Diolch am ymweld â nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell defnyddio'r fersiwn porwr diweddaraf (neu ddiffodd y modd cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn ogystal, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, ni fydd y wefan hon yn cynnwys arddulliau na JavaScript.
Gall symud organau a meinweoedd arwain at wallau wrth leoli pelydrau-X yn ystod radiotherapi. Felly, mae angen deunyddiau â phriodweddau mecanyddol a radiolegol sy'n cyfateb i feinwe i efelychu symudiad organau ar gyfer optimeiddio radiotherapi. Fodd bynnag, mae datblygu deunyddiau o'r fath yn parhau i fod yn her. Mae gan hydrogeliau alginad briodweddau tebyg i rai'r matrics allgellog, gan eu gwneud yn addawol fel deunyddiau sy'n cyfateb i feinwe. Yn yr astudiaeth hon, syntheseiddiwyd ewynnau hydrogel alginad â phriodweddau mecanyddol a radiolegol dymunol trwy ryddhau Ca2+ in situ. Rheolwyd y gymhareb aer-i-gyfaint yn ofalus i gael ewynnau hydrogel â phriodweddau mecanyddol a radiolegol wedi'u diffinio. Nodweddwyd macro- a micromorffoleg y deunyddiau, ac astudiwyd ymddygiad yr ewynnau hydrogel o dan gywasgiad. Amcangyfrifwyd y priodweddau radiolegol yn ddamcaniaethol a'u gwirio'n arbrofol gan ddefnyddio tomograffeg gyfrifiadurol. Mae'r astudiaeth hon yn taflu goleuni ar ddatblygiad deunyddiau sy'n cyfateb i feinwe yn y dyfodol y gellir eu defnyddio ar gyfer optimeiddio dos ymbelydredd a rheoli ansawdd yn ystod radiotherapi.
Mae radiotherapi yn driniaeth gyffredin ar gyfer canser1. Yn aml, mae symud organau a meinweoedd yn arwain at wallau wrth leoli pelydrau-X yn ystod radiotherapi2, a all arwain at dan-drin y tiwmor a gor-ddatguddiad celloedd iach cyfagos i ymbelydredd diangen. Mae'r gallu i ragweld symudiad organau a meinweoedd yn hanfodol i leihau gwallau lleoleiddio tiwmor. Canolbwyntiodd yr astudiaeth hon ar yr ysgyfaint, gan eu bod yn cael anffurfiadau a symudiadau sylweddol pan fydd cleifion yn anadlu yn ystod radiotherapi. Mae amrywiol fodelau elfennau meidraidd wedi'u datblygu a'u cymhwyso i efelychu symudiad ysgyfaint dynol3,4,5. Fodd bynnag, mae gan organau a meinweoedd dynol geometreg gymhleth ac maent yn ddibynnol iawn ar y claf. Felly, mae deunyddiau â phriodweddau sy'n cyfateb i feinwe yn ddefnyddiol iawn ar gyfer datblygu modelau ffisegol i ddilysu modelau damcaniaethol, hwyluso triniaeth feddygol well, ac at ddibenion addysg feddygol.
Mae datblygu deunyddiau sy'n dynwared meinwe meddal i gyflawni geometregau strwythurol allanol a mewnol cymhleth wedi denu llawer o sylw oherwydd gall eu hanghysondebau mecanyddol cynhenid ​​arwain at fethiannau mewn cymwysiadau targed6,7. Mae modelu biomecaneg gymhleth meinwe'r ysgyfaint, sy'n cyfuno meddalwch eithafol, hydwythedd, a mandylledd strwythurol, yn peri her sylweddol wrth ddatblygu modelau sy'n atgynhyrchu'r ysgyfaint dynol yn gywir. Mae integreiddio a chyfateb priodweddau mecanyddol a radiolegol yn hanfodol ar gyfer perfformiad effeithiol modelau ysgyfaint mewn ymyriadau therapiwtig. Mae gweithgynhyrchu ychwanegol wedi profi i fod yn effeithiol wrth ddatblygu modelau penodol i gleifion, gan alluogi prototeipio cyflym o ddyluniadau cymhleth. Datblygodd Shin et al.8 fodel ysgyfaint atgynhyrchadwy, dadffurfadwy gyda llwybrau anadlu wedi'u hargraffu'n 3D. Datblygodd Haselaar et al.9 ffantom tebyg iawn i gleifion go iawn ar gyfer asesu ansawdd delwedd a dulliau gwirio safle ar gyfer radiotherapi. Datblygodd Hong et al10 fodel CT y frest gan ddefnyddio argraffu 3D a thechnoleg castio silicon i atgynhyrchu dwyster CT amrywiol friwiau'r ysgyfaint i werthuso cywirdeb meintioli. Fodd bynnag, mae'r prototeipiau hyn yn aml yn cael eu gwneud o ddeunyddiau y mae eu priodweddau effeithiol yn wahanol iawn i rai meinwe'r ysgyfaint11.
Ar hyn o bryd, mae'r rhan fwyaf o ffantomau ysgyfaint wedi'u gwneud o ewyn silicon neu polywrethan, nad ydynt yn cyfateb i briodweddau mecanyddol a radiolegol parencyma ysgyfaint go iawn.12,13 Mae hydrogeliau alginad yn fiogydnaws ac fe'u defnyddiwyd yn helaeth mewn peirianneg meinwe oherwydd eu priodweddau mecanyddol tiwnadwy.14 Fodd bynnag, mae atgynhyrchu'r cysondeb hynod feddal, tebyg i ewyn sy'n ofynnol ar gyfer ffantom ysgyfaint sy'n dynwared hydwythedd a strwythur llenwi meinwe'r ysgyfaint yn gywir yn parhau i fod yn her arbrofol.
Yn yr astudiaeth hon, tybiwyd bod meinwe'r ysgyfaint yn ddeunydd elastig homogenaidd. Adroddir bod dwysedd meinwe ysgyfaint dynol (\(\:\rho\:\)) yn 1.06 g/cm3, a bod dwysedd yr ysgyfaint wedi'i chwyddo yn 0.26 g/cm315. Mae ystod eang o werthoedd modwlws Young (MY) meinwe'r ysgyfaint wedi'u sicrhau gan ddefnyddio gwahanol ddulliau arbrofol. Mesurodd Lai-Fook et al. 16 YM ysgyfaint dynol gyda chwyddiant unffurf i fod yn 0.42–6.72 kPa. Defnyddiodd Goss et al. 17 elastograffeg cyseiniant magnetig ac adroddwyd YM o 2.17 kPa. Adroddodd Liu et al. 18 YM a fesurwyd yn uniongyrchol o 0.03–57.2 kPa. Amcangyfrifodd Ilegbusi et al. 19 fod y YM yn 0.1–2.7 kPa yn seiliedig ar ddata CT 4D a gafwyd gan gleifion dethol.
Ar gyfer priodweddau radiolegol yr ysgyfaint, defnyddir sawl paramedr i ddisgrifio ymddygiad rhyngweithio meinwe'r ysgyfaint â phelydrau-X, gan gynnwys y cyfansoddiad elfennol, dwysedd electronau (\(\:{\rho\:}_{e}\)), rhif atomig effeithiol (\(\:{Z}_{eff}\)), egni cyffroi cymedrig (\(\:I\)), cyfernod gwanhau màs (\(\:\mu\:/\rho\:\)) ac uned Hounsfield (HU), sy'n uniongyrchol gysylltiedig â \(\:\mu\:/\rho\:\).
Diffinnir dwysedd electron \(\:{\rho\:}_{e}\) fel nifer yr electronau fesul uned gyfaint ac fe'i cyfrifir fel a ganlyn:
lle mae \(\:\rho\:\) yn cynrychioli dwysedd y deunydd mewn g/cm3, \(\:{N}_{A}\) yw cysonyn Avogadro, \(\:{w}_{i}\) yw'r ffracsiwn màs, \(\:{Z}_{i}\) yw'r rhif atomig, ac \(\:{A}_{i}\) yw pwysau atomig yr i-fed elfen.
Mae'r rhif atomig yn uniongyrchol gysylltiedig â natur y rhyngweithio ymbelydredd o fewn y deunydd. Ar gyfer cyfansoddion a chymysgeddau sy'n cynnwys sawl elfen (e.e., ffabrigau), rhaid cyfrifo'r rhif atomig effeithiol \(\:{Z}_{eff}\). Cynigiwyd y fformiwla gan Murthy et al. 20:
Mae'r egni cyffroi cyfartalog \(\:I\) yn disgrifio pa mor hawdd y mae'r deunydd targed yn amsugno egni cinetig y gronynnau treiddiol. Dim ond priodweddau'r deunydd targed y mae'n eu disgrifio ac nid oes ganddo ddim i'w wneud â phriodweddau'r gronynnau. Gellir cyfrifo \(\:I\) trwy gymhwyso rheol additif Bragg:
Mae'r cyfernod gwanhau màs \(\:\mu\:/\rho\:\) yn disgrifio treiddiad a rhyddhau ynni ffotonau yn y deunydd targed. Gellir ei gyfrifo gan ddefnyddio'r fformiwla ganlynol:
Lle mae \(\:x\) yn dynodi trwch y deunydd, \(\:{I}_{0}\) yn dynodi dwyster y golau sy'n dod i mewn, ac \(\:I\) yn dynodi dwyster y ffoton ar ôl treiddio i'r deunydd. Gellir cael data \(\:\mu\:/\rho\:\) yn uniongyrchol o Gronfa Ddata Cyfeirio Safonau NIST 12621. Gellir deillio gwerthoedd \(\:\mu\:/\rho\:\) ar gyfer cymysgeddau a chyfansoddion gan ddefnyddio'r rheol additivedd fel a ganlyn:
Mae HU yn uned fesur safonol ddi-ddimensiwn o ddwysedd radio wrth ddehongli data tomograffeg gyfrifiadurol (CT), sy'n cael ei drawsnewid yn llinol o'r cyfernod gwanhau a fesurwyd \(\:\mu\:\). Fe'i diffinnir fel:
lle mae \(\:{\mu\:}_{water}\) yn gyfernod gwanhau dŵr, ac \(\:{\mu\:}_{air}\) yn gyfernod gwanhau aer. Felly, o fformiwla (6) gwelwn fod gwerth HU dŵr yn 0, a gwerth HU aer yn -1000. Mae gwerth HU ysgyfaint dynol yn amrywio o -600 i -70022.
Mae nifer o ddeunyddiau cyfatebol meinwe wedi'u datblygu. Datblygodd Griffith et al. 23 fodel cyfatebol meinwe o'r torso dynol wedi'i wneud o polywrethan (PU) ychwanegwyd gwahanol grynodiadau o galsiwm carbonad (CaCO3) ato i efelychu cyfernodau gwanhau llinol amrywiol organau dynol gan gynnwys yr ysgyfaint ddynol, ac enwyd y model yn Griffith. Cyflwynodd Taylor24 ail fodel cyfatebol meinwe ysgyfaint a ddatblygwyd gan Labordy Cenedlaethol Lawrence Livermore (LLNL), o'r enw LLLL1. Datblygodd Traub et al.25 amnewidyn meinwe ysgyfaint newydd gan ddefnyddio Foamex XRS-272 sy'n cynnwys 5.25% CaCO3 fel gwellawr perfformiad, a enwyd yn ALT2. Mae Tablau 1 a 2 yn dangos cymhariaeth o \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) a'r cyfernodau gwanhau màs ar gyfer yr ysgyfaint ddynol (ICRU-44) a'r modelau cyfatebol meinwe uchod.
Er gwaethaf y priodweddau radiolegol rhagorol a gyflawnwyd, mae bron pob deunydd ffantom wedi'i wneud o ewyn polystyren, sy'n golygu na all priodweddau mecanyddol y deunyddiau hyn agosáu at rai ysgyfaint dynol. Mae modwlws Young (YM) ewyn polywrethan tua 500 kPa, sydd ymhell o fod yn ddelfrydol o'i gymharu ag ysgyfaint dynol arferol (tua 5-10 kPa). Felly, mae angen datblygu deunydd newydd a all fodloni nodweddion mecanyddol a radiolegol ysgyfaint dynol go iawn.
Defnyddir hydrogeliau'n helaeth mewn peirianneg meinweoedd. Mae ei strwythur a'i briodweddau'n debyg i'r matrics allgellog (ECM) ac maent yn hawdd eu haddasu. Yn yr astudiaeth hon, dewiswyd alginad sodiwm pur fel y bioddeunydd ar gyfer paratoi ewynnau. Mae hydrogeliau alginad yn fiogydnaws ac yn cael eu defnyddio'n helaeth mewn peirianneg meinweoedd oherwydd eu priodweddau mecanyddol addasadwy. Mae cyfansoddiad elfennol alginad sodiwm (C6H7NaO6)n a phresenoldeb Ca2+ yn caniatáu i'w briodweddau radiolegol gael eu haddasu yn ôl yr angen. Mae'r cyfuniad hwn o briodweddau mecanyddol a radiolegol addasadwy yn gwneud hydrogeliau alginad yn ddelfrydol ar gyfer ein hastudiaeth. Wrth gwrs, mae gan hydrogeliau alginad gyfyngiadau hefyd, yn enwedig o ran sefydlogrwydd hirdymor yn ystod cylchoedd anadlol efelychiedig. Felly, mae angen gwelliannau pellach a disgwylir gwelliannau mewn astudiaethau yn y dyfodol i fynd i'r afael â'r cyfyngiadau hyn.
Yn y gwaith hwn, fe wnaethom ddatblygu deunydd ewyn hydrogel alginad gyda gwerthoedd rho rheoladwy, hydwythedd, a phriodweddau radiolegol tebyg i rai meinwe ysgyfaint ddynol. Bydd yr astudiaeth hon yn darparu ateb cyffredinol ar gyfer cynhyrchu rhithiau tebyg i feinwe gyda phriodweddau elastig a radiolegol tiwnadwy. Gellir teilwra priodweddau'r deunydd yn hawdd i unrhyw feinwe ac organ ddynol.
Cyfrifwyd y gymhareb darged o aer i gyfaint yr ewyn hydrogel yn seiliedig ar ystod HU ysgyfaint dynol (-600 i -700). Tybiwyd mai cymysgedd syml o aer a hydrogel alginad synthetig oedd yr ewyn. Gan ddefnyddio rheol adio syml o elfennau unigol \(\:\mu\:/\rho\:\), gellid cyfrifo cyfran gyfaint yr aer a chymhareb gyfaint yr hydrogel alginad wedi'i syntheseiddio.
Paratowyd ewynnau hydrogel alginad gan ddefnyddio alginad sodiwm (Rhif Rhan W201502), CaCO3 (Rhif Rhan 795445, MW: 100.09), a GDL (Rhif Rhan G4750, MW: 178.14) a brynwyd gan Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. Prynwyd Sylffad Ether Lawryl Sodiwm 70% (SLES 70) gan Renowned Trading LLC. Defnyddiwyd dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio yn y broses o baratoi'r ewyn. Diddymwyd alginad sodiwm mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio ar dymheredd ystafell gyda chymysgu cyson (600 rpm) nes cael hydoddiant tryloyw melyn homogenaidd. Defnyddiwyd CaCO3 ar y cyd â GDL fel ffynhonnell Ca2+ i gychwyn y geliad. Defnyddiwyd SLES 70 fel syrffactydd i ffurfio strwythur mandyllog y tu mewn i'r hydrogel. Cynhaliwyd crynodiad yr alginad ar 5% a chynhaliwyd y gymhareb molar Ca2+:-COOH ar 0.18. Cadwyd y gymhareb molar CaCO3:GDL ar 0.5 hefyd yn ystod paratoi'r ewyn i gynnal pH niwtral. Y gwerth yw 26. Ychwanegwyd 2% yn ôl cyfaint o SLES 70 at bob sampl. Defnyddiwyd bicer gyda chaead i reoli'r gymhareb gymysgu rhwng yr hydoddiant a'r aer. Cyfanswm cyfaint y bicer oedd 140 ml. Yn seiliedig ar ganlyniadau'r cyfrifiadau damcaniaethol, ychwanegwyd gwahanol gyfrolau o'r cymysgedd (50 ml, 100 ml, 110 ml) at y bicer i gymysgu ag aer. Cynlluniwyd y sampl yn cynnwys 50 ml o'r cymysgedd i gymysgu â digon o aer, tra rheolwyd y gymhareb cyfaint aer yn y ddau sampl arall. Yn gyntaf, ychwanegwyd SLES 70 at yr hydoddiant alginad a'i droi gyda chymysgydd trydan nes ei fod wedi'i gymysgu'n llwyr. Yna, ychwanegwyd yr ataliad CaCO3 at y cymysgedd a'i droi'n barhaus nes bod y cymysgedd wedi'i gymysgu'n llwyr, pan newidiodd ei liw i wyn. Yn olaf, ychwanegwyd yr hydoddiant GDL at y cymysgedd i gychwyn y geliad, a chynhaliwyd y cymysgedd mecanyddol drwy gydol y broses. Ar gyfer y sampl yn cynnwys 50 ml o'r cymysgedd, stopiwyd y cymysgu mecanyddol pan stopiodd cyfaint y cymysgedd newid. Ar gyfer y samplau yn cynnwys 100 ml a 110 ml o'r cymysgedd, stopiwyd y cymysgu mecanyddol pan lenwodd y cymysgedd y bicer. Fe wnaethom hefyd geisio paratoi ewynnau hydrogel gyda chyfaint rhwng 50 ml a 100 ml. Fodd bynnag, gwelwyd ansefydlogrwydd strwythurol yr ewyn, gan ei fod yn amrywio rhwng cyflwr cymysgu aer yn llwyr a chyflwr rheoli cyfaint aer, gan arwain at reoli cyfaint anghyson. Cyflwynodd yr ansefydlogrwydd hwn ansicrwydd i'r cyfrifiadau, ac felly ni chynhwyswyd yr ystod gyfaint hon yn yr astudiaeth hon.
Cyfrifir dwysedd \(\:\rho\:\) ewyn hydrogel trwy fesur màs \(\:m\) a chyfaint \(\:V\) sampl ewyn hydrogel.
Cafwyd delweddau microsgopig optegol o ewynnau hydrogel gan ddefnyddio camera Zeiss Axio Observer A1. Defnyddiwyd meddalwedd ImageJ i gyfrifo nifer a dosbarthiad maint mandyllau mewn sampl mewn ardal benodol yn seiliedig ar y delweddau a gafwyd. Tybir bod siâp y mandwll yn grwn.
I astudio priodweddau mecanyddol yr ewynnau hydrogel alginad, perfformiwyd profion cywasgu uniaxial gan ddefnyddio peiriant cyfres TESTRESOURCES 100. Torrwyd y samplau yn flociau petryalog a mesurwyd dimensiynau'r bloc i gyfrifo'r straen a'r straen. Gosodwyd cyflymder y groesben ar 10 mm/mun. Profwyd tri sampl ar gyfer pob sampl a chyfrifwyd y gwyriad cymedrig a safonol o'r canlyniadau. Canolbwyntiodd yr astudiaeth hon ar briodweddau mecanyddol cywasgol yr ewynnau hydrogel alginad gan fod meinwe'r ysgyfaint yn destun grymoedd cywasgol ar gam penodol o'r cylch resbiradol. Mae'r ymestynadwyedd wrth gwrs yn hanfodol, yn enwedig i adlewyrchu ymddygiad deinamig llawn meinwe'r ysgyfaint a bydd hyn yn cael ei ymchwilio mewn astudiaethau yn y dyfodol.
Sganiwyd y samplau ewyn hydrogel a baratowyd ar sganiwr CT dwy-sianel Siemens SOMATOM Drive. Gosodwyd y paramedrau sganio fel a ganlyn: 40 mAs, 120 kVp a thrwch sleisen 1 mm. Dadansoddwyd y ffeiliau DICOM canlyniadol gan ddefnyddio meddalwedd MicroDicom DICOM Viewer i ddadansoddi gwerthoedd HU 5 trawsdoriad o bob sampl. Cymharwyd y gwerthoedd HU a gafwyd gan CT â chyfrifiadau damcaniaethol yn seiliedig ar ddata dwysedd y samplau.
Nod yr astudiaeth hon yw chwyldroi'r broses o weithgynhyrchu modelau organau unigol a meinweoedd biolegol artiffisial trwy beiriannu deunyddiau meddal. Mae datblygu deunyddiau â phriodweddau mecanyddol a radiolegol sy'n cyd-fynd â mecaneg weithio ysgyfaint dynol yn bwysig ar gyfer cymwysiadau wedi'u targedu megis gwella hyfforddiant meddygol, cynllunio llawfeddygol, a chynllunio therapi ymbelydredd. Yn Ffigur 1A, rydym yn plotio'r anghysondeb rhwng priodweddau mecanyddol a radiolegol deunyddiau meddal a ddefnyddir yn ôl pob tebyg i weithgynhyrchu modelau ysgyfaint dynol. Hyd yn hyn, mae deunyddiau wedi'u datblygu sy'n arddangos y priodweddau radiolegol dymunol, ond nid yw eu priodweddau mecanyddol yn bodloni'r gofynion dymunol. Ewyn polywrethan a rwber yw'r deunyddiau a ddefnyddir fwyaf eang ar gyfer weithgynhyrchu modelau ysgyfaint dynol anffurfadwy. Mae priodweddau mecanyddol ewyn polywrethan (modiwlws Young, YM) fel arfer 10 i 100 gwaith yn fwy na phriodweddau meinwe ysgyfaint ddynol arferol. Nid yw deunyddiau sy'n arddangos y priodweddau mecanyddol a radiolegol dymunol yn hysbys eto.
(A) Cynrychiolaeth sgematig o briodweddau amrywiol ddefnyddiau meddal a chymhariaeth ag ysgyfaint dynol o ran dwysedd, modwlws Young a phriodweddau radiolegol (mewn HU). (B) Patrwm diffractiad pelydr-X o hydrogel alginad \(\:\mu\:/\rho\:\) gyda chrynodiad o 5% a chymhareb molar Ca2+:-COOH o 0.18. (C) Ystod cymhareb cyfaint aer mewn ewynnau hydrogel. (D) Cynrychiolaeth sgematig o ewynnau hydrogel alginad gyda chymhareb cyfaint aer gwahanol.
Cyfrifwyd cyfansoddiad elfennol hydrogeliau alginad gyda chrynodiad o 5% a chymhareb molar Ca2+:-COOH o 0.18, a dangosir y canlyniadau yn Nhabl 3. Yn ôl y rheol adio yn y fformiwla flaenorol (5), ceir cyfernod gwanhau màs hydrogel alginad \(\:\:\mu\:/\rho\:\) fel y dangosir yn Ffigur 1B.
Cafwyd y gwerthoedd \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​ar gyfer aer a dŵr yn uniongyrchol o gronfa ddata gyfeirio safonau NIST 12612. Felly, mae Ffigur 1C yn dangos y cymhareb cyfaint aer a gyfrifwyd mewn ewynnau hydrogel gyda gwerthoedd cyfwerth â HU rhwng -600 a -700 ar gyfer yr ysgyfaint dynol. Mae'r gymhareb cyfaint aer a gyfrifwyd yn ddamcaniaethol yn sefydlog o fewn 60–70% yn yr ystod ynni o 1 × 10−3 i 2 × 101 MeV, sy'n dangos potensial da ar gyfer cymhwyso ewyn hydrogel mewn prosesau gweithgynhyrchu i lawr yr afon.
Mae Ffigur 1D yn dangos y sampl ewyn hydrogel alginad wedi'i baratoi. Torrwyd yr holl samplau'n giwbiau gyda hyd ymyl o 12.7 mm. Dangosodd y canlyniadau fod ewyn hydrogel homogenaidd, sefydlog yn dri dimensiwn wedi'i ffurfio. Waeth beth fo'r gymhareb cyfaint aer, ni welwyd unrhyw wahaniaethau sylweddol yn ymddangosiad yr ewynnau hydrogel. Mae natur hunangynhaliol yr ewyn hydrogel yn awgrymu bod y rhwydwaith a ffurfiwyd o fewn yr hydrogel yn ddigon cryf i gynnal pwysau'r ewyn ei hun. Ar wahân i ychydig bach o ollyngiad dŵr o'r ewyn, dangosodd yr ewyn sefydlogrwydd dros dro am sawl wythnos hefyd.
Drwy fesur màs a chyfaint y sampl ewyn, cyfrifwyd dwysedd yr ewyn hydrogel a baratowyd, a dangosir y canlyniadau yn Nhabl 4. Mae'r canlyniadau'n dangos dibyniaeth \(\:\rho\:\) ar gymhareb cyfaint yr aer. Pan gymysgir digon o aer â 50 ml o'r sampl, y dwysedd yw'r isaf ac mae'n 0.482 g/cm3. Wrth i faint yr aer cymysg leihau, mae'r dwysedd yn cynyddu i 0.685 g/cm3. Y gwerth p mwyaf rhwng y grwpiau o 50 ml, 100 ml a 110 ml oedd 0.004 < 0.05, sy'n dangos arwyddocâd ystadegol y canlyniadau.
Cyfrifir y gwerth \(\:\rho\:\) damcaniaethol hefyd gan ddefnyddio'r gymhareb cyfaint aer rheoledig. Mae'r canlyniadau a fesurir yn dangos bod \(\:\rho\:\) 0.1 g/cm³ yn llai na'r gwerth damcaniaethol. Gellir esbonio'r gwahaniaeth hwn gan y straen mewnol a gynhyrchir yn yr hydrogel yn ystod y broses geleiddio, sy'n achosi chwyddo ac felly'n arwain at ostyngiad yn \(\:\rho\:\). Cadarnhawyd hyn ymhellach trwy arsylwi rhai bylchau y tu mewn i'r ewyn hydrogel yn y delweddau CT a ddangosir yn Ffigur 2 (A, B a C).
Delweddau microsgopeg optegol o ewynnau hydrogel gyda chynnwys cyfaint aer gwahanol (A) 50, (B) 100, a (C) 110. Niferoedd celloedd a dosbarthiad maint mandyllau mewn samplau ewyn hydrogel alginad (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Mae Ffigur 3 (A, B, C) yn dangos y delweddau microsgop optegol o'r samplau ewyn hydrogel gyda gwahanol gymhareb cyfaint aer. Mae'r canlyniadau'n dangos strwythur optegol yr ewyn hydrogel, gan ddangos yn glir y delweddau o fandyllau â gwahanol ddiamedrau. Cyfrifwyd dosbarthiad nifer a diamedr y mandyllau gan ddefnyddio ImageJ. Cymerwyd chwe delwedd ar gyfer pob sampl, roedd gan bob delwedd faint o 1125.27 μm × 843.96 μm, a chyfanswm yr arwynebedd a ddadansoddwyd ar gyfer pob sampl oedd 5.7 mm².
(A) Ymddygiad straen-ymestyn cywasgol ewynnau hydrogel alginad gyda chymarebau cyfaint aer gwahanol. (B) Ffit esbonyddol. (C) Cywasgiad E0 ewynnau hydrogel gyda chymarebau cyfaint aer gwahanol. (D) Straen a straen cywasgol eithaf ewynnau hydrogel alginad gyda chymarebau cyfaint aer gwahanol.
Mae Ffigur 3 (D, E, F) yn dangos bod dosbarthiad maint y mandwll yn gymharol unffurf, yn amrywio o ddegau o ficrometrau i tua 500 micrometrau. Mae maint y mandwll yn unffurf yn y bôn, ac mae'n lleihau ychydig wrth i gyfaint yr aer leihau. Yn ôl data'r prawf, maint cyfartalog mandwll y sampl 50 ml yw 192.16 μm, y canolrif yw 184.51 μm, a nifer y mandyllau fesul arwynebedd uned yw 103; maint cyfartalog mandwll y sampl 100 ml yw 156.62 μm, y canolrif yw 151.07 μm, a nifer y mandyllau fesul arwynebedd uned yw 109; gwerthoedd cyfatebol y sampl 110 ml yw 163.07 μm, 150.29 μm a 115, yn y drefn honno. Mae'r data'n dangos bod gan y mandyllau mwy ddylanwad mwy ar ganlyniadau ystadegol maint cyfartalog y mandwll, a gall maint canolrif y mandwll adlewyrchu tuedd newid maint y mandwll yn well. Wrth i gyfaint y sampl gynyddu o 50 ml i 110 ml, mae nifer y mandyllau hefyd yn cynyddu. Gan gyfuno canlyniadau ystadegol diamedr canolrif y mandyllau a nifer y mandyllau, gellir dod i'r casgliad, wrth i'r gyfaint gynyddu, fod mwy o fandyllau o faint llai yn cael eu ffurfio y tu mewn i'r sampl.
Dangosir y data prawf mecanyddol yn Ffigurau 4A a 4D. Mae Ffigur 4A yn dangos ymddygiad straen-straen cywasgol yr ewynnau hydrogel a baratowyd gyda gwahanol gymhareb cyfaint aer. Mae'r canlyniadau'n dangos bod gan bob sampl ymddygiad straen-straen anlinellol tebyg. Ar gyfer pob sampl, mae'r straen yn cynyddu'n gyflymach gyda chynnydd mewn straen. Cafodd cromlin esbonyddol ei ffitio i ymddygiad straen-straen cywasgol yr ewyn hydrogel. Mae Ffigur 4B yn dangos y canlyniadau ar ôl cymhwyso'r ffwythiant esbonyddol fel model brasamcanol i'r ewyn hydrogel.
Ar gyfer yr ewynnau hydrogel gyda gwahanol gymhareb cyfaint aer, astudiwyd eu modwlws cywasgol (E0) hefyd. Yn debyg i ddadansoddiad yr hydrogeliau, ymchwiliwyd i fodwlws cywasgol Young yn yr ystod o straen cychwynnol o 20%. Dangosir canlyniadau'r profion cywasgu yn Ffigur 4C. Mae'r canlyniadau yn Ffigur 4C yn dangos, wrth i'r gymhareb cyfaint aer leihau o sampl 50 i sampl 110, bod modwlws cywasgol Young E0 yr ewyn hydrogel alginad yn cynyddu o 10.86 kPa i 18 kPa.
Yn yr un modd, cafwyd cromliniau straen-ymestyn cyflawn yr ewynnau hydrogel, yn ogystal â'r gwerthoedd straen a straen cywasgol eithaf. Mae Ffigur 4D yn dangos y straen a'r straen cywasgol eithaf ar yr ewynnau hydrogel alginad. Mae pob pwynt data yn gyfartaledd o dri chanlyniad prawf. Mae'r canlyniadau'n dangos bod y straen cywasgol eithaf yn cynyddu o 9.84 kPa i 17.58 kPa gyda chynnwys nwy sy'n lleihau. Mae'r straen eithaf yn aros yn sefydlog tua 38%.
Mae Ffigur 2 (A, B, a C) yn dangos y delweddau CT o ewynnau hydrogel gyda gwahanol gymhareb cyfaint aer sy'n cyfateb i samplau 50, 100, a 110, yn y drefn honno. Mae'r delweddau'n dangos bod yr ewyn hydrogel a ffurfiwyd bron yn homogenaidd. Gwelwyd nifer fach o fylchau yn samplau 100 a 110. Gall ffurfio'r bylchau hyn fod oherwydd y straen mewnol a gynhyrchir yn yr hydrogel yn ystod y broses geleiddio. Fe wnaethom gyfrifo'r gwerthoedd HU ar gyfer 5 trawsdoriad o bob sampl a'u rhestru yn Nhabl 5 ynghyd â'r canlyniadau cyfrifo damcaniaethol cyfatebol.
Mae Tabl 5 yn dangos bod y samplau gyda gwahanol gymhareb cyfaint aer wedi cael gwahanol werthoedd HU. Y gwerth p uchaf rhwng y grwpiau 50 ml, 100 ml a 110 ml oedd 0.004 < 0.05, sy'n dangos arwyddocâd ystadegol y canlyniadau. Ymhlith y tri sampl a brofwyd, roedd gan y sampl gyda chymysgedd 50 ml y priodweddau radiolegol agosaf at rai ysgyfaint dynol. Y golofn olaf yn Nhabl 5 yw'r canlyniad a gafwyd trwy gyfrifiad damcaniaethol yn seiliedig ar y gwerth ewyn a fesurwyd \(\:\rho\:\). Trwy gymharu'r data a fesurwyd â'r canlyniadau damcaniaethol, gellir canfod bod y gwerthoedd HU a gafwyd trwy sganio CT yn gyffredinol agos at y canlyniadau damcaniaethol, sydd yn ei dro yn cadarnhau canlyniadau cyfrifo cymhareb cyfaint aer yn Ffigur 1C.
Prif amcan yr astudiaeth hon yw creu deunydd gyda phriodweddau mecanyddol a radiolegol sy'n gymharol â phriodweddau ysgyfaint dynol. Cyflawnwyd yr amcan hwn trwy ddatblygu deunydd sy'n seiliedig ar hydrogel gyda phriodweddau mecanyddol a radiolegol sy'n cyfateb i feinwe wedi'u teilwra sydd mor agos â phosibl at rai ysgyfaint dynol. Wedi'i arwain gan gyfrifiadau damcaniaethol, paratowyd ewynnau hydrogel gyda gwahanol gymhareb cyfaint aer trwy gymysgu toddiant alginad sodiwm, CaCO3, GDL a SLES 70 yn fecanyddol. Dangosodd dadansoddiad morffolegol fod ewyn hydrogel sefydlog tri dimensiwn homogenaidd wedi'i ffurfio. Trwy newid y gymhareb cyfaint aer, gellir amrywio dwysedd a mandylledd yr ewyn yn ôl ewyllys. Gyda chynnydd cynnwys cyfaint aer, mae maint y mandwll yn lleihau ychydig ac mae nifer y mandyllau yn cynyddu. Cynhaliwyd profion cywasgu i ddadansoddi priodweddau mecanyddol yr ewynnau hydrogel alginad. Dangosodd y canlyniadau fod y modwlws cywasgol (E0) a gafwyd o'r profion cywasgu yn yr ystod ddelfrydol ar gyfer ysgyfaint dynol. Mae E0 yn cynyddu wrth i'r gymhareb cyfaint aer leihau. Cafwyd gwerthoedd priodweddau radiolegol (HU) y samplau a baratowyd yn seiliedig ar ddata CT y samplau a'u cymharu â chanlyniadau cyfrifiadau damcaniaethol. Roedd y canlyniadau'n ffafriol. Mae'r gwerth a fesurwyd hefyd yn agos at werth HU ysgyfaint dynol. Mae'r canlyniadau'n dangos ei bod hi'n bosibl creu ewynnau hydrogel sy'n dynwared meinwe gyda chyfuniad delfrydol o briodweddau mecanyddol a radiolegol sy'n dynwared priodweddau ysgyfaint dynol.
Er gwaethaf y canlyniadau addawol, mae angen gwella'r dulliau cynhyrchu presennol i reoli'r gymhareb cyfaint aer a mandylledd yn well i gyd-fynd â rhagfynegiadau o gyfrifiadau damcaniaethol ac ysgyfaint dynol go iawn ar raddfeydd byd-eang a lleol. Mae'r astudiaeth gyfredol hefyd wedi'i chyfyngu i brofi'r mecaneg cywasgu, sy'n cyfyngu ar y defnydd posibl o'r ffantom i gyfnod cywasgu'r cylch resbiradol. Byddai ymchwil yn y dyfodol yn elwa o ymchwilio i brofion tynnol yn ogystal â sefydlogrwydd mecanyddol cyffredinol y deunydd i asesu cymwysiadau posibl o dan amodau llwytho deinamig. Er gwaethaf y cyfyngiadau hyn, mae'r astudiaeth yn nodi'r ymgais lwyddiannus gyntaf i gyfuno priodweddau radiolegol a mecanyddol mewn un deunydd sy'n dynwared yr ysgyfaint ddynol.
Mae'r setiau data a gynhyrchwyd a/neu a ddadansoddwyd yn ystod yr astudiaeth gyfredol ar gael gan yr awdur cyfatebol ar gais rhesymol. Mae'r arbrofion a'r setiau data yn atgynhyrchadwy.
Song, G., et al. Nanotechnolegau newydd a deunyddiau uwch ar gyfer therapi ymbelydredd canser. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Adroddiad Tasglu AAPM 76a ar Reoli Symudiadau Anadlol mewn Oncoleg Ymbelydredd. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., a Brock, KK Modelu'r rhyngwyneb a'r anlinoleddau deunydd yn ysgyfaint dynol. Ffiseg a Meddygaeth a Bioleg 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Model canser yr ysgyfaint tebyg i diwmor a gynhyrchwyd gan bioargraffu 3D. 3. Biotechnoleg. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelu anffurfiad yr ysgyfaint: dull sy'n cyfuno technegau cofrestru delweddau anffurfadwy ac amcangyfrif modwlws Young sy'n amrywio'n ofodol. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Anystwythder meinwe fyw a'i oblygiadau ar gyfer peirianneg meinwe. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).