გმადლობთ, რომ ეწვიეთ nature.com-ს. თქვენს მიერ გამოყენებულ ბრაუზერის ვერსიას CSS-ის შეზღუდული მხარდაჭერა აქვს. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ ბრაუზერის უახლესი ვერსია (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). გარდა ამისა, მხარდაჭერის უწყვეტი უზრუნველყოფის მიზნით, ეს საიტი არ შეიცავს სტილებს ან JavaScript-ს.
ორგანოებისა და ქსოვილების მოძრაობამ შეიძლება გამოიწვიოს შეცდომები რენტგენის სხივების პოზიციონირებისას სხივური თერაპიის დროს. ამიტომ, სხივური თერაპიის ოპტიმიზაციისთვის ორგანოების მოძრაობის იმიტაციისთვის საჭიროა ქსოვილის ექვივალენტური მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების მქონე მასალები. თუმცა, ასეთი მასალების შემუშავება კვლავ გამოწვევად რჩება. ალგინატის ჰიდროგელებს აქვთ უჯრედგარე მატრიქსის მსგავსი თვისებები, რაც მათ ქსოვილის ექვივალენტურ მასალებად აქცევს. ამ კვლევაში, სასურველი მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების მქონე ალგინატის ჰიდროგელის ქაფი სინთეზირებული იქნა in situ Ca2+ გამოთავისუფლებით. ჰაერი-მოცულობის თანაფარდობა ფრთხილად გაკონტროლდა განსაზღვრული მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების მქონე ჰიდროგელის ქაფის მისაღებად. დახასიათდა მასალების მაკრო- და მიკრომორფოლოგია და შესწავლილი იქნა ჰიდროგელის ქაფის ქცევა შეკუმშვის დროს. რადიოლოგიური თვისებები შეფასდა თეორიულად და ექსპერიმენტულად დადასტურდა კომპიუტერული ტომოგრაფიის გამოყენებით. ეს კვლევა ნათელს ჰფენს ქსოვილის ექვივალენტური მასალების მომავალ განვითარებას, რომელთა გამოყენება შესაძლებელია სხივური თერაპიის დროს რადიაციული დოზის ოპტიმიზაციისა და ხარისხის კონტროლისთვის.
სხივური თერაპია კიბოს მკურნალობის გავრცელებული მეთოდია1. ორგანოებისა და ქსოვილების მოძრაობა ხშირად იწვევს რენტგენის სხივების პოზიციონირების შეცდომებს სხივური თერაპიის დროს2, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს სიმსივნის არასაკმარისი დამუშავება და მიმდებარე ჯანსაღი უჯრედების ზედმეტი დასხივება. ორგანოებისა და ქსოვილების მოძრაობის პროგნოზირების უნარი კრიტიკულად მნიშვნელოვანია სიმსივნის ლოკალიზაციის შეცდომების მინიმიზაციისთვის. ეს კვლევა ფოკუსირებულია ფილტვებზე, რადგან ისინი განიცდიან მნიშვნელოვან დეფორმაციებსა და მოძრაობებს, როდესაც პაციენტები სხივური თერაპიის დროს სუნთქავენ. ადამიანის ფილტვების მოძრაობის სიმულირებისთვის შემუშავდა და გამოყენებულია სხვადასხვა სასრული ელემენტების მოდელი3,4,5. თუმცა, ადამიანის ორგანოებსა და ქსოვილებს აქვთ რთული გეომეტრია და მნიშვნელოვნად არიან დამოკიდებული პაციენტზე. ამიტომ, ქსოვილის ექვივალენტური თვისებების მქონე მასალები ძალიან სასარგებლოა ფიზიკური მოდელების შემუშავებისთვის თეორიული მოდელების დასადასტურებლად, სამედიცინო მკურნალობის გაუმჯობესების ხელშეწყობისა და სამედიცინო განათლების მიზნებისთვის.
რბილი ქსოვილის მიმბაძველი მასალების შემუშავებამ რთული გარე და შიდა სტრუქტურული გეომეტრიის მისაღწევად დიდი ყურადღება მიიპყრო, რადგან მათმა თანდაყოლილმა მექანიკურმა შეუსაბამობებმა შეიძლება გამოიწვიოს სამიზნე აპლიკაციებში ჩავარდნები6,7. ფილტვის ქსოვილის რთული ბიომექანიკის მოდელირება, რომელიც აერთიანებს უკიდურეს რბილობას, ელასტიურობას და სტრუქტურულ ფორიანობას, მნიშვნელოვან გამოწვევას წარმოადგენს ადამიანის ფილტვის ზუსტად რეპროდუცირების მოდელების შემუშავებაში. მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების ინტეგრაცია და შესაბამისობა კრიტიკულია თერაპიულ ჩარევებში ფილტვის მოდელების ეფექტური მუშაობისთვის. დანამატური წარმოება ეფექტური აღმოჩნდა პაციენტზე ორიენტირებული მოდელების შემუშავებაში, რაც საშუალებას იძლევა რთული დიზაინის სწრაფი პროტოტიპირების შესაქმნელად. შინმა და სხვებმა8 შეიმუშავეს რეპროდუცირებადი, დეფორმირებადი ფილტვის მოდელი 3D პრინტერით დაბეჭდილი სასუნთქი გზებით. ჰასელაარმა და სხვებმა9 შეიმუშავეს ფანტომი, რომელიც ძალიან ჰგავს რეალურ პაციენტებს გამოსახულების ხარისხის შეფასებისა და პოზიციის დადასტურების მეთოდებისთვის სხივური თერაპიისთვის. ჰონგმა და სხვებმა10 შეიმუშავეს გულმკერდის კომპიუტერული ტომოგრაფიის მოდელი 3D ბეჭდვისა და სილიკონის ჩამოსხმის ტექნოლოგიის გამოყენებით, რათა რეპროდუცირებულიყო სხვადასხვა ფილტვის დაზიანებების კომპიუტერული ტომოგრაფიის ინტენსივობა რაოდენობრივი განსაზღვრის სიზუსტის შესაფასებლად. თუმცა, ეს პროტოტიპები ხშირად დამზადებულია მასალებისგან, რომელთა ეფექტური თვისებები ძალიან განსხვავდება ფილტვის ქსოვილის თვისებებისგან11.
ამჟამად, ფილტვის ფანტომების უმეტესობა დამზადებულია სილიკონის ან პოლიურეთანის ქაფისგან, რომლებიც არ ემთხვევა ფილტვის რეალური პარენქიმის მექანიკურ და რადიოლოგიურ თვისებებს.12,13 ალგინატის ჰიდროგელები ბიოშეთავსებადია და ფართოდ გამოიყენება ქსოვილების ინჟინერიაში მათი რეგულირებადი მექანიკური თვისებების გამო.14 თუმცა, ექსპერიმენტულ გამოწვევად რჩება ფილტვის ფანტომისთვის საჭირო ულტრარბილი, ქაფის მსგავსი კონსისტენციის რეპროდუცირება, რომელიც ზუსტად ასახავს ფილტვის ქსოვილის ელასტიურობას და შევსების სტრუქტურას.
ამ კვლევაში ვივარაუდეთ, რომ ფილტვის ქსოვილი ერთგვაროვანი ელასტიური მასალაა. ადამიანის ფილტვის ქსოვილის სიმკვრივე (\(\:\rho\:\)) 1.06 გ/სმ3-ის ტოლია, ხოლო გაბერილი ფილტვის სიმკვრივე 0.26 გ/სმ315. ფილტვის ქსოვილის იანგის მოდულის (MY) მნიშვნელობების ფართო დიაპაზონი მიღებულია სხვადასხვა ექსპერიმენტული მეთოდის გამოყენებით. ლაი-ფუკმა და სხვებმა16 ადამიანის ფილტვის YM გაზომეს ერთგვაროვანი გაბერვით 0.42–6.72 კპა-მდე. გოსმა და სხვებმა17 გამოიყენეს მაგნიტურ-რეზონანსული ელასტოგრაფია და YM 2.17 კპა-ს ტოლი დააფიქსირეს. ლიუმ და სხვებმა18 პირდაპირ გაზომილი YM 0.03–57.2 კპა-ს ტოლი დააფიქსირეს. ილეგბუსიმ და სხვებმა19 YM 0.1–2.7 კპა-მდე შეაფასეს შერჩეული პაციენტებისგან მიღებული 4D CT მონაცემების საფუძველზე.
ფილტვის რადიოლოგიური თვისებების შესაფასებლად, ფილტვის ქსოვილის რენტგენთან ურთიერთქმედების ქცევის აღსაწერად გამოიყენება რამდენიმე პარამეტრი, მათ შორის ელემენტარული შემადგენლობა, ელექტრონის სიმკვრივე (\(\:{\rho\:}_{e}\)), ეფექტური ატომური ნომერი (\(\:{Z}_{eff}\)), საშუალო აგზნების ენერგია (\(\:I\)), მასის შესუსტების კოეფიციენტი (\(\:\mu\:/\rho\:\)) და ჰაუნსფილდის ერთეული (HU), რომელიც პირდაპირ კავშირშია \(\:\mu\:/\rho\:\)-თან.
ელექტრონების სიმკვრივე \(\:{\rho\:}_{e}\) განისაზღვრება, როგორც ელექტრონების რაოდენობა მოცულობის ერთეულზე და გამოითვლება შემდეგნაირად:
სადაც \(\:\rho\:\) არის მასალის სიმკვრივე გ/სმ3-ში, \(\:{N}_{A}\) არის ავოგადროს მუდმივა, \(\:{w}_{i}\) არის მასური წილი, \(\:{Z}_{i}\) არის ატომური ნომერი და \(\:{A}_{i}\) არის i-ური ელემენტის ატომური წონა.
ატომური რიცხვი პირდაპირ კავშირშია მასალაში რადიაციული ურთიერთქმედების ბუნებასთან. რამდენიმე ელემენტის შემცველი ნაერთებისა და ნარევებისთვის (მაგ., ქსოვილები), უნდა გამოითვალოს ეფექტური ატომური რიცხვი \(\:{Z}_{eff}\). ფორმულა შემოთავაზებულია მურტის და სხვების მიერ. 20:
საშუალო აგზნების ენერგია \(\:I\) აღწერს, თუ რამდენად ადვილად შთანთქავს სამიზნე მასალა შეღწევადი ნაწილაკების კინეტიკურ ენერგიას. ის აღწერს მხოლოდ სამიზნე მასალის თვისებებს და არაფერი აქვს საერთო ნაწილაკების თვისებებთან. \(\:I\)-ს გამოთვლა შესაძლებელია ბრაგის ადიტიური წესის გამოყენებით:
მასის შესუსტების კოეფიციენტი \(\:\mu\:/\rho\:\) აღწერს ფოტონების შეღწევადობას და ენერგიის გამოყოფას სამიზნე მასალაში. მისი გამოთვლა შესაძლებელია შემდეგი ფორმულის გამოყენებით:
სადაც \(\:x\) არის მასალის სისქე, \(\:{I}_{0}\) არის დაცემული სინათლის ინტენსივობა და \(\:I\) არის ფოტონის ინტენსივობა მასალაში შეღწევის შემდეგ. \(\:\mu\:/\rho\:\) მონაცემების მიღება შესაძლებელია პირდაპირ NIST 12621 სტანდარტების საცნობარო მონაცემთა ბაზიდან. ნარევებისა და ნაერთების \(\:\mu\:/\rho\:\) მნიშვნელობების მიღება შესაძლებელია ადიტიური წესის გამოყენებით შემდეგნაირად:
კომპიუტერული ტომოგრაფიის (CT) მონაცემების ინტერპრეტაციისას რადიოსიმკვრივის გაზომვის სტანდარტიზებული უგანზომილებიანი ერთეულია HU, რომელიც წრფივად გარდაიქმნება გაზომილი შესუსტების კოეფიციენტიდან \(\:\mu\:\). იგი განისაზღვრება, როგორც:
სადაც \(\:{\mu\:}_{წყალი}\) არის წყლის შესუსტების კოეფიციენტი და \(\:{\mu\:}_{ჰაერი}\) არის ჰაერის შესუსტების კოეფიციენტი. ამრიგად, ფორმულიდან (6) ვხედავთ, რომ წყლის HU მნიშვნელობა 0-ია, ხოლო ჰაერის HU მნიშვნელობა -1000. ადამიანის ფილტვების HU მნიშვნელობა მერყეობს -600-დან -70022-მდე.
შემუშავებულია რამდენიმე ქსოვილის ეკვივალენტური მასალა. გრიფიტმა და სხვებმა23 შეიმუშავეს ადამიანის ტორსის ქსოვილის ეკვივალენტური მოდელი, დამზადებული პოლიურეთანისგან (PU), რომელსაც დაემატა კალციუმის კარბონატის (CaCO3) სხვადასხვა კონცენტრაცია ადამიანის სხვადასხვა ორგანოების, მათ შორის ადამიანის ფილტვის, ხაზოვანი შესუსტების კოეფიციენტების სიმულირებისთვის და მოდელს დაერქვა გრიფიტი. ტეილორმა24 წარმოადგინა ლოურენს ლივერმორის ეროვნული ლაბორატორიის (LLNL) მიერ შემუშავებული მეორე ფილტვის ქსოვილის ეკვივალენტური მოდელი, სახელწოდებით LLLL1. ტრაუბმა და სხვებმა25 შეიმუშავეს ფილტვის ქსოვილის ახალი შემცვლელი Foamex XRS-272-ის გამოყენებით, რომელიც შეიცავს 5.25% CaCO3-ს, როგორც ეფექტურობის გამაძლიერებელს, რომელსაც ეწოდა ALT2. ცხრილები 1 და 2 აჩვენებს \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) და მასის შესუსტების კოეფიციენტების შედარებას ადამიანის ფილტვისთვის (ICRU-44) და ზემოთ მოცემულ ქსოვილის ეკვივალენტურ მოდელებს.
მიუხედავად მიღწეული შესანიშნავი რადიოლოგიური თვისებებისა, თითქმის ყველა ფანტომური მასალა დამზადებულია პოლისტიროლის ქაფისგან, რაც იმას ნიშნავს, რომ ამ მასალების მექანიკური თვისებებით ვერ შეედრება ადამიანის ფილტვების თვისებებს. პოლიურეთანის ქაფის იანგის მოდული (YM) დაახლოებით 500 კპა-ია, რაც იდეალურისგან შორს არის ნორმალური ადამიანის ფილტვებთან შედარებით (დაახლოებით 5-10 კპა). ამიტომ, აუცილებელია ახალი მასალის შემუშავება, რომელიც დააკმაყოფილებს რეალური ადამიანის ფილტვების მექანიკურ და რადიოლოგიურ მახასიათებლებს.
ჰიდროგელები ფართოდ გამოიყენება ქსოვილების ინჟინერიაში. მისი სტრუქტურა და თვისებები მსგავსია უჯრედგარე მატრიქსის (ECM) და ადვილად რეგულირდება. ამ კვლევაში, ქაფის მოსამზადებლად ბიომასალად შეირჩა სუფთა ნატრიუმის ალგინატი. ალგინატის ჰიდროგელები ბიოშეთავსებადია და ფართოდ გამოიყენება ქსოვილების ინჟინერიაში მათი რეგულირებადი მექანიკური თვისებების გამო. ნატრიუმის ალგინატის (C6H7NaO6)n ელემენტარული შემადგენლობა და Ca2+-ის არსებობა საშუალებას იძლევა, საჭიროებისამებრ შეიცვალოს მისი რადიოლოგიური თვისებები. რეგულირებადი მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების ეს კომბინაცია ალგინატის ჰიდროგელებს ჩვენი კვლევისთვის იდეალურს ხდის. რა თქმა უნდა, ალგინატის ჰიდროგელებს ასევე აქვთ შეზღუდვები, განსაკუთრებით სიმულირებული სუნთქვის ციკლების დროს გრძელვადიანი სტაბილურობის თვალსაზრისით. ამიტომ, მომავალში კვლევებში საჭიროა და მოსალოდნელია შემდგომი გაუმჯობესება ამ შეზღუდვების მოსაგვარებლად.
ამ ნაშრომში ჩვენ შევიმუშავეთ ალგინატის ჰიდროგელის ქაფის მასალა კონტროლირებადი rho მნიშვნელობებით, ელასტიურობითა და რადიოლოგიური თვისებებით, რომლებიც ადამიანის ფილტვის ქსოვილის მსგავსია. ეს კვლევა უზრუნველყოფს ზოგად გადაწყვეტას ქსოვილის მსგავსი ფანტომების დასამზადებლად, რეგულირებადი ელასტიური და რადიოლოგიური თვისებებით. მასალის თვისებები ადვილად შეიძლება მორგებული იყოს ადამიანის ნებისმიერ ქსოვილსა და ორგანოზე.
ჰიდროგელის ქაფის ჰაერისა და მოცულობითი თანაფარდობის სამიზნე მაჩვენებელი გამოითვალა ადამიანის ფილტვების HU დიაპაზონის (-600-დან -700-მდე) საფუძველზე. ივარაუდეს, რომ ქაფი წარმოადგენდა ჰაერისა და სინთეზური ალგინატის ჰიდროგელის მარტივ ნარევს. ცალკეული ელემენტების მარტივი შეკრების წესის გამოყენებით \(\:\mu\:/\rho\:\), შესაძლებელი გახდა ჰაერის მოცულობითი წილის და სინთეზირებული ალგინატის ჰიდროგელის მოცულობითი თანაფარდობის გამოთვლა.
ალგინატის ჰიდროგელის ქაფი მომზადდა ნატრიუმის ალგინატის (ნაწილის ნომერი W201502), CaCO3-ის (ნაწილის ნომერი 795445, წონა: 100.09) და GDL-ის (ნაწილის ნომერი G4750, წონა: 178.14) გამოყენებით, რომლებიც შეძენილი იყო Sigma-Aldrich Company-ისგან, სენტ-ლუისი, მისური. 70%-იანი ნატრიუმის ლაურილ ეთერ სულფატი (SLES 70) შეძენილი იყო Renowned Trading LLC-ისგან. ქაფის მომზადების პროცესში გამოყენებული იქნა დეიონიზებული წყალი. ნატრიუმის ალგინატი გახსნეს დეიონიზებულ წყალში ოთახის ტემპერატურაზე მუდმივი მორევის ქვეშ (600 ბრ/წთ) ერთგვაროვანი ყვითელი გამჭვირვალე ხსნარის მიღებამდე. CaCO3 GDL-თან ერთად გამოყენებული იქნა Ca2+ წყაროდ გელის წარმოქმნის დასაწყებად. SLES 70 გამოყენებული იქნა ზედაპირულად აქტიური ნივთიერების სახით ჰიდროგელის შიგნით ფოროვანი სტრუქტურის შესაქმნელად. ალგინატის კონცენტრაცია შენარჩუნებული იყო 5%-ზე, ხოლო Ca2+:-COOH მოლური თანაფარდობა შენარჩუნებული იყო 0.18-ზე. ქაფის მომზადების დროს CaCO3:GDL მოლური თანაფარდობა ასევე შენარჩუნებული იყო 0.5-ზე ნეიტრალური pH-ის შესანარჩუნებლად. მნიშვნელობა არის 26. ყველა ნიმუშს დაემატა SLES 70-ის 2% მოცულობით. ხსნარისა და ჰაერის შერევის თანაფარდობის გასაკონტროლებლად გამოყენებული იყო თავსახურიანი ჭიქა. ჭიქის საერთო მოცულობა იყო 140 მლ. თეორიული გამოთვლების შედეგების საფუძველზე, ჰაერთან შესარევად ჭიქაში დაემატა ნარევის სხვადასხვა მოცულობა (50 მლ, 100 მლ, 110 მლ). ნარევის 50 მლ შემცველი ნიმუში გათვლილი იყო საკმარისი რაოდენობის ჰაერთან შესარევად, ხოლო დანარჩენ ორ ნიმუშში ჰაერის მოცულობითი თანაფარდობა კონტროლდებოდა. პირველ რიგში, SLES 70 დაემატა ალგინატის ხსნარს და მოურიეს ელექტრო სარევლით სრულ შერევამდე. შემდეგ, ნარევს დაემატა CaCO3 სუსპენზია და განუწყვეტლივ მოურიეს ნარევის სრულ შერევამდე, სანამ მისი ფერი არ შეიცვალა თეთრად. დაბოლოს, ნარევს დაემატა GDL ხსნარი გელის წარმოქმნის დასაწყებად და მთელი პროცესის განმავლობაში შენარჩუნდა მექანიკური მორევა. 50 მლ ნარევის შემცველი ნიმუშისთვის, მექანიკური მორევა შეწყდა, როდესაც ნარევის მოცულობა შეწყდა. 100 და 110 მლ ნარევის შემცველი ნიმუშებისთვის, მექანიკური მორევა შეწყდა, როდესაც ნარევით ჭიქა შეივსო. ჩვენ ასევე ვცადეთ ჰიდროგელის ქაფის მომზადება 50 მლ-დან 100 მლ-მდე მოცულობით. თუმცა, დაფიქსირდა ქაფის სტრუქტურული არასტაბილურობა, რადგან ის მერყეობდა ჰაერის სრული შერევისა და ჰაერის მოცულობის კონტროლის მდგომარეობას შორის, რაც იწვევდა მოცულობის არათანმიმდევრულ კონტროლს. ამ არასტაბილურობამ გაურკვევლობა შეიტანა გამოთვლებში და, შესაბამისად, მოცულობის ეს დიაპაზონი არ იყო გათვალისწინებული ამ კვლევაში.
ჰიდროგელის ქაფის სიმკვრივე გამოითვლება ჰიდროგელის ქაფის ნიმუშის მასის (მ) და მოცულობის (ვ) გაზომვით.
ჰიდროგელის ქაფის ოპტიკური მიკროსკოპული გამოსახულებები მიღებული იქნა Zeiss Axio Observer A1 კამერის გამოყენებით. მიღებული სურათების საფუძველზე, ნიმუშში ფორების რაოდენობისა და ზომის განაწილების გამოსათვლელად გამოყენებული იქნა ImageJ პროგრამული უზრუნველყოფა. ფორების ფორმა წრიულად ითვლება.
ალგინატის ჰიდროგელის ქაფის მექანიკური თვისებების შესასწავლად, TESTRESOURCES 100 სერიის აპარატის გამოყენებით ჩატარდა ცალღერძიანი შეკუმშვის ტესტები. ნიმუშები დაიჭრა მართკუთხა ბლოკებად და გაიზომა ბლოკის ზომები დაძაბულობისა და დეფორმაციის გამოსათვლელად. განივი ბრუნვის სიჩქარე დადგინდა 10 მმ/წთ-ზე. თითოეული ნიმუშისთვის გამოიცადა სამი ნიმუში და შედეგებიდან გამოითვალა საშუალო და სტანდარტული გადახრა. ეს კვლევა ფოკუსირებული იყო ალგინატის ჰიდროგელის ქაფის შეკუმშვის მექანიკურ თვისებებზე, რადგან ფილტვის ქსოვილი სუნთქვის ციკლის გარკვეულ ეტაპზე ექვემდებარება შეკუმშვის ძალებს. გაშლა, რა თქმა უნდა, გადამწყვეტია, განსაკუთრებით ფილტვის ქსოვილის სრული დინამიური ქცევის ასახვისთვის და ეს გამოკვლეული იქნება მომავალ კვლევებში.
მომზადებული ჰიდროგელის ქაფის ნიმუშები დასკანირებული იქნა Siemens SOMATOM Drive ორარხიან კომპიუტერული ტომოგრაფიის სკანერზე. სკანირების პარამეტრები დაყენებული იყო შემდეგნაირად: 40 mAs, 120 kVp და 1 მმ ჭრილის სისქე. მიღებული DICOM ფაილები გაანალიზდა MicroDicom DICOM Viewer პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით, თითოეული ნიმუშის 5 განივი კვეთის HU მნიშვნელობების გასაანალიზებლად. კომპიუტერული ტომოგრაფიით მიღებული HU მნიშვნელობები შედარებული იქნა ნიმუშების სიმკვრივის მონაცემებზე დაფუძნებულ თეორიულ გამოთვლებთან.
ამ კვლევის მიზანია რბილი მასალების ინჟინერიის გზით რევოლუცია მოახდინოს ინდივიდუალური ორგანოების მოდელებისა და ხელოვნური ბიოლოგიური ქსოვილების დამზადებაში. ისეთი მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების მქონე მასალების შემუშავება, რომლებიც შეესაბამება ადამიანის ფილტვების მუშაობის მექანიკას, მნიშვნელოვანია მიზნობრივი გამოყენებისთვის, როგორიცაა სამედიცინო მომზადების გაუმჯობესება, ქირურგიული დაგეგმვა და სხივური თერაპიის დაგეგმვა. ნახაზ 1A-ში ჩვენ გამოვსახეთ შეუსაბამობა რბილი მასალების მექანიკურ და რადიოლოგიურ თვისებებს შორის, რომლებიც სავარაუდოდ გამოიყენება ადამიანის ფილტვების მოდელების დასამზადებლად. დღემდე შემუშავებულია მასალები, რომლებიც ავლენენ სასურველ რადიოლოგიურ თვისებებს, მაგრამ მათი მექანიკური თვისებები არ აკმაყოფილებს სასურველ მოთხოვნებს. პოლიურეთანის ქაფი და რეზინი ყველაზე ფართოდ გამოიყენება მასალები დეფორმირებადი ადამიანის ფილტვების მოდელების დასამზადებლად. პოლიურეთანის ქაფის მექანიკური თვისებები (იანგის მოდული, YM), როგორც წესი, 10-დან 100-ჯერ მეტია, ვიდრე ნორმალური ადამიანის ფილტვის ქსოვილის. მასალები, რომლებიც ავლენენ როგორც სასურველ მექანიკურ, ასევე რადიოლოგიურ თვისებებს, ჯერ არ არის ცნობილი.
(ა) სხვადასხვა რბილი მასალის თვისებების სქემატური წარმოდგენა და შედარება ადამიანის ფილტვებთან სიმკვრივის, იანგის მოდულის და რადიოლოგიური თვისებების მიხედვით (HU-ში). (ბ) \(\:\mu\:/\rho\:\) ალგინატის ჰიდროგელის რენტგენის დიფრაქციული სურათი 5% კონცენტრაციით და Ca2+:-COOH მოლური თანაფარდობით 0.18. (გ) ჰიდროგელის ქაფებში ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის დიაპაზონი. (დ) ალგინატის ჰიდროგელის ქაფების სქემატური წარმოდგენა სხვადასხვა ჰაერის მოცულობის თანაფარდობით.
ალგინატის ჰიდროგელების ელემენტარული შემადგენლობა 5%-იანი კონცენტრაციით და Ca2+:-COOH მოლური თანაფარდობით 0.18 გამოითვალა, შედეგები კი ნაჩვენებია ცხრილში 3. წინა ფორმულაში (5) მოცემული შეკრების წესის მიხედვით, ალგინატის ჰიდროგელის მასის შესუსტების კოეფიციენტი (\:\:\mu\:/\rho\:\) მიიღება ნახაზ 1B-ზე ნაჩვენები მეთოდით.
ჰაერისა და წყლის \(\:\mu\:/\rho\:\) მნიშვნელობები მიღებული იქნა უშუალოდ NIST 12612 სტანდარტების საცნობარო მონაცემთა ბაზიდან. ამრიგად, სურათი 1C გვიჩვენებს ჰიდროგელის ქაფებში გამოთვლილ ჰაერის მოცულობის თანაფარდობებს HU ეკვივალენტური მნიშვნელობებით -600-დან -700-მდე ადამიანის ფილტვისთვის. თეორიულად გამოთვლილი ჰაერის მოცულობის თანაფარდობა სტაბილურია 60–70%-ის ფარგლებში ენერგეტიკულ დიაპაზონში 1 × 10−3-დან 2 × 101 MeV-მდე, რაც მიუთითებს ჰიდროგელის ქაფის გამოყენების კარგ პოტენციალზე წარმოების შემდგომ პროცესებში.
სურათი 1D გვიჩვენებს ალგინატის ჰიდროგელის ქაფის მომზადებულ ნიმუშს. ყველა ნიმუში დაიჭრა კუბებად 12.7 მმ კიდის სიგრძით. შედეგებმა აჩვენა, რომ წარმოიქმნა ერთგვაროვანი, სამგანზომილებიანი სტაბილური ჰიდროგელის ქაფი. ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის მიუხედავად, ჰიდროგელის ქაფის გარეგნობაში მნიშვნელოვანი განსხვავებები არ დაფიქსირებულა. ჰიდროგელის ქაფის თვითშენარჩუნების ბუნება მიუთითებს, რომ ჰიდროგელში წარმოქმნილი ქსელი საკმარისად ძლიერია, რათა გაუძლოს თავად ქაფის წონას. ქაფიდან მცირე რაოდენობით წყლის გაჟონვის გარდა, ქაფმა ასევე აჩვენა გარდამავალი სტაბილურობა რამდენიმე კვირის განმავლობაში.
ქაფის ნიმუშის მასისა და მოცულობის გაზომვით გამოითვალა მომზადებული ჰიდროგელის ქაფის სიმკვრივე \(\:\rho\:\), რომლის შედეგებიც მოცემულია ცხრილში 4. შედეგები აჩვენებს \(\:\rho\:\)-ს დამოკიდებულებას ჰაერის მოცულობით თანაფარდობაზე. როდესაც საკმარისი რაოდენობით ჰაერი ერწყმის ნიმუშს 50 მლ, სიმკვრივე ყველაზე დაბალი ხდება და შეადგენს 0.482 გ/სმ3-ს. შერეული ჰაერის რაოდენობის შემცირებისას სიმკვრივე იზრდება 0.685 გ/სმ3-მდე. მაქსიმალური p მნიშვნელობა 50 მლ, 100 მლ და 110 მლ ჯგუფებს შორის იყო 0.004 < 0.05, რაც მიუთითებს შედეგების სტატისტიკურ მნიშვნელობაზე.
თეორიული \(\:\rho\:\) მნიშვნელობა ასევე გამოითვლება კონტროლირებადი ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის გამოყენებით. გაზომილი შედეგები აჩვენებს, რომ \(\:\rho\:\) 0.1 გ/სმ³ ნაკლებია თეორიულ მნიშვნელობაზე. ეს განსხვავება შეიძლება აიხსნას გელის წარმოქმნის პროცესის დროს ჰიდროგელში წარმოქმნილი შინაგანი სტრესით, რაც იწვევს შეშუპებას და შესაბამისად, იწვევს \(\:\rho\:\-ს შემცირებას). ეს კიდევ უფრო დადასტურდა ნახაზ 2-ზე (A, B და C) ნაჩვენებ კომპიუტერულ ტომოგრაფიაზე ჰიდროგელის ქაფში არსებული რამდენიმე ნაპრალის დაკვირვებით.
სხვადასხვა ჰაერის მოცულობითი შემცველობის მქონე ჰიდროგელის ქაფის ოპტიკური მიკროსკოპიული გამოსახულებები (A) 50, (B) 100 და (C) 110. უჯრედების რაოდენობა და ფორების ზომის განაწილება ალგინატის ჰიდროგელის ქაფის ნიმუშებში (D) 50, (E) 100, (F) 110.
სურათი 3 (A, B, C) გვიჩვენებს ჰიდროგელის ქაფის ნიმუშების ოპტიკური მიკროსკოპით გადაღებულ სურათებს სხვადასხვა ჰაერის მოცულობის თანაფარდობით. შედეგები აჩვენებს ჰიდროგელის ქაფის ოპტიკურ სტრუქტურას, რომელიც ნათლად აჩვენებს სხვადასხვა დიამეტრის ფორების სურათებს. ფორების რაოდენობისა და დიამეტრის განაწილება გამოითვალა ImageJ-ის გამოყენებით. თითოეული ნიმუშისთვის გადაღებული იქნა ექვსი სურათი, თითოეული სურათის ზომა იყო 1125.27 μm × 843.96 μm, ხოლო თითოეული ნიმუშის საერთო ანალიზირებული ფართობი იყო 5.7 მმ².
(ა) ალგინატის ჰიდროგელის ქაფების შეკუმშვის დაძაბულობა-დეფორმაციის ქცევა სხვადასხვა ჰაერის მოცულობის თანაფარდობით. (ბ) ექსპონენციალური მორგება. (გ) ჰიდროგელის ქაფების შეკუმშვა E0 სხვადასხვა ჰაერის მოცულობის თანაფარდობით. (დ) ალგინატის ჰიდროგელის ქაფების ზღვრული შეკუმშვის დაძაბულობა და დეფორმაცია სხვადასხვა ჰაერის მოცულობის თანაფარდობით.
სურათი 3 (D, E, F) გვიჩვენებს, რომ ფორების ზომის განაწილება შედარებით ერთგვაროვანია, ათობით მიკრომეტრიდან დაახლოებით 500 მიკრომეტრამდე მერყეობს. ფორების ზომა ძირითადად ერთგვაროვანია და ოდნავ მცირდება ჰაერის მოცულობის შემცირებასთან ერთად. ტესტის მონაცემების მიხედვით, 50 მლ ნიმუშის ფორების საშუალო ზომაა 192.16 მკმ, მედიანაა 184.51 მკმ, ხოლო ფორების რაოდენობა ერთეულ ფართობზე არის 103; 100 მლ ნიმუშის ფორების საშუალო ზომაა 156.62 მკმ, მედიანაა 151.07 მკმ, ხოლო ფორების რაოდენობა ერთეულ ფართობზე არის 109; 110 მლ ნიმუშის შესაბამისი მნიშვნელობებია შესაბამისად 163.07 მკმ, 150.29 მკმ და 115. მონაცემები აჩვენებს, რომ უფრო დიდ ფორებს უფრო დიდი გავლენა აქვთ ფორების საშუალო ზომის სტატისტიკურ შედეგებზე და ფორების საშუალო ზომა უკეთ ასახავს ფორების ზომის ცვლილების ტენდენციას. ნიმუშის მოცულობის 50 მლ-დან 110 მლ-მდე ზრდასთან ერთად, ფორების რაოდენობაც იზრდება. ფორების საშუალო დიამეტრისა და ფორების რაოდენობის სტატისტიკური შედეგების გაერთიანებით, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ მოცულობის ზრდასთან ერთად, ნიმუშში უფრო მეტი, უფრო მცირე ზომის ფორი წარმოიქმნება.
მექანიკური ტესტის მონაცემები ნაჩვენებია ნახაზებზე 4A და 4D. სურათი 4A გვიჩვენებს მომზადებული ჰიდროგელის ქაფის შეკუმშვის დაძაბულობა-დეფორმაციის ქცევას ჰაერის მოცულობის სხვადასხვა თანაფარდობით. შედეგები აჩვენებს, რომ ყველა ნიმუშს აქვს მსგავსი არაწრფივი დაძაბულობა-დეფორმაციის ქცევა. თითოეული ნიმუშისთვის დაძაბულობა უფრო სწრაფად იზრდება დეფორმაციის ზრდასთან ერთად. ჰიდროგელის ქაფის შეკუმშვის დაძაბულობა-დეფორმაციის ქცევას მორგებული ჰქონდა ექსპონენციალური მრუდი. სურათი 4B გვიჩვენებს შედეგებს ჰიდროგელის ქაფზე ექსპონენციალური ფუნქციის, როგორც მიახლოებითი მოდელის, გამოყენების შემდეგ.
სხვადასხვა ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის მქონე ჰიდროგელის ქაფებისთვის, ასევე შესწავლილი იქნა მათი შეკუმშვის მოდული (E0). ჰიდროგელების ანალიზის მსგავსად, შეკუმშვის იანგის მოდული გამოკვლეული იქნა საწყისი დეფორმაციის 20%-ის დიაპაზონში. შეკუმშვის ტესტების შედეგები ნაჩვენებია ნახაზ 4C-ზე. ნახაზ 4C-ზე მოცემული შედეგები აჩვენებს, რომ როდესაც ჰაერის მოცულობის თანაფარდობა მცირდება ნიმუში 50-დან ნიმუშ 110-მდე, ალგინატის ჰიდროგელის ქაფის შეკუმშვის იანგის მოდული E0 იზრდება 10.86 კპა-დან 18 კპა-მდე.
ანალოგიურად, მიღებული იქნა ჰიდროგელის ქაფების სრული დაძაბულობა-დეფორმაციის მრუდები, ასევე შეკუმშვისა და დეფორმაციის საბოლოო მნიშვნელობები. სურათი 4D გვიჩვენებს ალგინატის ჰიდროგელის ქაფების შეკუმშვის საბოლოო ძაბვას და დეფორმაციას. თითოეული მონაცემი წარმოადგენს სამი ტესტის შედეგის საშუალოს. შედეგები აჩვენებს, რომ შეკუმშვის საბოლოო ძაბვა იზრდება 9.84 კპა-დან 17.58 კპა-მდე გაზის შემცველობის შემცირებით. საბოლოო დეფორმაცია რჩება სტაბილური დაახლოებით 38%-ის დონეზე.
სურათი 2 (A, B და C) გვიჩვენებს ჰიდროგელის ქაფის კომპიუტერული ტომოგრაფიით გადაღებულ სურათებს, რომლებიც განსხვავდება ჰაერის მოცულობის თანაფარდობით, შესაბამისად, 50, 100 და 110 ნიმუშებს. სურათებზე ჩანს, რომ წარმოქმნილი ჰიდროგელის ქაფი თითქმის ერთგვაროვანია. 100 და 110 ნიმუშებში დაფიქსირდა მცირე რაოდენობის ხარვეზები. ამ ხარვეზების წარმოქმნა შესაძლოა გამოწვეული იყოს ჰიდროგელში გელის წარმოქმნის პროცესში წარმოქმნილი შინაგანი დაძაბულობით. ჩვენ გამოვთვალეთ HU მნიშვნელობები თითოეული ნიმუშის 5 განივი კვეთისთვის და ჩამოვთვალეთ ისინი ცხრილში 5 შესაბამის თეორიულ გამოთვლებთან ერთად.
ცხრილი 5 აჩვენებს, რომ ჰაერის მოცულობის სხვადასხვა თანაფარდობის მქონე ნიმუშებმა მიიღეს HU-ს სხვადასხვა მნიშვნელობები. მაქსიმალური p მნიშვნელობა 50 მლ, 100 მლ და 110 მლ ჯგუფებს შორის იყო 0.004 < 0.05, რაც მიუთითებს შედეგების სტატისტიკურ მნიშვნელობაზე. სამი შემოწმებული ნიმუშიდან, 50 მლ ნარევის მქონე ნიმუშს ჰქონდა ადამიანის ფილტვების რენტგენოლოგიური თვისებების ყველაზე ახლოს მდგომი. ცხრილი 5-ის ბოლო სვეტი წარმოადგენს თეორიული გამოთვლით მიღებულ შედეგს გაზომილი ქაფის მნიშვნელობის \(\:\rho\:\) საფუძველზე. გაზომილი მონაცემების თეორიულ შედეგებთან შედარებით, შეიძლება დადგინდეს, რომ კომპიუტერული ტომოგრაფიით მიღებული HU მნიშვნელობები ზოგადად ახლოსაა თეორიულ შედეგებთან, რაც თავის მხრივ ადასტურებს ნახაზ 1C-ში მოცემულ ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის გამოთვლის შედეგებს.
კვლევის მთავარი მიზანია ადამიანის ფილტვების თვისებებთან შედარებადი მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების მქონე მასალის შექმნა. ეს მიზანი მიღწეული იქნა ჰიდროგელის ბაზაზე დამზადებული მასალის შემუშავებით, რომელსაც აქვს ქსოვილის ექვივალენტური მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებები, რაც შეიძლება ახლოს იყოს ადამიანის ფილტვების თვისებებთან. თეორიული გამოთვლებით ხელმძღვანელობით, ნატრიუმის ალგინატის ხსნარის, CaCO3-ის, GDL-ის და SLES 70-ის მექანიკური შერევით მომზადდა სხვადასხვა ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის ჰიდროგელის ქაფი. მორფოლოგიურმა ანალიზმა აჩვენა, რომ წარმოიქმნა ერთგვაროვანი სამგანზომილებიანი სტაბილური ჰიდროგელის ქაფი. ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის შეცვლით, ქაფის სიმკვრივე და ფორიანობა შეიძლება შეიცვალოს სურვილისამებრ. ჰაერის მოცულობის შემცველობის ზრდასთან ერთად, ფორების ზომა ოდნავ მცირდება და ფორების რაოდენობა იზრდება. ალგინატის ჰიდროგელის ქაფის მექანიკური თვისებების გასაანალიზებლად ჩატარდა შეკუმშვის ტესტები. შედეგებმა აჩვენა, რომ შეკუმშვის ტესტებით მიღებული შეკუმშვის მოდული (E0) ადამიანის ფილტვებისთვის იდეალურ დიაპაზონშია. E0 იზრდება ჰაერის მოცულობის თანაფარდობის შემცირებასთან ერთად. მომზადებული ნიმუშების რადიოლოგიური თვისებების (HU) მნიშვნელობები მიღებული იქნა ნიმუშების კომპიუტერული ტომოგრაფიის მონაცემების საფუძველზე და შედარებული იქნა თეორიული გამოთვლების შედეგებთან. შედეგები ხელსაყრელი იყო. გაზომილი მნიშვნელობა ასევე ახლოსაა ადამიანის ფილტვების HU მნიშვნელობასთან. შედეგები აჩვენებს, რომ შესაძლებელია ქსოვილის იმიტაციის მქონე ჰიდროგელის ქაფების შექმნა მექანიკური და რადიოლოგიური თვისებების იდეალური კომბინაციით, რომლებიც ადამიანის ფილტვების თვისებებს ბაძავენ.
იმედისმომცემი შედეგების მიუხედავად, ამჟამინდელი წარმოების მეთოდების გაუმჯობესებაა საჭირო, რათა უკეთ გაკონტროლდეს ჰაერის მოცულობის თანაფარდობა და ფორიანობა, რათა შეესაბამებოდეს თეორიული გამოთვლებითა და რეალური ადამიანის ფილტვების პროგნოზებს, როგორც გლობალურ, ასევე ადგილობრივ მასშტაბებზე. მიმდინარე კვლევა ასევე შემოიფარგლება შეკუმშვის მექანიკის ტესტირებით, რაც ზღუდავს ფანტომის პოტენციურ გამოყენებას სუნთქვის ციკლის შეკუმშვის ფაზაში. სამომავლო კვლევებისთვის სასარგებლო იქნება დაჭიმვის ტესტირების, ასევე მასალის საერთო მექანიკური სტაბილურობის შესწავლა, რათა შეფასდეს დინამიური დატვირთვის პირობებში პოტენციური გამოყენება. ამ შეზღუდვების მიუხედავად, კვლევა წარმოადგენს პირველ წარმატებულ მცდელობას, გააერთიანოს რადიოლოგიური და მექანიკური თვისებები ერთ მასალაში, რომელიც ადამიანის ფილტვის იმიტაციას ახდენს.
მიმდინარე კვლევის დროს გენერირებული და/ან გაანალიზებული მონაცემთა ნაკრებები ხელმისაწვდომია შესაბამისი ავტორისგან გონივრული მოთხოვნის შემთხვევაში. როგორც ექსპერიმენტები, ასევე მონაცემთა ნაკრებები რეპროდუცირებადია.
სონგ, გ. და სხვ. კიბოს სხივური თერაპიისთვის ახალი ნანოტექნოლოგიები და მოწინავე მასალები. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
კილი, პ.ჯ. და სხვ. რადიაციული ონკოლოგიის დროს რესპირატორული მოძრაობის მართვის AAPM 76a სამუშაო ჯგუფის ანგარიში. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
ალ-მაია, ა., მოსლი, ჯ. და ბროკი, კ.კ. ადამიანის ფილტვში ინტერფეისისა და მატერიალური არაწრფივობის მოდელირება. ფიზიკა და მედიცინა და ბიოლოგია 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
ვანგი, X. და სხვ. სიმსივნის მსგავსი ფილტვის კიბოს მოდელი, რომელიც გენერირებულია 3D ბიობეჭდვით. 3. ბიოტექნოლოგია. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
ლი, მ. და სხვ. ფილტვის დეფორმაციის მოდელირება: მეთოდი, რომელიც აერთიანებს დეფორმირებადი გამოსახულების რეგისტრაციის ტექნიკას და სივრცით ცვალებად იანგის მოდულის შეფასებას. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
გიმარაეში, ს.ფ. და სხვ. ცოცხალი ქსოვილის სიხისტე და მისი გავლენა ქსოვილების ინჟინერიაზე. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).