nature.com saýtyna gireniňiz üçin sag boluň. Ulanýan brauzeriňiziň wersiýasynda CSS goldawy çäkli. Iň gowy tejribe üçin, brauzeriň iň soňky wersiýasyny ulanmagy (ýa-da Internet Explorer-de utgaşyklylyk režimini öçürmegi) maslahat berýäris. Mundan başga-da, goldawy dowam etdirmek üçin bu saýtda stiller ýa-da JavaScript bolmaz.
Organlaryň we dokumalaryň hereketi radioterapiýa wagtynda rentgen şöhleleriniň ýerleşişinde ýalňyşlyklara sebäp bolup biler. Şonuň üçin radioterapiýanyň optimizasiýasy üçin organlaryň hereketini gaýtalamak üçin dokuma deň mehaniki we radiologiki häsiýetlere eýe materiallar gerek. Şeýle-de bolsa, şeýle materiallaryň işlenip düzülmegi kyn bolmagynda galýar. Alginat gidrogelleriniň hüjreden daşary matrisanyň häsiýetlerine meňzeş häsiýetleri bar, bu bolsa olary dokuma deň materiallar hökmünde geljegi uly edýär. Bu gözlegde, islenýän mehaniki we radiologiki häsiýetlere eýe bolan alginat gidrogel köpükleri in situ Ca2+ bölünip çykarylmagy arkaly sintez edildi. Kesgitlenen mehaniki we radiologiki häsiýetlere eýe bolan gidrogel köpüklerini almak üçin howa-göwrüm gatnaşygy üns bilen gözegçilik edildi. Materiallaryň makro- we mikromorfologiýasy häsiýetlendirildi we gidrogel köpükleriniň basyş astyndaky häsiýeti öwrenildi. Radiologiki häsiýetler nazary taýdan bahalandyryldy we kompýuter tomografiýasy arkaly tejribe arkaly tassyklanyldy. Bu gözleg radioterapiýa wagtynda radiasiýa dozasyny optimizirlemek we hil gözegçiligi üçin ulanylyp bilinjek dokuma deň materiallaryň geljekki ösüşine aýdyňlyk getirýär.
Radiasiýa terapiýasy rak keseliniň umumy bejergisidir1. Organlaryň we dokumalaryň hereketi köplenç radiasiýa terapiýasy wagtynda rentgen şöhleleriniň ýerleşişinde ýalňyşlyklara getirýär2, bu bolsa şişiň ýeterlik derejede bejerilmezligine we töweregindäki sagdyn öýjükleriň gereksiz radiasiýa sezewar edilmegine sebäp bolup biler. Organlaryň we dokumalaryň hereketini öňünden aýtmak ukyby şişiň ýerleşişinde ýalňyşlyklary azaltmak üçin örän möhümdir. Bu gözleg öýkenlere gönükdirilendir, sebäbi olar radiasiýa terapiýasy wagtynda hassalar dem alanda uly deformasiýalara we hereketlere sezewar bolýarlar. Adam öýkenleriniň hereketini simulýasiýa etmek üçin dürli gutarnykly element modelleri işlenip düzüldi we ulanyldy3,4,5. Şeýle-de bolsa, adam organlary we dokumalary çylşyrymly geometriýalara eýedir we hassalara örän baglydyr. Şonuň üçin dokumalara deň häsiýetli materiallar nazary modelleri tassyklamak, lukmançylyk bejergisini gowulandyrmaga ýardam bermek we lukmançylyk bilim maksatlary üçin fiziki modelleri işläp düzmek üçin örän peýdalydyr.
Çylşyrymly daşarky we içki gurluş geometriýalaryna ýetmek üçin ýumşak dokumalary imitasiýa edýän materiallaryň işlenip düzülmegi köp üns çekdi, sebäbi olaryň içki mehaniki gapma-garşylyklary maksatly ulanylyşlarda şowsuzlyklara sebäp bolup biler6,7. Öýken dokumasynyň çylşyrymly biomehanikasyny modelleşdirmek, örän ýumşaklygy, elastikligi we gurluş gözenekliligini öz içine alýar, adam öýkenini takyk öndürýän modelleri işläp düzmekde uly kynçylyk döredýär. Mehaniki we radiologiki häsiýetleriň integrasiýasy we gabat gelmegi terapewtiki çärelerde öýken modelleriniň netijeli işlemegi üçin örän möhümdir. Goşmaça önümçilik hassalara mahsus modelleri işläp düzmekde netijelidigini subut etdi, bu bolsa çylşyrymly dizaýnlaryň çalt prototipini döretmäge mümkinçilik berýär. Şin we beýlekiler 8 3D çap edilen howa ýollary bilen gaýtalanyp bolýan, deformasiýa edilýän öýken modelini işläp düzdüler. Haselaar we beýlekiler 9 surat hilini bahalandyrmak we radioterapiýa üçin ýerleşýän ýeri barlamak usullary üçin hakyky hassalara örän meňzeş fantom işläp düzdüler. Hong we beýlekiler 10 dürli öýken zeperlenmeleriniň KT intensiwligini köpeltmek üçin 3D çap etmek we silikon guýmak tehnologiýasyny ulanyp, döş KT modelini işläp düzdüler, bu bolsa mukdaryň takyklygyny bahalandyrmak üçin dürli öýken zeperlenmeleriniň KT intensiwligini köpeltmäge mümkinçilik berýär. Şeýle-de bolsa, bu prototipler köplenç täsirli häsiýetleri öýken dokumasynyňkydan düýpgöter tapawutlanýan materiallardan ýasalýar11.
Häzirki wagtda öýken fantomlarynyň köpüsi silikondan ýa-da poliuretan köpükden ýasalýar, olar hakyky öýken parenhimasynyň mehaniki we radiologiki häsiýetlerine gabat gelmeýär.12,13 Alginat gidrogelleri bio-uygunlaşyklydyr we sazlanyp bilýän mehaniki häsiýetleri sebäpli dokuma inženerçiliginde giňden ulanylýar.14 Şeýle-de bolsa, öýken dokumasynyň elastikligini we dolduryş gurluşyny takyk gaýtalaýan öýken fantomy üçin zerur bolan örän ýumşak, köpük ýaly konsistensiýany gaýtalamak synag meselesi bolmagynda galýar.
Bu gözlegde öýken dokumasynyň birmeňzeş elastik materialdygy çaklanyldy. Adam öýken dokumasynyň dykyzlygynyň (\(\:\rho\:\)) 1,06 g/sm3, çişirilen öýkeniň dykyzlygynyň bolsa 0,26 g/sm315 bolandygy habar berilýär. Öýken dokumasynyň Ýung modulunyň (MY) gymmatlyklarynyň giň diapazony dürli tejribe usullary arkaly alyndy. Lai-Fook we beýlekiler 16 adam öýkeniniň birmeňzeş çişirilen YM-ni 0,42–6,72 kPa ölçediler. Goss we beýlekiler 17 magnit-rezonans elastografiýasyny ulandylar we YM-niň 2,17 kPa bolandygyny habar berdiler. Liu we beýlekiler 18 gönüden-göni ölçenen YM-niň 0,03–57,2 kPa bolandygyny habar berdiler. Ilegbusi we beýlekiler 19 saýlanan hassalardan alnan 4D KT maglumatlaryna esaslanyp, YM-niň 0,1–2,7 kPa boljakdygyny çakladylar.
Öýkeniň radiologiki häsiýetleri üçin öýken dokumasynyň rentgen şöhleleri bilen özara täsirini suratlandyrmak üçin birnäçe parametr ulanylýar, şol sanda element düzümi, elektron dykyzlygy (\(\:{\rho\:}_{e}\)), täsirli atom sany (\(\:{Z}_{eff}\)), ortaça gyjyndyrma energiýasy (\(\:I\)), massanyň gowşama koeffisiýenti (\(\:\mu\:/\rho\:\)) we \(\:\mu\:/\rho\:\) bilen gönüden-göni baglanyşykly bolan Haunsfild birligi (HU).
Elektron dykyzlygy \(\:{\rho\:}_{e}\) birlik göwrümdäki elektronlaryň sany hökmünde kesgitlenýär we aşakdaky ýaly hasaplanýar:
bu ýerde \(\:\rho\:\) materialyň g/sm3 dykyzlygy, \(\:{N}_{A}\) Awogadro yzygiderliligi, \(\:{w}_{i}\) massa paýy, \(\:{Z}_{i}\) atom sany we \(\:{A}_{i}\) i-nji elementiň atom agramydyr.
Atom sany materialyň içindeki radiasiýa özara täsiriniň tebigaty bilen gönüden-göni baglanyşyklydyr. Birnäçe elementleri (meselem, matalary) öz içine alýan birleşmeler we garyndylar üçin netijeli atom sany \(\:{Z}_{eff}\) hasaplanmalydyr. Formulany Murthy we beýlekiler teklip etdiler. 20:
Ortaça gyjyndyryş energiýasy \(\:I\) nyşana materialyň içine girýän bölejikleriň kinetiki energiýasyny nähili aňsatlyk bilen özleşdirýändigini görkezýär. Ol diňe nyşana materialyň häsiýetlerini beýan edýär we bölejikleriň häsiýetleri bilen hiç hili baglanyşygy ýok. \(\:I\) Bragg-yň goşulyşlyk düzgünini ulanmak arkaly hasaplanyp bilner:
Massanyň gowşama koeffisiýenti \(\:\mu\:/\rho\:\) fotonlaryň nyşana materialdaky deşilmegini we energiýanyň bölünip çykmagyny suratlandyrýar. Ony aşakdaky formula arkaly hasaplap bolýar:
Bu ýerde \(\:x\) materialyň galyňlygy, \(\:{I}_{0}\) düşýän ýagtylygyň intensiwligi we \(\:I\) materiala aralaşandan soňky foton intensiwligidir. \(\:\mu\:/\rho\:\) maglumatlaryny gönüden-göni NIST 12621 Standartlar Maglumat Bazasyndan alyp bolýar. Garyndylar we birleşmeler üçin \(\:\mu\:/\rho\:\) gymmatlyklaryny aşakdaky ýaly goşulyş düzgüni arkaly çykarmak bolar:
HU kompýuter tomografiýasynyň (KT) maglumatlaryny düşündirmekde radiodykyzlygyň standartlaşdyrylan ölçegsiz ölçeg birligi bolup, ol ölçenen gowşama koeffisiýentinden çyzykly özgerdilýär \(\:\mu\:\). Ol şeýle kesgitlenýär:
bu ýerde \(\:{\mu\:}_{water}\) suwuň gowşama koeffisiýenti we \(\:{\mu\:}_{awa}\) howanyň gowşama koeffisiýenti. Şonuň üçin (6) formuladan suwuň HU gymmatynyň 0, howanyň HU gymmatynyň bolsa -1000 bolandygyny görýäris. Adam öýkenleri üçin HU gymmaty -600-den -70022 aralygynda üýtgeýär.
Birnäçe dokuma ekwiwalent materiallary işlenip düzüldi. Griffith we beýlekiler 23 adam bedeniniň poliuretandan (PU) ýasalan dokuma ekwiwalent modelini işläp düzdüler, oňa dürli konsentrasiýadaky kalsiý karbonatynyň (CaCO3) goşulyp, adam öýkenini hem goşdular we model Griffith diýlip atlandyryldy. Taylor24 Lourens Liwermor Milli Laboratoriýasy (LLNL) tarapyndan işlenip düzülen LLLL1 atly ikinji öýken dokuma ekwiwalent modelini hödürledi. Traub we beýlekiler 25 ALT2 diýlip atlandyrylan, öndürijiligi güýçlendiriji hökmünde 5.25% CaCO3 saklaýan Foamex XRS-272 ulanyp, täze öýken dokumasynyň ornuny tutýan önümi işläp düzdüler. 1-nji we 2-nji tablisalarda adam öýkeniniň (ICRU-44) we ýokardaky dokuma ekwiwalent modelleri üçin \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) we massanyň peselme koeffisiýentleriniň deňeşdirilmegi görkezilýär.
Gazanylan ajaýyp radiologiki häsiýetlere garamazdan, fantom materiallarynyň ählisi diýen ýaly polistirol köpüginden ýasalýar, bu bolsa bu materiallaryň mehaniki häsiýetleriniň adam öýkenleriniňkine golaýlap bilmejekdigini aňladýar. Poliuretan köpüginiň Ýang moduly (ÝM) takmynan 500 kPa bolup, bu adaty adam öýkenleri bilen deňeşdirilende (takmynan 5-10 kPa) idealdan uzakdyr. Şonuň üçin hakyky adam öýkenleriniň mehaniki we radiologiki häsiýetlerine laýyk gelýän täze material işläp düzmek zerurdyr.
Gidrogeller dokumalaryň inženerçiliginde giňden ulanylýar. Onuň gurluşy we häsiýetleri hüjreden daşary matrisa (HKM) meňzeş we aňsatlyk bilen sazlanyp bilner. Bu gözlegde köpükleri taýýarlamak üçin biomaterial hökmünde arassa natriý alginaty saýlanyldy. Alginat gidrogelleri bio-uygunlaşyklydyr we sazlanyp bilinýän mehaniki häsiýetleri sebäpli dokumalaryň inženerçiliginde giňden ulanylýar. Natriý alginatynyň (C6H7NaO6)n elementar düzümi we Ca2+ bolmagy onuň radiologik häsiýetlerini zerur bolanda sazlamaga mümkinçilik berýär. Sazlanyp bilinýän mehaniki we radiologik häsiýetleriniň bu utgaşmasy alginat gidrogellerini gözlegimiz üçin ideal edýär. Elbetde, alginat gidrogelleriniň hem çäklendirmeleri bar, esasanam dem alyş siklleriniň simulýasiýasynda uzak möhletli durnuklylyk babatda. Şonuň üçin bu çäklendirmeleri çözmek üçin geljekki gözleglerde has-da kämilleşdirilmeli we kämilleşdirilmelidigi garaşylýar.
Bu işde biz adamyň öýken dokumasyna meňzeş gözegçilik edilýän rho gymmatlyklaryna, elastikligine we radiologiki häsiýetlerine eýe bolan alginat gidrogel köpük materialyny işläp düzdik. Bu gözleg sazlanyp bilýän elastik we radiologiki häsiýetlere eýe bolan dokuma ýaly fantomlary öndürmek üçin umumy çözgüt hödürlär. Materialyň häsiýetlerini islendik adam dokumasyna we organyna aňsatlyk bilen uýgunlaşdyryp bolýar.
Gidrogel köpüginiň maksatly howa-göwrüm gatnaşygy adam öýkenleriniň HU diapazonyna (-600-den -700-e çenli) esaslanyp hasaplandy. Köpügiň howanyň we sintetiki alginat gidrogeliniň ýönekeý garyndysydygy çaklanyldy. Aýratyn elementleriň ýönekeý goşma düzgünini ulanyp, howanyň göwrüm paýyny we sintezlenen alginat gidrogeliniň göwrüm gatnaşygyny hasaplap bolýardy.
Alginat gidrogel köpükleri natriý alginat (Bölek № W201502), CaCO3 (Bölek № 795445, MW: 100.09) we GDL (Bölek № G4750, MW: 178.14) ulanylyp taýýarlanyldy. 70% natriý lauril efir sulfaty (SLES 70) "Renowned Trading LLC" kompaniýasyndan satyn alyndy. Köpük taýýarlamak prosesinde deionlaşdyrylan suw ulanyldy. Natriý alginaty deionlaşdyrylan suwda otag temperaturasynda yzygiderli garyşdyrylyp (600 aý/min) birmeňzeş sary reňkli şeffaf ergin alynýança eredildi. CaCO3 GDL bilen bilelikde gelleşmegi başlatmak üçin Ca2+ çeşmesi hökmünde ulanyldy. SLES 70 gidrogeliň içinde gözenekli gurluş döretmek üçin surfaktant hökmünde ulanyldy. Alginat konsentrasiýasy 5%, Ca2+:-COOH molar gatnaşygy bolsa 0.18-de saklandy. Köpük taýýarlanylanda neýtral pH derejesini saklamak üçin CaCO3:GDL molar gatnaşygy hem 0,5 derejesinde saklandy. Bu gymmat 26,2% -e deňdir. Ähli nusgalara SLES 70 göwrüm boýunça goşuldy. Erginiň we howanyň garyşma gatnaşygyny dolandyrmak üçin gapakly stakan ulanyldy. Stakanyň umumy göwrümi 140 ml boldy. Nazary hasaplama netijelerine esaslanyp, howa bilen garyşdyrmak üçin stakana garyndynyň dürli göwrümleri (50 ml, 100 ml, 110 ml) goşuldy. 50 ml garyndy saklaýan nusga ýeterlik howa bilen garyşdyrylmak üçin niýetlenendi, beýleki iki nusgadaky howa göwrüm gatnaşygy bolsa gözegçilikde saklandy. Ilki bilen, alginat erginine SLES 70 goşuldy we doly garyşýança elektrik garyşdyryjy bilen garyşdyryldy. Soňra, garyndynyň içine CaCO3 suspenziýasy goşuldy we reňki ak reňke öwrülende, garyndy doly garyşýança yzygiderli garyşdyryldy. Ahyrsoňy, gelleşmegi başlatmak üçin garyndynyň içine GDL ergini goşuldy we prosesiň dowamynda mehaniki garyşdyrma saklandy. 50 ml garyndy saklaýan nusga üçin, garyndynyň möçberi üýtgemegi bes edende, mehaniki garyşdyrmak togtadyldy. 100 ml we 110 ml garyndy saklaýan nusgalar üçin, garyndy stakany dolduranda mehaniki garyşdyrmak togtadyldy. Şeýle hem, 50 ml bilen 100 ml aralygyndaky göwrümli gidrogel köpüklerini taýýarlamaga synanyşdyk. Şeýle-de bolsa, köpügiň gurluş taýdan durnuksyzlygy syn edildi, sebäbi ol doly howa garyşma ýagdaýy bilen howa göwrümini gözegçilik etmek ýagdaýynyň arasynda üýtgeýärdi we bu bolsa göwrüm gözegçiliginiň deňsizligine getirdi. Bu durnuksyzlyk hasaplamalara näbellilik getirdi we şonuň üçin bu göwrüm aralygy bu gözlege girizilmedi.
Gidrogel köpüginiň dykyzlygy gidrogel köpük nusgasynyň massasyny (m) we göwrümini (V) ölçemek arkaly hasaplanýar.
Gidrogel köpükleriniň optiki mikroskopiki suratlary Zeiss Axio Observer A1 kamerasy arkaly alyndy. Alnan suratlara esaslanyp, belli bir meýdandaky nusgadaky gözenekleriň sanyny we ululygynyň paýlanyşyny hasaplamak üçin ImageJ programma üpjünçiligi ulanyldy. Gözenekleriň görnüşi tegelek diýlip çaklanylýar.
Alginat gidrogel köpükleriniň mehaniki häsiýetlerini öwrenmek üçin TESTRESOURCES 100 seriýaly enjam arkaly bir okly basyş synaglary geçirildi. Nusgalar gönüburçly bloklara kesildi we stresleri we dartgynlyklary hasaplamak üçin blok ölçegleri ölçeldi. Çarpaz tizlik 10 mm/min hökmünde bellenildi. Her nusga üçin üç nusga synagdan geçirildi we netijelerden ortaça we standart çykgyt hasaplandy. Bu gözleg alginat gidrogel köpükleriniň basyş mehaniki häsiýetlerine gönükdirildi, sebäbi öýken dokumasy dem alyş sikliniň belli bir tapgyrynda basyş güýçlerine sezewar bolýar. Uzalma, elbetde, öýken dokumasynyň doly dinamiki häsiýetini görkezmek üçin örän möhümdir we bu geljekki gözleglerde öwreniler.
Taýýarlanan gidrogel köpük nusgalary Siemens SOMATOM Drive iki kanally KT skanerinde skanirlendi. Skanirleme parametrleri aşakdaky ýaly kesgitlendi: 40 mAs, 120 kVp we 1 mm dilim galyňlygy. Netijede alnan DICOM faýllary her nusganyň 5 kesişiginiň HU gymmatlyklaryny seljermek üçin MicroDicom DICOM Viewer programma üpjünçiligini ulanyp seljerildi. KT arkaly alnan HU gymmatlyklary nusgalaryň dykyzlyk maglumatlaryna esaslanýan nazary hasaplamalar bilen deňeşdirildi.
Bu gözlegiň maksady ýumşak materiallary döretmek arkaly aýry-aýry organ modelleriniň we emeli biologik dokumalaryň öndürilişinde rewolýusiýa döretmekdir. Adam öýkenleriniň iş mehanikasyna laýyk gelýän mehaniki we radiologiki häsiýetlere eýe bolan materiallary işläp düzmek lukmançylyk taýýarlygyny kämilleşdirmek, hirurgiki meýilnamalaşdyrmak we radiasiýa terapiýasyny meýilnamalaşdyrmak ýaly maksatly ulanylyşlar üçin möhümdir. 1A suratda biz adam öýken modellerini öndürmek üçin ulanylýan ýumşak materiallaryň mehaniki we radiologiki häsiýetleriniň arasyndaky tapawudy görkezdik. Häzirki güne çenli islenýän radiologiki häsiýetleri görkezýän materiallar işlenip düzüldi, ýöne olaryň mehaniki häsiýetleri islenýän talaplara laýyk gelmeýär. Poliuretan köpük we rezin deformasiýa bolýan adam öýken modellerini öndürmek üçin iň köp ulanylýan materiallardyr. Poliuretan köpüginiň mehaniki häsiýetleri (Ýung moduly, YM) adatça adaty adam öýken dokumasynyňkydan 10-100 esse ýokarydyr. Islenýän mehaniki we radiologiki häsiýetleri görkezýän materiallar heniz belli däl.
(A) Dürli ýumşak materiallaryň häsiýetleriniň shematiki görkezilişi we dykyzlyk, Ýung moduly we radiologiki häsiýetler boýunça adam öýkeni bilen deňeşdirilmegi (HU-da). (B) 5% konsentrasiýaly we 0,18 Ca2+:-COOH molar gatnaşygy bolan alginat gidrogeliniň rentgen difraksiýa diagrammasy. (C) Gidrogel köpüklerinde howa göwrüminiň gatnaşygynyň diapazony. (D) Dürli howa göwrüminiň gatnaşygy bolan alginat gidrogel köpükleriniň shematiki görkezilişi.
Konsentrasiýasy 5% we Ca2+:-COOH molar gatnaşygy 0,18 bolan alginat gidrogelleriniň elementar düzümi hasaplandy we netijeler 3-nji tablisada görkezilýär. Öňki formuladaky (5) goşmak düzgünine laýyklykda, alginat gidrogeliniň massa gowşama koeffisiýenti \(\:\:\mu\:/\rho\:\) 1B suratda görkezilişi ýaly alynýar.
Howa we suw üçin \(\:\mu\:/\rho\:\) gymmatlyklary gönüden-göni NIST 12612 standartlarynyň maglumat bazasyndan alyndy. Şeýlelik bilen, 1C suratda adam öýkeni üçin -600 bilen -700 aralygynda HU deň gymmatlyklary bolan gidrogel köpüklerindäki hasaplanan howa göwrüminiň gatnaşyklary görkezilýär. Nazary taýdan hasaplanan howa göwrüminiň gatnaşygy 1 × 10−3-den 2 × 101 MeV-e çenli energiýa aralygynda 60–70% aralygynda durnukly bolup, gidrogel köpüginiň önümçilik proseslerinde ulanylmagy üçin gowy mümkinçilikleri görkezýär.
1D suratda taýýarlanan alginat gidrogel köpük nusgasy görkezilýär. Ähli nusgalar gyrasynyň uzynlygy 12,7 mm bolan kubiklere kesildi. Netijeler birmeňzeş, üç ölçegli durnukly gidrogel köpüginiň emele gelendigini görkezdi. Howanyň göwrüminiň gatnaşygyna garamazdan, gidrogel köpükleriniň daşky görnüşinde düýpli tapawutlar ýüze çykmady. Gidrogel köpüginiň öz-özüni saklaýan tebigaty, gidrogeliň içinde emele gelen toruň köpügiň öz agramyny göterip biljek derejede berkdigini görkezýär. Köpükden az mukdarda suw syzmagyndan başga-da, köpük birnäçe hepdelap wagtlaýyn durnuklylygy hem görkezdi.
Köpük nusgasynyň massasyny we göwrümini ölçemek arkaly taýýarlanan gidrogel köpüginiň dykyzlygy hasaplandy we netijeler 4-nji tablisada görkezilen. Netijeler howanyň göwrüm gatnaşygyna baglylygyny görkezýär. 50 ml nusga bilen ýeterlik howa garylanda, dykyzlyk iň pes derejä ýetýär we 0,482 g/sm3 deň bolýar. Garyşyk howanyň mukdary azalanda, dykyzlyk 0,685 g/sm3-e çenli ýokarlanýar. 50 ml, 100 ml we 110 ml toparlaryň arasyndaky iň ýokary p gymmaty 0,004 < 0,05 boldy, bu bolsa netijeleriň statistik ähmiýetini görkezýär.
Nazaryýetdäki \(\:\rho\:\) gymmaty hem gözegçilik edilýän howa göwrümi gatnaşygy arkaly hasaplanýar. Ölçenen netijeler \(\:\rho\:\)-niň nazaryýetdäki gymmatdan 0,1 g/sm³ kiçidigini görkezýär. Bu tapawudy gelleşme prosesi wagtynda gidrogelde emele gelýän içki stres bilen düşündirip bolýar, bu bolsa şişmäge sebäp bolýar we şeýdip \(\:\rho\:\)-niň azalmagyna getirýär. Bu 2-nji suratda (A, B we C) görkezilen KT suratlarynda gidrogel köpüginiň içindäki käbir boşluklaryň synlanmagy bilen has-da tassyklanyldy.
Howa göwrümi dürli bolan gidrogel köpükleriniň optiki mikroskopiýa suratlary (A) 50, (B) 100 we (C) 110. Alginat gidrogel köpük nusgalaryndaky öýjük sanlary we gözenek ölçegleriniň paýlanyşy (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3-nji suratda (A, B, C) dürli howa göwrümi gatnaşyklary bolan gidrogel köpük nusgalarynyň optiki mikroskop suratlary görkezilýär. Netijeler gidrogel köpüginiň optiki gurluşyny görkezýär we dürli diametrli gözenekleriň suratlaryny aýdyň görkezýär. Gözenekleriň sanynyň we diametriniň paýlanyşy ImageJ ulanyp hasaplandy. Her nusga üçin alty surat alyndy, her suratyň ölçegi 1125,27 μm × 843,96 μm boldy we her nusga üçin seljerilen umumy meýdan 5,7 mm² boldy.
(A) Dürli howa göwrümi gatnaşyklary bolan alginat gidrogel köpükleriniň basyş stres-deformasiýa häsiýeti. (B) Eksponensial sazlama. (C) Dürli howa göwrümi gatnaşyklary bolan gidrogel köpükleriniň basyş E0. (D) Dürli howa göwrümi gatnaşyklary bolan alginat gidrogel köpükleriniň iň ýokary basyş stres we deformasiýasy.
3-nji suratda (D, E, F) gözenekleriň ululygynyň paýlanyşynyň deňeşdirme boýunça deňdigini, onlarça mikrometrden 500 mikrometre çenli üýtgeýändigini görkezýär. Gözenekleriň ululygy esasan deňdir we howanyň göwrümi azaldygyça birneme azalýar. Synag maglumatlaryna görä, 50 ml nusganyň ortaça gözenekleriniň ululygy 192,16 μm, mediana 184,51 μm we birlik meýdana düşýän gözenekleriň sany 103; 100 ml nusganyň ortaça gözenekleriniň ululygy 156,62 μm, mediana 151,07 μm we birlik meýdana düşýän gözenekleriň sany 109; 110 ml nusganyň degişli gymmatlyklary degişlilikde 163,07 μm, 150,29 μm we 115-dir. Maglumatlar uly gözenekleriň ortaça gözenek ölçeginiň statistik netijelerine has uly täsir edýändigini we ortaça gözenek ölçeginiň gözenek ölçeginiň üýtgeme meýlini has gowy görkezip biljekdigini görkezýär. Nusga göwrümi 50 ml-den 110 ml-e çenli artanda, gözenekleriň sany hem artýar. Orta gözenek diametriniň we gözenek sanynyň statistik netijelerini birleşdirip, göwrümiň artmagy bilen nusganyň içinde has kiçi gözenekleriň emele gelýändigi barada netije çykarmak bolýar.
Mehaniki synag maglumatlary 4A we 4D suratlarynda görkezilen. 4A suratda dürli howa göwrümi gatnaşyklary bilen taýýarlanan gidrogel köpükleriniň basyş stres-deformasiýa häsiýeti görkezilýär. Netijeler ähli nusgalaryň meňzeş çyzykly däl stres-deformasiýa häsiýetine eýedigini görkezýär. Her nusga üçin stres deformasiýanyň artmagy bilen has çalt artýar. Gidrogel köpüginiň basyş stres-deformasiýa häsiýetine eksponensial egri goşuldy. 4B suratda eksponensial funksiýa gidrogel köpügine ýakynlaşdyryjy model hökmünde ulanylandan soňky netijeler görkezilýär.
Howa göwrüminiň dürli gatnaşyklary bolan gidrogel köpükleri üçin olaryň basyş moduly (E0) hem öwrenildi. Gidrogelleriň analizine meňzeş, basyşly Ýang moduly başlangyç deformasiýanyň 20% aralygynda öwrenildi. Sykyş synaglarynyň netijeleri 4C suratda görkezilen. 4C suratdaky netijeler howa göwrüminiň gatnaşygy 50-nji nusgadan 110-njy nusga çenli azalanda, alginat gidrogel köpüginiň basyşly Ýang moduly E0-nyň 10,86 kPa-dan 18 kPa-a çenli ýokarlanýandygyny görkezýär.
Şonuň ýaly-da, gidrogel köpükleriniň doly dartgynlyk-deformasiýa egrileri, şeýle hem iň soňky basyş dartgynlygy we deformasiýa gymmatlyklary alyndy. 4D suratda alginat gidrogel köpükleriniň iň soňky basyş dartgynlygy we deformasiýa görkezilýär. Her bir maglumat nokady üç synag netijesiniň ortaça bahasydyr. Netijeler iň soňky basyş dartgynlygynyň gaz mukdarynyň azalmagy bilen 9,84 kPa-dan 17,58 kPa-a çenli ýokarlanýandygyny görkezýär. Iň soňky deformasiýa takmynan 38% derejesinde durnukly galýar.
2-nji suratda (A, B we C) degişlilikde 50, 100 we 110 nusgalaryna degişli dürli howa göwrümi gatnaşyklary bolan gidrogel köpükleriniň KT suratlary görkezilýär. Suratlarda emele gelen gidrogel köpüginiň diýen ýaly birmeňzeşdigi görkezilýär. 100 we 110 nusgalarynda az sanly boşluklar syn edildi. Bu boşluklaryň emele gelmegi gelleşme prosesi wagtynda gidrogelde dörän içki dartgynlyk sebäpli bolup biler. Biz her nusganyň 5 kesimi üçin HU gymmatlyklaryny hasapladyk we olary degişli nazaryýet hasaplama netijeleri bilen bilelikde 5-nji tablisada sanap geçdik.
5-nji tablisada dürli howa göwrümi gatnaşygy bolan nusgalaryň dürli HU gymmatlyklaryny alandygy görkezilýär. 50 ml, 100 ml we 110 ml toparlaryň arasyndaky iň ýokary p gymmaty 0,004 < 0,05 boldy, bu bolsa netijeleriň statistik ähmiýetini görkezýär. Synagdan geçirilen üç nusganyň arasynda 50 ml garyndyly nusga adam öýkenleriniň radiologik häsiýetlerine iň ýakyn boldy. 5-nji tablisanyň soňky sütüninde ölçenen köpük gymmatyna esaslanyp, nazary hasaplama arkaly alnan netije görkezilýär \(\:\rho\:\). Ölçenen maglumatlary nazary netijeler bilen deňeşdirmek arkaly, KT skanirleme arkaly alnan HU gymmatlyklarynyň, umuman, nazary netijelere ýakyndygyny görmek bolýar, bu bolsa öz gezeginde 1C suratdaky howa göwrümi gatnaşygyny hasaplama netijelerini tassyklaýar.
Bu gözlegiň esasy maksady adam öýkenleriniňki bilen deňeşdirip boljak mehaniki we radiologiki häsiýetlere eýe bolan material döretmekdir. Bu maksada adam öýkenleriniňki bilen mümkin boldugyça ýakyn bolan dokuma deň mehaniki we radiologiki häsiýetlere eýe bolan gidrogel esasly material işläp düzmek arkaly ýetildi. Nazary hasaplamalara esaslanyp, dürli howa göwrümi gatnaşyklary bolan gidrogel köpükleri natriý alginat erginini, CaCO3, GDL we SLES 70 mehaniki usulda garyşdyrmak arkaly taýýarlanyldy. Morfologiki seljerme birmeňzeş üç ölçegli durnukly gidrogel köpüginiň emele gelendigini görkezdi. Howa göwrümi gatnaşygyny üýtgetmek arkaly köpügiň dykyzlygy we gözenekliligi isleg boýunça üýtgedilip bilner. Howa göwrüminiň möçberiniň artmagy bilen gözenekleriň ululygy birneme azalýar we gözenekleriň sany artýar. Alginat gidrogel köpükleriniň mehaniki häsiýetlerini seljermek üçin basyş synaglary geçirildi. Netijeler basyş synaglaryndan alnan basyş modulunyň (E0) adam öýkenleri üçin ideal aralykdadygyny görkezdi. Howa göwrümi gatnaşygy azalanda E0 artýar. Taýýarlanan nusgalaryň radiologiki häsiýetleriniň (RH) gymmatlyklary nusgalaryň KT maglumatlary esasynda alnyp, nazary hasaplamalaryň netijeleri bilen deňeşdirildi. Netijeler oňyn boldy. Ölçenen gymmatlyk adam öýkenleriniň RH gymmatyna hem ýakyn. Netijeler, adam öýkenleriniň häsiýetlerini gaýtalaýan mehaniki we radiologiki häsiýetleriň ideal utgaşmasy bilen dokumalary gaýtalaýan gidrogel köpüklerini döretmegiň mümkindigini görkezýär.
Umytly netijelere garamazdan, häzirki önümçilik usullaryny nazary hasaplamalardan we hakyky adam öýkenlerinden global we ýerli möçberlerde çaklamalara laýyk gelmek üçin howa göwrüminiň gatnaşygyny we gözenekliligini has gowy gözegçilikde saklamak üçin kämilleşdirmeli. Häzirki gözleg şeýle hem kompressiýa mehanikasyny synagdan geçirmek bilen çäklenýär, bu bolsa fantomyň dem alyş sikliniň kompressiýa fazasyna mümkin ulanylyşyny çäklendirýär. Geljekki gözlegler üçin dartgynlylyk synagyny, şeýle hem materialyň umumy mehaniki durnuklylygyny öwrenip, dinamiki ýükleme şertlerinde mümkin ulanylyşyny bahalandyrmak peýdaly bolar. Bu çäklendirmelere garamazdan, gözleg adam öýkenini gaýtalaýan ýeke-täk materialda radiologiki we mehaniki häsiýetleri birleşdirmegiň ilkinji üstünlikli synanyşygydyr.
Häzirki gözlegiň dowamynda döredilen we/ýa-da seljerilen maglumatlar toplumy degişli awtordan zerur isleg boýunça elýeterlidir. Tejribeleriň we maglumatlar toplumynyň ikisi hem gaýtalanyp bilner.
Song, G. we beýlekiler. Rak keseliniň şöhle terapiýasy üçin täze nanotexnologiýalar we öňdebaryjy materiallar. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ we beýlekiler. Radiasiýa Onkologiýasynda Dem alyş Hereketini Dolandyrmak boýunça AAPM 76a Iş Toparynyň Hasabaty. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., we Brock, KK Adam öýkeninde interfeýsi we materialyň çyzykly dälligini modelleşdirmek. Fizika we lukmançylyk we biologiýa 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. we beýlekiler. 3D bioprinting arkaly döredilen şiş ýaly öýken rakynyň modeli. 3. Biotehnologiýa. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Li, M. we beýlekiler. Öýken deformasiýasyny modelleşdirmek: deformasiýa edilýän şekil hasaba alyş usullaryny we giňişlik boýunça üýtgeýän Ýung modulynyň bahalandyrmasyny birleşdirýän usul. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF we beýlekiler. Diri dokumalaryň gatylygy we onuň dokuma inženerçiligine täsiri. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).