nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझरच्या आवृत्तीमध्ये CSS साठी मर्यादित समर्थन आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही ब्राउझरची नवीनतम आवृत्ती वापरण्याची (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमधील कंपॅटिबिलिटी मोड बंद करण्याची) शिफारस करतो. याव्यतिरिक्त, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, या साइटमध्ये स्टाईल्स किंवा जावास्क्रिप्ट समाविष्ट केली जाणार नाही.
अवयव आणि ऊतींच्या हालचालींमुळे रेडिओथेरपी दरम्यान एक्स-रेच्या स्थितीमध्ये चुका होऊ शकतात. त्यामुळे, रेडिओथेरपीच्या इष्टतमीकरणासाठी अवयवांच्या हालचालींचे अनुकरण करण्याकरिता, ऊतींसारखे यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेल्या सामग्रीची आवश्यकता आहे. तथापि, अशा सामग्रीचा विकास करणे हे एक आव्हानच आहे. अल्जिनेट हायड्रोजेलमध्ये बाह्यकोशिकीय मॅट्रिक्ससारखे गुणधर्म असतात, ज्यामुळे ते ऊतींसारखे सामग्री म्हणून आश्वासक ठरतात. या अभ्यासात, इन सिटू Ca2+ रिलीझद्वारे इच्छित यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम संश्लेषित करण्यात आले. परिभाषित यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले हायड्रोजेल फोम मिळवण्यासाठी हवा-ते-घनफळ गुणोत्तर काळजीपूर्वक नियंत्रित केले गेले. सामग्रीच्या स्थूल आणि सूक्ष्म आकारविज्ञानाचे वैशिष्ट्यीकरण केले गेले आणि दाब दिल्यावर हायड्रोजेल फोमच्या वर्तनाचा अभ्यास केला गेला. रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांचा सैद्धांतिकरित्या अंदाज लावला गेला आणि संगणकीय टोमोग्राफीचा वापर करून प्रायोगिकरित्या त्याची पडताळणी केली गेली. हा अभ्यास रेडिओथेरपी दरम्यान रेडिएशन डोसच्या इष्टतमीकरणासाठी आणि गुणवत्ता नियंत्रणासाठी वापरल्या जाऊ शकणाऱ्या ऊतींसारख्या सामग्रीच्या भविष्यातील विकासावर प्रकाश टाकतो.
रेडिएशन थेरपी हा कर्करोगावरील एक सामान्य उपचार आहे¹. अवयव आणि उतींच्या हालचालींमुळे रेडिएशन थेरपी दरम्यान एक्स-रेच्या स्थितीमध्ये अनेकदा चुका होतात², ज्यामुळे ट्यूमरवर अपुरा उपचार होऊ शकतो आणि आसपासच्या निरोगी पेशी अनावश्यक रेडिएशनच्या संपर्कात येऊ शकतात. ट्यूमरच्या स्थानातील चुका कमी करण्यासाठी अवयव आणि उतींच्या हालचालींचा अंदाज लावण्याची क्षमता अत्यंत महत्त्वाची आहे. या अभ्यासात फुफ्फुसांवर लक्ष केंद्रित करण्यात आले, कारण रेडिएशन थेरपी दरम्यान रुग्ण श्वास घेतात तेव्हा त्यांच्यामध्ये लक्षणीय विकृती आणि हालचाल होते. मानवी फुफ्फुसांच्या हालचालींचे अनुकरण करण्यासाठी विविध फायनाईट एलिमेंट मॉडेल्स विकसित आणि लागू केले गेले आहेत³,⁴,⁵. तथापि, मानवी अवयव आणि उतींची भूमिती गुंतागुंतीची असते आणि ती रुग्णावर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून असते. म्हणून, सैद्धांतिक मॉडेल्सची पडताळणी करण्यासाठी भौतिक मॉडेल्स विकसित करण्याकरिता, सुधारित वैद्यकीय उपचारांना चालना देण्यासाठी आणि वैद्यकीय शिक्षणाच्या उद्देशांसाठी, उतींसारखेच गुणधर्म असलेले साहित्य खूप उपयुक्त आहे.
गुंतागुंतीची बाह्य आणि अंतर्गत संरचनात्मक भूमिती साध्य करण्यासाठी मऊ ऊतींची नक्कल करणाऱ्या सामग्रीच्या विकासाने खूप लक्ष वेधले आहे, कारण त्यांच्यातील अंगभूत यांत्रिक विसंगतीमुळे लक्ष्यित अनुप्रयोगांमध्ये अपयश येऊ शकते⁶,⁷. फुफ्फुसाच्या ऊतींच्या गुंतागुंतीच्या बायोमेकॅनिक्सचे मॉडेलिंग करणे, ज्यात अत्यंत मऊपणा, लवचिकता आणि संरचनात्मक सच्छिद्रता यांचा समावेश असतो, मानवी फुफ्फुसाची अचूक प्रतिकृती तयार करणाऱ्या मॉडेल्सच्या विकासात एक मोठे आव्हान उभे करते. उपचारात्मक हस्तक्षेपांमध्ये फुफ्फुसाच्या मॉडेल्सच्या प्रभावी कामगिरीसाठी यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांचे एकत्रीकरण आणि जुळवणी महत्त्वपूर्ण आहे. रुग्ण-विशिष्ट मॉडेल्स विकसित करण्यासाठी अॅडिटिव्ह मॅन्युफॅक्चरिंग प्रभावी ठरले आहे, ज्यामुळे गुंतागुंतीच्या डिझाइनचे जलद प्रोटोटाइपिंग शक्य होते. शिन आणि सहकाऱ्यांनी⁸ ३डी-प्रिंटेड वायुमार्गांसह एक पुनरुत्पादनीय, विकृत होणारे फुफ्फुसाचे मॉडेल विकसित केले. हसेलार आणि सहकाऱ्यांनी⁹ रेडिओथेरपीसाठी प्रतिमा गुणवत्ता मूल्यांकन आणि स्थिती पडताळणी पद्धतींकरिता वास्तविक रुग्णांसारखेच एक फँटम विकसित केले. हाँग आणि सहकाऱ्यांनी¹⁰ परिमाणीकरणाच्या अचूकतेचे मूल्यांकन करण्यासाठी विविध फुफ्फुसांच्या जखमांची सीटी तीव्रता पुनरुत्पादित करण्याकरिता ३डी प्रिंटिंग आणि सिलिकॉन कास्टिंग तंत्रज्ञानाचा वापर करून छातीचे सीटी मॉडेल विकसित केले. तथापि, हे प्रोटोटाइप बहुतेकदा अशा सामग्रीचे बनलेले असतात ज्यांचे प्रभावी गुणधर्म फुफ्फुसाच्या ऊतींपेक्षा खूप वेगळे असतात11.
सध्या, बहुतेक फुफ्फुसांचे फँटम सिलिकॉन किंवा पॉलीयुरेथेन फोमपासून बनवलेले असतात, जे खऱ्या फुफ्फुसाच्या पॅरेन्कायमाच्या यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांशी जुळत नाहीत.१२,१३ अल्जिनेट हायड्रोजेल जैवसुसंगत आहेत आणि त्यांच्या बदलता येण्याजोग्या यांत्रिक गुणधर्मांमुळे ऊतक अभियांत्रिकीमध्ये त्यांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला गेला आहे.१४ तथापि, फुफ्फुसाच्या ऊतींची लवचिकता आणि भरण्याच्या संरचनेची अचूक नक्कल करणाऱ्या फुफ्फुस फँटमसाठी आवश्यक असलेली अत्यंत मऊ, फोमसारखी सुसंगतता पुन्हा तयार करणे हे एक प्रायोगिक आव्हान आहे.
या अभ्यासात, फुफ्फुसाचे ऊतक एकसंध लवचिक पदार्थ आहे असे गृहीत धरले होते. मानवी फुफ्फुसाच्या ऊतकाची घनता (ρ) १.०६ ग्रॅम/सेमी³ असल्याचे नोंदवले गेले आहे, आणि फुगवलेल्या फुफ्फुसाची घनता ०.२६ ग्रॅम/सेमी³ आहे. वेगवेगळ्या प्रायोगिक पद्धती वापरून फुफ्फुसाच्या ऊतकाच्या यंग्स मॉड्युलस (MY) मूल्यांची विस्तृत श्रेणी मिळवली गेली आहे. लाई-फूक आणि सहकाऱ्यांनी¹⁶ एकसमान फुगवलेल्या मानवी फुफ्फुसाचा YM ०.४२–६.७२ kPa मोजला. गॉस आणि सहकाऱ्यांनी¹⁷ मॅग्नेटिक रेझोनन्स इलास्टोग्राफीचा वापर करून २.१७ kPa चा YM नोंदवला. लिऊ आणि सहकाऱ्यांनी¹⁸ थेट मोजलेला YM ०.०३–५७.२ kPa नोंदवला. इलेगबुसी आणि सहकाऱ्यांनी¹⁹ निवडक रुग्णांकडून मिळालेल्या ४डी सीटी डेटाच्या आधारावर YM ०.१–२.७ kPa असल्याचा अंदाज वर्तवला.
फुफ्फुसाच्या रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांसाठी, फुफ्फुसाच्या ऊतींच्या एक्स-किरणांसोबतच्या आंतरक्रिया वर्तनाचे वर्णन करण्यासाठी अनेक पॅरामीटर्स वापरले जातात, ज्यामध्ये मूलद्रव्यीय रचना, इलेक्ट्रॉन घनता (\(\:{\rho\:}_{e}\)), प्रभावी अणुक्रमांक (\(\:{Z}_{eff}\)), सरासरी उत्तेजन ऊर्जा (\(\:I\)), वस्तुमान क्षीणता गुणांक (\(\:\mu\:/\rho\:\)) आणि हाउन्सफिल्ड युनिट (HU), जे \(\:\mu\:/\rho\:\) शी थेट संबंधित आहे, यांचा समावेश होतो.
इलेक्ट्रॉन घनता \(\:{\rho\:}_{e}\) ही प्रति एकक घनफळातील इलेक्ट्रॉनची संख्या म्हणून परिभाषित केली जाते आणि तिची गणना खालीलप्रमाणे केली जाते:
येथे \(\:\rho\:\) हे पदार्थाची घनता g/cm3 मध्ये आहे, \(\:{N}_{A}\) हा अव्होगाड्रो स्थिरांक आहे, \(\:{w}_{i}\) हा वस्तुमान अपूर्णांक आहे, \(\:{Z}_{i}\) हा अणुक्रमांक आहे, आणि \(\:{A}_{i}\) हे i-व्या मूलद्रव्याचे अणुभार आहे.
अणुक्रमांक हा पदार्थातील किरणोत्सर्गी आंतरक्रियेच्या स्वरूपाशी थेट संबंधित असतो. अनेक मूलद्रव्ये असलेल्या संयुगे आणि मिश्रणांसाठी (उदा., कापड), प्रभावी अणुक्रमांक \(\:{Z}_{eff}\) मोजणे आवश्यक आहे. हे सूत्र मूर्ती आणि इतरांनी २० मध्ये मांडले होते:
सरासरी उत्तेजन ऊर्जा \(\:I\) हे वर्णन करते की लक्ष्य पदार्थ भेदक कणांची गतिज ऊर्जा किती सहजतेने शोषून घेतो. हे केवळ लक्ष्य पदार्थाचे गुणधर्म दर्शवते आणि त्याचा कणांच्या गुणधर्मांशी काहीही संबंध नसतो. ब्रॅगचा बेरीज नियम लागू करून \(\:I\) ची गणना केली जाऊ शकते:
वस्तुमान क्षीणता गुणांक \(\:\mu\:/\rho\:\) हा लक्ष्य पदार्थामधील फोटॉनचा प्रवेश आणि ऊर्जा उत्सर्जन यांचे वर्णन करतो. त्याची गणना खालील सूत्राचा वापर करून केली जाऊ शकते:
येथे \(\:x\) ही पदार्थाची जाडी आहे, \(\:{I}_{0}\) ही आपाती प्रकाशाची तीव्रता आहे, आणि \(\:I\) ही पदार्थात प्रवेश केल्यानंतरची फोटॉनची तीव्रता आहे. \(\:\mu\:/\rho\:\) डेटा थेट NIST 12621 स्टँडर्ड्स रेफरन्स डेटाबेसमधून मिळवता येतो. मिश्रणे आणि संयुगांसाठी \(\:\mu\:/\rho\:\) ची मूल्ये खालीलप्रमाणे बेरीज नियमाचा वापर करून मिळवता येतात:
एचयू (HU) हे संगणकीय टोमोग्राफी (CT) डेटाच्या विश्लेषणात रेडिओडेन्सिटी मोजण्याचे एक प्रमाणित, परिमाणरहित एकक आहे, जे मोजलेल्या क्षीणता गुणांक \(\:\mu\:\) पासून रेषीय पद्धतीने रूपांतरित केले जाते. त्याची व्याख्या अशी आहे:
येथे \(\:{\mu\:}_{water}\) हा पाण्याचा क्षीणता गुणांक आहे आणि \(\:{\mu\:}_{air}\) हा हवेचा क्षीणता गुणांक 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-समकक्ष सामग्री विकसित करण्यात आल्या आहेत. ग्रिफिथ आणि सहकाऱ्यांनी (२३) पॉलीयुरेथेन (PU) पासून बनवलेले मानवी धडाचे एक ऊती-समकक्ष मॉडेल विकसित केले, ज्यामध्ये मानवी फुफ्फुसासह विविध मानवी अवयवांच्या रेषीय क्षीणता गुणांकांचे अनुकरण करण्यासाठी कॅल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) चे विविध सांद्रता जोडण्यात आल्या होत्या, आणि या मॉडेलला ग्रिफिथ असे नाव देण्यात आले. टेलर (२४) यांनी लॉरेन्स लिव्हरमोर नॅशनल लॅबोरेटरी (LLNL) द्वारे विकसित केलेले दुसरे फुफ्फुस ऊती-समकक्ष मॉडेल सादर केले, ज्याला LLLL1 असे नाव देण्यात आले. ट्रौब आणि सहकाऱ्यांनी (२५) कार्यक्षमता वाढवणारे घटक म्हणून ५.२५% CaCO3 असलेले फोमेक्स XRS-272 वापरून एक नवीन फुफ्फुस ऊती-पर्यायी पदार्थ विकसित केला, ज्याला ALT2 असे नाव देण्यात आले. तक्ते १ आणि २ मध्ये मानवी फुफ्फुस (ICRU-44) आणि वरील ऊती-समकक्ष मॉडेल्ससाठी \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) आणि वस्तुमान क्षीणता गुणांकांची तुलना दर्शविली आहे.
उत्कृष्ट रेडिओलॉजिकल गुणधर्म प्राप्त झाले असले तरी, जवळजवळ सर्व फँटम साहित्य पॉलिस्टीरिन फोमपासून बनवलेले असते, याचा अर्थ असा की या साहित्याचे यांत्रिक गुणधर्म मानवी फुफ्फुसांच्या गुणधर्मांच्या जवळपास पोहोचू शकत नाहीत. पॉलीयुरेथेन फोमचा यंग्स मॉड्युलस (YM) सुमारे ५०० kPa असतो, जो सामान्य मानवी फुफ्फुसांच्या (सुमारे ५-१० kPa) तुलनेत आदर्श स्थितीपासून खूप दूर आहे. त्यामुळे, खऱ्या मानवी फुफ्फुसांची यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल वैशिष्ट्ये पूर्ण करू शकेल अशा नवीन साहित्याचा विकास करणे आवश्यक आहे.
हायड्रोजेलचा वापर टिश्यू इंजिनिअरिंगमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो. त्याची रचना आणि गुणधर्म एक्स्ट्रासेल्युलर मॅट्रिक्स (ECM) सारखेच असतात आणि ते सहजपणे समायोजित करता येतात. या अभ्यासात, फोम तयार करण्यासाठी बायोमटेरियल म्हणून शुद्ध सोडियम अल्जिनेटची निवड करण्यात आली. अल्जिनेट हायड्रोजेल जैवसुसंगत (biocompatible) असतात आणि त्यांच्या समायोजित करता येणाऱ्या यांत्रिक गुणधर्मांमुळे टिश्यू इंजिनिअरिंगमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात. सोडियम अल्जिनेटची मूलद्रव्यीय रचना (C6H7NaO6)n आणि Ca2+ ची उपस्थिती यामुळे त्याचे रेडिओलॉजिकल गुणधर्म गरजेनुसार समायोजित करता येतात. समायोजित करता येणाऱ्या यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांच्या या संयोजनामुळे अल्जिनेट हायड्रोजेल आमच्या अभ्यासासाठी आदर्श ठरतात. अर्थात, अल्जिनेट हायड्रोजेलच्या काही मर्यादा देखील आहेत, विशेषतः कृत्रिम श्वसन चक्रांदरम्यान दीर्घकालीन स्थिरतेच्या बाबतीत. त्यामुळे, या मर्यादा दूर करण्यासाठी भविष्यातील अभ्यासांमध्ये अधिक सुधारणांची आवश्यकता आहे आणि त्या अपेक्षित आहेत.
या संशोधनात, आम्ही मानवी फुफ्फुसाच्या ऊतींप्रमाणे नियंत्रित करता येण्याजोगी रो मूल्ये, लवचिकता आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले एक अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम मटेरियल विकसित केले आहे. हा अभ्यास, बदलता येण्याजोगे लवचिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले ऊतींसारखे फँटम्स तयार करण्यासाठी एक सर्वसाधारण उपाय प्रदान करेल. या मटेरियलचे गुणधर्म कोणत्याही मानवी ऊती आणि अवयवानुसार सहजपणे जुळवून घेता येतात.
मानवी फुफ्फुसांच्या HU श्रेणीच्या (-600 ते -700) आधारावर हायड्रोजेल फोमच्या हवेचे आकारमानाशी असलेले लक्ष्यित गुणोत्तर मोजण्यात आले. हा फोम हवा आणि संश्लेषित अल्जिनेट हायड्रोजेल यांचे एक साधे मिश्रण आहे असे गृहीत धरण्यात आले. वैयक्तिक घटकांच्या \(\:\mu\:/\rho\:\) या साध्या बेरीज नियमाचा वापर करून, हवेचा आकारमान अंश आणि संश्लेषित अल्जिनेट हायड्रोजेलचे आकारमान गुणोत्तर मोजता आले.
सिग्मा-अल्ड्रिच कंपनी, सेंट लुईस, एमओ येथून खरेदी केलेले सोडियम अल्जिनेट (भाग क्र. W201502), CaCO3 (भाग क्र. 795445, रेणूभार: 100.09), आणि GDL (भाग क्र. G4750, रेणूभार: 178.14) वापरून अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम तयार करण्यात आले. ७०% सोडियम लॉरिल इथर सल्फेट (SLES 70) रेनॉन्ड ट्रेडिंग एलएलसी कडून खरेदी करण्यात आले. फोम तयार करण्याच्या प्रक्रियेत डीआयनाइज्ड पाण्याचा वापर करण्यात आला. एकसंध पिवळे पारदर्शक द्रावण मिळेपर्यंत सोडियम अल्जिनेट खोलीच्या तापमानावर डीआयनाइज्ड पाण्यात सतत ढवळत (६०० आरपीएम) विरघळवण्यात आले. जेल तयार होण्याची प्रक्रिया सुरू करण्यासाठी Ca2+ स्रोत म्हणून GDL सोबत CaCO3 चा वापर करण्यात आला. हायड्रोजेलच्या आत सच्छिद्र रचना तयार करण्यासाठी सर्फॅक्टंट म्हणून SLES 70 चा वापर करण्यात आला. अल्जिनेटची सांद्रता ५% आणि Ca2+:-COOH मोलर गुणोत्तर ०.१८ ठेवण्यात आले. फेस तयार करताना उदासीन pH राखण्यासाठी CaCO3:GDL मोलर गुणोत्तर ०.५ ठेवण्यात आले होते. सर्व नमुन्यांमध्ये आकारमानानुसार २६.२% SLES 70 मिसळण्यात आले. द्रावण आणि हवेच्या मिश्रणाचे प्रमाण नियंत्रित करण्यासाठी झाकण असलेल्या एका चंचुपात्राचा वापर करण्यात आला. चंचुपात्राचे एकूण आकारमान १४० मिली होते. सैद्धांतिक गणनेच्या निकालांवर आधारित, मिश्रणाचे वेगवेगळे आकारमान (५० मिली, १०० मिली, ११० मिली) हवेसोबत मिसळण्यासाठी चंचुपात्रात टाकण्यात आले. ५० मिली मिश्रण असलेला नमुना पुरेशा हवेसोबत मिसळण्यासाठी तयार करण्यात आला होता, तर इतर दोन नमुन्यांमधील हवेच्या आकारमानाचे गुणोत्तर नियंत्रित ठेवण्यात आले. प्रथम, अल्जिनेटच्या द्रावणात SLES 70 टाकून ते पूर्णपणे एकजीव होईपर्यंत इलेक्ट्रिक स्टिररने ढवळण्यात आले. त्यानंतर, मिश्रणात CaCO3 चे निलंबन टाकून मिश्रण पूर्णपणे एकजीव होईपर्यंत सतत ढवळण्यात आले, तेव्हा त्याचा रंग पांढरा झाला. शेवटी, जेल तयार होण्याची प्रक्रिया सुरू करण्यासाठी मिश्रणात GDL चे द्रावण टाकण्यात आले आणि संपूर्ण प्रक्रियेदरम्यान यांत्रिक पद्धतीने ढवळणे सुरू ठेवण्यात आले. ५० मिली मिश्रण असलेल्या नमुन्यासाठी, जेव्हा मिश्रणाच्या आकारमानात बदल होणे थांबले, तेव्हा यांत्रिक ढवळणे थांबवण्यात आले. १०० मिली आणि ११० मिली मिश्रण असलेल्या नमुन्यांसाठी, जेव्हा मिश्रणाने बीकर भरला, तेव्हा यांत्रिक ढवळणे थांबवण्यात आले. आम्ही ५० मिली ते १०० मिली दरम्यान आकारमान असलेले हायड्रोजेल फोम तयार करण्याचा प्रयत्नही केला. तथापि, फोमची संरचनात्मक अस्थिरता दिसून आली, कारण तो पूर्णपणे हवा मिसळण्याच्या अवस्थेपासून हवेच्या आकारमानावर नियंत्रण ठेवण्याच्या अवस्थेपर्यंत हेलकावे खात होता, ज्यामुळे आकारमानावर विसंगत नियंत्रण आले. या अस्थिरतेमुळे गणितांमध्ये अनिश्चितता निर्माण झाली, आणि म्हणूनच आकारमानाची ही श्रेणी या अभ्यासात समाविष्ट केली गेली नाही.
हायड्रोजेल फोमच्या नमुन्याचे वस्तुमान \(\:m\) आणि आकारमान \(\:V\) मोजून त्याची घनता \(\:\rho\:\) काढली जाते.
झाईस ॲक्सिओ ऑब्झर्वर ए१ (Zeiss Axio Observer A1) कॅमेऱ्याचा वापर करून हायड्रोजेल फोमच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपिक प्रतिमा मिळवण्यात आल्या. मिळालेल्या प्रतिमांच्या आधारे, नमुन्याच्या एका विशिष्ट भागातील छिद्रांची संख्या आणि आकार वितरणाची गणना करण्यासाठी इमेजजे (ImageJ) सॉफ्टवेअरचा वापर करण्यात आला. छिद्रांचा आकार वर्तुळाकार असल्याचे गृहीत धरले आहे.
अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमच्या यांत्रिक गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी, टेस्टरिसोर्सेस १०० सिरीज मशीनचा वापर करून एकअक्षीय संपीडन चाचण्या घेण्यात आल्या. नमुने आयताकृती ठोकळ्यांमध्ये कापण्यात आले आणि ताण व विकृती मोजण्यासाठी ठोकळ्यांचे आकारमान मोजण्यात आले. क्रॉसहेडचा वेग १० मिमी/मिनिट निश्चित करण्यात आला होता. प्रत्येक नमुन्यासाठी तीन नमुन्यांची चाचणी घेण्यात आली आणि निकालांमधून सरासरी व प्रमाण विचलन मोजण्यात आले. या अभ्यासात अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमच्या संपीडन यांत्रिक गुणधर्मांवर लक्ष केंद्रित करण्यात आले, कारण श्वसनचक्राच्या एका विशिष्ट टप्प्यावर फुफ्फुसाच्या ऊतींवर संपीडन बल कार्य करते. ताणण्याची क्षमता अर्थातच अत्यंत महत्त्वाची आहे, विशेषतः फुफ्फुसाच्या ऊतींचे संपूर्ण गतिशील वर्तन दर्शवण्यासाठी, आणि याचा अभ्यास भविष्यातील अभ्यासांमध्ये केला जाईल.
तयार केलेले हायड्रोजेल फोमचे नमुने सीमेन्स सोमाटोम ड्राइव्ह ड्युअल-चॅनल सीटी स्कॅनरवर स्कॅन करण्यात आले. स्कॅनिंग पॅरामीटर्स खालीलप्रमाणे सेट केले होते: ४० mAs, १२० kVp आणि १ मिमी स्लाइस थिकनेस. प्रत्येक नमुन्याच्या ५ क्रॉस-सेक्शन्सच्या HU मूल्यांचे विश्लेषण करण्यासाठी, परिणामी DICOM फाइल्सचे विश्लेषण मायक्रोडिकॉम DICOM व्ह्यूअर सॉफ्टवेअर वापरून करण्यात आले. सीटीद्वारे प्राप्त झालेल्या HU मूल्यांची तुलना नमुन्यांच्या घनतेच्या डेटावर आधारित सैद्धांतिक गणनेशी करण्यात आली.
मऊ पदार्थांच्या अभियांत्रिकीद्वारे वैयक्तिक अवयवांचे मॉडेल आणि कृत्रिम जैविक ऊतींच्या निर्मितीमध्ये क्रांती घडवणे, हा या अभ्यासाचा उद्देश आहे. मानवी फुफ्फुसांच्या कार्यप्रणालीशी जुळणारे यांत्रिक आणि किरणोत्सर्गी गुणधर्म असलेले पदार्थ विकसित करणे, हे वैद्यकीय प्रशिक्षण सुधारणे, शस्त्रक्रिया नियोजन आणि किरणोत्सर्ग उपचार नियोजन यांसारख्या विशिष्ट उपयोगांसाठी महत्त्वाचे आहे. आकृती 1A मध्ये, मानवी फुफ्फुसांचे मॉडेल तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या मऊ पदार्थांच्या यांत्रिक आणि किरणोत्सर्गी गुणधर्मांमधील तफावत दर्शवली आहे. आजपर्यंत, असे पदार्थ विकसित केले गेले आहेत जे अपेक्षित किरणोत्सर्गी गुणधर्म दर्शवतात, परंतु त्यांचे यांत्रिक गुणधर्म अपेक्षित आवश्यकता पूर्ण करत नाहीत. विकृत होणारे मानवी फुफ्फुसांचे मॉडेल तयार करण्यासाठी पॉलीयुरेथेन फोम आणि रबर हे सर्वाधिक वापरले जाणारे पदार्थ आहेत. पॉलीयुरेथेन फोमचे यांत्रिक गुणधर्म (यंगचा मापांक, YM) सामान्य मानवी फुफ्फुसांच्या ऊतींपेक्षा साधारणपणे १० ते १०० पट जास्त असतात. अपेक्षित यांत्रिक आणि किरणोत्सर्गी दोन्ही गुणधर्म दर्शवणारे पदार्थ अद्याप ज्ञात नाहीत.
(अ) विविध मऊ पदार्थांच्या गुणधर्मांचे योजनाबद्ध सादरीकरण आणि घनता, यंगचा मापांक व किरणोत्सर्गी गुणधर्मांच्या (HU मध्ये) संदर्भात मानवी फुफ्फुसाशी तुलना. (ब) ५% सांद्रता आणि ०.१८ चे Ca2+:-COOH मोलर गुणोत्तर असलेल्या \(\:\mu\:/\rho\:\) अल्जिनेट हायड्रोजेलचा एक्स-रे विवर्तन नमुना. (क) हायड्रोजेल फोममधील हवेच्या घनफळ गुणोत्तरांची श्रेणी. (ड) वेगवेगळ्या हवेच्या घनफळ गुणोत्तरांसह अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचे योजनाबद्ध सादरीकरण.
5% सांद्रता आणि 0.18 च्या Ca2+:-COOH मोलर गुणोत्तरासह अल्जिनेट हायड्रोजेलची मूलद्रव्यीय रचना मोजण्यात आली आणि त्याचे परिणाम तक्ता 3 मध्ये दर्शविले आहेत. मागील सूत्र (5) मधील बेरीज नियमानुसार, अल्जिनेट हायड्रोजेलचा वस्तुमान क्षीणता गुणांक \(\:\:\mu\:/\rho\:\) आकृती 1B मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे प्राप्त होतो.
हवा आणि पाण्यासाठीची \(\:\mu\:/\rho\:\) मूल्ये थेट NIST 12612 मानक संदर्भ डेटाबेसमधून मिळवण्यात आली. अशाप्रकारे, आकृती 1C मानवी फुफ्फुसासाठी -600 ते -700 दरम्यान HU समतुल्य मूल्ये असलेल्या हायड्रोजेल फोममधील गणना केलेले हवेच्या प्रमाणाचे गुणोत्तर दर्शवते. सैद्धांतिकरित्या गणना केलेले हवेच्या प्रमाणाचे गुणोत्तर 1 × 10−3 ते 2 × 101 MeV या ऊर्जा श्रेणीमध्ये 60-70% च्या आत स्थिर आहे, जे डाउनस्ट्रीम उत्पादन प्रक्रियांमध्ये हायड्रोजेल फोमच्या वापरासाठी चांगली क्षमता दर्शवते.
आकृती 1D मध्ये तयार केलेला अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचा नमुना दाखवला आहे. सर्व नमुने 12.7 मिमी कडेच्या लांबीच्या घनांमध्ये कापले गेले. निकालांवरून असे दिसून आले की एक एकसंध, त्रिमितीय स्थिर हायड्रोजेल फोम तयार झाला होता. हवेच्या प्रमाणाचे गुणोत्तर काहीही असले तरी, हायड्रोजेल फोमच्या दिसण्यात कोणताही लक्षणीय फरक दिसून आला नाही. हायड्रोजेल फोमचा स्वयंपोषक स्वभाव सूचित करतो की हायड्रोजेलमध्ये तयार झालेले जाळे फोमचे स्वतःचे वजन पेलण्याइतके मजबूत आहे. फोममधून थोड्या प्रमाणात पाण्याची गळती वगळता, फोमने अनेक आठवड्यांपर्यंत क्षणिक स्थिरता देखील दर्शविली.
फोमच्या नमुन्याचे वस्तुमान आणि आकारमान मोजून, तयार केलेल्या हायड्रोजेल फोमची घनता \(\:\rho\:\) मोजण्यात आली आणि त्याचे परिणाम तक्ता ४ मध्ये दर्शविले आहेत. हे परिणाम हवेच्या आकारमानाच्या गुणोत्तरावर \(\:\rho\:\) चे अवलंबित्व दर्शवतात. जेव्हा ५० मिली नमुन्यामध्ये पुरेशी हवा मिसळली जाते, तेव्हा घनता सर्वात कमी होऊन ०.४८२ ग्रॅम/सेमी³ होते. मिसळलेल्या हवेचे प्रमाण कमी झाल्यावर, घनता वाढून ०.६८५ ग्रॅम/सेमी³ होते. ५० मिली, १०० मिली आणि ११० मिलीच्या गटांमधील कमाल p मूल्य ०.००४ < ०.०५ होते, जे परिणामांचे सांख्यिकीय महत्त्व दर्शवते.
नियंत्रित हवेच्या घनफळाच्या गुणोत्तराचा वापर करून सैद्धांतिक \(\:\rho\:\) मूल्याची गणना देखील केली जाते. मोजलेल्या परिणामांनुसार \(\:\rho\:\) हे सैद्धांतिक मूल्यापेक्षा 0.1 g/cm³ ने कमी आहे. या फरकाचे स्पष्टीकरण असे देता येते की, जेल तयार होण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान हायड्रोजेलमध्ये अंतर्गत ताण निर्माण होतो, ज्यामुळे सूज येते आणि परिणामी \(\:\rho\:\) मध्ये घट होते. आकृती २ (A, B आणि C) मध्ये दाखवलेल्या CT प्रतिमांमध्ये हायड्रोजेल फोमच्या आत काही पोकळ्या आढळल्याने याची अधिक पुष्टी झाली.
वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणासह हायड्रोजेल फोमच्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी प्रतिमा (A) 50, (B) 100, आणि (C) 110. अल्जिनेट हायड्रोजेल फोम नमुन्यांमध्ये पेशींची संख्या आणि छिद्रांच्या आकाराचे वितरण (D) 50, (E) 100, (F) 110.
आकृती ३ (A, B, C) मध्ये वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणासह हायड्रोजेल फोमच्या नमुन्यांची ऑप्टिकल मायक्रोस्कोप प्रतिमा दर्शविल्या आहेत. हे परिणाम हायड्रोजेल फोमची ऑप्टिकल रचना स्पष्ट करतात, ज्यात वेगवेगळ्या व्यासांच्या छिद्रांच्या प्रतिमा स्पष्टपणे दिसतात. छिद्रांची संख्या आणि व्यासाचे वितरण ImageJ वापरून मोजण्यात आले. प्रत्येक नमुन्यासाठी सहा प्रतिमा घेण्यात आल्या, प्रत्येक प्रतिमेचा आकार ११२५.२७ μm × ८४३.९६ μm होता आणि प्रत्येक नमुन्यासाठी विश्लेषित केलेले एकूण क्षेत्रफळ ५.७ mm² होते.
(अ) वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणांसह अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचे संपीडन प्रतिबल-विकृती वर्तन. (ब) घातीय जुळवणी. (क) वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणांसह हायड्रोजेल फोमचे संपीडन E0. (ड) वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणांसह अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचे अंतिम संपीडन प्रतिबल आणि विकृती.
आकृती ३ (डी, ई, एफ) दर्शवते की छिद्रांच्या आकाराचे वितरण तुलनेने एकसमान आहे, जे काही मायक्रोमीटरपासून सुमारे ५०० मायक्रोमीटरपर्यंत आहे. छिद्रांचा आकार मूलतः एकसमान आहे आणि हवेचे प्रमाण कमी झाल्यावर तो किंचित कमी होतो. चाचणी डेटानुसार, ५० मिली नमुन्याचा सरासरी छिद्र आकार १९२.१६ μm, मध्यक १८४.५१ μm आणि प्रति एकक क्षेत्रफळातील छिद्रांची संख्या १०३ आहे; १०० मिली नमुन्याचा सरासरी छिद्र आकार १५६.६२ μm, मध्यक १५१.०७ μm आणि प्रति एकक क्षेत्रफळातील छिद्रांची संख्या १०९ आहे; ११० मिली नमुन्याची संबंधित मूल्ये अनुक्रमे १६३.०७ μm, १५०.२९ μm आणि ११५ आहेत. आकडेवारीवरून असे दिसून येते की, मोठ्या छिद्रांचा सरासरी छिद्र आकाराच्या सांख्यिकीय निकालांवर अधिक प्रभाव पडतो आणि मध्यक छिद्र आकार छिद्र आकारातील बदलाचा कल अधिक चांगल्या प्रकारे दर्शवू शकतो. नमुन्याचे आकारमान ५० मिली पासून ११० मिली पर्यंत वाढल्यास, छिद्रांची संख्या देखील वाढते. मध्यक छिद्र व्यास आणि छिद्र संख्या यांच्या सांख्यिकीय निकालांना एकत्र केल्यास, असा निष्कर्ष काढता येतो की आकारमान वाढल्याने नमुन्याच्या आत लहान आकाराची अधिक छिद्रे तयार होतात.
यांत्रिक चाचणीचा डेटा आकृती ४अ आणि ४ड मध्ये दर्शविला आहे. आकृती ४अ मध्ये वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणांसह तयार केलेल्या हायड्रोजेल फोमचे संपीडन प्रतिबल-विकृती वर्तन दर्शविले आहे. निकालांवरून असे दिसून येते की सर्व नमुन्यांमध्ये समान अरेखीय प्रतिबल-विकृती वर्तन आहे. प्रत्येक नमुन्यासाठी, विकृती वाढल्याने प्रतिबल अधिक वेगाने वाढते. हायड्रोजेल फोमच्या संपीडन प्रतिबल-विकृती वर्तनाला एक घातांकीय वक्र जुळवून घेण्यात आला. आकृती ४ब मध्ये हायड्रोजेल फोमला एक अंदाजित मॉडेल म्हणून घातांकीय फलन लागू केल्यानंतरचे निकाल दर्शविले आहेत.
वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणाच्या हायड्रोजेल फोमसाठी, त्यांच्या संपीडन मापांकाचा (E0) देखील अभ्यास करण्यात आला. हायड्रोजेलच्या विश्लेषणाप्रमाणेच, २०% प्रारंभिक विकृतीच्या मर्यादेत संपीडन यंग मापांकाची तपासणी करण्यात आली. संपीडन चाचण्यांचे निकाल आकृती ४C मध्ये दर्शविले आहेत. आकृती ४C मधील निकालांवरून असे दिसून येते की, नमुना ५० पासून नमुना ११० पर्यंत हवेचे प्रमाण कमी झाल्यावर, अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचा संपीडन यंग मापांक E0 हा १०.८६ kPa पासून १८ kPa पर्यंत वाढतो.
त्याचप्रमाणे, हायड्रोजेल फोमचे संपूर्ण ताण-विकृती वक्र, तसेच अंतिम संपीडन ताण आणि विकृतीची मूल्ये मिळवण्यात आली. आकृती 4D मध्ये अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमचा अंतिम संपीडन ताण आणि विकृती दर्शविली आहे. प्रत्येक डेटा बिंदू हा तीन चाचणी निकालांची सरासरी आहे. निकालांवरून असे दिसून येते की वायूचे प्रमाण कमी झाल्याने अंतिम संपीडन ताण 9.84 kPa पासून 17.58 kPa पर्यंत वाढतो. अंतिम विकृती सुमारे 38% वर स्थिर राहते.
आकृती २ (A, B, आणि C) मध्ये अनुक्रमे नमुने ५०, १००, आणि ११० यांच्याशी संबंधित, वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाण गुणोत्तरांसह हायड्रोजेल फोमच्या CT प्रतिमा दर्शविल्या आहेत. या प्रतिमांवरून असे दिसून येते की तयार झालेला हायड्रोजेल फोम जवळजवळ एकसंध आहे. नमुने १०० आणि ११० मध्ये थोड्या प्रमाणात पोकळ्या आढळून आल्या. या पोकळ्यांची निर्मिती जेल बनण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान हायड्रोजेलमध्ये निर्माण झालेल्या अंतर्गत ताणामुळे असू शकते. आम्ही प्रत्येक नमुन्याच्या ५ छेदांसाठी HU मूल्यांची गणना केली आणि संबंधित सैद्धांतिक गणनेच्या निकालांसह ती तक्ता ५ मध्ये सूचीबद्ध केली.
तक्ता ५ दर्शवितो की, हवेच्या प्रमाणाचे वेगवेगळे गुणोत्तर असलेल्या नमुन्यांना वेगवेगळी HU मूल्ये मिळाली. ५० मिली, १०० मिली आणि ११० मिली गटांमधील कमाल p मूल्य ०.००४ < ०.०५ होते, जे निकालांची सांख्यिकीय सार्थकता दर्शवते. तपासलेल्या तीन नमुन्यांपैकी, ५० मिली मिश्रणाच्या नमुन्याचे किरणोत्सर्गी गुणधर्म मानवी फुफ्फुसांच्या गुणधर्मांशी सर्वात जवळचे होते. तक्ता ५ चा शेवटचा स्तंभ हा मोजलेल्या फोम मूल्य \(\:\rho\:\) वर आधारित सैद्धांतिक गणनेद्वारे मिळालेला निकाल आहे. मोजलेल्या डेटाची सैद्धांतिक निकालांशी तुलना केल्यावर असे दिसून येते की, सीटी स्कॅनिंगद्वारे मिळालेली HU मूल्ये साधारणपणे सैद्धांतिक निकालांच्या जवळ आहेत, जे आकृती १सी मधील हवेच्या प्रमाणाच्या गणनेच्या निकालांची पुष्टी करते.
या अभ्यासाचे मुख्य उद्दिष्ट मानवी फुफ्फुसांच्या तुलनेत समान यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले साहित्य तयार करणे आहे. हे उद्दिष्ट, मानवी फुफ्फुसांच्या शक्य तितके जवळचे, विशिष्ट ऊती-समकक्ष यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्म असलेले हायड्रोजेल-आधारित साहित्य विकसित करून साध्य करण्यात आले. सैद्धांतिक गणितांच्या आधारे, सोडियम अल्जिनेट द्रावण, CaCO3, GDL आणि SLES 70 यांना यांत्रिकरित्या मिसळून वेगवेगळ्या हवेच्या प्रमाणाचे हायड्रोजेल फोम तयार करण्यात आले. आकारशास्त्रीय विश्लेषणातून असे दिसून आले की एकसंध, त्रि-मितीय आणि स्थिर हायड्रोजेल फोम तयार झाला आहे. हवेचे प्रमाण बदलून, फोमची घनता आणि सच्छिद्रता इच्छेनुसार बदलता येते. हवेचे प्रमाण वाढल्याने, छिद्रांचा आकार किंचित कमी होतो आणि छिद्रांची संख्या वाढते. अल्जिनेट हायड्रोजेल फोमच्या यांत्रिक गुणधर्मांचे विश्लेषण करण्यासाठी संपीडन चाचण्या घेण्यात आल्या. निकालांवरून असे दिसून आले की संपीडन चाचण्यांमधून मिळालेला संपीडन मापांक (E0) मानवी फुफ्फुसांसाठी आदर्श श्रेणीत आहे. हवेचे प्रमाण कमी झाल्यावर E0 वाढतो. तयार केलेल्या नमुन्यांच्या रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांची (HU) मूल्ये नमुन्यांच्या सीटी डेटाच्या आधारे मिळवण्यात आली आणि त्यांची तुलना सैद्धांतिक गणनेच्या निकालांशी करण्यात आली. निकाल अनुकूल होते. मोजलेले मूल्य मानवी फुफ्फुसांच्या HU मूल्याच्याही जवळ आहे. या निकालांवरून असे दिसून येते की, मानवी फुफ्फुसांच्या गुणधर्मांचे अनुकरण करणारे, यांत्रिक आणि रेडिओलॉजिकल गुणधर्मांचे आदर्श संयोजन असलेले ऊती-सदृश हायड्रोजेल फोम तयार करणे शक्य आहे.
आश्वासक परिणाम असूनही, जागतिक आणि स्थानिक दोन्ही स्तरांवर सैद्धांतिक गणिते आणि वास्तविक मानवी फुफ्फुसांमधील अंदाजांशी जुळण्यासाठी हवेच्या प्रमाणाचे गुणोत्तर आणि सच्छिद्रता अधिक चांगल्या प्रकारे नियंत्रित करण्याकरिता सध्याच्या निर्मिती पद्धतींमध्ये सुधारणा करणे आवश्यक आहे. सध्याचा अभ्यास केवळ संपीडन यांत्रिकीच्या चाचणीपुरता मर्यादित आहे, ज्यामुळे फँटमचा संभाव्य वापर श्वसनचक्राच्या संपीडन टप्प्यापुरता मर्यादित राहतो. गतिशील भारण परिस्थितींखालील संभाव्य उपयोगांचे मूल्यांकन करण्यासाठी, भविष्यातील संशोधनात ताण चाचणी तसेच पदार्थाच्या एकूण यांत्रिक स्थिरतेचा अभ्यास करणे फायदेशीर ठरेल. या मर्यादा असूनही, मानवी फुफ्फुसाची प्रतिकृती असलेल्या एकाच पदार्थामध्ये किरणोत्सर्गी आणि यांत्रिक गुणधर्म एकत्र करण्याचा हा पहिला यशस्वी प्रयत्न आहे.
सध्याच्या अभ्यासादरम्यान तयार केलेला आणि/किंवा विश्लेषण केलेला डेटासेट, योग्य विनंती केल्यावर संबंधित लेखकाकडून उपलब्ध होईल. प्रयोग आणि डेटासेट दोन्ही पुनरुत्पादित करता येतात.
सॉन्ग, जी., व इतर. कर्करोगाच्या रेडिएशन थेरपीसाठी नवीन नॅनोटेक्नॉलॉजी आणि प्रगत साहित्य. ॲडव्हान्स मटेरियल्स 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
किल, पी.जे., आणि इतर. रेडिएशन ऑन्कोलॉजीमधील श्वसन गती व्यवस्थापनावरील AAPM 76a टास्क फोर्सचा अहवाल. मेड. फिज. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
अल-माया, ए., मोसेली, जे., आणि ब्रॉक, केके मानवी फुफ्फुसातील इंटरफेस आणि मटेरियल नॉनलाइनरिटी मॉडेलिंग. फिजिक्स अँड मेडिसिन अँड बायोलॉजी 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
वांग, एक्स., व इतर. 3D बायोप्रिंटिंगद्वारे तयार केलेले ट्यूमरसारखे फुफ्फुसाच्या कर्करोगाचे मॉडेल. 3. बायोटेक्नॉलॉजी. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
ली, एम., व इतर. फुफ्फुसाच्या विकृतीचे मॉडेलिंग: विकृत प्रतिमा नोंदणी तंत्र आणि अवकाशीय बदलणारे यंगचे मापांक अंदाज यांना एकत्रित करणारी एक पद्धत. मेड. फिज. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
गिमारेस, सीएफ आणि इतर. जिवंत उतींची कडकपणा आणि उती अभियांत्रिकीसाठी त्याचे परिणाम. नेचर रिव्ह्यूज मटेरियल्स अँड एन्व्हायर्नमेंट 5, 351–370 (2020).