Asante kwa kutembelea nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza kutumia toleo jipya la kivinjari (au kuzima hali ya utangamano katika Internet Explorer). Zaidi ya hayo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tovuti hii haitajumuisha mitindo au JavaScript.
Mzunguko wa viungo na tishu unaweza kusababisha makosa katika uwekaji wa miale ya X wakati wa tiba ya mionzi. Kwa hivyo, nyenzo zenye sifa za kiufundi na za radiolojia zinazolingana na tishu zinahitajika ili kuiga mwendo wa viungo kwa ajili ya uboreshaji wa tiba ya mionzi. Hata hivyo, uundaji wa nyenzo hizo unabaki kuwa changamoto. Hidrojeli za alginate zina sifa zinazofanana na zile za matrix ya nje ya seli, na kuzifanya ziwe na matumaini kama nyenzo zinazolingana na tishu. Katika utafiti huu, povu za hidrojeli za alginate zenye sifa zinazohitajika za mitambo na radiolojia zilitengenezwa kwa kutolewa kwa Ca2+ katika situ. Uwiano wa hewa-kwa-ujazo ulidhibitiwa kwa uangalifu ili kupata povu za hidrojeli zenye sifa zilizoainishwa za mitambo na radiolojia. Maumbile ya jumla na madogo ya nyenzo yalibainishwa, na tabia ya povu za hidrojeli chini ya mgandamizo ilisomwa. Sifa za radiolojia zilikadiriwa kinadharia na kuthibitishwa kimajaribio kwa kutumia tomografia iliyokokotolewa. Utafiti huu unatoa mwanga juu ya maendeleo ya baadaye ya nyenzo zinazolingana na tishu ambazo zinaweza kutumika kwa uboreshaji wa kipimo cha mionzi na udhibiti wa ubora wakati wa tiba ya mionzi.
Tiba ya mionzi ni matibabu ya kawaida kwa saratani1. Kusogea kwa viungo na tishu mara nyingi husababisha makosa katika uwekaji wa miale ya X wakati wa tiba ya mionzi2, ambayo inaweza kusababisha kutotibiwa vizuri kwa uvimbe na kufichuliwa kupita kiasi kwa seli zenye afya zinazozunguka kwa mionzi isiyo ya lazima. Uwezo wa kutabiri mwendo wa viungo na tishu ni muhimu ili kupunguza makosa ya ujanibishaji wa uvimbe. Utafiti huu ulilenga mapafu, kwani hupitia mabadiliko makubwa na mienendo wakati wagonjwa wanapumua wakati wa tiba ya mionzi. Mifano mbalimbali ya vipengele vya mwisho imetengenezwa na kutumika kuiga mwendo wa mapafu ya binadamu3,4,5. Hata hivyo, viungo na tishu za binadamu zina jiometri tata na hutegemea sana mgonjwa. Kwa hivyo, vifaa vyenye sifa sawa na tishu ni muhimu sana kwa kutengeneza mifano ya kimwili ili kuthibitisha mifano ya kinadharia, kuwezesha matibabu bora ya kimatibabu, na kwa madhumuni ya elimu ya kimatibabu.
Ukuzaji wa vifaa vya kuiga tishu laini ili kufikia jiometri tata za kimuundo za nje na za ndani umevutia umakini mkubwa kwa sababu kutolingana kwao kwa kimuundo kunaweza kusababisha kushindwa katika matumizi lengwa6,7. Kuunda mfano wa biomekaniki tata za tishu za mapafu, ambayo inachanganya ulaini uliokithiri, unyumbufu, na unyeti wa kimuundo, kunaleta changamoto kubwa katika kutengeneza mifano ambayo huzaa mapafu ya binadamu kwa usahihi. Ujumuishaji na ulinganisho wa sifa za kimuundo na radiolojia ni muhimu kwa utendaji mzuri wa mifano ya mapafu katika hatua za matibabu. Utengenezaji wa nyongeza umethibitika kuwa mzuri katika kutengeneza mifano maalum ya mgonjwa, na kuwezesha uundaji wa haraka wa miundo tata. Shin et al. 8 walitengeneza modeli ya mapafu inayoweza kuzalishwa tena na kuharibika yenye njia za hewa zilizochapishwa kwa 3D. Haselaar et al. 9 walitengeneza fikira inayofanana sana na wagonjwa halisi kwa ajili ya tathmini ya ubora wa picha na mbinu za uthibitishaji wa nafasi kwa ajili ya tiba ya mionzi. Hong et al10 walitengeneza modeli ya CT ya kifua kwa kutumia teknolojia ya uchapishaji wa 3D na uundaji wa silikoni ili kuzalisha nguvu ya CT ya vidonda mbalimbali vya mapafu ili kutathmini usahihi wa upimaji. Hata hivyo, mifano hii mara nyingi hutengenezwa kwa nyenzo ambazo sifa zake za ufanisi ni tofauti sana na zile za tishu za mapafu11.
Hivi sasa, phantom nyingi za mapafu hutengenezwa kwa povu ya silikoni au polyurethane, ambayo hailingani na sifa za kiufundi na za radiolojia za parenchyma halisi ya mapafu.12,13 Hidrojeli za alginate zinaendana na viumbe hai na zimetumika sana katika uhandisi wa tishu kutokana na sifa zao za kiufundi zinazoweza kubadilishwa.14 Hata hivyo, kuzalisha uthabiti laini sana, kama povu unaohitajika kwa phantom ya mapafu ambayo inaiga kwa usahihi unyumbufu na muundo wa kujaza tishu za mapafu bado ni changamoto ya majaribio.
Katika utafiti huu, ilidhaniwa kuwa tishu za mapafu ni nyenzo inayonyumbulika sawa. Uzito wa tishu za mapafu ya binadamu (\(\:\rho\:\)) unaripotiwa kuwa 1.06 g/cm3, na mzito wa mapafu yaliyofurika ni 0.26 g/cm315. Aina mbalimbali za modulus za Young (MY) za tishu za mapafu zimepatikana kwa kutumia mbinu tofauti za majaribio. Lai-Fook et al. 16 walipima YM ya mapafu ya binadamu huku mfumuko wa bei ukiwa 0.42–6.72 kPa. Goss et al. 17 walitumia elastografia ya mwangwi wa sumaku na kuripoti YM ya 2.17 kPa. Liu et al. 18 waliripoti YM iliyopimwa moja kwa moja ya 0.03–57.2 kPa. Ilegbusi et al. 19 walikadiria YM kuwa 0.1–2.7 kPa kulingana na data ya 4D CT iliyopatikana kutoka kwa wagonjwa waliochaguliwa.
Kwa sifa za mionzi ya mapafu, vigezo kadhaa hutumika kuelezea tabia ya mwingiliano wa tishu za mapafu na miale ya X, ikiwa ni pamoja na muundo wa elementi, msongamano wa elektroni (\(\:{\rho\:}_{e}\)), nambari ya atomiki inayofaa (\(\:{Z}_{eff}\)), nishati ya wastani ya msisimko (\(\:I\)), mgawo wa kupunguza uzito (\(\:\mu\:/\rho\:\)) na kitengo cha Hounsfield (HU), ambacho kinahusiana moja kwa moja na \(\:\mu\:/\rho\:\).
Uzito wa elektroni \(\:{\rho\:}_{e}\) hufafanuliwa kama idadi ya elektroni kwa kila ujazo wa kitengo na huhesabiwa kama ifuatavyo:
ambapo \(\:\rho\:\) ni msongamano wa nyenzo katika g/cm3, \(\:{N}_{A}\) ni kigezo cha Avogadro, \(\:{w}_{i}\) ni sehemu ya uzito, \(\:{Z}_{i}\) ni nambari ya atomiki, na \(\:{A}_{i}\) ni uzito wa atomiki wa kipengele cha i-th.
Nambari ya atomiki inahusiana moja kwa moja na asili ya mwingiliano wa mionzi ndani ya nyenzo. Kwa misombo na michanganyiko yenye elementi kadhaa (km, vitambaa), nambari ya atomiki inayofaa \(\:{Z}_{eff}\) lazima ihesabiwe. Fomula ilipendekezwa na Murthy et al. 20:
Nishati ya wastani ya uchochezi \(\:I\) inaelezea jinsi nyenzo lengwa inavyofyonza nishati ya kinetiki ya chembe zinazopenya kwa urahisi. Inaelezea sifa za nyenzo lengwa pekee na haina uhusiano wowote na sifa za chembe. \(\:I\) inaweza kuhesabiwa kwa kutumia sheria ya uongezaji wa Bragg:
Kigezo cha upunguzaji wa uzito \(\:\mu\:/\rho\:\) kinaelezea kupenya na kutolewa kwa nishati ya fotoni katika nyenzo lengwa. Inaweza kuhesabiwa kwa kutumia fomula ifuatayo:
Ambapo \(\:x\) ni unene wa nyenzo, \(\:{I}_{0}\) ni kiwango cha mwanga kinachotokea, na \(\:I\) ni kiwango cha fotoni baada ya kupenya ndani ya nyenzo. \(\:\mu\:/\rho\:\) data inaweza kupatikana moja kwa moja kutoka kwa Hifadhidata ya Marejeleo ya Viwango vya NIST 12621. Thamani za \(\:\mu\:/\rho\:\) za michanganyiko na misombo zinaweza kupatikana kwa kutumia sheria ya uongezaji kama ifuatavyo:
HU ni kitengo sanifu kisicho na kipimo cha kipimo cha msongamano wa mionzi katika tafsiri ya data ya tomografia iliyokokotolewa (CT), ambayo hubadilishwa kwa mstari kutoka kwa mgawo wa upunguzaji uliopimwa \(\:\mu\:\). Inafafanuliwa kama:
ambapo \(\:{\mu\:}_{water}\) ni mgawo wa kupunguza joto wa maji, na \(\:{\mu\:}_{hewa}\) ni mgawo wa kupunguza joto wa hewa. Kwa hivyo, kutoka kwa fomula (6) tunaona kwamba thamani ya HU ya maji ni 0, na thamani ya HU ya hewa ni -1000. Thamani ya HU kwa mapafu ya binadamu ni kati ya -600 hadi -70022.
Vifaa kadhaa sawa vya tishu vimetengenezwa. Griffith na wenzake 23 walitengeneza kielelezo sawa cha tishu cha kiwiliwili cha binadamu kilichotengenezwa kwa polyurethane (PU) ambapo viwango mbalimbali vya kalsiamu kaboneti (CaCO3) viliongezwa ili kuiga vielelezo vya upunguzaji wa viungo mbalimbali vya binadamu ikijumuisha mapafu ya binadamu, na kielelezo hicho kiliitwa Griffith. Taylor24 aliwasilisha kielelezo cha pili sawa cha tishu za mapafu kilichotengenezwa na Maabara ya Kitaifa ya Lawrence Livermore (LLNL), kilichoitwa LLLL1. Traub na wenzake 25 walitengeneza mbadala mpya wa tishu za mapafu kwa kutumia Foamex XRS-272 iliyo na 5.25% CaCO3 kama kiboreshaji cha utendaji, ambacho kiliitwa ALT2. Majedwali 1 na 2 yanaonyesha ulinganisho wa \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) na vielelezo vya upunguzaji wa wingi kwa mapafu ya binadamu (ICRU-44) na vielelezo sawa vya tishu vilivyo hapo juu.
Licha ya sifa bora za mionzi zilizopatikana, karibu vifaa vyote vya kimuundo vimetengenezwa kwa povu ya polystyrene, ambayo ina maana kwamba sifa za mitambo za vifaa hivi haziwezi kukaribia zile za mapafu ya binadamu. Modulus ya Young's (YM) ya povu ya polyurethane ni takriban 500 kPa, ambayo si bora ikilinganishwa na mapafu ya kawaida ya binadamu (karibu 5-10 kPa). Kwa hivyo, ni muhimu kutengeneza nyenzo mpya ambayo inaweza kukidhi sifa za mitambo na radiolojia za mapafu halisi ya binadamu.
Hydrogel hutumika sana katika uhandisi wa tishu. Muundo na sifa zake ni sawa na matrix ya nje ya seli (ECM) na zinaweza kurekebishwa kwa urahisi. Katika utafiti huu, alginate safi ya sodiamu ilichaguliwa kama nyenzo ya kibiolojia kwa ajili ya utayarishaji wa povu. Hydrogel za Alginate zinaendana na viumbe hai na hutumika sana katika uhandisi wa tishu kutokana na sifa zao za kiufundi zinazoweza kurekebishwa. Muundo wa elementi wa alginate ya sodiamu (C6H7NaO6)n na uwepo wa Ca2+ huruhusu sifa zake za mionzi kurekebishwa inavyohitajika. Mchanganyiko huu wa sifa za kiufundi na za radiolojia zinazoweza kurekebishwa hufanya hidrogel za alginate ziwe bora kwa utafiti wetu. Bila shaka, hidrogel za alginate pia zina mapungufu, hasa katika suala la utulivu wa muda mrefu wakati wa mizunguko ya kupumua inayoigwa. Kwa hivyo, maboresho zaidi yanahitajika na yanatarajiwa katika tafiti zijazo ili kushughulikia mapungufu haya.
Katika kazi hii, tulitengeneza nyenzo ya povu ya alginate hidrojeli yenye thamani za rho zinazoweza kudhibitiwa, unyumbufu, na sifa za radiolojia zinazofanana na zile za tishu za mapafu ya binadamu. Utafiti huu utatoa suluhisho la jumla la kutengeneza fenimu zinazofanana na tishu zenye sifa za elastic na radiolojia zinazoweza kubadilishwa. Sifa za nyenzo zinaweza kubadilishwa kwa urahisi kwa tishu na kiungo chochote cha binadamu.
Uwiano wa hewa lengwa kwa ujazo wa povu ya hidrojeli ulihesabiwa kulingana na kiwango cha HU cha mapafu ya binadamu (-600 hadi -700). Ilidhaniwa kwamba povu ilikuwa mchanganyiko rahisi wa hewa na hidrojeli ya alginate ya sanisi. Kwa kutumia kanuni rahisi ya kuongeza vipengele vya mtu binafsi \(\:\mu\:/\rho\:\), sehemu ya ujazo wa hewa na uwiano wa ujazo wa hidrojeli ya alginate iliyosanisiwa inaweza kuhesabiwa.
Povu za hidrojeli ya alginate zilitayarishwa kwa kutumia alginate ya sodiamu (Nambari ya Sehemu W201502), CaCO3 (Nambari ya Sehemu 795445, MW: 100.09), na GDL (Nambari ya Sehemu G4750, MW: 178.14) iliyonunuliwa kutoka Kampuni ya Sigma-Aldrich, St. Louis, MO. 70% Sodiamu Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) ilinunuliwa kutoka Renowned Trading LLC. Maji yaliyoondolewa kwenye ioni yalitumika katika mchakato wa kuandaa povu. Alginate ya sodiamu iliyeyushwa katika maji yaliyoondolewa kwenye ioni kwenye joto la kawaida huku ikikorogwa mara kwa mara (600 rpm) hadi myeyusho wa manjano unaong'aa ulipopatikana. CaCO3 pamoja na GDL ilitumika kama chanzo cha Ca2+ kuanzisha gelation. SLES 70 ilitumika kama surfactant kuunda muundo wenye vinyweleo ndani ya hidrojeli. Mkusanyiko wa alginate ulidumishwa kwa 5% na uwiano wa molar wa Ca2+:-COOH ulidumishwa kwa 0.18. Uwiano wa molar wa CaCO3:GDL pia ulidumishwa kwa 0.5 wakati wa utayarishaji wa povu ili kudumisha pH isiyo na upande wowote. Thamani ni 26. 2% kwa ujazo wa SLES 70 iliongezwa kwa sampuli zote. Kikombe chenye kifuniko kilitumika kudhibiti uwiano wa mchanganyiko wa myeyusho na hewa. Jumla ya ujazo wa kikombe ilikuwa 140 ml. Kulingana na matokeo ya hesabu ya kinadharia, ujazo tofauti wa mchanganyiko (50 ml, 100 ml, 110 ml) uliongezwa kwenye kikombe ili kuchanganyika na hewa. Sampuli iliyo na 50 ml ya mchanganyiko iliundwa kuchanganyika na hewa ya kutosha, huku uwiano wa ujazo wa hewa katika sampuli zingine mbili ukidhibitiwa. Kwanza, SLES 70 iliongezwa kwenye myeyusho wa alginate na kuchanganywa na kichocheo cha umeme hadi uchanganyike kabisa. Kisha, myeyusho wa CaCO3 uliongezwa kwenye mchanganyiko na kuchanganywa mfululizo hadi mchanganyiko uchanganyike kabisa, wakati rangi yake ilibadilika kuwa nyeupe. Hatimaye, myeyusho wa GDL uliongezwa kwenye mchanganyiko ili kuanzisha gel, na kuchochea kwa mitambo kulidumishwa katika mchakato mzima. Kwa sampuli yenye mililita 50 za mchanganyiko, kuchochea kwa mitambo kulisimamishwa wakati ujazo wa mchanganyiko ulikoma kubadilika. Kwa sampuli zenye mililita 100 na mililita 110 za mchanganyiko, kuchochea kwa mitambo kulisimamishwa wakati mchanganyiko ulijaza kopo. Pia tulijaribu kuandaa povu za hidrojeli zenye ujazo kati ya mililita 50 na 100. Hata hivyo, kutokuwa na utulivu wa kimuundo wa povu kulizingatiwa, kwani kulibadilika-badilika kati ya hali ya mchanganyiko kamili wa hewa na hali ya udhibiti wa ujazo wa hewa, na kusababisha udhibiti usio thabiti wa ujazo. Kukosekana kwa utulivu huku kulileta kutokuwa na uhakika katika hesabu, na kwa hivyo kiwango hiki cha ujazo hakikujumuishwa katika utafiti huu.
Uzito \(\:\rho\:\) wa povu la hidrojeli huhesabiwa kwa kupima uzito \(\:m\) na ujazo \(\:V\) wa sampuli ya povu la hidrojeli.
Picha za hadubini za macho za povu za hidrojeli zilipatikana kwa kutumia kamera ya Zeiss Axio Observer A1. Programu ya ImageJ ilitumika kuhesabu idadi na usambazaji wa ukubwa wa vinyweleo katika sampuli katika eneo fulani kulingana na picha zilizopatikana. Umbo la vinyweleo linadhaniwa kuwa la duara.
Ili kusoma sifa za mitambo ya povu za hidrojeli ya alginate, vipimo vya mgandamizo wa uniaxial vilifanywa kwa kutumia mashine ya mfululizo ya TESTRESOURCES 100. Sampuli zilikatwa katika vitalu vya mstatili na vipimo vya vitalu vilipimwa ili kuhesabu mkazo na mikazo. Kasi ya msalaba iliwekwa kwa 10 mm/dakika. Sampuli tatu zilijaribiwa kwa kila sampuli na wastani na mkengeuko wa kawaida ulihesabiwa kutokana na matokeo. Utafiti huu ulilenga sifa za mitambo za mgandamizo za povu za hidrojeli ya alginate kwa kuwa tishu za mapafu hukabiliwa na nguvu za mgandamizo katika hatua fulani ya mzunguko wa kupumua. Upanuzi bila shaka ni muhimu, hasa ili kuonyesha tabia kamili ya nguvu ya tishu za mapafu na hii itachunguzwa katika tafiti zijazo.
Sampuli za povu za hidrojeli zilizotayarishwa zilichanganuliwa kwenye skana ya CT ya njia mbili ya Siemens SOMATOM Drive. Vigezo vya skana viliwekwa kama ifuatavyo: 40 mAs, 120 kVp na unene wa kipande cha 1 mm. Faili za DICOM zilizotokana zilichanganuliwa kwa kutumia programu ya MicroDicom DICOM Viewer ili kuchanganua thamani za HU za sehemu 5 za kila sampuli. Thamani za HU zilizopatikana kwa CT zililinganishwa na hesabu za kinadharia kulingana na data ya msongamano wa sampuli.
Lengo la utafiti huu ni kuleta mapinduzi katika utengenezaji wa mifumo ya viungo vya mtu binafsi na tishu bandia za kibiolojia kwa uhandisi wa vifaa laini. Kutengeneza vifaa vyenye sifa za kiufundi na za kielektroniki zinazolingana na mitambo ya kufanya kazi ya mapafu ya binadamu ni muhimu kwa matumizi lengwa kama vile kuboresha mafunzo ya kimatibabu, upangaji wa upasuaji, na upangaji wa tiba ya mionzi. Katika Mchoro 1A, tulichora tofauti kati ya sifa za kiufundi na za kielektroniki za vifaa laini vinavyotumika kutengeneza mifumo ya mapafu ya binadamu. Hadi sasa, vifaa vimetengenezwa vinavyoonyesha sifa zinazohitajika za kielektroniki, lakini sifa zao za kiufundi hazikidhi mahitaji yanayohitajika. Povu na mpira wa polyurethane ndizo vifaa vinavyotumika sana kutengeneza mifumo ya mapafu ya binadamu inayoweza kuharibika. Sifa za kiufundi za povu ya polyurethane (modulus ya Young, YM) kwa kawaida huwa kubwa mara 10 hadi 100 kuliko zile za tishu za kawaida za mapafu ya binadamu. Vifaa vinavyoonyesha sifa zinazohitajika za kielektroniki na za kielektroniki bado havijajulikana.
(A) Uwakilishi wa kimfumo wa sifa za vifaa mbalimbali laini na ulinganisho na mapafu ya binadamu kwa upande wa msongamano, moduli ya Young na sifa za radiolojia (katika HU). (B) Muundo wa mtawanyiko wa X-ray wa hidrojeli ya alginate yenye mkusanyiko wa 5% na uwiano wa molar wa Ca2+:-COOH wa 0.18. (C) Uwiano wa ujazo wa hewa katika povu za hidrojeli. (D) Uwakilishi wa kimfumo wa povu za hidrojeli ya alginate zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa.
Muundo wa elementi wa hidrojeli za alginate zenye mkusanyiko wa 5% na uwiano wa molar wa Ca2+:-COOH wa 0.18 ulihesabiwa, na matokeo yanaonyeshwa katika Jedwali 3. Kulingana na kanuni ya kuongeza katika fomula iliyotangulia (5), mgawo wa kupunguza uzito wa hidrojeli ya alginate \(\:\:\mu\:/\rho\:\) unapatikana kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1B.
Thamani za \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​za hewa na maji zilipatikana moja kwa moja kutoka kwa hifadhidata ya marejeleo ya viwango vya NIST 12612. Kwa hivyo, Mchoro 1C unaonyesha uwiano wa ujazo wa hewa uliohesabiwa katika povu za hidrojeli zenye thamani sawa za HU kati ya -600 na -700 kwa mapafu ya binadamu. Uwiano wa ujazo wa hewa uliohesabiwa kinadharia ni thabiti ndani ya 60-70% katika safu ya nishati kutoka 1 × 10−3 hadi 2 × 101 MeV, ikionyesha uwezekano mzuri wa matumizi ya povu ya hidrojeli katika michakato ya utengenezaji wa chini.
Mchoro 1D unaonyesha sampuli ya povu ya hidrojeli ya alginate iliyoandaliwa. Sampuli zote zilikatwa vipande vya mchemraba vyenye urefu wa ukingo wa milimita 12.7. Matokeo yalionyesha kuwa povu ya hidrojeli yenye umbo moja na thabiti yenye vipimo vitatu iliundwa. Bila kujali uwiano wa ujazo wa hewa, hakuna tofauti kubwa katika mwonekano wa povu ya hidrojeli iliyoonekana. Hali ya kujiendeleza ya povu ya hidrojeli inaonyesha kwamba mtandao ulioundwa ndani ya hidrojeli una nguvu ya kutosha kuhimili uzito wa povu lenyewe. Mbali na kiasi kidogo cha uvujaji wa maji kutoka kwa povu, povu pia lilionyesha utulivu wa muda mfupi kwa wiki kadhaa.
Kwa kupima uzito na ujazo wa sampuli ya povu, msongamano wa povu ya hidrojeli iliyoandaliwa \(\:\rho\:\) ulihesabiwa, na matokeo yanaonyeshwa katika Jedwali la 4. Matokeo yanaonyesha utegemezi wa \(\:\rho\:\) kwenye uwiano wa ujazo wa hewa. Hewa ya kutosha inapochanganywa na 50 ml ya sampuli, msongamano unakuwa wa chini kabisa na ni 0.482 g/cm3. Kiasi cha hewa mchanganyiko kinapopungua, msongamano huongezeka hadi 0.685 g/cm3. Thamani ya juu zaidi ya p kati ya vikundi vya 50 ml, 100 ml na 110 ml ilikuwa 0.004 < 0.05, ikionyesha umuhimu wa kitakwimu wa matokeo.
Thamani ya kinadharia \(\:\rho\:\) pia huhesabiwa kwa kutumia uwiano wa ujazo wa hewa unaodhibitiwa. Matokeo yaliyopimwa yanaonyesha kuwa \(\:\rho\:\) ni ndogo kwa 0.1 g/cm³ kuliko thamani ya kinadharia. Tofauti hii inaweza kuelezewa na msongo wa ndani unaotokana na hidrojeli wakati wa mchakato wa gelation, ambayo husababisha uvimbe na hivyo kusababisha kupungua kwa \(\:\rho\:\). Hii ilithibitishwa zaidi na uchunguzi wa mapengo kadhaa ndani ya povu ya hidrojeli katika picha za CT zinazoonyeshwa kwenye Mchoro 2 (A, B na C).
Picha za hadubini ya macho ya povu za hidrojeli zenye kiwango tofauti cha hewa (A) 50, (B) 100, na (C) 110. Nambari za seli na usambazaji wa ukubwa wa vinyweleo katika sampuli za povu za hidrojeli ya alginate (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Mchoro 3 (A, B, C) unaonyesha picha za darubini ya macho ya sampuli za povu ya hidrojeli zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa. Matokeo yanaonyesha muundo wa macho wa povu ya hidrojeli, ikionyesha wazi picha za vinyweleo vyenye kipenyo tofauti. Usambazaji wa idadi na kipenyo cha vinyweleo ulihesabiwa kwa kutumia ImageJ. Picha sita zilichukuliwa kwa kila sampuli, kila picha ilikuwa na ukubwa wa 1125.27 μm × 843.96 μm, na jumla ya eneo lililochambuliwa kwa kila sampuli lilikuwa 5.7 mm².
(A) Tabia ya mkazo wa mkazo wa mkazo wa povu za hidrojeli za alginate zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa. (B) Ufungaji wa kielelezo. (C) Mgandamizo E0 wa povu za hidrojeli zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa. (D) Mkazo wa mkazo wa mwisho na mkazo wa povu za hidrojeli za alginate zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa.
Mchoro 3 (D, E, F) unaonyesha kwamba usambazaji wa ukubwa wa vinyweleo ni sawa kiasi, kuanzia makumi ya mikromita hadi takriban mikromita 500. Ukubwa wa vinyweleo kimsingi ni sawa, na hupungua kidogo kadri ujazo wa hewa unavyopungua. Kulingana na data ya majaribio, ukubwa wa wastani wa vinyweleo vya sampuli ya mililita 50 ni mikromita 192.16, wastani ni mikromita 184.51, na idadi ya vinyweleo kwa kila eneo la kitengo ni 103; ukubwa wa wastani wa vinyweleo vya sampuli ya mililita 100 ni mikromita 156.62, wastani ni mikromita 151.07, na idadi ya vinyweleo kwa kila eneo la kitengo ni 109; thamani zinazolingana za sampuli ya mililita 110 ni mikromita 163.07, mikromita 150.29 na 115, mtawalia. Takwimu zinaonyesha kwamba vinyweleo vikubwa vina ushawishi mkubwa zaidi kwenye matokeo ya takwimu ya ukubwa wa wastani wa vinyweleo, na ukubwa wa wastani wa vinyweleo unaweza kuonyesha vyema mwenendo wa mabadiliko ya ukubwa wa vinyweleo. Kadri ujazo wa sampuli unavyoongezeka kutoka 50 ml hadi 110 ml, idadi ya vinyweleo pia huongezeka. Kwa kuchanganya matokeo ya takwimu ya kipenyo cha wastani cha vinyweleo na idadi ya vinyweleo, inaweza kuhitimishwa kwamba kwa kuongezeka kwa ujazo, vinyweleo vingi vya ukubwa mdogo huundwa ndani ya sampuli.
Data ya majaribio ya kiufundi imeonyeshwa katika Mchoro 4A na 4D. Mchoro 4A unaonyesha tabia ya mkazo wa mkazo wa mkazo wa povu za hidrojeli zilizotayarishwa zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa. Matokeo yanaonyesha kuwa sampuli zote zina tabia sawa ya mkazo wa mkazo usio wa mstari. Kwa kila sampuli, mkazo huongezeka kwa kasi zaidi kadri mkazo unavyoongezeka. Mkunjo wa kielelezo uliwekwa kwenye tabia ya mkazo wa mkazo wa mkazo wa povu la hidrojeli. Mchoro 4B unaonyesha matokeo baada ya kutumia kitendakazi cha kielelezo kama modeli inayokaribia povu la hidrojeli.
Kwa povu za hidrojeli zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa, moduli zao za kubana (E0) pia zilisomwa. Sawa na uchambuzi wa hidrojeli, moduli ya kubana ya Young ilichunguzwa katika kiwango cha 20% ya mkazo wa awali. Matokeo ya majaribio ya kubana yanaonyeshwa kwenye Mchoro 4C. Matokeo katika Mchoro 4C yanaonyesha kwamba kadri uwiano wa ujazo wa hewa unavyopungua kutoka sampuli 50 hadi sampuli 110, moduli ya kubana ya Young's E0 ya povu ya hidrojeli ya alginate huongezeka kutoka 10.86 kPa hadi 18 kPa.
Vile vile, mikunjo kamili ya mkazo wa mkazo wa povu za hidrojeli, pamoja na mkazo wa mwisho wa mkazo na thamani za mkazo, zilipatikana. Mchoro 4D unaonyesha mkazo wa mwisho wa mkazo na mkazo wa povu za hidrojeli za alginate. Kila nukta ya data ni wastani wa matokeo matatu ya majaribio. Matokeo yanaonyesha kuwa mkazo wa mwisho wa mkazo huongezeka kutoka 9.84 kPa hadi 17.58 kPa huku kiwango cha gesi kikipungua. Mkazo wa mwisho unabaki thabiti kwa takriban 38%.
Mchoro 2 (A, B, na C) unaonyesha picha za CT za povu za hidrojeli zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa unaolingana na sampuli 50, 100, na 110, mtawalia. Picha zinaonyesha kwamba povu la hidrojeli lililoundwa linakaribia kufanana. Idadi ndogo ya mapengo yalionekana katika sampuli 100 na 110. Uundaji wa mapengo haya unaweza kuwa kutokana na msongo wa ndani unaotokana na hidrojeli wakati wa mchakato wa uundaji wa jeni. Tulihesabu thamani za HU kwa sehemu 5 za kila sampuli na kuziorodhesha katika Jedwali 5 pamoja na matokeo ya hesabu ya kinadharia yanayolingana.
Jedwali la 5 linaonyesha kwamba sampuli zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa zilipata thamani tofauti za HU. Thamani ya juu zaidi ya p kati ya vikundi vya 50 ml, 100 ml na 110 ml ilikuwa 0.004 < 0.05, ikionyesha umuhimu wa kitakwimu wa matokeo. Miongoni mwa sampuli tatu zilizojaribiwa, sampuli yenye mchanganyiko wa 50 ml ilikuwa na sifa za radiolojia zilizo karibu zaidi na zile za mapafu ya binadamu. Safu wima ya mwisho ya Jedwali la 5 ni matokeo yaliyopatikana kwa hesabu ya kinadharia kulingana na thamani ya povu iliyopimwa \(\:\rho\:\). Kwa kulinganisha data iliyopimwa na matokeo ya kinadharia, inaweza kupatikana kwamba thamani za HU zilizopatikana kwa CT scanning kwa ujumla ziko karibu na matokeo ya kinadharia, ambayo nayo inathibitisha matokeo ya hesabu ya uwiano wa ujazo wa hewa katika Mchoro 1C.
Lengo kuu la utafiti huu ni kuunda nyenzo zenye sifa za kiufundi na za kielelezo zinazofanana na zile za mapafu ya binadamu. Lengo hili lilifikiwa kwa kutengeneza nyenzo inayotegemea hidrojeli yenye sifa za kiufundi na za kielelezo zinazolingana na tishu ambazo ziko karibu iwezekanavyo na zile za mapafu ya binadamu. Kwa kuongozwa na hesabu za kinadharia, povu za hidrojeli zenye uwiano tofauti wa ujazo wa hewa zilitayarishwa kwa kuchanganya kimikasi myeyusho wa alginate ya sodiamu, CaCO3, GDL na SLES 70. Uchambuzi wa kimofolojia ulionyesha kuwa povu la hidrojeli lenye umbo moja lenye pande tatu liliundwa. Kwa kubadilisha uwiano wa ujazo wa hewa, msongamano na unyeyo wa povu vinaweza kubadilika kwa hiari. Kwa kuongezeka kwa kiwango cha ujazo wa hewa, ukubwa wa vinyweleo hupungua kidogo na idadi ya vinyweleo huongezeka. Vipimo vya mgandamizo vilifanywa ili kuchambua sifa za kiufundi za povu za hidrojeli ya alginate. Matokeo yalionyesha kuwa moduli ya mgandamizo (E0) iliyopatikana kutoka kwa vipimo vya mgandamizo iko katika kiwango bora kwa mapafu ya binadamu. E0 huongezeka kadri uwiano wa ujazo wa hewa unavyopungua. Thamani za sifa za mionzi (HU) za sampuli zilizoandaliwa zilipatikana kulingana na data ya CT ya sampuli na ikilinganishwa na matokeo ya hesabu za kinadharia. Matokeo yalikuwa mazuri. Thamani iliyopimwa pia iko karibu na thamani ya HU ya mapafu ya binadamu. Matokeo yanaonyesha kuwa inawezekana kuunda povu za hidrojeli zinazoiga tishu kwa mchanganyiko bora wa sifa za mitambo na mionzi zinazoiga sifa za mapafu ya binadamu.
Licha ya matokeo mazuri, mbinu za utengenezaji wa sasa zinahitaji kuboreshwa ili kudhibiti vyema uwiano wa ujazo wa hewa na unyeti ili kuendana na utabiri kutoka kwa hesabu za kinadharia na mapafu halisi ya binadamu katika mizani ya kimataifa na ya ndani. Utafiti wa sasa pia umepunguzwa kwa kupima mitambo ya mgandamizo, ambayo hupunguza matumizi yanayowezekana ya phantom kwenye awamu ya mgandamizo wa mzunguko wa kupumua. Utafiti wa siku zijazo utafaidika kutokana na kuchunguza upimaji wa mvutano pamoja na uthabiti wa jumla wa mitambo ya nyenzo ili kutathmini matumizi yanayowezekana chini ya hali ya upakiaji unaobadilika. Licha ya mapungufu haya, utafiti huu unaashiria jaribio la kwanza lililofanikiwa la kuchanganya sifa za radiolojia na mitambo katika nyenzo moja inayoiga mapafu ya binadamu.
Seti za data zilizozalishwa na/au kuchanganuliwa wakati wa utafiti wa sasa zinapatikana kutoka kwa mwandishi husika kwa ombi linalofaa. Majaribio na seti za data zote mbili zinaweza kuzalishwa tena.
Song, G., et al. Teknolojia mpya za nano na vifaa vya hali ya juu vya tiba ya mionzi ya saratani. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Ripoti ya Kikosi Kazi cha AAPM 76a kuhusu Usimamizi wa Mwendo wa Upumuaji katika Oncology ya Mionzi. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., na Brock, KK Kuunda muundo wa kiolesura na vitu visivyo vya mstari katika mapafu ya binadamu. Fizikia na Tiba na Biolojia 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Mfano wa saratani ya mapafu inayofanana na uvimbe uliotengenezwa na uchapishaji wa kibiolojia wa 3D. 3. Bioteknolojia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Kuunda muundo wa mabadiliko ya mapafu: mbinu inayochanganya mbinu za usajili wa picha zinazoweza kubadilika na makadirio ya moduli ya Young yanayotofautiana kwa anga. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Ugumu wa tishu hai na athari zake kwa uhandisi wa tishu. Mapitio ya Mazingira Nyenzo na Mazingira 5, 351–370 (2020).