Eskerrik asko nature.com bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSS laguntza mugatua du. Esperientzia onena lortzeko, arakatzailearen azken bertsioa erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desaktibatzea). Gainera, laguntza jarraitua bermatzeko, gune honek ez ditu estiloak edo JavaScript-ak izango.
Organoen eta ehunen mugimenduak akatsak sor ditzake X izpien kokapenean erradioterapian zehar. Beraz, ehunen baliokideak diren propietate mekaniko eta erradiologikoak dituzten materialak behar dira erradioterapiaren optimizaziorako organoen mugimendua imitatzeko. Hala ere, material horien garapena erronka bat izaten jarraitzen du. Alginato hidrogelek matrize estrazelularraren antzeko propietateak dituzte, eta horrek ehunen baliokide diren material gisa itxaropentsuak bihurtzen ditu. Ikerketa honetan, nahi diren propietate mekaniko eta erradiologikoak dituzten alginato hidrogel aparrak sintetizatu ziren in situ Ca2+ askapenaren bidez. Aire-bolumen erlazioa arretaz kontrolatu zen propietate mekaniko eta erradiologiko definituak dituzten hidrogel aparrak lortzeko. Materialen makro eta mikromorfologia karakterizatu ziren, eta hidrogel aparrek konpresiopean duten portaera aztertu zen. Propietate erradiologikoak teorikoki kalkulatu eta esperimentalki egiaztatu ziren tomografia konputatua erabiliz. Ikerketa honek argitzen du ehunen baliokideak diren materialen etorkizuneko garapena, erradioterapian zehar erradiazio dosia optimizatzeko eta kalitate kontrolerako erabil daitezkeenak.
Erradioterapia minbiziaren aurkako tratamendu ohikoa da1. Organoen eta ehunen mugimenduak askotan akatsak eragiten ditu X izpien kokapenean erradioterapiaren zehar2, eta horrek tumorea gutxiegi tratatzea eta inguruko zelula osasuntsuak gehiegizko erradiazioarekiko esposizioa ekar dezake. Organoen eta ehunen mugimendua aurreikusteko gaitasuna funtsezkoa da tumorearen lokalizazio-erroreak minimizatzeko. Ikerketa honek biriketan zentratu zen, deformazio eta mugimendu nabarmenak jasaten baitituzte pazienteek erradioterapiaren zehar arnasa hartzen dutenean. Hainbat elementu finituen eredu garatu eta aplikatu dira giza biriken mugimendua simulatzeko3,4,5. Hala ere, giza organoek eta ehunek geometria konplexuak dituzte eta oso pazientearen menpekoak dira. Hori dela eta, ehunen baliokide diren propietateak dituzten materialak oso erabilgarriak dira eredu fisikoak garatzeko, eredu teorikoak balioztatzeko, tratamendu medikoa hobetzeko eta hezkuntza medikorako.
Ehun bigunen imitazioa duten materialen garapenak, kanpoko eta barneko geometria estruktural konplexuak lortzeko, arreta handia erakarri du, haien berezko inkoherentzia mekanikoek huts egiteak eragin baitezakete aplikazio helburuetan6,7. Biriketako ehunaren biomekanika konplexua modelatzea, biguntasun handia, elastikotasuna eta porositate estrukturala konbinatzen dituena, erronka handia da giza birika zehatz-mehatz erreproduzitzen duten ereduak garatzeko. Propietate mekaniko eta erradiologikoen integrazioa eta parekatzea funtsezkoak dira biriketako ereduen errendimendu eraginkorrerako esku-hartze terapeutikoetan. Gehigarrizko fabrikazioa eraginkorra dela frogatu da pazienteentzako eredu espezifikoak garatzeko, diseinu konplexuen prototipo azkarra ahalbidetuz. Shin et al. 8-k biriketako eredu erreproduzigarri eta deformagarri bat garatu zuen 3D inprimatutako arnasbideekin. Haselaar et al. 9-k paziente errealen oso antzeko fantoma bat garatu zuen erradioterapiaren irudiaren kalitatea ebaluatzeko eta posizioa egiaztatzeko metodoetarako. Hong et al. 10-k bularreko CT eredu bat garatu zuen 3D inprimaketa eta silikonazko galdaketa teknologia erabiliz, biriketako lesio desberdinen CT intentsitatea erreproduzitzeko eta kuantifikazioaren zehaztasuna ebaluatzeko. Hala ere, prototipo hauek askotan biriketako ehunaren propietate eraginkorrak oso desberdinak dituzten materialez eginda daude11.
Gaur egun, birika-fantome gehienak silikonazko edo poliuretanozko aparrez eginda daude, eta horiek ez dute bat egiten benetako biriketako parenkimaren propietate mekaniko eta erradiologikoekin.12,13 Alginato hidrogelak biobateragarriak dira eta ehunen ingeniaritzan asko erabili dira, propietate mekaniko erregulagarriei esker.14 Hala ere, biriketako ehunaren elastikotasuna eta betetze-egitura zehatz-mehatz imitatzen duen birika-fantome batentzat beharrezkoa den apar-antzeko koherentzia ultra-leuna erreproduzitzea erronka esperimentala da oraindik.
Ikerketa honetan, biriketako ehuna material elastiko homogeneoa dela suposatu zen. Giza biriketako ehunaren dentsitatea (\(\:\rho\:\)) 1,06 g/cm3 dela jakinarazi da, eta puztutako birikaren dentsitatea 0,26 g/cm315 da. Biriketako ehunaren Young-en moduluko (MY) balio sorta zabala lortu da metodo esperimental desberdinak erabiliz. Lai-Fook et al. 16-k giza biriketako YM neurtu zuten puzte uniformearekin 0,42–6,72 kPa-tan. Goss et al. 17-k erresonantzia magnetiko bidezko elastografia erabili zuten eta 2,17 kPa-ko YM bat jakinarazi zuten. Liu et al. 18-k zuzenean neurtutako 0,03–57,2 kPa-ko YM bat jakinarazi zuten. Ilegbusi et al. 19-k YM 0,1–2,7 kPa-tan kalkulatu zuten, hautatutako pazienteengandik lortutako 4D CT datuetan oinarrituta.
Biriken propietate erradiologikoetarako, hainbat parametro erabiltzen dira biriketako ehunaren eta X izpien arteko interakzio-portaera deskribatzeko, besteak beste, elementuen konposizioa, elektroi-dentsitatea (\(\:{\rho\:}_{e}\)), zenbaki atomiko eraginkorra (\(\:{Z}_{eff}\)), batez besteko kitzikapen-energia (\(\:I\)), masa-ahultze-koefizientea (\(\:\mu\:/\rho\:\)) eta Hounsfield unitatea (HU), zuzenean erlazionatuta dagoena \(\:\mu\:/\rho\:\)-rekin.
Elektroi-dentsitatea \(\:{\rho\:}_{e}\) bolumen-unitateko elektroi kopurua bezala definitzen da eta honela kalkulatzen da:
non \(\:\rho\:\) materialaren dentsitatea g/cm3-tan den, \(\:{N}_{A}\) Avogadroren konstantea, \(\:{w}_{i}\) masa-frakzioa, \(\:{Z}_{i}\) zenbaki atomikoa eta \(\:{A}_{i}\) i-garren elementuaren pisu atomikoa.
Zenbaki atomikoa zuzenean lotuta dago materialaren barruko erradiazioaren interakzioaren izaerarekin. Hainbat elementu dituzten konposatu eta nahasteetarako (adibidez, ehunak), zenbaki atomiko eraginkorra \(\:{Z}_{eff}\) kalkulatu behar da. Formula Murthy et al.-ek proposatu zuten 20:
Batez besteko kitzikapen-energiak, \(\:I\), helburu-materialak partikula sarkorren energia zinetikoa zein erraz xurgatzen duen deskribatzen du. Helburu-materialaren propietateak baino ez ditu deskribatzen eta ez du zerikusirik partikulen propietateekin. \(\:I\) Bragg-en gehigarritasun-araua aplikatuz kalkula daiteke:
Masa-ahultze koefizienteak (\:\mu\:/\rho\:\) fotoien material helburuaren sartzea eta energia-askapena deskribatzen ditu. Formula hau erabiliz kalkula daiteke:
Non \(\:x\) materialaren lodiera den, \(\:{I}_{0}\) erasileko argiaren intentsitatea den, eta \(\:I\) materialaren barruan sartu ondoren fotoiaren intentsitatea den. \(\:\mu\:/\rho\:\) datuak zuzenean lor daitezke NIST 12621 Arauen Erreferentzia Datu-basetik. Nahaste eta konposatuen \(\:\mu\:/\rho\:\) balioak gehigarritasun-araua erabiliz lor daitezke honela:
HU tomografia konputatuaren (CT) datuen interpretazioan erradiodentsitatearen neurri-unitate estandarizatua da, neurtutako ahultze-koefizientetik (\:\mu\:\) linealki eraldatzen dena. Honela definitzen da:
non \(\:{\mu\:}_{ura}\) uraren ahultze-koefizientea den, eta \(\:{\mu\:}_{airea}\) airearen ahultze-koefizientea. Beraz, (6) formulatik ikusten dugu uraren HU balioa 0 dela, eta airearen HU balioa -1000 dela. Giza biriken HU balioa -600tik -70022ra bitartekoa da.
Hainbat ehun baliokideko material garatu dira. Griffith et al. 23-k giza gorputzaren ehun baliokideko eredu bat garatu zuten poliuretanoz (PU) eginda, eta kaltzio karbonato (CaCO3) kontzentrazio desberdinak gehitu zitzaizkion giza organoen, birika barne, hainbaten deuseztatze-koefiziente linealak simulatzeko, eta ereduari Griffith izena eman zioten. Taylorrek 24 Lawrence Livermore Laborategi Nazionalak (LLNL) garatutako bigarren biriketako ehun baliokideko eredu bat aurkeztu zuten, LLLL1 izenekoa. Traub et al. 25-ek biriketako ehun ordezko berri bat garatu zuten Foamex XRS-272 erabiliz, % 5,25 CaCO3 duena errendimendua hobetzen duen material gisa, eta ALT2 izena eman zioten. 1. eta 2. taulek \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) eta giza birikaren masa-deuseztatze-koefizienteen (ICRU-44) eta goiko ehun baliokideko ereduen konparaketa erakusten dute.
Lortutako erradiologia-ezaugarri bikainak izan arren, ia fantoma-material guztiak poliestireno-aparrez eginda daude, eta horrek esan nahi du material hauen propietate mekanikoak ezin direla gizakien biriken parekoak izan. Poliuretano-aparraren Young-en modulua (YM) 500 kPa ingurukoa da, eta hori ez da batere idealena gizakien birikekin alderatuta (5-10 kPa inguru). Beraz, beharrezkoa da benetako giza biriken ezaugarri mekaniko eta erradiologikoak bete ditzakeen material berri bat garatzea.
Hidrogelak ehunen ingeniaritzan asko erabiltzen dira. Beren egitura eta propietateak matrize estrazelularraren (ECM) antzekoak dira eta erraz doi daitezke. Ikerketa honetan, sodio alginato purua aukeratu zen aparrak prestatzeko biomaterial gisa. Alginato hidrogelak biobateragarriak dira eta ehunen ingeniaritzan asko erabiltzen dira, beren propietate mekaniko doigarriei esker. Sodio alginatoaren (C6H7NaO6)n osaera elementala eta Ca2+ presentziak bere propietate erradiologikoak beharren arabera doitzea ahalbidetzen dute. Propietate mekaniko eta erradiologiko doigarrien konbinazio honek alginato hidrogelak aproposak bihurtzen ditu gure ikerketarako. Jakina, alginato hidrogelek ere mugak dituzte, batez ere arnas ziklo simulatuen epe luzeko egonkortasunari dagokionez. Beraz, hobekuntza gehiago behar dira eta etorkizuneko ikerketetan espero dira muga horiei aurre egiteko.
Lan honetan, alginato hidrogel apar material bat garatu dugu, rho balio kontrolagarriak, elastikotasuna eta giza biriketako ehunaren antzeko propietate erradiologikoak dituena. Ikerketa honek ehun itxurako fantomak fabrikatzeko irtenbide orokor bat emango du, propietate elastiko eta erradiologiko erregulagarriak dituztenak. Materialaren propietateak erraz egokitu daitezke edozein giza ehun eta organotara.
Hidrogel aparraren airearen eta bolumenaren arteko erlazio helburua gizakien biriken HU tartean (-600etik -700era) kalkulatu zen. Aparra airearen eta alginato hidrogel sintetikoaren nahasketa sinple bat zela suposatu zen. Elementu indibidualen \(\:\mu\:/\rho\:\) batuketa-arau sinple bat erabiliz, airearen bolumen-frakzioa eta sintetizatutako alginato hidrogelaren bolumen-erlazioa kalkulatu ahal izan ziren.
Alginato hidrogel aparrak sodio alginatoa (W201502 pieza zk.), CaCO3 (795445 pieza zk., MW: 100.09) eta GDL (G4750 pieza zk., MW: 178.14) erabiliz prestatu ziren, Sigma-Aldrich Company-tik (St. Louis, MO) erosiak. % 70eko Sodio Lauril Eter Sulfatoa (SLES 70) Renowned Trading LLC-tik erosi zen. Ur desionizatua erabili zen aparra prestatzeko prozesuan. Sodio alginatoa ur desionizatuan disolbatu zen giro-tenperaturan, etengabe irabiatuz (600 rpm), soluzio hori eta zeharrargi homogeneo bat lortu arte. CaCO3, GDLrekin konbinatuta, Ca2+ iturri gisa erabili zen gelifikazioa hasteko. SLES 70 erabili zen gainazal-aktibo gisa hidrogelaren barruan egitura porotsu bat eratzeko. Alginatoaren kontzentrazioa % 5ean mantendu zen eta Ca2+:-COOH molar-erlazioa 0,18an. CaCO3:GDL molar-erlazioa ere 0,5ean mantendu zen aparra prestatzean pH neutroa mantentzeko. Balioa 26 da. SLES 70 bolumenaren % 2 gehitu zitzaien lagin guztiei. Tapadun ontzi bat erabili zen disoluzioaren eta airearen nahasketa-erlazioa kontrolatzeko. Ontziaren bolumen osoa 140 ml-koa zen. Kalkulu teorikoen emaitzetan oinarrituta, nahastearen bolumen desberdinak (50 ml, 100 ml, 110 ml) gehitu ziren ontzira airearekin nahasteko. Nahastearen 50 ml zuen lagina aire nahikoarekin nahasteko diseinatu zen, eta beste bi laginen aire-bolumenaren erlazioa kontrolatu zen. Lehenik, SLES 70 gehitu zitzaion alginato-disoluzioari eta irabiagailu elektriko batekin irabiatu zen guztiz nahastu arte. Ondoren, CaCO3-suspentsioa gehitu zitzaion nahasketari eta etengabe irabiatu zen nahasketa guztiz nahastu arte, eta orduan bere kolorea zurira aldatu zen. Azkenik, GDL disoluzioa gehitu zitzaion nahasketari gelifikazioa hasteko, eta irabiaketa mekanikoa mantendu zen prozesu osoan zehar. 50 ml nahastea zuen laginarentzat, nahasketa mekanikoa gelditu zen nahastearen bolumena aldatzeari utzi zionean. 100 ml eta 110 ml nahastea zuten laginentzat, nahasketa mekanikoa gelditu zen nahastea edalontzia bete zenean. 50 ml eta 100 ml arteko bolumeneko hidrogel aparrak prestatzen ere saiatu ginen. Hala ere, aparraren egitura-ezegonkortasuna ikusi zen, aire-nahasketa osoaren egoeraren eta aire-bolumenaren kontrol-egoeraren artean fluktuatzen baitzen, eta horrek bolumen-kontrola ez zen koherentea sortzen. Ezegonkortasun horrek ziurgabetasuna sartu zuen kalkuluetan, eta, beraz, bolumen-tarte hori ez zen ikerketa honetan sartu.
Hidrogel apar baten dentsitatea \(\:\rho\:\) kalkulatzeko, hidrogel apar lagin baten masa \(\:\) eta bolumena \(\:\V\) neurtzen da.
Hidrogel aparren irudi mikroskopiko optikoak Zeiss Axio Observer A1 kamera bat erabiliz lortu ziren. ImageJ softwarea erabili zen lagin bateko poroen kopurua eta tamainaren banaketa kalkulatzeko, lortutako irudietan oinarrituta. Poroen forma zirkularra dela suposatzen da.
Alginato hidrogel aparren propietate mekanikoak aztertzeko, konpresio uniaxialeko probak egin ziren TESTRESOURCES 100 serieko makina bat erabiliz. Laginak bloke angeluzuzenetan moztu ziren eta blokearen neurriak neurtu ziren tentsioak eta deformazioak kalkulatzeko. Gurutze-buruaren abiadura 10 mm/min-tan ezarri zen. Hiru lagin probatu ziren lagin bakoitzeko eta batez bestekoa eta desbideratze estandarra kalkulatu ziren emaitzetatik. Ikerketa honek alginato hidrogel aparren konpresio-propietate mekanikoetan zentratu zen, biriketako ehuna arnas zikloaren etapa jakin batean konpresio-indarren menpe baitago. Luzagarritasuna, noski, funtsezkoa da, batez ere biriketako ehunaren portaera dinamiko osoa islatzeko eta hau etorkizuneko ikerketetan ikertuko da.
Prestatutako hidrogel apar laginak Siemens SOMATOM Drive kanal bikoitzeko CT eskaner batean eskaneatu ziren. Eskaneatze parametroak hauek ziren: 40 mAs, 120 kVp eta 1 mm-ko xerra lodiera. Lortutako DICOM fitxategiak MicroDicom DICOM Viewer softwarea erabiliz aztertu ziren lagin bakoitzaren 5 zeharkako sekzioen HU balioak aztertzeko. CT bidez lortutako HU balioak laginen dentsitate datuetan oinarritutako kalkulu teorikoekin alderatu ziren.
Ikerketa honen helburua banakako organo-ereduen eta ehun biologiko artifizialen fabrikazioa iraultzea da, material bigunak diseinatuz. Giza biriken funtzionamendu-mekanikarekin bat datozen propietate mekaniko eta erradiologikoak dituzten materialak garatzea garrantzitsua da aplikazio zehatzetarako, hala nola medikuntza-prestakuntza hobetzeko, kirurgia-plangintzarako eta erradioterapia-terapiaren plangintzarako. 1A irudian, giza biriken ereduak fabrikatzeko erabili ohi diren material bigunen propietate mekaniko eta erradiologikoen arteko desadostasuna irudikatu dugu. Orain arte, nahi diren propietate erradiologikoak dituzten materialak garatu dira, baina haien propietate mekanikoek ez dituzte betetzen nahi diren baldintzak. Poliuretanozko aparra eta kautxua dira giza biriken eredu deformagarriak fabrikatzeko gehien erabiltzen diren materialak. Poliuretanozko aparraren propietate mekanikoak (Young-en modulua, YM) normalean giza biriketako ehun normalarenak baino 10 eta 100 aldiz handiagoak dira. Nahi diren propietate mekaniko eta erradiologikoak dituzten materialak ez dira oraindik ezagutzen.
(A) Material bigunen propietateen eskema-adierazpena eta giza birikarekin alderaketa dentsitateari, Young-en moduluari eta propietate erradiologikoei dagokienez (HU-tan). (B) % 5eko kontzentrazioarekin eta 0,18ko Ca2+:-COOH molar-erlazioarekin (\(\:\mu\:/\rho\:\) alginato hidrogelaren X izpien difrakzio-eredua. (C) Hidrogel aparren aire-bolumen-erlazioen tartea. (D) Aire-bolumen-erlazio desberdinekin alginato hidrogel aparraren eskema-adierazpena.
% 5eko kontzentrazioa eta 0,18ko Ca2+:-COOH molar-erlazioa duten alginato hidrogelen elementu-konposizioa kalkulatu zen, eta emaitzak 3. taulan ageri dira. Aurreko formulako (5) batuketa-arauaren arabera, alginato hidrogelaren \(\:\:\mu\:/\rho\:\) masa-atenuazio koefizientea 1B irudian ageri den bezala lortzen da.
Airearen eta uraren \(\:\mu\:/\rho\:\) balioak zuzenean NIST 12612 estandarren erreferentzia datu-basetik lortu ziren. Beraz, 1C irudiak hidrogel aparretan kalkulatutako aire-bolumen-erlazioak erakusten ditu, -600 eta -700 arteko HU baliokideak gizakiaren biriketarako. Teorian kalkulatutako aire-bolumen-erlazioa % 60-70ean egonkorra da 1 × 10−3 eta 2 × 101 MeV arteko energia-tartean, eta horrek hidrogel aparraren aplikazio potentzial ona adierazten du ondorengo fabrikazio-prozesuetan.
1D irudiak prestatutako alginato hidrogel apar lagina erakusten du. Lagin guztiak 12,7 mm-ko ertz-luzera zuten kuboetan moztu ziren. Emaitzek erakutsi zuten hidrogel apar homogeneo eta hiru dimentsiotan egonkorra sortu zela. Aire-bolumenaren erlazioa edozein dela ere, ez zen hidrogel aparraren itxuran desberdintasun esanguratsurik ikusi. Hidrogel aparraren izaera autoiraunkorrak iradokitzen du hidrogelaren barruan sortutako sarea aparraren beraren pisua eusteko bezain sendoa dela. Aparraren ur-ihes txiki bat izan ezik, aparrak egonkortasun iragankorra ere erakutsi zuen hainbat astez.
Apar-laginaren masa eta bolumena neurtuz, prestatutako hidrogel aparraren \(\:\rho\:\) dentsitatea kalkulatu zen, eta emaitzak 4. taulan ageri dira. Emaitzek \(\:\rho\:\)-ren menpekotasuna erakusten dute airearen bolumen-erlazioarekiko. 50 ml laginarekin nahikoa aire nahasten denean, dentsitatea baxuena bihurtzen da eta 0,482 g/cm3 da. Nahastutako airearen kantitatea gutxitu ahala, dentsitatea 0,685 g/cm3-ra igotzen da. 50 ml, 100 ml eta 110 ml-ko taldeen arteko p balio maximoa 0,004 < 0,05 izan zen, emaitzen esangura estatistikoa adieraziz.
\(\:\rho\:\) balio teorikoa ere kalkulatzen da aire-bolumenaren erlazio kontrolatua erabiliz. Neurtutako emaitzek erakusten dute \(\:\rho\:\) balio teorikoa baino 0,1 g/cm³ txikiagoa dela. Alde hau azal daiteke hidrogelean gelifikazio-prozesuan sortzen den barne-tentsioagatik, eta horrek hantura eragiten du eta, beraz, \(\:\rho\:\) gutxitzea dakar. Hori are gehiago berretsi zen 2. irudian (A, B eta C) erakusten diren CT irudietan hidrogel aparraren barruan dauden hutsune batzuk ikusita.
Aire-bolumen edukiera desberdineko hidrogel aparren mikroskopia optikoaren irudiak (A) 50, (B) 100 eta (C) 110. Zelulen kopurua eta poroen tamainaren banaketa alginato hidrogel apar laginetan (D) 50, (E) 100, (F) 110.
3. irudiak (A, B, C) hidrogel apar laginen mikroskopio optikoaren irudiak erakusten ditu, aire-bolumen-erlazio desberdinekin. Emaitzek hidrogel aparraren egitura optikoa erakusten dute, diametro desberdineko poroen irudiak argi erakutsiz. Poro kopuruaren eta diametroaren banaketa ImageJ erabiliz kalkulatu zen. Sei irudi atera ziren lagin bakoitzeko, irudi bakoitzak 1125,27 μm × 843,96 μm-ko tamaina zuen, eta lagin bakoitzaren aztertutako azalera osoa 5,7 mm² izan zen.
(A) Alginato hidrogel aparren aire-bolumen-erlazio desberdinak dituzten konpresio-tentsio-deformazio portaera. (B) Egokitzapen esponentziala. (C) Aire-bolumen-erlazio desberdinak dituzten hidrogel aparren konpresio E0. (D) Aire-bolumen-erlazio desberdinak dituzten alginato hidrogel aparren konpresio-tentsio eta deformazio gorena.
3. irudiak (D, E, F) erakusten du poroen tamainaren banaketa nahiko uniformea ​​dela, hamarnaka mikrometrotik 500 mikrometro ingurura bitartekoa. Poroen tamaina funtsean uniformea ​​da, eta aire-bolumena gutxitzen den heinean apur bat gutxitzen da. Proba-datuen arabera, 50 ml-ko laginaren batez besteko poro-tamaina 192,16 μm da, mediana 184,51 μm da, eta azalera-unitateko poro kopurua 103 da; 100 ml-ko laginaren batez besteko poro-tamaina 156,62 μm da, mediana 151,07 μm da, eta azalera-unitateko poro kopurua 109 da; 110 ml-ko laginaren balioak 163,07 μm, 150,29 μm eta 115 dira, hurrenez hurren. Datuek erakusten dute poro handiagoek eragin handiagoa dutela batez besteko poro-tamainaren emaitza estatistikoetan, eta poro-tamainaren medianak hobeto islatu dezakeela poro-tamainaren aldaketa-joera. Laginaren bolumena 50 ml-tik 110 ml-ra handitzen den heinean, poro kopurua ere handitzen da. Poroen batez besteko diametroaren eta poro kopuruaren emaitza estatistikoak konbinatuz, ondoriozta daiteke bolumena handitzen den heinean, tamaina txikiagoko poro gehiago sortzen direla laginaren barruan.
Proba mekanikoen datuak 4A eta 4D irudietan ageri dira. 4A irudiak prestatutako hidrogel aparren konpresio-tentsio-deformazio portaera erakusten du, aire-bolumen-erlazio desberdinekin. Emaitzek erakusten dute lagin guztiek antzeko tentsio-deformazio portaera ez-lineala dutela. Lagin bakoitzerako, tentsioa azkarrago handitzen da deformazioa handitzen den heinean. Kurba esponentzial bat egokitu zitzaion hidrogel aparraren konpresio-tentsio-deformazio portaerari. 4B irudiak emaitzak erakusten ditu funtzio esponentziala hidrogel aparraren eredu hurbiltzaile gisa aplikatu ondoren.
Aire-bolumen-erlazio desberdinak zituzten hidrogel aparrentzat, haien konpresio-modulua (E0) ere aztertu zen. Hidrogelen analisiaren antzera, Young-en konpresio-modulua % 20ko hasierako deformazio-tartean ikertu zen. Konpresio-proben emaitzak 4C irudian ageri dira. 4C irudiko emaitzek erakusten dute, aire-bolumenaren erlazioa 50. laginetik 110. laginera jaisten den heinean, alginato hidrogel aparraren Young-en konpresio-modulua E0 10,86 kPa-tik 18 kPa-ra igotzen dela.
Era berean, hidrogel aparren tentsio-deformazio kurba osoak lortu ziren, baita konpresio-tentsio eta deformazio azken balioak ere. 4D irudiak alginato hidrogel aparren konpresio-tentsio eta deformazio azkenak erakusten ditu. Datu-puntu bakoitza hiru proben emaitzen batez bestekoa da. Emaitzek erakusten dute konpresio-tentsio azkena 9,84 kPa-tik 17,58 kPa-ra igotzen dela gas-edukia gutxitu ahala. Deformazio azkena % 38 inguruan egonkor mantentzen da.
2. irudiak (A, B eta C) 50, 100 eta 110 laginei dagozkien aire-bolumen-erlazio desberdinekin hidrogel aparren CT irudiak erakusten ditu, hurrenez hurren. Irudiek erakusten dute sortutako hidrogel aparra ia homogeneoa dela. Hutsune kopuru txiki bat ikusi zen 100 eta 110 laginetan. Hutsune horien eraketa hidrogelean gelifikazio-prozesuan sortutako barne-tentsioaren ondoriozkoa izan daiteke. Lagin bakoitzaren 5 zeharkako sekzioetarako HU balioak kalkulatu genituen eta 5. taulan zerrendatu genituen dagokien kalkulu-emaitza teorikoekin batera.
5. taulak erakusten du aire-bolumen-erlazio desberdinak zituzten laginek HU balio desberdinak lortu zituztela. 50 ml, 100 ml eta 110 ml taldeen arteko p balio maximoa 0,004 < 0,05 izan zen, emaitzen esangura estatistikoa adieraziz. Aztertutako hiru laginen artean, 50 ml-ko nahasketa zuen laginak izan zituen giza biriken propietate erradiologikoetatik hurbilen zeudenak. 5. taularen azken zutabea neurtutako apar-balioan oinarritutako kalkulu teoriko bidez lortutako emaitza da, \(\:\rho\:\). Neurtutako datuak emaitza teorikoekin alderatuz, ikus daiteke CT eskaneatzearen bidez lortutako HU balioak, oro har, emaitza teorikoetatik gertu daudela, eta horrek, aldi berean, 1C irudiko aire-bolumen-erlazioaren kalkuluaren emaitzak berresten ditu.
Ikerketa honen helburu nagusia giza biriken propietate mekaniko eta erradiologikoak dituen material bat sortzea da. Helburu hau lortu zen giza biriken propietate mekaniko eta erradiologikoen ehun-baliokideak dituen hidrogel-oinarritutako material bat garatuz, ahalik eta ehunen baliokideak direnak, giza biriken propietateetatik ahalik eta hurbilen daudenak. Kalkulu teorikoek gidatuta, aire-bolumen-erlazio desberdinak zituzten hidrogel aparrak prestatu ziren sodio alginato disoluzioa, CaCO3, GDL eta SLES 70 mekanikoki nahastuz. Analisi morfologikoak erakutsi zuen hiru dimentsioko hidrogel apar homogeneo eta egonkor bat sortu zela. Aire-bolumenaren erlazioa aldatuz, aparraren dentsitatea eta porositatea nahi bezala alda daitezke. Aire-bolumenaren edukia handitzen den heinean, poroen tamaina apur bat gutxitzen da eta poroen kopurua handitzen da. Konpresio-probak egin ziren alginato hidrogel aparraren propietate mekanikoak aztertzeko. Emaitzek erakutsi zuten konpresio-probetatik lortutako konpresio-modulua (E0) giza biriketarako tarte idealean dagoela. E0 handitzen da aire-bolumenaren erlazioa gutxitzen den heinean. Prestatutako laginen propietate erradiologikoen (HU) balioak laginen CT datuetan oinarrituta lortu ziren eta kalkulu teorikoen emaitzekin alderatu ziren. Emaitzak aldekoak izan ziren. Neurtutako balioa giza biriken HU baliotik gertu dago. Emaitzek erakusten dute ehunak imitatzen dituzten hidrogel aparrak sortzea posible dela, giza biriken propietateak imitatzen dituzten propietate mekaniko eta erradiologikoen konbinazio ideal batekin.
Emaitza itxaropentsuak izan arren, egungo fabrikazio-metodoak hobetu behar dira aire-bolumenaren erlazioa eta porositatea hobeto kontrolatzeko, kalkulu teorikoetatik eta benetako giza biriketatik lortutako iragarpenekin bat etor daitezen, bai eskala globalean bai tokikoan. Oraingo ikerketa konpresio-mekanika probatzera mugatzen da, eta horrek fantomaren aplikazio potentziala mugatzen du arnas zikloaren konpresio-fasean. Etorkizuneko ikerketek onuragarriak izango lirateke trakzio-probak eta materialaren egonkortasun mekaniko orokorra ikertzeaz, karga-baldintza dinamikoetan aplikazio potentzialak ebaluatzeko. Muga horiek izan arren, ikerketa hau da propietate erradiologikoak eta mekanikoak giza birika imitatzen duen material bakarrean konbinatzeko lehen saiakera arrakastatsua.
Uneko ikerketan zehar sortutako eta/edo aztertutako datu-multzoak egilearen esku daude eskaera arrazoizko baten bidez. Bai esperimentuak bai datu-multzoak erreproduzigarriak dira.
Song, G., et al. Nanoteknologia berriak eta material aurreratuak minbiziaren erradioterapiarako. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. AAPM 76a Erradiazio Onkologian Arnasketa Mugimenduaren Kudeaketari buruzko Lantaldearen txostena. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., eta Brock, KK Giza biriketako interfazearen eta materialen ez-linealtasunaren modelizazioa. Fisika, Medikuntza eta Biologia 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. 3D bioinprimaketaren bidez sortutako biriketako minbiziaren tumore itxurako eredua. 3. Bioteknologia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Biriken deformazioaren modelizazioa: irudi deformagarrien erregistro teknikak eta Young-en moduluaren estimazio espazialki aldakorra konbinatzen dituen metodo bat. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Ehun bizidunen zurruntasuna eta ehunen ingeniaritzan dituen ondorioak. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).