Bedankt voor uw bezoek aan nature.com. De browserversie die u gebruikt, biedt beperkte CSS-ondersteuning. Voor de beste ervaring raden we aan de nieuwste browserversie te gebruiken (of de compatibiliteitsmodus in Internet Explorer uit te schakelen). Om de website te blijven ondersteunen, zal deze bovendien geen stijlen of JavaScript bevatten.
Beweging van organen en weefsels kan leiden tot fouten in de positionering van röntgenstralen tijdens radiotherapie. Daarom zijn materialen met weefsel-equivalente mechanische en radiologische eigenschappen nodig om orgaanbeweging na te bootsen en zo radiotherapie te optimaliseren. De ontwikkeling van dergelijke materialen blijft echter een uitdaging. Alginaathydrogels hebben eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van de extracellulaire matrix, waardoor ze veelbelovend zijn als weefsel-equivalente materialen. In deze studie werden alginaathydrogelschuimen met de gewenste mechanische en radiologische eigenschappen gesynthetiseerd door in situ Ca2+-afgifte. De lucht-volumeverhouding werd zorgvuldig gecontroleerd om hydrogelschuimen met gedefinieerde mechanische en radiologische eigenschappen te verkrijgen. De macro- en micromorfologie van de materialen werden gekarakteriseerd en het gedrag van de hydrogelschuimen onder compressie werd bestudeerd. De radiologische eigenschappen werden theoretisch geschat en experimenteel geverifieerd met behulp van computertomografie. Deze studie werpt licht op de toekomstige ontwikkeling van weefsel-equivalente materialen die kunnen worden gebruikt voor optimalisatie van de stralingsdosis en kwaliteitscontrole tijdens radiotherapie.
Radiotherapie is een veelgebruikte behandeling voor kanker1. Beweging van organen en weefsels leidt vaak tot fouten in de positionering van röntgenstralen tijdens radiotherapie2, wat kan resulteren in onderbehandeling van de tumor en overmatige blootstelling van omliggende gezonde cellen aan onnodige straling. Het vermogen om de beweging van organen en weefsels te voorspellen is cruciaal om fouten in de tumorlokalisatie te minimaliseren. Deze studie richtte zich op de longen, omdat deze aanzienlijke vervormingen en bewegingen ondergaan wanneer patiënten ademen tijdens radiotherapie. Verschillende eindige-elementenmodellen zijn ontwikkeld en toegepast om de beweging van menselijke longen te simuleren3,4,5. Menselijke organen en weefsels hebben echter complexe geometrieën en zijn sterk patiëntafhankelijk. Daarom zijn materialen met weefsel-equivalente eigenschappen zeer nuttig voor het ontwikkelen van fysieke modellen om theoretische modellen te valideren, verbeterde medische behandelingen te faciliteren en voor medische onderwijsdoeleinden.
De ontwikkeling van materialen die zacht weefsel nabootsen om complexe externe en interne structurele geometrieën te realiseren, heeft veel aandacht getrokken, omdat hun inherente mechanische inconsistenties kunnen leiden tot mislukkingen in beoogde toepassingen6,7. Het modelleren van de complexe biomechanica van longweefsel, dat extreme zachtheid, elasticiteit en structurele porositeit combineert, vormt een aanzienlijke uitdaging bij het ontwikkelen van modellen die de menselijke long nauwkeurig reproduceren. De integratie en afstemming van mechanische en radiologische eigenschappen zijn cruciaal voor de effectieve werking van longmodellen bij therapeutische interventies. Additieve fabricage is effectief gebleken bij de ontwikkeling van patiëntspecifieke modellen, waardoor snelle prototyping van complexe ontwerpen mogelijk is. Shin et al. 8 ontwikkelden een reproduceerbaar, vervormbaar longmodel met 3D-geprinte luchtwegen. Haselaar et al. 9 ontwikkelden een fantoom dat sterk lijkt op echte patiënten voor methoden voor beeldkwaliteitsbeoordeling en positieverificatie bij radiotherapie. Hong et al.10 ontwikkelden een CT-model van de borstkas met behulp van 3D-printen en siliconengieten om de CT-intensiteit van verschillende longlaesies te reproduceren en de nauwkeurigheid van kwantificering te evalueren. Deze prototypes zijn echter vaak gemaakt van materialen waarvan de effectieve eigenschappen heel anders zijn dan die van longweefsel11.
Momenteel worden de meeste longfantommodellen gemaakt van siliconen of polyurethaanschuim, materialen die niet overeenkomen met de mechanische en radiologische eigenschappen van echt longparenchym.^12,13 Alginaathydrogels zijn biocompatibel en worden veel gebruikt in weefseltechnologie vanwege hun instelbare mechanische eigenschappen.¹⁴ Het reproduceren van de ultrazachte, schuimachtige consistentie die nodig is voor een longfantoom dat de elasticiteit en vullingsstructuur van longweefsel nauwkeurig nabootst, blijft echter een experimentele uitdaging.
In deze studie werd aangenomen dat longweefsel een homogeen elastisch materiaal is. De dichtheid van menselijk longweefsel (ρ) is naar verluidt 1,06 g/cm³, en de dichtheid van de opgeblazen long is 0,26 g/cm³¹⁵. Met behulp van verschillende experimentele methoden is een breed scala aan Young's modulus (YM)-waarden voor longweefsel verkregen. Lai-Fook et al.¹⁶ maten de YM van de menselijke long met uniforme inflatie op 0,42–6,72 kPa. Goss et al.¹⁷ gebruikten magnetische resonantie-elastografie en rapporteerden een YM van 2,17 kPa. Liu et al.¹⁸ rapporteerden een direct gemeten YM van 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al.¹⁹ schatten de YM op 0,1–2,7 kPa op basis van 4D CT-gegevens verkregen van geselecteerde patiënten.
Voor de radiologische eigenschappen van de long worden verschillende parameters gebruikt om het interactiegedrag van longweefsel met röntgenstralen te beschrijven, waaronder de elementaire samenstelling, de elektronendichtheid (\(\:{\rho\:}_{e}\)), het effectieve atoomnummer (\(\:{Z}_{eff}\)), de gemiddelde excitatie-energie (\(\:I\)), de massadempingscoëfficiënt (\(\:\mu\:/\rho\:\)) en de Hounsfield-eenheid (HU), die rechtstreeks verband houdt met \(\:\mu\:/\rho\:\).
De elektronendichtheid \(\:{\rho\:}_{e}\) wordt gedefinieerd als het aantal elektronen per volume-eenheid en wordt als volgt berekend:
waarbij \(\:\rho\:\) de dichtheid van het materiaal in g/cm3 is, \(\:{N}_{A}\) de constante van Avogadro is, \(\:{w}_{i}\) de massafractie is, \(\:{Z}_{i}\) het atoomnummer is en \(\:{A}_{i}\) het atoomgewicht van het i-de element is.
Het atoomnummer is direct gerelateerd aan de aard van de stralingsinteractie binnen het materiaal. Voor verbindingen en mengsels die meerdere elementen bevatten (bijvoorbeeld textiel), moet het effectieve atoomnummer \(\:{Z}_{eff}\) worden berekend. De formule werd voorgesteld door Murthy et al. 20:
De gemiddelde excitatie-energie \(\:I\) beschrijft hoe gemakkelijk het doelwit de kinetische energie van de doordringende deeltjes absorbeert. Het beschrijft alleen de eigenschappen van het doelwit en heeft niets te maken met de eigenschappen van de deeltjes. \(\:I\) kan worden berekend door de additiviteitsregel van Bragg toe te passen:
De massaverzwakkingscoëfficiënt \(\:\mu\:/\rho\:\) beschrijft de penetratie en energieafgifte van fotonen in het doelwit. Deze kan worden berekend met de volgende formule:
Waarbij \(\:x\) de dikte van het materiaal is, \(\:{I}_{0}\) de intensiteit van het invallende licht en \(\:I\) de fotonintensiteit na penetratie in het materiaal. \(\:\mu\:/\rho\:\)-gegevens kunnen rechtstreeks worden verkregen uit de NIST 12621 Standards Reference Database. \(\:\mu\:/\rho\:\)-waarden voor mengsels en verbindingen kunnen worden afgeleid met behulp van de additiviteitsregel als volgt:
HU is een gestandaardiseerde dimensieloze meeteenheid voor radiodensiteit bij de interpretatie van computertomografie (CT)-gegevens. Deze wordt lineair getransformeerd vanuit de gemeten verzwakkingscoëfficiënt \(\:\mu\:\). De definitie is als volgt:
waarbij \(\:{\mu\:}_{water}\) de verzwakkingscoëfficiënt van water is en \(\:{\mu\:}_{air}\) de verzwakkingscoëfficiënt van lucht. Uit formule (6) zien we dus dat de HU-waarde van water 0 is en de HU-waarde van lucht -1000. De HU-waarde voor menselijke longen varieert van -600 tot -70022.
Er zijn verschillende weefselequivalente materialen ontwikkeld. Griffith et al. 23 ontwikkelden een weefselequivalent model van de menselijke romp, gemaakt van polyurethaan (PU), waaraan verschillende concentraties calciumcarbonaat (CaCO3) werden toegevoegd om de lineaire verzwakkingscoëfficiënten van verschillende menselijke organen, waaronder de menselijke long, te simuleren. Dit model werd Griffith genoemd. Taylor24 presenteerde een tweede longweefselequivalent model, ontwikkeld door het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), genaamd LLLL1. Traub et al.25 ontwikkelden een nieuw longweefselsubstituut met behulp van Foamex XRS-272, dat 5,25% CaCO3 bevat als prestatieverbeteraar. Dit model werd ALT2 genoemd. Tabellen 1 en 2 tonen een vergelijking van \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) en de massaverzwakkingscoëfficiënten voor de menselijke long (ICRU-44) en de bovengenoemde weefselequivalente modellen.
Ondanks de uitstekende radiologische eigenschappen die zijn bereikt, zijn bijna alle fantoommaterialen gemaakt van polystyreenschuim. Dit betekent dat de mechanische eigenschappen van deze materialen niet in de buurt komen van die van menselijke longen. De Young-modulus (YM) van polyurethaanschuim is ongeveer 500 kPa, wat verre van ideaal is vergeleken met normale menselijke longen (ongeveer 5-10 kPa). Daarom is het noodzakelijk om een ​​nieuw materiaal te ontwikkelen dat kan voldoen aan de mechanische en radiologische eigenschappen van echte menselijke longen.
Hydrogels worden veel gebruikt in weefseltechnologie. Hun structuur en eigenschappen lijken op die van de extracellulaire matrix (ECM) en zijn gemakkelijk aanpasbaar. In deze studie werd zuiver natriumalginaat gekozen als biomateriaal voor de bereiding van schuimen. Alginaathydrogels zijn biocompatibel en worden veel gebruikt in weefseltechnologie vanwege hun aanpasbare mechanische eigenschappen. De elementaire samenstelling van natriumalginaat (C6H7NaO6)n en de aanwezigheid van Ca2+ maken het mogelijk om de radiologische eigenschappen naar behoefte aan te passen. Deze combinatie van aanpasbare mechanische en radiologische eigenschappen maakt alginaathydrogels ideaal voor ons onderzoek. Natuurlijk hebben alginaathydrogels ook beperkingen, met name wat betreft de stabiliteit op lange termijn tijdens gesimuleerde ademhalingscycli. Daarom zijn verdere verbeteringen nodig en worden deze in toekomstige studies verwacht om deze beperkingen aan te pakken.
In dit onderzoek hebben we een alginaat-hydrogelschuim ontwikkeld met regelbare rho-waarden, elasticiteit en radiologische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van menselijk longweefsel. Deze studie biedt een algemene oplossing voor het vervaardigen van weefselachtige fantomen met instelbare elastische en radiologische eigenschappen. De materiaaleigenschappen kunnen eenvoudig worden aangepast aan elk menselijk weefsel en orgaan.
De beoogde lucht-volumeverhouding van het hydrogelschuim werd berekend op basis van het HU-bereik van de menselijke longen (-600 tot -700). Er werd aangenomen dat het schuim een ​​eenvoudig mengsel was van lucht en synthetische alginaathydrogel. Met behulp van een eenvoudige optelregel voor de afzonderlijke elementen (μ/ρ) konden de volumefractie van lucht en de volumeverhouding van de gesynthetiseerde alginaathydrogel worden berekend.
Alginaat-hydrogelschuimen werden bereid met behulp van natriumalginaat (onderdeelnummer W201502), CaCO3 (onderdeelnummer 795445, molecuulgewicht: 100,09) en GDL (onderdeelnummer G4750, molecuulgewicht: 178,14), gekocht bij Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% natriumlaurylethersulfaat (SLES 70) werd gekocht bij Renowned Trading LLC. Gedemineraliseerd water werd gebruikt bij de bereiding van het schuim. Natriumalginaat werd bij kamertemperatuur in gedemineraliseerd water opgelost onder constant roeren (600 tpm) totdat een homogene, gele, doorschijnende oplossing werd verkregen. CaCO3 in combinatie met GDL werd gebruikt als Ca2+-bron om de gelering te initiëren. SLES 70 werd gebruikt als oppervlakteactieve stof om een ​​poreuze structuur in de hydrogel te vormen. De alginaatconcentratie werd op 5% gehouden en de molaire verhouding Ca2+:-COOH op 0,18. De molaire verhouding CaCO3:GDL werd tijdens de schuimbereiding ook op 0,5 gehouden om een ​​neutrale pH te behouden. De pH-waarde is 26. Aan alle monsters werd 2 volumeprocent SLES 70 toegevoegd. Een bekerglas met deksel werd gebruikt om de mengverhouding van de oplossing en lucht te controleren. Het totale volume van het bekerglas was 140 ml. Op basis van de theoretische berekeningen werden verschillende volumes van het mengsel (50 ml, 100 ml, 110 ml) aan het bekerglas toegevoegd om met lucht te mengen. Het monster met 50 ml van het mengsel was ontworpen om voldoende lucht te bevatten, terwijl de luchtvolumeverhouding in de andere twee monsters werd gecontroleerd. Eerst werd SLES 70 aan de alginaatoplossing toegevoegd en met een elektrische roerder geroerd tot het volledig gemengd was. Vervolgens werd de CaCO3-suspensie aan het mengsel toegevoegd en continu geroerd totdat het mengsel volledig gemengd was en de kleur wit werd. Ten slotte werd de GDL-oplossing aan het mengsel toegevoegd om de gelering te initiëren, en werd gedurende het hele proces mechanisch geroerd. Voor het monster met 50 ml van het mengsel werd het mechanisch roeren gestopt toen het volume van het mengsel niet meer veranderde. Voor de monsters met 100 ml en 110 ml van het mengsel werd het mechanisch roeren gestopt toen het mengsel de beker vulde. We hebben ook geprobeerd hydrogelschuimen te bereiden met een volume tussen 50 ml en 100 ml. Er werd echter structurele instabiliteit van het schuim waargenomen, aangezien het fluctueerde tussen de toestand van volledige luchtmenging en de toestand van luchtvolumeregeling, wat resulteerde in inconsistente volumeregeling. Deze instabiliteit introduceerde onzekerheid in de berekeningen, en daarom werd dit volumebereik niet in dit onderzoek opgenomen.
De dichtheid \(\:\rho\:\) van een hydrogelschuim wordt berekend door de massa \(\:m\) en het volume \(\:V\) van een hydrogelschuimmonster te meten.
Met behulp van een Zeiss Axio Observer A1-camera werden optische microscopische beelden van hydrogelschuimen verkregen. De ImageJ-software werd gebruikt om op basis van de verkregen beelden het aantal en de grootteverdeling van poriën in een monster in een bepaald gebied te berekenen. Er werd aangenomen dat de poriën cirkelvormig zijn.
Om de mechanische eigenschappen van de alginaat-hydrogelschuimen te bestuderen, werden uniaxiale compressietests uitgevoerd met behulp van een TESTRESOURCES 100-serie machine. De monsters werden in rechthoekige blokken gesneden en de afmetingen van de blokken werden gemeten om de spanningen en vervormingen te berekenen. De snelheid van de dwarskop werd ingesteld op 10 mm/min. Van elk type monster werden drie monsters getest en het gemiddelde en de standaardafwijking werden berekend op basis van de resultaten. Deze studie richtte zich op de compressieve mechanische eigenschappen van de alginaat-hydrogelschuimen, aangezien longweefsel in een bepaald stadium van de ademhalingscyclus aan compressieve krachten wordt blootgesteld. De rekbaarheid is uiteraard cruciaal, met name om het volledige dynamische gedrag van het longweefsel te weerspiegelen, en dit zal in toekomstige studies worden onderzocht.
De geprepareerde hydrogel-schuimmonsters werden gescand met een Siemens SOMATOM Drive dual-channel CT-scanner. De scanparameters werden als volgt ingesteld: 40 mAs, 120 kVp en een plakdikte van 1 mm. De resulterende DICOM-bestanden werden geanalyseerd met MicroDicom DICOM Viewer-software om de HU-waarden van 5 dwarsdoorsneden van elk monster te bepalen. De met CT verkregen HU-waarden werden vergeleken met theoretische berekeningen op basis van de dichtheidsgegevens van de monsters.
Het doel van deze studie is om de fabricage van individuele orgaanmodellen en kunstmatige biologische weefsels te revolutioneren door middel van de ontwikkeling van zachte materialen. Het ontwikkelen van materialen met mechanische en radiologische eigenschappen die overeenkomen met de werkingsmechanismen van menselijke longen is belangrijk voor specifieke toepassingen, zoals het verbeteren van medische training, chirurgische planning en radiotherapieplanning. In figuur 1A is de discrepantie weergegeven tussen de mechanische en radiologische eigenschappen van zachte materialen die mogelijk gebruikt worden voor de fabricage van menselijke longmodellen. Tot nu toe zijn er materialen ontwikkeld die de gewenste radiologische eigenschappen vertonen, maar waarvan de mechanische eigenschappen niet aan de eisen voldoen. Polyurethaanschuim en rubber zijn de meest gebruikte materialen voor de fabricage van vervormbare menselijke longmodellen. De mechanische eigenschappen van polyurethaanschuim (Young's modulus, YM) zijn doorgaans 10 tot 100 keer groter dan die van normaal menselijk longweefsel. Materialen die zowel de gewenste mechanische als radiologische eigenschappen bezitten, zijn nog niet bekend.
(A) Schematische weergave van de eigenschappen van verschillende zachte materialen en een vergelijking met de menselijke long in termen van dichtheid, Young-modulus en radiologische eigenschappen (in HU). (B) Röntgendiffractiepatroon van μ/ρ-alginaathydrogel met een concentratie van 5% en een Ca2+:COOH-molaire verhouding van 0,18. (C) Bereik van luchtvolumeverhoudingen in hydrogelschuimen. (D) Schematische weergave van alginaathydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen.
De elementaire samenstelling van alginaathydrogels met een concentratie van 5% en een Ca2+:-COOH molaire verhouding van 0,18 werd berekend, en de resultaten worden weergegeven in Tabel 3. Volgens de optelregel in de voorgaande formule (5) wordt de massadempingscoëfficiënt van alginaathydrogel \(\:\:\mu\:/\rho\:\) verkregen zoals weergegeven in Figuur 1B.
De \(\:\mu\:/\rho\:\)-waarden voor lucht en water werden rechtstreeks verkregen uit de NIST 12612-standaardreferentiedatabase. Figuur 1C toont de berekende luchtvolumeverhoudingen in hydrogelschuimen met HU-equivalentwaarden tussen -600 en -700 voor de menselijke long. De theoretisch berekende luchtvolumeverhouding is stabiel tussen 60 en 70% in het energiebereik van 1 × 10−3 tot 2 × 101 MeV, wat wijst op een goed potentieel voor de toepassing van hydrogelschuim in latere productieprocessen.
Figuur 1D toont het bereide monster van alginaat-hydrogelschuim. Alle monsters werden in kubussen gesneden met een zijlengte van 12,7 mm. De resultaten toonden aan dat een homogeen, driedimensionaal stabiel hydrogelschuim werd gevormd. Ongeacht de luchtvolumeverhouding werden geen significante verschillen in het uiterlijk van de hydrogelschuimen waargenomen. Het zelfdragende karakter van het hydrogelschuim suggereert dat het netwerk dat in de hydrogel is gevormd sterk genoeg is om het gewicht van het schuim zelf te dragen. Afgezien van een kleine hoeveelheid waterlekkage uit het schuim, vertoonde het schuim ook een tijdelijke stabiliteit gedurende meerdere weken.
Door de massa en het volume van het schuimmonster te meten, werd de dichtheid van het bereide hydrogelschuim \(\:\rho\:\) berekend. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 4. De resultaten tonen de afhankelijkheid van \(\:\rho\:\) van de volumeverhouding lucht. Wanneer voldoende lucht wordt gemengd met 50 ml van het monster, is de dichtheid het laagst, namelijk 0,482 g/cm³. Naarmate de hoeveelheid gemengde lucht afneemt, neemt de dichtheid toe tot 0,685 g/cm³. De maximale p-waarde tussen de groepen van 50 ml, 100 ml en 110 ml was 0,004 < 0,05, wat de statistische significantie van de resultaten aangeeft.
De theoretische \(\:\rho\:\)-waarde wordt ook berekend met behulp van de gecontroleerde luchtvolumeverhouding. De gemeten resultaten laten zien dat \(\:\rho\:\) 0,1 g/cm³ kleiner is dan de theoretische waarde. Dit verschil kan worden verklaard door de interne spanning die in de hydrogel ontstaat tijdens het geleringsproces, wat zwelling veroorzaakt en daardoor leidt tot een afname van \(\:\rho\:\). Dit werd verder bevestigd door de waarneming van enkele openingen in het hydrogelschuim op de CT-beelden in Figuur 2 (A, B en C).
Optische microscopiebeelden van hydrogelschuimen met verschillende luchtvolumegehaltes (A) 50, (B) 100 en (C) 110. Aantal cellen en poriegrootteverdeling in alginaathydrogelschuimmonsters (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Figuur 3 (A, B, C) toont de optische microscoopbeelden van de hydrogelschuimmonsters met verschillende luchtvolumeverhoudingen. De resultaten tonen de optische structuur van het hydrogelschuim aan, waarbij de poriën met verschillende diameters duidelijk zichtbaar zijn. De verdeling van het aantal poriën en de diameter ervan werd berekend met ImageJ. Van elk monster werden zes beelden gemaakt, elk met een afmeting van 1125,27 μm × 843,96 μm, en het totale geanalyseerde oppervlak per monster bedroeg 5,7 mm².
(A) Drukspanning-rekgedrag van alginaathydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen. (B) Exponentiële aanpassing. (C) Compressie E0 van hydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen. (D) Maximale drukspanning en -rek van alginaathydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen.
Figuur 3 (D, E, F) laat zien dat de poriegrootteverdeling relatief uniform is, variërend van tientallen micrometers tot ongeveer 500 micrometer. De poriegrootte is in principe uniform en neemt licht af naarmate het luchtvolume afneemt. Volgens de testgegevens is de gemiddelde poriegrootte van het monster van 50 ml 192,16 μm, de mediaan 184,51 μm en het aantal poriën per oppervlakte-eenheid 103; de gemiddelde poriegrootte van het monster van 100 ml is 156,62 μm, de mediaan 151,07 μm en het aantal poriën per oppervlakte-eenheid 109; de overeenkomstige waarden voor het monster van 110 ml zijn respectievelijk 163,07 μm, 150,29 μm en 115. De gegevens tonen aan dat grotere poriën een grotere invloed hebben op de statistische resultaten van de gemiddelde poriegrootte, terwijl de mediane poriegrootte de veranderingstrend van de poriegrootte beter weergeeft. Naarmate het monstervolume toeneemt van 50 ml tot 110 ml, neemt ook het aantal poriën toe. Door de statistische resultaten van de mediane poriediameter en het aantal poriën te combineren, kan worden geconcludeerd dat er met toenemend volume meer poriën van kleinere omvang in het monster worden gevormd.
De gegevens van de mechanische testen worden weergegeven in figuren 4A en 4D. Figuur 4A toont het drukspanning-rekgedrag van de bereide hydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen. De resultaten laten zien dat alle monsters een vergelijkbaar niet-lineair spanning-rekgedrag vertonen. Voor elk monster neemt de spanning sneller toe naarmate de rek toeneemt. Een exponentiële curve werd aangepast aan het drukspanning-rekgedrag van het hydrogelschuim. Figuur 4B toont de resultaten na toepassing van de exponentiële functie als benaderingsmodel op het hydrogelschuim.
Voor de hydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen werd ook hun compressiemodulus (E0) onderzocht. Net als bij de analyse van de hydrogels werd de compressie-Young-modulus onderzocht in het bereik van 20% initiële rek. De resultaten van de compressietesten zijn weergegeven in figuur 4C. De resultaten in figuur 4C laten zien dat naarmate de luchtvolumeverhouding afneemt van monster 50 tot monster 110, de compressie-Young-modulus E0 van het alginaat-hydrogelschuim toeneemt van 10,86 kPa tot 18 kPa.
Op dezelfde manier werden de volledige spanning-rekcurves van de hydrogelschuimen, evenals de uiteindelijke drukspanning en -rekwaarden, verkregen. Figuur 4D toont de uiteindelijke drukspanning en -rek van de alginaathydrogelschuimen. Elk datapunt is het gemiddelde van drie testresultaten. De resultaten laten zien dat de uiteindelijke drukspanning toeneemt van 9,84 kPa tot 17,58 kPa bij afnemend gasgehalte. De uiteindelijke rek blijft stabiel op ongeveer 38%.
Figuur 2 (A, B en C) toont de CT-beelden van hydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen, corresponderend met respectievelijk monsters 50, 100 en 110. De beelden laten zien dat het gevormde hydrogelschuim vrijwel homogeen is. In de monsters 100 en 110 werden een klein aantal openingen waargenomen. De vorming van deze openingen kan te wijten zijn aan de interne spanning die in de hydrogel ontstaat tijdens het geleringsproces. We hebben de HU-waarden berekend voor 5 dwarsdoorsneden van elk monster en deze samen met de corresponderende theoretische berekeningsresultaten in tabel 5 weergegeven.
Tabel 5 laat zien dat de monsters met verschillende luchtvolumeverhoudingen verschillende HU-waarden opleverden. De maximale p-waarde tussen de groepen van 50 ml, 100 ml en 110 ml was 0,004 < 0,05, wat de statistische significantie van de resultaten aangeeft. Van de drie geteste monsters had het monster met 50 ml mengsel de radiologische eigenschappen die het dichtst bij die van menselijke longen lagen. De laatste kolom van Tabel 5 toont het resultaat verkregen door theoretische berekening op basis van de gemeten schuimwaarde \(\:\rho\:\). Door de gemeten gegevens te vergelijken met de theoretische resultaten, blijkt dat de HU-waarden verkregen met CT-scanning over het algemeen dicht bij de theoretische resultaten liggen, wat de resultaten van de berekening van de luchtvolumeverhouding in Figuur 1C bevestigt.
Het hoofddoel van deze studie is het creëren van een materiaal met mechanische en radiologische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van menselijke longen. Dit doel werd bereikt door een hydrogel-gebaseerd materiaal te ontwikkelen met op maat gemaakte, weefsel-equivalente mechanische en radiologische eigenschappen die zo dicht mogelijk bij die van menselijke longen liggen. Onder begeleiding van theoretische berekeningen werden hydrogelschuimen met verschillende luchtvolumeverhoudingen bereid door mechanisch mengen van een natriumalginaatoplossing, CaCO3, GDL en SLES 70. Morfologische analyse toonde aan dat een homogeen, driedimensionaal, stabiel hydrogelschuim werd gevormd. Door de luchtvolumeverhouding te variëren, kunnen de dichtheid en porositeit van het schuim naar wens worden aangepast. Met een toenemend luchtvolumegehalte neemt de poriegrootte licht af en het aantal poriën toe. Compressietesten werden uitgevoerd om de mechanische eigenschappen van de alginaat-hydrogelschuimen te analyseren. De resultaten toonden aan dat de compressiemodulus (E0) verkregen uit de compressietesten binnen het ideale bereik voor menselijke longen ligt. E0 neemt toe naarmate de luchtvolumeverhouding afneemt. De waarden van de radiologische eigenschappen (HU) van de bereide monsters werden verkregen op basis van de CT-gegevens van de monsters en vergeleken met de resultaten van theoretische berekeningen. De resultaten waren gunstig. De gemeten waarde ligt ook dicht bij de HU-waarde van menselijke longen. De resultaten tonen aan dat het mogelijk is om weefselimiterende hydrogelschuimen te creëren met een ideale combinatie van mechanische en radiologische eigenschappen die de eigenschappen van menselijke longen nabootsen.
Ondanks de veelbelovende resultaten moeten de huidige fabricagemethoden worden verbeterd om de luchtvolumeverhouding en porositeit beter te beheersen, zodat deze overeenkomen met voorspellingen uit theoretische berekeningen en met de werkelijke menselijke longen, zowel op globaal als lokaal niveau. De huidige studie is bovendien beperkt tot het testen van de compressiemechanica, wat de potentiële toepassing van het fantoom beperkt tot de compressiefase van de ademhalingscyclus. Toekomstig onderzoek zou baat hebben bij het onderzoeken van trekproeven en de algehele mechanische stabiliteit van het materiaal om potentiële toepassingen onder dynamische belastingomstandigheden te beoordelen. Ondanks deze beperkingen is dit onderzoek de eerste succesvolle poging om radiologische en mechanische eigenschappen te combineren in één materiaal dat de menselijke long nabootst.
De datasets die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur. Zowel de experimenten als de datasets zijn reproduceerbaar.
Song, G., et al. Nieuwe nanotechnologieën en geavanceerde materialen voor radiotherapie bij kanker. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Rapport van de AAPM 76a Task Force over het beheersen van ademhalingsbewegingen bij radiotherapie. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., en Brock, KK. Modelleren van de interface- en materiaal-niet-lineariteiten in de menselijke long. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Tumorachtig longkankermodel gegenereerd door 3D-bioprinting. 3. Biotechnologie. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelleren van longdeformatie: een methode die technieken voor vervormbare beeldregistratie combineert met ruimtelijk variërende schatting van de Young-modulus. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Stijfheid van levend weefsel en de implicaties daarvan voor weefseltechnologie. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).