूकतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी विविध फुफ्फुसांच्या जखमांच्या सीटी तीव्रतेचे पुनरुत्पादन केले जाईल. तथापि, हे प्रोटोटाइप बहुतेकदा अशा पदार्थांपासून बनवले जातात ज्यांचे प्रभावी गुणधर्म फुफ्फुसांच्या ऊतींपेक्षा खूप वेगळे असतात11.
सध्या, बहुतेक फुफ्फुसांचे फॅन्टम सिलिकॉन किंवा पॉलीयुरेथेन फोमपासून बनलेले असतात, जे वास्तविक फुफ्फुसांच्या पॅरेन्कायमाच्या यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांशी जुळत नाहीत.१२,१३ अल्जिनेट हायड्रोजेल हे बायोकॅम्पॅटिबल आहेत आणि त्यांच्या ट्युनेबल यांत्रिक गुणधर्मांमुळे ते ऊती अभियांत्रिकीमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले गेले आहेत.१४ तथापि, फुफ्फुसाच्या फॅन्टमसाठी आवश्यक असलेल्या अल्ट्रा-सॉफ्ट, फोमसारखी सुसंगतता पुनरुत्पादित करणे जे फुफ्फुसाच्या ऊतींच्या लवचिकता आणि भरण्याच्या संरचनेची अचूक नक्कल करते हे एक प्रायोगिक आव्हान आहे.
या अभ्यासात, असे गृहीत धरण्यात आले की फुफ्फुसाचे ऊतक हे एकसंध लवचिक पदार्थ आहे. मानवी फुफ्फुसाच्या ऊतींची घनता (\(\:\rho\:\)) 1.06 g/cm3 असल्याचे नोंदवले गेले आहे आणि फुगलेल्या फुफ्फुसाची घनता 0.26 g/cm315 आहे. वेगवेगळ्या प्रायोगिक पद्धती वापरून फुफ्फुसाच्या ऊतींचे यंगचे मापांक (MY) मूल्ये विस्तृत श्रेणीत मिळवली गेली आहेत. लाई-फूक एट अल. 16 ने मानवी फुफ्फुसाचे YM मोजले ज्याचे एकसमान फुगवणी 0.42–6.72 kPa आहे. गॉस एट अल. 17 ने चुंबकीय अनुनाद इलास्टोग्राफी वापरली आणि 2.17 kPa चा YM नोंदवला. लिऊ एट अल. 18 ने 0.03–57.2 kPa चा थेट मोजलेला YM नोंदवला. इलेगबुसी एट अल. 19 ने निवडलेल्या रुग्णांकडून मिळवलेल्या 4D CT डेटावर आधारित YM 0.1–2.7 kPa असल्याचा अंदाज लावला.
फुफ्फुसांच्या रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांसाठी, फुफ्फुसांच्या ऊतींचे एक्स-रेशी परस्परसंवाद वर्तन वर्णन करण्यासाठी अनेक पॅरामीटर्स वापरले जातात, ज्यामध्ये मूलद्रव्य रचना, इलेक्ट्रॉन घनता (\(\:{\rho\:}_{e}\)), प्रभावी अणुक्रमांक (\(\:{Z}_{eff}\)), सरासरी उत्तेजना ऊर्जा (\(\:I\)), वस्तुमान क्षीणन गुणांक (\(\:\mu\:/\rho\:\)) आणि हौन्सफील्ड युनिट (HU), जे थेट \(\:\mu\:/\rho\:\) शी संबंधित आहे.
इलेक्ट्रॉन घनता \(\:{\rho\:}_{e}\) ही प्रति युनिट व्हॉल्यूम इलेक्ट्रॉनची संख्या म्हणून परिभाषित केली जाते आणि खालीलप्रमाणे गणना केली जाते:
जिथे \(\:\rho\:\) ही g/cm3 मध्ये पदार्थाची घनता आहे, \(\:{N}_{A}\) हा अ‍ॅव्होगॅड्रो स्थिरांक आहे, \(\:{w}_{i}\) हा वस्तुमान अपूर्णांक आहे, \(\:{Z}_{i}\) हा अणुक्रमांक आहे आणि \(\:{A}_{i}\) हा i-th घटकाचा अणुभार आहे.
अणुक्रमांक हा पदार्थातील किरणोत्सर्गाच्या परस्परसंवादाच्या स्वरूपाशी थेट संबंधित असतो. अनेक घटक (उदा. कापड) असलेल्या संयुगे आणि मिश्रणांसाठी, प्रभावी अणुक्रमांक \(\:{Z}_{eff}\) मोजणे आवश्यक आहे. हे सूत्र मूर्ती आणि इतरांनी प्रस्तावित केले होते. २०:
सरासरी उत्तेजना ऊर्जा \(\:I\) लक्ष्यित पदार्थ भेदक कणांची गतिज ऊर्जा किती सहजपणे शोषून घेते हे वर्णन करते. ते फक्त लक्ष्यित पदार्थाच्या गुणधर्मांचे वर्णन करते आणि कणांच्या गुणधर्मांशी त्याचा काहीही संबंध नाही. \(\:I\) ब्रॅगचा अ‍ॅडिटिव्हिटी नियम लागू करून मोजता येते:
वस्तुमान क्षीणन गुणांक \(\:\mu\:/\rho\:\) लक्ष्यित पदार्थात फोटॉनच्या प्रवेश आणि ऊर्जा सोडण्याचे वर्णन करतो. खालील सूत्र वापरून त्याची गणना करता येते:
जिथे \(\:x\) ही पदार्थाची जाडी आहे, तिथे \(\:{I}_{0}\) ही प्रकाशाची तीव्रता आहे आणि \(\:I\) ही पदार्थात प्रवेश केल्यानंतरची फोटॉनची तीव्रता आहे. \(\:\mu\:/\rho\:\) डेटा थेट NIST 12621 मानक संदर्भ डेटाबेसमधून मिळवता येतो. मिश्रण आणि संयुगांसाठी \(\:\mu\:/\rho\:\) मूल्ये खालीलप्रमाणे अ‍ॅडिटिव्हिटी नियम वापरून मिळवता येतात:
संगणकीय टोमोग्राफी (CT) डेटाच्या व्याख्येत HU हे रेडिओघनतेच्या मोजमापाचे एक प्रमाणित आयामहीन एकक आहे, जे मोजलेल्या क्षीणन गुणांक \(\:\mu\:\) पासून रेषीय रूपांतरित होते. ते असे परिभाषित केले आहे:
जिथे \(\:{\mu\:}_{पाणी}\) हा पाण्याचा क्षीणन सहगुणांक आहे आणि \(\:{\mu\:}_{वायु}\) हा हवेचा क्षीणन सहगुणांक आहे. म्हणून, सूत्र (6) वरून आपल्याला दिसते की पाण्याचे HU मूल्य 0 आहे आणि हवेचे HU मूल्य -1000 आहे. मानवी फुफ्फुसांसाठी HU मूल्य -600 ते -70022 पर्यंत असते.
अनेक ऊती समतुल्य पदार्थ विकसित केले गेले आहेत. ग्रिफिथ आणि इतरांनी पॉलीयुरेथेन (PU) पासून बनवलेल्या मानवी धडाचे एक ऊती समतुल्य मॉडेल विकसित केले ज्यामध्ये मानवी फुफ्फुसांसह विविध मानवी अवयवांच्या रेषीय क्षीणन गुणांकांचे अनुकरण करण्यासाठी कॅल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) चे विविध सांद्रता जोडण्यात आली आणि त्या मॉडेलला ग्रिफिथ असे नाव देण्यात आले. टेलर24 ने लॉरेन्स लिव्हरमोर नॅशनल लॅबोरेटरी (LLNL) द्वारे विकसित केलेले दुसरे फुफ्फुस ऊती समतुल्य मॉडेल सादर केले, ज्याचे नाव LLLL1 होते. ट्रॉब आणि इतरांनी फोमेक्स XRS-272 वापरून कार्यक्षमता वाढवणारा म्हणून 5.25% CaCO3 असलेले एक नवीन फुफ्फुस ऊती पर्याय विकसित केले, ज्याला ALT2 असे नाव देण्यात आले. तक्ते 1 आणि 2 मानवी फुफ्फुसांसाठी (ICRU-44) आणि वरील ऊती समतुल्य मॉडेलसाठी \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) आणि वस्तुमान क्षीणन गुणांकांची तुलना दर्शवितात.
उत्कृष्ट रेडिओलॉजिकल गुणधर्म प्राप्त करूनही, जवळजवळ सर्व फॅन्टम मटेरियल पॉलिस्टीरिन फोमपासून बनलेले असतात, याचा अर्थ असा की या मटेरियलचे यांत्रिक गुणधर्म मानवी फुफ्फुसांच्या गुणधर्मांइतके असू शकत नाहीत. पॉलीयुरेथेन फोमचे यंग मॉड्यूलस (YM) सुमारे 500 kPa आहे, जे सामान्य मानवी फुफ्फुसांच्या तुलनेत (सुमारे 5-10 kPa) आदर्श नाही. म्हणून, वास्तविक मानवी फुफ्फुसांच्या यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल वैशिष्ट्यांना पूर्ण करू शकणारे नवीन मटेरियल विकसित करणे आवश्यक आहे.
ऊती अभियांत्रिकीमध्ये हायड्रोजेलचा मोठ्या प्रमाणात वापर केला जातो. त्याची रचना आणि गुणधर्म बाह्य पेशीय मॅट्रिक्स (ECM) सारखे आहेत आणि ते सहजपणे समायोजित केले जाऊ शकतात. या अभ्यासात, फोम तयार करण्यासाठी शुद्ध सोडियम अल्जिनेटची बायोमटेरियल म्हणून निवड करण्यात आली. अल्जिनेट हायड्रोजेल जैव सुसंगत आहेत आणि त्यांच्या समायोज्य यांत्रिक गुणधर्मांमुळे ऊती अभियांत्रिकीमध्ये मोठ्या प्रमाणात वापरले जातात. सोडियम अल्जिनेट (C6H7NaO6)n ची मूलभूत रचना आणि Ca2+ ची उपस्थिती त्याच्या रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांना आवश्यकतेनुसार समायोजित करण्यास अनुमती देते. समायोज्य यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांचे हे संयोजन अल्जिनेट हायड्रोजेलला आमच्या अभ्यासासाठी आदर्श बनवते. अर्थात, अल्जिनेट हायड्रोजेलमध्ये देखील मर्यादा आहेत, विशेषतः सिम्युलेटेड श्वसन चक्रादरम्यान दीर्घकालीन स्थिरतेच्या बाबतीत. म्हणून, या मर्यादा दूर करण्यासाठी भविष्यातील अभ्यासांमध्ये आणखी सुधारणा आवश्यक आहेत आणि अपेक्षित आहेत.
या कामात, आम्ही मानवी फुफ्फुसाच्या ऊतींप्रमाणेच नियंत्रित करण्यायोग्य rho मूल्ये, लवचिकता आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांसह अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम मटेरियल विकसित केले. हा अभ्यास ट्यून करण्यायोग्य लवचिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांसह ऊतींसारख्या फॅन्टम्स तयार करण्यासाठी एक सामान्य उपाय प्रदान करेल. भौतिक गुणधर्म कोणत्याही मानवी ऊती आणि अवयवासाठी सहजपणे तयार केले जाऊ शकतात.
हायड्रोजेल फोमचे लक्ष्यित हवेचे आकारमान गुणोत्तर मानवी फुफ्फुसांच्या HU श्रेणी (-600 ते -700) वर आधारित मोजले गेले. असे गृहीत धरले गेले की फोम हवा आणि कृत्रिम अल्जिनेट हायड्रोजेलचे एक साधे मिश्रण आहे. वैयक्तिक घटकांच्या साध्या बेरीज नियमाचा वापर करून \(\:\mu\:/\rho\:\), हवेचा आकारमान अंश आणि संश्लेषित अल्जिनेट हायड्रोजेलचे आकारमान गुणोत्तर मोजता आले.
सिग्मा-अल्ड्रिच कंपनी, सेंट लुईस, MO कडून खरेदी केलेले सोडियम अल्जिनेट (भाग क्रमांक W201502), CaCO3 (भाग क्रमांक 795445, MW: 100.09) आणि GDL (भाग क्रमांक G4750, MW: 178.14) वापरून अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम तयार केले गेले. प्रख्यात ट्रेडिंग एलएलसी कडून 70% सोडियम लॉरिल इथर सल्फेट (SLES 70) खरेदी केले गेले. फोम तयार करण्याच्या प्रक्रियेत डीआयोनाइज्ड पाणी वापरले गेले. एकसंध पिवळा पारदर्शक द्रावण मिळेपर्यंत खोलीच्या तपमानावर डीआयोनाइज्ड पाण्यात सतत ढवळत (600 rpm) सोडियम अल्जिनेट विरघळवले गेले. GDL सोबत एकत्रित CaCO3 हे जिलेशन सुरू करण्यासाठी Ca2+ स्रोत म्हणून वापरले गेले. हायड्रोजेलच्या आत सच्छिद्र रचना तयार करण्यासाठी SLES 70 चा वापर सर्फॅक्टंट म्हणून केला गेला. अल्जिनेटची एकाग्रता 5% वर राखली गेली आणि Ca2+:-COOH मोलर रेशो 0.18 वर राखला गेला. फोम तयार करताना तटस्थ pH राखण्यासाठी CaCO3:GDL मोलर रेशो देखील 0.5 वर राखण्यात आला. सर्व नमुन्यांमध्ये SLES 70 चे आकारमानानुसार 26.2% मूल्य जोडले गेले. द्रावण आणि हवेचे मिश्रण प्रमाण नियंत्रित करण्यासाठी झाकण असलेला बीकर वापरण्यात आला. बीकरचे एकूण आकारमान 140 मिली होते. सैद्धांतिक गणना निकालांवर आधारित, हवेत मिसळण्यासाठी मिश्रणाचे वेगवेगळे आकारमान (50 मिली, 100 मिली, 110 मिली) बीकरमध्ये जोडले गेले. 50 मिली मिश्रण असलेले नमुने पुरेसे हवेत मिसळण्यासाठी डिझाइन केले गेले होते, तर इतर दोन नमुन्यांमधील हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण नियंत्रित केले गेले. प्रथम, SLES 70 अल्जिनेट द्रावणात जोडले गेले आणि पूर्णपणे मिसळेपर्यंत इलेक्ट्रिक स्टिररने ढवळले गेले. नंतर, CaCO3 सस्पेंशन मिश्रणात जोडले गेले आणि मिश्रण पूर्णपणे मिसळेपर्यंत सतत ढवळत राहिले, जेव्हा त्याचा रंग पांढरा झाला. शेवटी, जेलेशन सुरू करण्यासाठी मिश्रणात GDL द्रावण जोडले गेले आणि संपूर्ण प्रक्रियेत यांत्रिक ढवळत राहिले. ५० मिली मिश्रण असलेल्या नमुन्यासाठी, मिश्रणाचे आकारमान बदलणे थांबले तेव्हा यांत्रिक ढवळणे थांबवण्यात आले. १०० मिली आणि ११० मिली मिश्रण असलेल्या नमुन्यांसाठी, मिश्रणाने बीकर भरल्यावर यांत्रिक ढवळणे थांबवण्यात आले. आम्ही ५० मिली आणि १०० मिली दरम्यान आकारमान असलेले हायड्रोजेल फोम तयार करण्याचा देखील प्रयत्न केला. तथापि, फोमची संरचनात्मक अस्थिरता दिसून आली, कारण ती पूर्ण हवेच्या मिश्रणाची स्थिती आणि हवेच्या आकारमान नियंत्रणाची स्थिती यांच्यामध्ये चढ-उतार होत होती, ज्यामुळे आकारमान नियंत्रणात विसंगती निर्माण झाली. या अस्थिरतेमुळे गणनांमध्ये अनिश्चितता आली आणि म्हणूनच या अभ्यासात ही आकारमान श्रेणी समाविष्ट करण्यात आली नाही.
हायड्रोजेल फोमची घनता \(\:\rho\:\) हायड्रोजेल फोम नमुन्याचे वस्तुमान \(\:m\) आणि आकारमान \(\:V\) मोजून मोजली जाते.
Zeiss Axio Observer A1 कॅमेरा वापरून हायड्रोजेल फोम्सच्या ऑप्टिकल सूक्ष्म प्रतिमा मिळवण्यात आल्या. मिळालेल्या प्रतिमांच्या आधारे विशिष्ट क्षेत्रातील नमुन्यातील छिद्रांची संख्या आणि आकार वितरण मोजण्यासाठी ImageJ सॉफ्टवेअरचा वापर करण्यात आला. छिद्रांचा आकार वर्तुळाकार असल्याचे गृहीत धरले जाते.
अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम्सच्या यांत्रिक गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी, TESTRESOURCES 100 सिरीज मशीन वापरून एक-अक्षीय कॉम्प्रेशन चाचण्या केल्या गेल्या. नमुने आयताकृती ब्लॉक्समध्ये कापले गेले आणि ताण आणि ताण मोजण्यासाठी ब्लॉकचे परिमाण मोजले गेले. क्रॉसहेड स्पीड 10 मिमी/मिनिट वर सेट करण्यात आला. प्रत्येक नमुन्यासाठी तीन नमुने तपासले गेले आणि निकालांमधून सरासरी आणि मानक विचलन मोजले गेले. या अभ्यासात अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम्सच्या कॉम्प्रेसिव्ह यांत्रिक गुणधर्मांवर लक्ष केंद्रित केले गेले कारण फुफ्फुसाच्या ऊती श्वसन चक्राच्या एका विशिष्ट टप्प्यावर कॉम्प्रेसिव्ह फोर्सच्या अधीन असतात. विस्तारक्षमता अर्थातच महत्त्वाची आहे, विशेषतः फुफ्फुसाच्या ऊतींचे संपूर्ण गतिमान वर्तन प्रतिबिंबित करण्यासाठी आणि भविष्यातील अभ्यासांमध्ये याची तपासणी केली जाईल.
तयार केलेले हायड्रोजेल फोम नमुने सीमेन्स सोमॅटोम ड्राइव्ह ड्युअल-चॅनेल सीटी स्कॅनरवर स्कॅन केले गेले. स्कॅनिंग पॅरामीटर्स खालीलप्रमाणे सेट केले गेले: 40 एमए, 120 केव्हीपी आणि 1 मिमी स्लाइस जाडी. परिणामी डीआयसीओएम फायलींचे विश्लेषण मायक्रोडिकॉम डीआयसीओएम व्ह्यूअर सॉफ्टवेअर वापरून केले गेले जेणेकरून प्रत्येक नमुन्याच्या 5 क्रॉस-सेक्शनच्या एचयू मूल्यांचे विश्लेषण केले जाईल. सीटीने मिळवलेल्या एचयू मूल्यांची तुलना नमुन्यांच्या घनता डेटावर आधारित सैद्धांतिक गणनेशी केली गेली.
या अभ्यासाचे उद्दिष्ट मऊ पदार्थांच्या अभियांत्रिकीद्वारे वैयक्तिक अवयव मॉडेल्स आणि कृत्रिम जैविक ऊतींच्या निर्मितीमध्ये क्रांती घडवणे आहे. वैद्यकीय प्रशिक्षण, शस्त्रक्रिया नियोजन आणि रेडिएशन थेरपी नियोजन सुधारणे यासारख्या लक्ष्यित अनुप्रयोगांसाठी मानवी फुफ्फुसांच्या कार्य यांत्रिकीशी जुळणारे यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले साहित्य विकसित करणे महत्वाचे आहे. आकृती 1A मध्ये, आम्ही मानवी फुफ्फुसांचे मॉडेल तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या मऊ पदार्थांच्या यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांमधील तफावत रेखाटली आहे. आजपर्यंत, असे साहित्य विकसित केले गेले आहे जे इच्छित रेडिओलॉजिकल गुणधर्म प्रदर्शित करतात, परंतु त्यांचे यांत्रिक गुणधर्म इच्छित आवश्यकता पूर्ण करत नाहीत. पॉलीयुरेथेन फोम आणि रबर हे विकृत मानवी फुफ्फुसांचे मॉडेल तयार करण्यासाठी सर्वात जास्त वापरले जाणारे साहित्य आहे. पॉलीयुरेथेन फोम (यंग्स मॉड्यूलस, YM) चे यांत्रिक गुणधर्म सामान्यतः सामान्य मानवी फुफ्फुसाच्या ऊतींपेक्षा 10 ते 100 पट जास्त असतात. इच्छित यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म दोन्ही प्रदर्शित करणारे साहित्य अद्याप ज्ञात नाही.
(अ) विविध मऊ पदार्थांच्या गुणधर्मांचे योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व आणि घनतेच्या बाबतीत मानवी फुफ्फुसांशी तुलना, यंगचे मापांक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म (HU मध्ये). (ब) 5% सांद्रता आणि 0.18 च्या Ca2+:-COOH मोलर रेशोसह \(\:\mu\:/\rho\:\) अल्जिनेट हायड्रोजेलचा एक्स-रे विवर्तन नमुना. (क) हायड्रोजेल फोममध्ये हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरांची श्रेणी. (ड) वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरांसह अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचे योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व.
५% सांद्रता आणि ०.१८ Ca2+:-COOH मोलर रेशो असलेल्या अल्जिनेट हायड्रोजेलची मूलभूत रचना मोजण्यात आली आणि त्याचे परिणाम तक्ता ३ मध्ये दाखवले आहेत. मागील सूत्र (५) मधील बेरीज नियमानुसार, आकृती १B मध्ये दाखवल्याप्रमाणे अल्जिनेट हायड्रोजेल \(\:\:\mu\:/\rho\:\) चा वस्तुमान क्षीणन गुणांक प्राप्त केला आहे.
हवा आणि पाण्यासाठी \(\:\mu\:/\rho\:\) मूल्ये थेट NIST 12612 मानकांच्या संदर्भ डेटाबेसमधून मिळवली गेली. अशाप्रकारे, आकृती 1C मानवी फुफ्फुसांसाठी -600 आणि -700 दरम्यान HU समतुल्य मूल्यांसह हायड्रोजेल फोममधील गणना केलेले हवेचे प्रमाण प्रमाण दर्शवते. सैद्धांतिकदृष्ट्या गणना केलेले हवेचे प्रमाण प्रमाण 1 × 10−3 ते 2 × 101 MeV पर्यंतच्या उर्जेच्या श्रेणीत 60-70% च्या आत स्थिर आहे, जे डाउनस्ट्रीम उत्पादन प्रक्रियांमध्ये हायड्रोजेल फोमच्या वापरासाठी चांगली क्षमता दर्शवते.
आकृती १D मध्ये तयार केलेला अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम नमुना दाखवला आहे. सर्व नमुने १२.७ मिमी लांबीच्या कड्यांमध्ये कापले गेले होते. निकालांवरून असे दिसून आले की एकसंध, त्रिमितीय स्थिर हायड्रोजेल फोम तयार झाला. हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण कितीही असले तरी, हायड्रोजेल फोमच्या स्वरूपात कोणतेही महत्त्वपूर्ण फरक दिसून आले नाहीत. हायड्रोजेल फोमचे स्वयंपूर्ण स्वरूप सूचित करते की हायड्रोजेलमध्ये तयार झालेले नेटवर्क फोमचे वजन स्वतःला आधार देण्याइतके मजबूत आहे. फोममधून थोड्या प्रमाणात पाण्याच्या गळतीव्यतिरिक्त, फोमने अनेक आठवड्यांसाठी क्षणिक स्थिरता देखील दर्शविली.
फोम नमुन्याचे वस्तुमान आणि आकारमान मोजून, तयार केलेल्या हायड्रोजेल फोम \(\:\rho\:\) ची घनता मोजली गेली आणि निकाल तक्ता ४ मध्ये दाखवले आहेत. निकाल हवेच्या आकारमान गुणोत्तरावर \(\:\rho\:\) चे अवलंबित्व दर्शवितात. जेव्हा पुरेशी हवा नमुन्याच्या ५० मिलीमध्ये मिसळली जाते तेव्हा घनता सर्वात कमी होते आणि ०.४८२ ग्रॅम/सेमी३ असते. मिश्रित हवेचे प्रमाण कमी होत असताना, घनता ०.६८५ ग्रॅम/सेमी३ पर्यंत वाढते. ५० मिली, १०० मिली आणि ११० मिली या गटांमधील कमाल p मूल्य ०.००४ < ०.०५ होते, जे निकालांचे सांख्यिकीय महत्त्व दर्शवते.
नियंत्रित हवेच्या आकारमान गुणोत्तराचा वापर करून सैद्धांतिक \(\:\rho\:\) मूल्य देखील मोजले जाते. मोजलेले निकाल दर्शवितात की \(\:\rho\:\) हे सैद्धांतिक मूल्यापेक्षा 0.1 ग्रॅम/सेमी³ कमी आहे. हा फरक जेलेशन प्रक्रियेदरम्यान हायड्रोजेलमध्ये निर्माण होणाऱ्या अंतर्गत ताणाद्वारे स्पष्ट केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे सूज येते आणि त्यामुळे \(\:\rho\:\\) मध्ये घट होते. आकृती 2 (A, B आणि C) मध्ये दर्शविलेल्या CT प्रतिमांमध्ये हायड्रोजेल फोममधील काही अंतरांचे निरीक्षण करून याची पुष्टी झाली.
वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाच्या घटकांसह हायड्रोजेल फोमच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी प्रतिमा (A) 50, (B) 100, आणि (C) 110. अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम नमुन्यांमध्ये पेशी संख्या आणि छिद्र आकार वितरण (D) 50, (E) 100, (F) 110.
आकृती ३ (अ, ब, क) मध्ये वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरांसह हायड्रोजेल फोम नमुन्यांच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोप प्रतिमा दाखवल्या आहेत. निकाल हायड्रोजेल फोमची ऑप्टिकल रचना दर्शवितात, ज्यामध्ये वेगवेगळ्या व्यासांच्या छिद्रांच्या प्रतिमा स्पष्टपणे दिसतात. इमेजजे वापरून छिद्र संख्या आणि व्यासाचे वितरण मोजण्यात आले. प्रत्येक नमुन्यासाठी सहा प्रतिमा घेण्यात आल्या, प्रत्येक प्रतिमेचा आकार ११२५.२७ μm × ८४३.९६ μm होता आणि प्रत्येक नमुन्यासाठी एकूण विश्लेषण केलेले क्षेत्रफळ ५.७ मिमी² होते.
(अ) वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरांसह अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम्सचे कॉम्प्रेसिव्ह स्ट्रेस-स्ट्रेन वर्तन. (ब) एक्सपोनेन्शियल फिटिंग. (क) वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरांसह हायड्रोजेल फोम्सचे कॉम्प्रेसिव्ह E0. (ड) वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरांसह अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम्सचे अल्टिमेट कॉम्प्रेसिव्ह स्ट्रेस आणि स्ट्रेन.
आकृती ३ (डी, ई, एफ) दर्शविते की छिद्र आकाराचे वितरण तुलनेने एकसमान आहे, दहा मायक्रोमीटरपासून ते सुमारे ५०० मायक्रोमीटरपर्यंत. छिद्र आकार मुळात एकसमान असतो आणि हवेचे प्रमाण कमी झाल्यामुळे तो थोडा कमी होतो. चाचणी डेटानुसार, ५० मिली नमुन्याचा सरासरी छिद्र आकार १९२.१६ μm, मध्यक १८४.५१ μm आणि प्रति युनिट क्षेत्रफळातील छिद्रांची संख्या १०३ आहे; १०० मिली नमुन्याचा सरासरी छिद्र आकार १५६.६२ μm, मध्यक १५१.०७ μm आणि प्रति युनिट क्षेत्रफळातील छिद्रांची संख्या १०९ आहे; ११० मिली नमुन्याची संबंधित मूल्ये अनुक्रमे १६३.०७ μm, १५०.२९ μm आणि ११५ आहेत. डेटा दर्शवितो की मोठ्या छिद्रांचा सरासरी छिद्र आकाराच्या सांख्यिकीय निकालांवर जास्त प्रभाव असतो आणि मध्यवर्ती छिद्र आकार छिद्र आकाराच्या बदलाच्या ट्रेंडला अधिक चांगल्या प्रकारे प्रतिबिंबित करू शकतो. नमुना आकारमान 50 मिली वरून 110 मिली पर्यंत वाढत असताना, छिद्रांची संख्या देखील वाढते. मध्यवर्ती छिद्र व्यास आणि छिद्र संख्येचे सांख्यिकीय निकाल एकत्रित करून, असा निष्कर्ष काढता येतो की वाढत्या आकारमानासह, नमुन्याच्या आत लहान आकाराचे अधिक छिद्र तयार होतात.
यांत्रिक चाचणी डेटा आकृती 4A आणि 4D मध्ये दर्शविला आहे. आकृती 4A वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमान गुणोत्तरांसह तयार केलेल्या हायड्रोजेल फोम्सचे संकुचित ताण-ताण वर्तन दर्शविते. परिणाम दर्शवितात की सर्व नमुन्यांमध्ये समान नॉनलाइनर स्ट्रेस-ताण वर्तन आहे. प्रत्येक नमुन्यासाठी, वाढत्या ताणासह ताण जलद वाढतो. हायड्रोजेल फोमच्या संकुचित ताण-ताण वर्तनात एक घातांकीय वक्र बसवण्यात आला होता. आकृती 4B हायड्रोजेल फोमला अंदाजे मॉडेल म्हणून घातांकीय फंक्शन लागू केल्यानंतर परिणाम दर्शविते.
वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण असलेल्या हायड्रोजेल फोमसाठी, त्यांच्या कॉम्प्रेसिव्ह मापांक (E0) चा देखील अभ्यास करण्यात आला. हायड्रोजेलच्या विश्लेषणाप्रमाणेच, कॉम्प्रेसिव्ह यंगच्या मापांकाची तपासणी 20% प्रारंभिक स्ट्रेनच्या श्रेणीत करण्यात आली. कॉम्प्रेसिव्ह चाचण्यांचे निकाल आकृती 4C मध्ये दर्शविले आहेत. आकृती 4C मधील निकाल दर्शवितात की नमुना 50 पासून नमुना 110 पर्यंत हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण कमी होत असताना, अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचा कॉम्प्रेसिव्ह यंगचा मापांक E0 10.86 kPa वरून 18 kPa पर्यंत वाढतो.
त्याचप्रमाणे, हायड्रोजेल फोम्सचे संपूर्ण ताण-ताण वक्र, तसेच अंतिम संकुचित ताण आणि ताण मूल्ये प्राप्त झाली. आकृती 4D अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम्सचे अंतिम संकुचित ताण आणि ताण दर्शविते. प्रत्येक डेटा पॉइंट तीन चाचणी निकालांची सरासरी आहे. परिणाम दर्शवितात की अंतिम संकुचित ताण 9.84 kPa वरून 17.58 kPa पर्यंत वाढतो आणि वायूचे प्रमाण कमी होते. अंतिम ताण सुमारे 38% वर स्थिर राहतो.
आकृती २ (अ, ब आणि क) मध्ये अनुक्रमे ५०, १०० आणि ११० नमुन्यांशी संबंधित वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरांसह हायड्रोजेल फोमच्या सीटी प्रतिमा दाखवल्या आहेत. प्रतिमा दर्शवितात की तयार झालेला हायड्रोजेल फोम जवळजवळ एकसंध आहे. नमुने १०० आणि ११० मध्ये थोड्या प्रमाणात अंतर आढळून आले. या अंतरांची निर्मिती जिलेशन प्रक्रियेदरम्यान हायड्रोजेलमध्ये निर्माण झालेल्या अंतर्गत ताणामुळे असू शकते. आम्ही प्रत्येक नमुन्याच्या ५ क्रॉस सेक्शनसाठी एचयू मूल्ये मोजली आणि त्यांना संबंधित सैद्धांतिक गणना निकालांसह तक्ता ५ मध्ये सूचीबद्ध केले.
तक्ता ५ मध्ये असे दिसून आले आहे की वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणाचे प्रमाण असलेल्या नमुन्यांनी वेगवेगळे HU मूल्ये प्राप्त केली. ५० मिली, १०० मिली आणि ११० मिली गटांमधील कमाल p मूल्य ०.००४ < ०.०५ होते, जे निकालांचे सांख्यिकीय महत्त्व दर्शवते. चाचणी केलेल्या तीन नमुन्यांपैकी, ५० मिली मिश्रण असलेल्या नमुन्यात मानवी फुफ्फुसांच्या जवळचे रेडिओलॉजिकल गुणधर्म होते. तक्ता ५ चा शेवटचा स्तंभ मोजलेल्या फोम मूल्य \(\:\rho\:\) वर आधारित सैद्धांतिक गणनेद्वारे प्राप्त केलेला निकाल आहे. मोजलेल्या डेटाची सैद्धांतिक निकालांशी तुलना करून, असे आढळून येते की CT स्कॅनिंगद्वारे प्राप्त झालेले HU मूल्ये साधारणपणे सैद्धांतिक निकालांच्या जवळ असतात, ज्यामुळे आकृती १C मधील हवेच्या प्रमाणाचे प्रमाण गणना परिणामांची पुष्टी होते.
या अभ्यासाचा मुख्य उद्देश मानवी फुफ्फुसांच्या तुलनेत यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांसह एक सामग्री तयार करणे आहे. मानवी फुफ्फुसांच्या शक्य तितक्या जवळ असलेल्या टिशू-समतुल्य यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांसह हायड्रोजेल-आधारित सामग्री विकसित करून हे उद्दिष्ट साध्य करण्यात आले. सैद्धांतिक गणनेद्वारे मार्गदर्शन करून, सोडियम अल्जिनेट द्रावण, CaCO3, GDL आणि SLES 70 यांत्रिकरित्या मिसळून वेगवेगळ्या हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण असलेले हायड्रोजेल फोम तयार केले गेले. मॉर्फोलॉजिकल विश्लेषणातून असे दिसून आले की एकसंध त्रिमितीय स्थिर हायड्रोजेल फोम तयार झाला. हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण बदलून, फोमची घनता आणि सच्छिद्रता इच्छेनुसार बदलता येते. हवेच्या आकारमानाच्या प्रमाणात वाढ झाल्याने, छिद्रांचा आकार किंचित कमी होतो आणि छिद्रांची संख्या वाढते. अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमच्या यांत्रिक गुणधर्मांचे विश्लेषण करण्यासाठी कॉम्प्रेशन चाचण्या घेण्यात आल्या. परिणामांवरून असे दिसून आले की कॉम्प्रेशन चाचण्यांमधून मिळालेला कॉम्प्रेशन मॉड्यूलस (E0) मानवी फुफ्फुसांसाठी आदर्श श्रेणीत आहे. हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण कमी होताना E0 वाढते. तयार केलेल्या नमुन्यांच्या रेडिओलॉजिकल प्रॉपर्टीज (HU) ची मूल्ये नमुन्यांच्या CT डेटाच्या आधारे मिळवण्यात आली आणि सैद्धांतिक गणनेच्या निकालांशी तुलना करण्यात आली. निकाल अनुकूल होते. मोजलेले मूल्य मानवी फुफ्फुसांच्या HU मूल्याच्या जवळ देखील आहे. निकाल दर्शवितात की मानवी फुफ्फुसांच्या गुणधर्मांची नक्कल करणारे यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांच्या आदर्श संयोजनासह ऊतींचे अनुकरण करणारे हायड्रोजेल फोम तयार करणे शक्य आहे.
आशादायक निकाल असूनही, जागतिक आणि स्थानिक दोन्ही स्केलवर सैद्धांतिक गणना आणि वास्तविक मानवी फुफ्फुसांच्या अंदाजांशी जुळण्यासाठी हवेच्या आकारमानाचे प्रमाण आणि सच्छिद्रता अधिक चांगल्या प्रकारे नियंत्रित करण्यासाठी सध्याच्या फॅब्रिकेशन पद्धतींमध्ये सुधारणा करणे आवश्यक आहे. सध्याचा अभ्यास कॉम्प्रेशन मेकॅनिक्सची चाचणी करण्यापुरता मर्यादित आहे, जो फॅन्टमचा संभाव्य वापर श्वसन चक्राच्या कॉम्प्रेशन टप्प्यापर्यंत मर्यादित करतो. डायनॅमिक लोडिंग परिस्थितीत संभाव्य अनुप्रयोगांचे मूल्यांकन करण्यासाठी तन्य चाचणी तसेच सामग्रीच्या एकूण यांत्रिक स्थिरतेची तपासणी करून भविष्यातील संशोधनाचा फायदा होईल. या मर्यादा असूनही, मानवी फुफ्फुसाची नक्कल करणाऱ्या एकाच सामग्रीमध्ये रेडिओलॉजिकल आणि यांत्रिक गुणधर्म एकत्र करण्याचा हा पहिला यशस्वी प्रयत्न आहे.
सध्याच्या अभ्यासादरम्यान तयार केलेले आणि/किंवा विश्लेषण केलेले डेटासेट संबंधित लेखकाकडून वाजवी विनंतीनुसार उपलब्ध आहेत. प्रयोग आणि डेटासेट दोन्ही पुनरुत्पादनयोग्य आहेत.
सॉन्ग, जी., आणि इतर. कर्करोगाच्या रेडिएशन थेरपीसाठी नवीन नॅनोटेक्नॉलॉजीज आणि प्रगत साहित्य. अ‍ॅड. मॅटर. २९, १७००९९६. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (२०१७).
किल, पीजे, आणि इतर. रेडिएशन ऑन्कोलॉजीमध्ये श्वसन हालचाली व्यवस्थापनावरील AAPM 76a टास्क फोर्सचा अहवाल. वैद्यकीय भौतिकशास्त्र 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
अल-माया, ए., मोसेली, जे., आणि ब्रॉक, के.के. मानवी फुफ्फुसातील इंटरफेस आणि मटेरियल नॉनलाइनियरिटीजचे मॉडेलिंग. भौतिकशास्त्र आणि औषध आणि जीवशास्त्र 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
वांग, एक्स., आणि इतर. 3D बायोप्रिंटिंगद्वारे तयार केलेले ट्यूमरसारखे फुफ्फुसाच्या कर्करोगाचे मॉडेल. 3. बायोटेक्नॉलॉजी. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
ली, एम., आणि इतर. फुफ्फुसांच्या विकृतीचे मॉडेलिंग: विकृत प्रतिमा नोंदणी तंत्रे आणि अवकाशीय बदलणारे यंगचे मापांक अंदाज एकत्रित करणारी एक पद्धत. मेड. फिजिक्स. ४०, ०८१९०२. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (२०१३).
गिमारेस, सीएफ आणि इतर. जिवंत ऊतींची कडकपणा आणि ऊती अभियांत्रिकीसाठी त्याचे परिणाम. निसर्ग पुनरावलोकने साहित्य आणि पर्यावरण 5, 351–370 (2020).