nature.com मा जानुभएकोमा धन्यवाद। तपाईंले प्रयोग गरिरहनुभएको ब्राउजर संस्करणमा सीमित CSS समर्थन छ। उत्तम अनुभवको लागि, हामी नवीनतम ब्राउजर संस्करण प्रयोग गर्न सिफारिस गर्छौं (वा इन्टरनेट एक्सप्लोररमा अनुकूलता मोड बन्द गर्नुहोस्)। थप रूपमा, निरन्तर समर्थन सुनिश्चित गर्न, यो साइटमा शैलीहरू वा जाभास्क्रिप्ट समावेश हुनेछैन।
रेडियोथेरापीको समयमा अंग र तन्तुहरूको चालले एक्स-रेको स्थितिमा त्रुटिहरू निम्त्याउन सक्छ। त्यसकारण, रेडियोथेरापीको अनुकूलनको लागि अंगको चालको नक्कल गर्न तन्तु-समान मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएका सामग्रीहरू आवश्यक पर्दछ। यद्यपि, त्यस्ता सामग्रीहरूको विकास चुनौती नै रहन्छ। अल्जिनेट हाइड्रोजेलहरूमा बाह्य कोशिकीय म्याट्रिक्सको जस्तै गुणहरू हुन्छन्, जसले तिनीहरूलाई तन्तु-समान सामग्रीको रूपमा आशाजनक बनाउँछ। यस अध्ययनमा, इच्छित मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएका अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूलाई इन सिटु Ca2+ रिलीजद्वारा संश्लेषित गरिएको थियो। परिभाषित मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएका हाइड्रोजेल फोमहरू प्राप्त गर्न हावा-देखि-भोल्युम अनुपात सावधानीपूर्वक नियन्त्रण गरिएको थियो। सामग्रीहरूको म्याक्रो- र माइक्रोमोर्फोलोजीलाई चित्रण गरिएको थियो, र कम्प्रेसन अन्तर्गत हाइड्रोजेल फोमहरूको व्यवहार अध्ययन गरिएको थियो। रेडियोलोजिकल गुणहरू सैद्धान्तिक रूपमा अनुमान गरिएको थियो र कम्प्युटेड टोमोग्राफी प्रयोग गरेर प्रयोगात्मक रूपमा प्रमाणित गरिएको थियो। यस अध्ययनले रेडियोथेरापीको समयमा विकिरण खुराक अनुकूलन र गुणस्तर नियन्त्रणको लागि प्रयोग गर्न सकिने तन्तु-समान सामग्रीहरूको भविष्यको विकासमा प्रकाश पार्छ।
विकिरण थेरापी क्यान्सरको लागि एक सामान्य उपचार हो। अंग र तन्तुहरूको चालले प्रायः विकिरण थेरापीको समयमा एक्स-रेको स्थितिमा त्रुटिहरू निम्त्याउँछ2, जसले गर्दा ट्युमरको उपचार कम हुन्छ र वरपरका स्वस्थ कोषहरू अनावश्यक विकिरणमा बढी एक्सपोजर हुन सक्छ। ट्युमर स्थानीयकरण त्रुटिहरूलाई कम गर्न अंग र तन्तुहरूको चालको भविष्यवाणी गर्ने क्षमता महत्त्वपूर्ण छ। यो अध्ययन फोक्सोमा केन्द्रित थियो, किनकि विकिरण थेरापीको समयमा बिरामीहरूले सास फेर्दा तिनीहरू महत्त्वपूर्ण विकृति र चालहरूबाट गुज्रन्छन्। मानव फोक्सोको गति अनुकरण गर्न विभिन्न सीमित तत्व मोडेलहरू विकास र लागू गरिएका छन्3,4,5। यद्यपि, मानव अंग र तन्तुहरूमा जटिल ज्यामितिहरू छन् र अत्यधिक बिरामी-निर्भर छन्। त्यसकारण, तन्तु-समान गुणहरू भएका सामग्रीहरू सैद्धान्तिक मोडेलहरूलाई प्रमाणित गर्न, सुधारिएको चिकित्सा उपचारलाई सहज बनाउन र चिकित्सा शिक्षा उद्देश्यका लागि भौतिक मोडेलहरू विकास गर्न धेरै उपयोगी छन्।
जटिल बाह्य र आन्तरिक संरचनात्मक ज्यामितिहरू प्राप्त गर्न नरम तन्तु-नक्कल गर्ने सामग्रीहरूको विकासले धेरै ध्यान आकर्षित गरेको छ किनभने तिनीहरूको अन्तर्निहित मेकानिकल असंगतिले लक्षित अनुप्रयोगहरूमा विफलता निम्त्याउन सक्छ6,7। अत्यधिक कोमलता, लोच र संरचनात्मक छिद्रतालाई संयोजन गर्ने फोक्सोको तन्तुको जटिल बायोमेकानिक्सको मोडेलिङले मानव फोक्सोलाई सही रूपमा पुनरुत्पादन गर्ने मोडेलहरू विकास गर्न महत्त्वपूर्ण चुनौती खडा गर्छ। चिकित्सीय हस्तक्षेपहरूमा फोक्सो मोडेलहरूको प्रभावकारी प्रदर्शनको लागि मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरूको एकीकरण र मिलान महत्त्वपूर्ण छ। जटिल डिजाइनहरूको द्रुत प्रोटोटाइपिङ सक्षम पार्दै, बिरामी-विशिष्ट मोडेलहरू विकास गर्न थप उत्पादन प्रभावकारी साबित भएको छ। शिन एट अल। 8 ले 3D-प्रिन्टेड वायुमार्गहरूको साथ पुनरुत्पादनयोग्य, विकृत फोक्सो मोडेल विकास गर्यो। हसेलार एट अल। 9 ले रेडियोथेरापीको लागि छवि गुणस्तर मूल्याङ्कन र स्थिति प्रमाणिकरण विधिहरूको लागि वास्तविक बिरामीहरूसँग धेरै मिल्दोजुल्दो फ्यान्टम विकास गर्यो। होङ एट अल। 10 ले परिमाणीकरणको शुद्धता मूल्याङ्कन गर्न विभिन्न फोक्सो घावहरूको CT तीव्रता पुनरुत्पादन गर्न 3D प्रिन्टिङ र सिलिकन कास्टिङ प्रविधि प्रयोग गरेर छाती CT मोडेल विकास गर्यो। यद्यपि, यी प्रोटोटाइपहरू प्रायः त्यस्ता सामग्रीबाट बनेका हुन्छन् जसको प्रभावकारी गुणहरू फोक्सोको तन्तुभन्दा धेरै फरक हुन्छन्।
हाल, धेरैजसो फोक्सोका प्रेतहरू सिलिकन वा पोलियुरेथेन फोमबाट बनेका हुन्छन्, जुन वास्तविक फोक्सोको प्यारेन्काइमाको मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरूसँग मेल खाँदैनन्।१२,१३ अल्जिनेट हाइड्रोजेलहरू जैविक अनुकूल छन् र तिनीहरूको ट्युनेबल मेकानिकल गुणहरूको कारणले टिस्यु इन्जिनियरिङमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ।१४ यद्यपि, फोक्सोको प्रेतको लागि आवश्यक अल्ट्रा-नरम, फोम-जस्तो स्थिरता पुन: उत्पादन गर्नु जसले फोक्सोको तन्तुको लोच र भर्ने संरचनाको सही नक्कल गर्दछ, एक प्रयोगात्मक चुनौती बनेको छ।
यस अध्ययनमा, यो अनुमान गरिएको थियो कि फोक्सोको तन्तु एक समान लोचदार पदार्थ हो। मानव फोक्सोको तन्तु (\(\:\rho\:\)) को घनत्व १.०६ g/cm3 रहेको रिपोर्ट गरिएको छ, र फुलिएको फोक्सोको घनत्व ०.२६ g/cm315 रहेको छ। विभिन्न प्रयोगात्मक विधिहरू प्रयोग गरेर फोक्सोको तन्तुको यंगको मोड्युलस (MY) मानहरूको विस्तृत दायरा प्राप्त गरिएको छ। लाइ-फूक एट अल १६ ले मानव फोक्सोको YM मापन गरे जसमा एकरूप मुद्रास्फीति ०.४२–६.७२ kPa थियो। गस एट अल १७ ले चुम्बकीय अनुनाद इलास्टोग्राफी प्रयोग गरे र २.१७ kPa को YM रिपोर्ट गरे। लिउ एट अल १८ ले ०.०३–५७.२ kPa को प्रत्यक्ष मापन गरिएको YM रिपोर्ट गरे। इलेगबुसी एट अल १९ ले चयन गरिएका बिरामीहरूबाट प्राप्त ४D CT डेटाको आधारमा YM ०.१–२.७ kPa हुने अनुमान गरे।
फोक्सोको रेडियोलोजिकल गुणहरूको लागि, एक्स-रेसँग फोक्सोको तन्तुको अन्तरक्रिया व्यवहार वर्णन गर्न धेरै प्यारामिटरहरू प्रयोग गरिन्छ, जसमा तत्व संरचना, इलेक्ट्रोन घनत्व (\(\:{\rho\:}_{e}\)), प्रभावकारी परमाणु संख्या (\(\:{Z}_{eff}\)), औसत उत्तेजना ऊर्जा (\(\:I\)), द्रव्यमान क्षीणन गुणांक (\(\:\mu\:/\rho\:\)) र हाउन्सफिल्ड एकाइ (HU), जुन प्रत्यक्ष रूपमा \(\:\mu\:/\rho\:\) सँग सम्बन्धित छ।
इलेक्ट्रोन घनत्व \(\:{\rho\:}_{e}\) लाई प्रति एकाइ भोल्युममा इलेक्ट्रोनहरूको संख्याको रूपमा परिभाषित गरिएको छ र निम्नानुसार गणना गरिन्छ:
जहाँ \(\:\rho\:\) g/cm3 मा पदार्थको घनत्व हो, \(\:{N}_{A}\) एभोग्याड्रो स्थिरांक हो, \(\:{w}_{i}\) द्रव्यमान अंश हो, \(\:{Z}_{i}\) परमाणु संख्या हो, र \(\:{A}_{i}\) i-th तत्वको परमाणु भार हो।
परमाणु संख्या सामग्री भित्रको विकिरण अन्तरक्रियाको प्रकृतिसँग प्रत्यक्ष रूपमा सम्बन्धित छ। धेरै तत्वहरू (जस्तै, कपडाहरू) भएका यौगिकहरू र मिश्रणहरूको लागि, प्रभावकारी परमाणु संख्या \(\:{Z}_{eff}\) गणना गर्नुपर्छ। सूत्र मूर्ति एट अल द्वारा प्रस्ताव गरिएको थियो। २०:
औसत उत्तेजना ऊर्जा \(\:I\) ले लक्षित पदार्थले प्रवेश गर्ने कणहरूको गतिज ऊर्जा कति सजिलै अवशोषित गर्छ भनेर वर्णन गर्दछ। यसले केवल लक्षित पदार्थको गुणहरू वर्णन गर्दछ र कणहरूको गुणहरूसँग कुनै सम्बन्ध छैन। \(\:I\) ब्रागको additivity नियम लागू गरेर गणना गर्न सकिन्छ:
द्रव्यमान क्षीणन गुणांक \(\:\mu\:/\rho\:\) ले लक्षित सामग्रीमा फोटोनको प्रवेश र ऊर्जा रिलीजलाई वर्णन गर्दछ। यो निम्न सूत्र प्रयोग गरेर गणना गर्न सकिन्छ:
जहाँ \(\:x\) सामग्रीको मोटाई हो, \(\:{I}_{0}\) घटना प्रकाश तीव्रता हो, र \(\:I\) सामग्रीमा प्रवेश पछि फोटोन तीव्रता हो। \(\:\mu\:/\rho\:\) डेटा NIST १२६२१ मानक सन्दर्भ डाटाबेसबाट सिधै प्राप्त गर्न सकिन्छ। मिश्रण र यौगिकहरूको लागि \(\:\mu\:/\rho\:\) मानहरू निम्नानुसार additivity नियम प्रयोग गरेर प्राप्त गर्न सकिन्छ:
HU कम्प्युटेड टोमोग्राफी (CT) डेटाको व्याख्यामा रेडियोघनत्व मापनको एक मानकीकृत आयामविहीन एकाइ हो, जुन मापन गरिएको क्षीणन गुणांक \(\:\mu\:\) बाट रेखीय रूपमा रूपान्तरण गरिएको छ। यसलाई यसरी परिभाषित गरिएको छ:
जहाँ \(\:{\mu\:}_{water}\) पानीको क्षीणन गुणांक हो, र \(\:{\mu\:}_{air}\) हावाको क्षीणन गुणांक हो। त्यसकारण, सूत्र (6) बाट हामी देख्छौं कि पानीको HU मान ० छ, र हावाको HU मान -१००० छ। मानव फोक्सोको लागि HU मान -६०० देखि -७००२२ सम्म हुन्छ।
धेरै तन्तु समतुल्य सामग्रीहरू विकास गरिएका छन्। ग्रिफिथ एट अल। २३ ले पोलियुरेथेन (PU) बाट बनेको मानव धड़को तन्तु समतुल्य मोडेल विकास गरे जसमा मानव फोक्सो सहित विभिन्न मानव अंगहरूको रेखीय क्षीणन गुणांकहरूको अनुकरण गर्न क्याल्सियम कार्बोनेट (CaCO3) को विभिन्न सांद्रता थपिएको थियो, र मोडेललाई ग्रिफिथ नाम दिइएको थियो। टेलर२४ ले लरेन्स लिभरमोर राष्ट्रिय प्रयोगशाला (LLNL) द्वारा विकसित दोस्रो फोक्सो तन्तु समतुल्य मोडेल प्रस्तुत गरे, जसको नाम LLLL1 थियो। ट्राउब एट अल।२५ ले फोमेक्स XRS-२७२ प्रयोग गरेर ५.२५% CaCO3 लाई प्रदर्शन बृद्धिकर्ताको रूपमा समावेश गर्ने नयाँ फोक्सो तन्तु विकल्प विकास गरे, जसलाई ALT2 नाम दिइएको थियो। तालिका १ र २ ले \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) र मानव फोक्सो (ICRU-44) र माथिका तन्तु समतुल्य मोडेलहरूको लागि द्रव्यमान क्षीणन गुणांकहरूको तुलना देखाउँछ।
उत्कृष्ट रेडियोलोजिकल गुणहरू प्राप्त भए तापनि, लगभग सबै प्रेत सामग्रीहरू पोलिस्टीरिन फोमबाट बनेका हुन्छन्, जसको अर्थ यी सामग्रीहरूको यान्त्रिक गुणहरू मानव फोक्सोको नजिक पुग्न सक्दैनन्। पोलियुरेथेन फोमको यंगको मोड्युलस (YM) लगभग 500 kPa छ, जुन सामान्य मानव फोक्सो (लगभग 5-10 kPa) को तुलनामा आदर्श भन्दा धेरै टाढा छ। त्यसकारण, वास्तविक मानव फोक्सोको यान्त्रिक र रेडियोलोजिकल विशेषताहरू पूरा गर्न सक्ने नयाँ सामग्री विकास गर्न आवश्यक छ।
हाइड्रोजेलहरू टिस्यु इन्जिनियरिङमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। यसको संरचना र गुणहरू एक्स्ट्रासेलुलर म्याट्रिक्स (ECM) जस्तै छन् र सजिलै समायोज्य छन्। यस अध्ययनमा, फोमहरूको तयारीको लागि शुद्ध सोडियम अल्जिनेटलाई बायोमटेरियलको रूपमा छनोट गरिएको थियो। अल्जिनेट हाइड्रोजेलहरू जैविक अनुकूल छन् र तिनीहरूको समायोज्य मेकानिकल गुणहरूको कारणले टिस्यु इन्जिनियरिङमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। सोडियम अल्जिनेट (C6H7NaO6)n को मौलिक संरचना र Ca2+ को उपस्थितिले यसको रेडियोलोजिकल गुणहरूलाई आवश्यकता अनुसार समायोजन गर्न अनुमति दिन्छ। समायोज्य मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरूको यो संयोजनले अल्जिनेट हाइड्रोजेलहरूलाई हाम्रो अध्ययनको लागि आदर्श बनाउँछ। अवश्य पनि, अल्जिनेट हाइड्रोजेलहरूमा पनि सीमितताहरू छन्, विशेष गरी सिमुलेटेड श्वासप्रश्वास चक्रको समयमा दीर्घकालीन स्थिरताको सन्दर्भमा। त्यसकारण, यी सीमितताहरूलाई सम्बोधन गर्न भविष्यका अध्ययनहरूमा थप सुधारहरू आवश्यक र अपेक्षित छन्।
यस कार्यमा, हामीले मानव फोक्सोको तन्तु जस्तै नियन्त्रणयोग्य rho मानहरू, लोच, र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएको अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम सामग्री विकास गर्यौं। यो अध्ययनले ट्युनेबल लोचदार र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएका तन्तु-जस्तै फ्यान्टमहरू निर्माण गर्न सामान्य समाधान प्रदान गर्नेछ। भौतिक गुणहरू सजिलैसँग कुनै पनि मानव तन्तु र अंग अनुरूप बनाउन सकिन्छ।
हाइड्रोजेल फोमको लक्षित हावा र आयतन अनुपात मानव फोक्सोको HU दायरा (-६०० देखि -७००) को आधारमा गणना गरिएको थियो। यो फोम हावा र सिंथेटिक अल्जिनेट हाइड्रोजेलको साधारण मिश्रण हो भन्ने अनुमान गरिएको थियो। व्यक्तिगत तत्वहरूको सरल थप नियम प्रयोग गरेर \(\:\mu\:/\rho\:\), हावाको आयतन अंश र संश्लेषित अल्जिनेट हाइड्रोजेलको आयतन अनुपात गणना गर्न सकिन्छ।
अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरू सोडियम अल्जिनेट (भाग नं. W201502), CaCO3 (भाग नं. 795445, MW: 100.09), र GDL (भाग नं. G4750, MW: 178.14) प्रयोग गरेर तयार पारिएको थियो जुन सिग्मा-एल्ड्रिच कम्पनी, सेन्ट लुइस, MO बाट खरिद गरिएको थियो। ७०% सोडियम लौरिल ईथर सल्फेट (SLES ७०) प्रख्यात ट्रेडिंग LLC बाट खरिद गरिएको थियो। फोम तयारी प्रक्रियामा डिओनाइज्ड पानी प्रयोग गरिएको थियो। सोडियम अल्जिनेटलाई कोठाको तापक्रममा डिओनाइज्ड पानीमा घुलनशील बनाइएको थियो जसमा एकसमान पहेंलो पारदर्शी घोल प्राप्त नभएसम्म निरन्तर हलचल (600 rpm) गरिएको थियो। GDL सँग संयोजनमा CaCO3 लाई जेलेसन सुरु गर्न Ca2+ स्रोतको रूपमा प्रयोग गरिएको थियो। हाइड्रोजेल भित्र छिद्रपूर्ण संरचना बनाउन SLES 70 लाई सर्फ्याक्टेन्टको रूपमा प्रयोग गरिएको थियो। अल्जिनेट सांद्रता 5% मा कायम राखिएको थियो र Ca2+:-COOH मोलर अनुपात 0.18 मा राखिएको थियो। फोम तयारीको क्रममा तटस्थ pH कायम राख्न CaCO3:GDL मोलर अनुपात पनि ०.५ मा कायम राखिएको थियो। सबै नमूनाहरूमा SLES ७० को आयतन अनुसार मान २६.२% छ। घोल र हावाको मिश्रण अनुपात नियन्त्रण गर्न ढक्कन भएको बीकर प्रयोग गरिएको थियो। बीकरको कुल आयतन १४० मिलीलीटर थियो। सैद्धान्तिक गणना परिणामहरूको आधारमा, हावासँग मिसिनको लागि मिश्रणको विभिन्न आयतनहरू (५० मिलीलीटर, १०० मिलीलीटर, ११० मिलीलीटर) बीकरमा थपिएको थियो। मिश्रणको ५० मिलीलीटर भएको नमूना पर्याप्त हावासँग मिसिनको लागि डिजाइन गरिएको थियो, जबकि अन्य दुई नमूनाहरूमा हावाको मात्रा अनुपात नियन्त्रण गरिएको थियो। पहिले, SLES ७० लाई अल्जिनेट घोलमा थपियो र पूर्ण रूपमा मिसिन नभएसम्म विद्युतीय स्टिररले हलचल गरियो। त्यसपछि, CaCO3 सस्पेन्सन मिश्रणमा थपियो र मिश्रण पूर्ण रूपमा मिसिन नसकेसम्म निरन्तर हलचल गरियो, जब यसको रंग सेतोमा परिवर्तन भयो। अन्तमा, जेलेसन सुरु गर्न GDL घोल मिश्रणमा थपियो, र सम्पूर्ण प्रक्रियाभरि मेकानिकल हलचल कायम राखिएको थियो। ५० मिलिलिटर मिश्रण भएको नमूनाको लागि, मिश्रणको आयतन परिवर्तन हुन बन्द भएपछि मेकानिकल हलचल रोकियो। १०० मिलिलिटर र ११० मिलिलिटर मिश्रण भएको नमूनाको लागि, मिश्रणले बीकर भरेपछि मेकानिकल हलचल रोकियो। हामीले ५० मिलिलिटर र १०० मिलिलिटर बीचको आयतन भएका हाइड्रोजेल फोमहरू तयार गर्ने प्रयास पनि गर्यौं। यद्यपि, फोमको संरचनात्मक अस्थिरता देखियो, किनकि यो पूर्ण हावा मिश्रणको अवस्था र हावाको मात्रा नियन्त्रणको अवस्था बीच उतारचढाव भयो, जसको परिणामस्वरूप असंगत मात्रा नियन्त्रण भयो। यो अस्थिरताले गणनामा अनिश्चितता ल्यायो, र त्यसैले यो मात्रा दायरा यस अध्ययनमा समावेश गरिएको थिएन।
हाइड्रोजेल फोमको घनत्व \(\:\rho\:\) हाइड्रोजेल फोम नमूनाको द्रव्यमान \(\:m\) र आयतन \(\:V\) मापन गरेर गणना गरिन्छ।
Zeiss Axio Observer A1 क्यामेरा प्रयोग गरेर हाइड्रोजेल फोमहरूको अप्टिकल माइक्रोस्कोपिक छविहरू प्राप्त गरियो। प्राप्त छविहरूको आधारमा निश्चित क्षेत्रमा नमूनामा छिद्रहरूको संख्या र आकार वितरण गणना गर्न ImageJ सफ्टवेयर प्रयोग गरिएको थियो। छिद्र आकार गोलाकार मानिन्छ।
अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूको मेकानिकल गुणहरू अध्ययन गर्न, TESTRESOURCES 100 श्रृंखला मेसिन प्रयोग गरेर एकअक्षीय कम्प्रेसन परीक्षणहरू गरियो। नमूनाहरूलाई आयताकार ब्लकहरूमा काटियो र तनाव र तनाव गणना गर्न ब्लक आयामहरू मापन गरियो। क्रसहेड गति १० मिमी/मिनेटमा सेट गरिएको थियो। प्रत्येक नमूनाको लागि तीन नमूनाहरू परीक्षण गरियो र परिणामहरूबाट औसत र मानक विचलन गणना गरियो। यो अध्ययन अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूको कम्प्रेसिभ मेकानिकल गुणहरूमा केन्द्रित थियो किनभने फोक्सोको तन्तु श्वासप्रश्वास चक्रको निश्चित चरणमा कम्प्रेसिभ बलहरूको अधीनमा हुन्छ। एक्सटेन्सिबिलिटी अवश्य पनि महत्त्वपूर्ण छ, विशेष गरी फोक्सोको तन्तुको पूर्ण गतिशील व्यवहार प्रतिबिम्बित गर्न र भविष्यका अध्ययनहरूमा यसको अनुसन्धान गरिनेछ।
तयार पारिएका हाइड्रोजेल फोम नमूनाहरू Siemens SOMATOM Drive डुअल-च्यानल CT स्क्यानरमा स्क्यान गरिएका थिए। स्क्यानिङ प्यारामिटरहरू निम्नानुसार सेट गरिएका थिए: ४० mAs, १२० kVp र १ मिमी स्लाइस मोटाई। परिणामस्वरूप DICOM फाइलहरू प्रत्येक नमूनाको ५ क्रस-सेक्शनहरूको HU मानहरूको विश्लेषण गर्न MicroDicom DICOM Viewer सफ्टवेयर प्रयोग गरेर विश्लेषण गरिएको थियो। CT द्वारा प्राप्त HU मानहरू नमूनाहरूको घनत्व डेटाको आधारमा सैद्धान्तिक गणनाहरूसँग तुलना गरिएको थियो।
यस अध्ययनको उद्देश्य नरम सामग्रीहरूको इन्जिनियरिङ गरेर व्यक्तिगत अंग मोडेलहरू र कृत्रिम जैविक तन्तुहरूको निर्माणमा क्रान्तिकारी परिवर्तन गर्नु हो। चिकित्सा प्रशिक्षण, शल्यक्रिया योजना, र विकिरण थेरापी योजना सुधार गर्ने जस्ता लक्षित अनुप्रयोगहरूको लागि मानव फोक्सोको काम गर्ने मेकानिक्ससँग मेल खाने मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएका सामग्रीहरू विकास गर्नु महत्त्वपूर्ण छ। चित्र १A मा, हामीले मानव फोक्सो मोडेलहरू निर्माण गर्न प्रयोग गरिने नरम सामग्रीहरूको मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू बीचको भिन्नताको योजना बनायौं। आजसम्म, इच्छित रेडियोलोजिकल गुणहरू प्रदर्शन गर्ने सामग्रीहरू विकास गरिएका छन्, तर तिनीहरूको मेकानिकल गुणहरूले इच्छित आवश्यकताहरू पूरा गर्दैनन्। पोलियुरेथेन फोम र रबर विकृत मानव फोक्सो मोडेलहरू निर्माण गर्न सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग हुने सामग्रीहरू हुन्। पोलियुरेथेन फोम (यंगको मोड्युलस, YM) को मेकानिकल गुणहरू सामान्यतया सामान्य मानव फोक्सोको तन्तुको भन्दा १० देखि १०० गुणा बढी हुन्छन्। इच्छित मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू दुवै प्रदर्शन गर्ने सामग्रीहरू अझै ज्ञात छैनन्।
(A) विभिन्न नरम पदार्थहरूको गुणहरूको योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व र घनत्व, यंगको मोड्युलस र रेडियोलोजिकल गुणहरूको सन्दर्भमा मानव फोक्सोसँग तुलना (HU मा)। (B) ५% को सांद्रता र ०.१८ को Ca2+:-COOH मोलर अनुपात भएको \(\:\mu\:/\rho\:\) अल्जिनेट हाइड्रोजेलको एक्स-रे विवर्तन ढाँचा। (C) हाइड्रोजेल फोमहरूमा हावाको आयतन अनुपातको दायरा। (D) विभिन्न हावाको आयतन अनुपात भएका अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूको योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व।
५% को सांद्रता र ०.१८ को Ca2+:-COOH मोलर अनुपात भएका अल्जिनेट हाइड्रोजेलहरूको मौलिक संरचना गणना गरिएको थियो, र परिणामहरू तालिका ३ मा देखाइएको छ। अघिल्लो सूत्र (५) मा थप नियम अनुसार, अल्जिनेट हाइड्रोजेलको द्रव्यमान क्षीणन गुणांक \(\:\:\mu\:/\rho\:\) चित्र १B मा देखाइए अनुसार प्राप्त गरिएको छ।
हावा र पानीको लागि \(\:\mu\:/\rho\:\) मानहरू NIST १२६१२ मापदण्ड सन्दर्भ डाटाबेसबाट सिधै प्राप्त गरिएको थियो। यसरी, चित्र १C ले मानव फोक्सोको लागि -६०० र -७०० बीचको HU बराबर मानहरू भएका हाइड्रोजेल फोमहरूमा गणना गरिएको हावाको मात्रा अनुपात देखाउँछ। सैद्धान्तिक रूपमा गणना गरिएको हावाको मात्रा अनुपात १ × १०−३ देखि २ × १०१ MeV सम्मको ऊर्जा दायरामा ६०-७०% भित्र स्थिर छ, जसले डाउनस्ट्रीम उत्पादन प्रक्रियाहरूमा हाइड्रोजेल फोमको प्रयोगको लागि राम्रो सम्भावनालाई संकेत गर्दछ।
चित्र १D ले तयार पारिएको अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम नमूना देखाउँछ। सबै नमूनाहरूलाई १२.७ मिमीको किनारा लम्बाइको क्यूबमा काटिएको थियो। नतिजाहरूले देखाए कि एक समान, त्रि-आयामिक रूपमा स्थिर हाइड्रोजेल फोम बनाइएको थियो। हावाको मात्रा अनुपात जस्तोसुकै भए पनि, हाइड्रोजेल फोमहरूको उपस्थितिमा कुनै महत्त्वपूर्ण भिन्नताहरू देखिएनन्। हाइड्रोजेल फोमको आत्म-निर्भर प्रकृतिले सुझाव दिन्छ कि हाइड्रोजेल भित्र बनेको नेटवर्क फोमको वजनलाई समर्थन गर्न पर्याप्त बलियो छ। फोमबाट थोरै मात्रामा पानी चुहावट बाहेक, फोमले धेरै हप्तासम्म क्षणिक स्थिरता पनि प्रदर्शन गर्‍यो।
फोम नमूनाको द्रव्यमान र आयतन मापन गरेर, तयार गरिएको हाइड्रोजेल फोम \(\:\rho\:\) को घनत्व गणना गरिएको थियो, र परिणामहरू तालिका ४ मा देखाइएको छ। परिणामहरूले हावाको आयतन अनुपातमा \(\:\rho\:\) को निर्भरता देखाउँछन्। जब पर्याप्त हावा नमूनाको ५० मिलीलीटरमा मिसाइन्छ, घनत्व सबैभन्दा कम हुन्छ र ०.४८२ ग्राम/सेमी३ हुन्छ। मिश्रित हावाको मात्रा घट्दै जाँदा, घनत्व ०.६८५ ग्राम/सेमी३ मा बढ्छ। ५० मिलीलीटर, १०० मिलीलीटर र ११० मिलीलीटरका समूहहरू बीचको अधिकतम p मान ०.००४ < ०.०५ थियो, जसले परिणामहरूको सांख्यिकीय महत्त्वलाई जनाउँछ।
सैद्धान्तिक \(\:\rho\:\) मान पनि नियन्त्रित हावाको मात्रा अनुपात प्रयोग गरेर गणना गरिन्छ। मापन गरिएका परिणामहरूले देखाउँछन् कि \(\:\rho\:\) सैद्धान्तिक मान भन्दा ०.१ g/cm³ सानो छ। यो भिन्नतालाई जेलेसन प्रक्रियाको क्रममा हाइड्रोजेलमा उत्पन्न हुने आन्तरिक तनावद्वारा व्याख्या गर्न सकिन्छ, जसले सुन्निने गर्छ र यसरी \(\:\rho\:\\) मा कमी ल्याउँछ। चित्र २ (A, B र C) मा देखाइएका CT छविहरूमा हाइड्रोजेल फोम भित्र केही खाली ठाउँहरूको अवलोकनद्वारा यो थप पुष्टि भयो।
विभिन्न हावाको मात्रा भएका हाइड्रोजेल फोमहरूको अप्टिकल माइक्रोस्कोपी छविहरू (A) ५०, (B) १००, र (C) ११०। अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम नमूनाहरूमा कोष संख्या र छिद्र आकार वितरण (D) ५०, (E) १००, (F) ११०।
चित्र ३ (A, B, C) ले विभिन्न हावाको मात्रा अनुपात भएका हाइड्रोजेल फोम नमूनाहरूको अप्टिकल माइक्रोस्कोप छविहरू देखाउँछ। परिणामहरूले हाइड्रोजेल फोमको अप्टिकल संरचना प्रदर्शन गर्दछ, स्पष्ट रूपमा फरक व्यास भएका छिद्रहरूको छविहरू देखाउँछ। छिद्र संख्या र व्यासको वितरण ImageJ प्रयोग गरेर गणना गरिएको थियो। प्रत्येक नमूनाको लागि छवटा छविहरू लिइएको थियो, प्रत्येक छविको आकार ११२५.२७ μm × ८४३.९६ μm थियो, र प्रत्येक नमूनाको लागि कुल विश्लेषण गरिएको क्षेत्रफल ५.७ mm² थियो।
(क) फरक हावाको आयतन अनुपात भएका अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूको कम्प्रेसिभ स्ट्रेस-स्ट्रेन व्यवहार। (ख) एक्सपोनेन्शियल फिटिंग। (ग) फरक हावाको आयतन अनुपात भएका हाइड्रोजेल फोमहरूको कम्प्रेसिभ E0। (घ) फरक हावाको आयतन अनुपात भएका अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूको अल्टिमेट कम्प्रेसिभ स्ट्रेस र स्ट्रेन।
चित्र ३ (D, E, F) ले देखाउँछ कि छिद्र आकार वितरण तुलनात्मक रूपमा एकरूप छ, दशौं माइक्रोमिटरदेखि लगभग ५०० माइक्रोमिटरसम्म। छिद्र आकार मूलतः एकरूप छ, र हावाको मात्रा घट्दै जाँदा यो थोरै घट्छ। परीक्षण तथ्याङ्क अनुसार, ५० मिलीलीटर नमूनाको औसत छिद्र आकार १९२.१६ μm, मध्यक १८४.५१ μm, र प्रति एकाइ क्षेत्रफलमा छिद्रहरूको संख्या १०३ छ; १०० मिलीलीटर नमूनाको औसत छिद्र आकार १५६.६२ μm, मध्यक १५१.०७ μm, र प्रति एकाइ क्षेत्रफलमा छिद्रहरूको संख्या १०९ छ; ११० मिलीलीटर नमूनाको सम्बन्धित मानहरू क्रमशः १६३.०७ μm, १५०.२९ μm र ११५ छन्। तथ्याङ्कले देखाउँछ कि ठूला छिद्रहरूको औसत छिद्र आकारको तथ्याङ्कीय परिणामहरूमा बढी प्रभाव हुन्छ, र मध्य छिद्र आकारले छिद्र आकारको परिवर्तन प्रवृत्तिलाई राम्रोसँग प्रतिबिम्बित गर्न सक्छ। नमूनाको मात्रा ५० मिलीलीटरबाट ११० मिलीलीटरसम्म बढ्दै जाँदा, छिद्रहरूको संख्या पनि बढ्छ। मध्य छिद्र व्यास र छिद्र संख्याको तथ्याङ्कीय परिणामहरू संयोजन गर्दै, यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि बढ्दो मात्रासँगै, नमूना भित्र साना आकारका थप छिद्रहरू बन्छन्।
मेकानिकल परीक्षण डेटा चित्र ४A र ४D मा देखाइएको छ। चित्र ४A ले विभिन्न हावाको मात्रा अनुपात भएका तयार हाइड्रोजेल फोमहरूको कम्प्रेसिभ स्ट्रेस-स्ट्रेन व्यवहार देखाउँछ। परिणामहरूले देखाउँछन् कि सबै नमूनाहरूमा समान गैर-रेखीय तनाव-स्ट्रेन व्यवहार हुन्छ। प्रत्येक नमूनाको लागि, बढ्दो स्ट्रेनको साथ तनाव छिटो बढ्छ। हाइड्रोजेल फोमको कम्प्रेसिभ स्ट्रेस-स्ट्रेन व्यवहारमा घातांकीय वक्र फिट गरिएको थियो। चित्र ४B ले हाइड्रोजेल फोममा अनुमानित मोडेलको रूपमा घातांकीय प्रकार्य लागू गरेपछि परिणामहरू देखाउँछ।
फरक हावाको मात्रा अनुपात भएका हाइड्रोजेल फोमहरूको लागि, तिनीहरूको कम्प्रेसिभ मोड्युलस (E0) पनि अध्ययन गरिएको थियो। हाइड्रोजेलहरूको विश्लेषण जस्तै, कम्प्रेसिभ यंगको मोड्युलस २०% प्रारम्भिक स्ट्रेनको दायरामा अनुसन्धान गरिएको थियो। कम्प्रेसन परीक्षणहरूको नतिजा चित्र ४C मा देखाइएको छ। चित्र ४C मा भएका नतिजाहरूले देखाउँछन् कि नमूना ५० बाट नमूना ११० मा हावाको मात्रा अनुपात घट्दै जाँदा, अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमको कम्प्रेसिभ यंगको मोड्युलस E0 १०.८६ kPa बाट १८ kPa सम्म बढ्छ।
त्यसैगरी, हाइड्रोजेल फोमहरूको पूर्ण तनाव-तनाव वक्रहरू, साथै अन्तिम कम्प्रेसिभ तनाव र तनाव मानहरू प्राप्त गरियो। चित्र ४D ले अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूको अन्तिम कम्प्रेसिभ तनाव र तनाव देखाउँछ। प्रत्येक डेटा बिन्दु तीन परीक्षण परिणामहरूको औसत हो। परिणामहरूले देखाउँछ कि अन्तिम कम्प्रेसिभ तनाव ९.८४ kPa बाट १७.५८ kPa सम्म घट्दो ग्यास सामग्रीको साथ बढ्छ। अन्तिम तनाव लगभग ३८% मा स्थिर रहन्छ।
चित्र २ (A, B, र C) ले क्रमशः नमूना ५०, १००, र ११० सँग मिल्दोजुल्दो फरक हावाको मात्रा अनुपात भएका हाइड्रोजेल फोमहरूको CT छविहरू देखाउँछ। छविहरूले देखाउँछन् कि बनेको हाइड्रोजेल फोम लगभग एकरूप छ। नमूना १०० र ११० मा थोरै संख्यामा खाली ठाउँहरू अवलोकन गरिएको थियो। यी खाली ठाउँहरूको गठन जेलेसन प्रक्रियाको क्रममा हाइड्रोजेलमा उत्पन्न हुने आन्तरिक तनावको कारणले हुन सक्छ। हामीले प्रत्येक नमूनाको ५ क्रस सेक्सनहरूको लागि HU मानहरू गणना गर्यौं र तिनीहरूलाई तालिका ५ मा सम्बन्धित सैद्धान्तिक गणना परिणामहरू सहित सूचीबद्ध गर्यौं।
तालिका ५ ले देखाउँछ कि फरक हावाको मात्रा अनुपात भएका नमूनाहरूले फरक HU मानहरू प्राप्त गरे। ५० मिली, १०० मिली र ११० मिली समूहहरू बीचको अधिकतम p मान ०.००४ < ०.०५ थियो, जसले परिणामहरूको सांख्यिकीय महत्त्वलाई जनाउँछ। परीक्षण गरिएका तीन नमूनाहरू मध्ये, ५० मिली मिश्रण भएको नमूनामा मानव फोक्सोको सबैभन्दा नजिकको रेडियोलोजिकल गुणहरू थिए। तालिका ५ को अन्तिम स्तम्भ मापन गरिएको फोम मान \(\:\rho\:\) मा आधारित सैद्धान्तिक गणनाद्वारा प्राप्त परिणाम हो। सैद्धान्तिक परिणामहरूसँग मापन गरिएको डेटाको तुलना गरेर, यो पत्ता लगाउन सकिन्छ कि CT स्क्यानिङद्वारा प्राप्त HU मानहरू सामान्यतया सैद्धान्तिक परिणामहरूको नजिक हुन्छन्, जसले गर्दा चित्र १C मा हावाको मात्रा अनुपात गणना परिणामहरू पुष्टि हुन्छन्।
यस अध्ययनको मुख्य उद्देश्य मानव फोक्सोको तुलनामा मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएको सामग्री सिर्जना गर्नु हो। यो उद्देश्य मानव फोक्सोको सकेसम्म नजिकको टिस्यु-समकक्ष मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरू भएको हाइड्रोजेल-आधारित सामग्री विकास गरेर प्राप्त गरिएको थियो। सैद्धान्तिक गणनाद्वारा निर्देशित, सोडियम अल्जिनेट घोल, CaCO3, GDL र SLES 70 लाई मेकानिकल रूपमा मिसाएर विभिन्न वायु भोल्युम अनुपात भएका हाइड्रोजेल फोमहरू तयार पारिएको थियो। मोर्फोलॉजिकल विश्लेषणले देखाएको छ कि एक समान त्रि-आयामी स्थिर हाइड्रोजेल फोम गठन भएको थियो। हावा भोल्युम अनुपात परिवर्तन गरेर, फोमको घनत्व र छिद्र इच्छा अनुसार फरक हुन सक्छ। हावा भोल्युम सामग्रीको वृद्धिसँगै, छिद्र आकार थोरै घट्छ र छिद्रहरूको संख्या बढ्छ। अल्जिनेट हाइड्रोजेल फोमहरूको मेकानिकल गुणहरूको विश्लेषण गर्न कम्प्रेसन परीक्षणहरू सञ्चालन गरिएको थियो। परिणामहरूले देखाए कि कम्प्रेसन परीक्षणहरूबाट प्राप्त कम्प्रेसिभ मोड्युलस (E0) मानव फोक्सोको लागि आदर्श दायरामा छ। हावा भोल्युम अनुपात घट्दै जाँदा E0 बढ्छ। तयार पारिएका नमूनाहरूको रेडियोलोजिकल गुणहरू (HU) को मानहरू नमूनाहरूको CT डेटाको आधारमा प्राप्त गरिएको थियो र सैद्धान्तिक गणनाको नतिजासँग तुलना गरिएको थियो। परिणामहरू अनुकूल थिए। मापन गरिएको मान मानव फोक्सोको HU मानको नजिक पनि छ। परिणामहरूले देखाउँछन् कि मानव फोक्सोको गुणहरूको नक्कल गर्ने मेकानिकल र रेडियोलोजिकल गुणहरूको आदर्श संयोजनको साथ तन्तु-नक्कल गर्ने हाइड्रोजेल फोमहरू सिर्जना गर्न सम्भव छ।
आशाजनक नतिजाहरूको बावजुद, विश्वव्यापी र स्थानीय दुवै स्तरमा सैद्धान्तिक गणना र वास्तविक मानव फोक्सोबाट हुने भविष्यवाणीहरूसँग मेल खाने हावाको मात्रा अनुपात र पोरोसिटीलाई राम्रोसँग नियन्त्रण गर्न हालको निर्माण विधिहरूमा सुधार गर्न आवश्यक छ। हालको अध्ययन कम्प्रेसन मेकानिक्स परीक्षण गर्न पनि सीमित छ, जसले प्रेतको सम्भावित प्रयोगलाई श्वासप्रश्वास चक्रको कम्प्रेसन चरणमा सीमित गर्दछ। भविष्यको अनुसन्धानले गतिशील लोडिङ अवस्थाहरूमा सम्भावित अनुप्रयोगहरूको मूल्याङ्कन गर्न तन्य परीक्षणको साथै सामग्रीको समग्र मेकानिकल स्थिरताको अनुसन्धानबाट लाभ उठाउनेछ। यी सीमितताहरूको बावजुद, अध्ययनले मानव फोक्सोको नक्कल गर्ने एकल सामग्रीमा रेडियोलोजिकल र मेकानिकल गुणहरू संयोजन गर्ने पहिलो सफल प्रयासलाई चिन्ह लगाउँछ।
हालको अध्ययनको क्रममा उत्पन्न र/वा विश्लेषण गरिएका डेटासेटहरू उचित अनुरोधमा सम्बन्धित लेखकबाट उपलब्ध छन्। प्रयोगहरू र डेटासेटहरू दुवै पुन: उत्पादन योग्य छन्।
सोङ, जी., एट अल। क्यान्सर विकिरण उपचारको लागि नयाँ न्यानोटेक्नोलोजी र उन्नत सामग्रीहरू। सल्लाहकार मटर। २९, १७००९९६। https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (२०१७)।
किल, पीजे, एट अल। विकिरण ओन्कोलोजीमा श्वासप्रश्वास गति व्यवस्थापन सम्बन्धी AAPM ७६a कार्यदलको रिपोर्ट। चिकित्सा विज्ञान ३३, ३८७४–३९००। https://doi.org/10.1118/1.2349696 (२००६)।
अल-माया, ए., मोसेली, जे., र ब्रोक, केके मानव फोक्सोमा इन्टरफेस र सामग्री गैर-रेखीयताहरूको मोडेलिङ। भौतिक विज्ञान र चिकित्सा र जीवविज्ञान 53, 305–317। https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008)।
वाङ, एक्स., एट अल। थ्रीडी बायोप्रिन्टिङद्वारा उत्पन्न ट्यूमर जस्तो फोक्सोको क्यान्सर मोडेल। ३. बायोटेक्नोलोजी। ८ https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (२०१८)।
ली, एम., एट अल। फोक्सोको विकृतिको मोडेलिङ: विकृत छवि दर्ता प्रविधिहरू र स्थानिय रूपमा फरक हुने यंगको मोड्युलस अनुमान संयोजन गर्ने विधि। मेड। भौतिकशास्त्र ४०, ०८१९०२। https://doi.org/10.1118/1.4812419 (२०१३)।
Guimarães, CF et al. जीवित तन्तुको कठोरता र तन्तु इन्जिनियरिङको लागि यसको प्रभाव। प्रकृति समीक्षा सामग्री र वातावरण ५, ३५१–३७० (२०२०)।