Ташаккур барои боздид аз nature.com. Версияи браузере, ки шумо истифода мебаред, дастгирии маҳдуди CSS дорад. Барои беҳтарин таҷриба, мо тавсия медиҳем, ки версияи охирини браузерро истифода баред (ё режими мутобиқатро дар Internet Explorer хомӯш кунед). Илова бар ин, барои таъмини дастгирии доимӣ, ин сайт услубҳо ё JavaScript-ро дар бар намегирад.
Ҳаракати узвҳо ва бофтаҳо метавонад дар ҷойгиршавии рентген ҳангоми радиотерапия хатогиҳо ба вуҷуд орад. Аз ин рӯ, маводҳое, ки хосиятҳои механикӣ ва радиологии муодили бофта доранд, барои тақлид кардани ҳаракати узвҳо барои беҳсозии радиотерапия заруранд. Аммо, таҳияи чунин маводҳо як мушкилӣ боқӣ мемонад. Гидрогелҳои алгинатӣ хосиятҳои ба матритсаи берун аз ҳуҷайра монанд доранд, ки онҳоро ҳамчун маводҳои муодили бофта умедбахш мегардонанд. Дар ин таҳқиқот, кафкҳои гидрогелҳои алгинатӣ бо хосиятҳои дилхоҳи механикӣ ва радиологӣ тавассути озодкунии in situ Ca2+ синтез карда шуданд. Барои ба даст овардани кафкҳои гидрогелӣ бо хосиятҳои муайяни механикӣ ва радиологӣ, таносуби ҳаво ба ҳаҷм бодиққат назорат карда шуд. Макро ва микроморфологияи маводҳо тавсиф карда шуданд ва рафтори кафкҳои гидрогелӣ ҳангоми фишурдашавӣ омӯхта шуд. Хусусиятҳои радиологӣ аз ҷиҳати назариявӣ арзёбӣ ва бо истифода аз томографияи компютерӣ таҷрибавӣ тасдиқ карда шуданд. Ин таҳқиқот ба рушди ояндаи маводҳои муодили бофтаҳо, ки метавонанд барои беҳсозии вояи радиатсия ва назорати сифат ҳангоми радиотерапия истифода шаванд, равшанӣ меандозад.
Терапияи радиатсионӣ як табобати маъмули саратон аст1. Ҳаракати узвҳо ва бофтаҳо аксар вақт боиси хатогиҳо дар ҷойгиркунии нурҳои рентгенӣ ҳангоми терапияи радиатсионӣ2 мегардад, ки метавонад боиси табобати нодурусти варам ва таъсири аз ҳад зиёди ҳуҷайраҳои солим дар атроф ба радиатсияи нолозим гардад. Қобилияти пешгӯии ҳаракати узвҳо ва бофтаҳо барои кам кардани хатогиҳои ҷойгиршавии варам муҳим аст. Ин таҳқиқот ба шушҳо нигаронида шуда буд, зеро онҳо ҳангоми нафаскашии беморон ҳангоми терапияи радиатсионӣ деформатсия ва ҳаракатҳои назаррасро аз сар мегузаронанд. Моделҳои гуногуни унсурҳои ниҳоӣ барои тақлид кардани ҳаракати шушҳои инсон таҳия ва татбиқ шудаанд3,4,5. Бо вуҷуди ин, узвҳо ва бофтаҳои инсон геометрияҳои мураккаб доранд ва аз бемор хеле вобастаанд. Аз ин рӯ, маводҳое, ки хосиятҳои муодили бофта доранд, барои таҳияи моделҳои физикӣ барои тасдиқи моделҳои назариявӣ, мусоидат ба беҳтар кардани табобати тиббӣ ва барои мақсадҳои таълими тиббӣ хеле муфиданд.
Таҳияи маводҳои тақлидкунандаи бофтаҳои нарм барои ба даст овардани геометрияҳои мураккаби сохтории беруна ва дохилӣ таваҷҷӯҳи зиёдро ба худ ҷалб кардааст, зеро номувофиқатии механикии дохилии онҳо метавонад дар барномаҳои мақсаднок ба нокомӣ оварда расонад6,7. Моделсозии биомеханикаи мураккаби бофтаи шуш, ки нармии шадид, чандирӣ ва сӯрохии сохториро муттаҳид мекунад, дар таҳияи моделҳое, ки шуши инсонро дақиқ такрор мекунанд, мушкилоти назаррас эҷод мекунад. Ҳамгироӣ ва мувофиқати хосиятҳои механикӣ ва радиологӣ барои иҷрои самараноки моделҳои шуш дар мудохилаҳои терапевтӣ муҳим аст. Истеҳсоли иловагӣ дар таҳияи моделҳои мушаххаси бемор самаранок будааст ва имкон медиҳад, ки прототипи босуръати тарҳҳои мураккаб ба даст оварда шавад. Шин ва дигарон 8 модели шуши такроршаванда ва деформатсияшавандаро бо роҳҳои нафасии чопшудаи 3D таҳия карданд. Ҳаселар ва дигарон 9 фантомеро таҳия карданд, ки ба беморони воқеӣ хеле монанд аст, то усулҳои арзёбии сифати тасвир ва тасдиқи мавқеъ барои радиотерапияро таҳия карданд. Ҳонг ва дигарон 10 модели томографияи компютерии синаро бо истифода аз чопи 3D ва технологияи рехтагарии силикон барои такрор кардани шиддати томографияи компютерии захмҳои гуногуни шуш барои арзёбии дақиқии миқдорӣ таҳия карданд. Аммо, ин прототипҳо аксар вақт аз маводҳое сохта мешаванд, ки хосиятҳои муассири онҳо аз хосиятҳои бофтаи шуш хеле фарқ мекунанд11.
Айни замон, аксари фантомҳои шуш аз силикон ё кафки полиуретанӣ сохта шудаанд, ки бо хосиятҳои механикӣ ва радиологии паренхимаи воқеии шуш мувофиқат намекунанд.12,13 Гидрогелҳои алгинатӣ биомутобиқанд ва аз сабаби хосиятҳои механикии танзимшавандаи худ дар муҳандисии бофтаҳо васеъ истифода мешаванд.14 Аммо, такрористеҳсоли консистенсияи ултранарм ва кафкмонанд, ки барои фантомҳои шуш, ки чандирӣ ва сохтори пуркунии бофтаи шушро дақиқ тақлид мекунанд, зарур аст, як мушкили таҷрибавӣ боқӣ мемонад.
Дар ин таҳқиқот, тахмин зада шуд, ки бофтаи шуш маводи якхелаи эластикӣ аст. Зичии бофтаи шуши инсон (\(\:\rho\:\)) 1.06 г/см3 ва зичии шуши варамшуда 0.26 г/см315 мебошад. Диапазони васеи арзишҳои модули Янг (MY)-и бофтаи шуш бо истифода аз усулҳои гуногуни таҷрибавӣ ба даст оварда шудааст. Лай-Фук ва дигарон 16 YM-и шуши инсонро бо варами якхела 0.42–6.72 кПа чен карданд. Госс ва дигарон 17 эластографияи резонанси магнитиро истифода бурда, YM-и 2.17 кПа-ро гузориш доданд. Лю ва дигарон 18 YM-и мустақиман ченшударо 0.03–57.2 кПа гузориш доданд. Илегбуси ва дигарон 19 YM-ро 0.1–2.7 кПа дар асоси маълумоти CT-и 4D, ки аз беморони интихобшуда гирифта шудааст, тахмин заданд.
Барои хосиятҳои радиологии шуш, якчанд параметрҳо барои тавсифи рафтори таъсири мутақобилаи бофтаи шуш бо нурҳои рентгенӣ истифода мешаванд, аз ҷумла таркиби элементӣ, зичии электрон (\(\:{\rho\:}_{e}\)), адади атомии муассир (\(\:{Z}_{eff}\)), энергияи миёнаи ангезиш (\(\:I\)), коэффитсиенти сустшавии масса (\(\:\mu\:/\rho\:\)) ва воҳиди Хаунсфилд (HU), ки мустақиман ба \(\:\mu\:/\rho\:\) алоқаманд аст.
Зичии электронҳо \(\:{\rho\:}_{e}\) ҳамчун шумораи электронҳо дар як воҳиди ҳаҷм муайян карда мешавад ва чунин ҳисоб карда мешавад:
ки дар он \(\:\rho\:\) зичии мавод бо г/см3, \(\:{N}_{A}\) доимии Авогадро, \(\:{w}_{i}\) ҳиссаи масса, \(\:{Z}_{i}\) адади атомӣ ва \(\:{A}_{i}\) вазни атомии унсури i-ум аст.
Рақами атомӣ мустақиман бо хусусияти таъсири мутақобилаи радиатсионӣ дар дохили мавод алоқаманд аст. Барои пайвастагиҳо ва омехтаҳое, ки дорои якчанд унсурҳо мебошанд (масалан, матоъҳо), рақами атомии муассир бояд ҳисоб карда шавад. Формула аз ҷониби Мурти ва дигарон пешниҳод шудааст. 20:
Энергияи миёнаи ангезиш \(\:I\) нишон медиҳад, ки чӣ тавр маводи ҳадаф энергияи кинетикии зарраҳои сӯрохкунандаро ба осонӣ фурӯ мебарад. Он танҳо хосиятҳои маводи ҳадафро тавсиф мекунад ва бо хосиятҳои зарраҳо ҳеҷ иртиботе надорад. \(\:I\)-ро бо истифода аз қоидаи иловагии Брэгг ҳисоб кардан мумкин аст:
Коэффитсиенти сустшавии масса \(\:\mu\:/\rho\:\) нуфуз ва озодшавии энергияи фотонҳоро дар маводи мавриди ҳадаф тавсиф мекунад. Онро бо истифода аз формулаи зерин ҳисоб кардан мумкин аст:
Дар ин ҷо \(\:x\) ғафсии мавод, \(\:{I}_{0}\) шиддати рӯшноии афтанда ва \(\:I\) шиддати фотон пас аз ворид шудан ба мавод аст. Маълумоти \(\:\mu\:/\rho\:\)-ро мустақиман аз пойгоҳи додаҳои истинодии стандартҳои NIST 12621 гирифтан мумкин аст. Арзишҳои \(\:\mu\:/\rho\:\) барои омехтаҳо ва пайвастагиҳо метавонанд бо истифода аз қоидаи иловагии зерин ба даст оварда шаванд:
HU як воҳиди стандартии ченкунии беандозаи радиозичии дар тафсири маълумоти томографияи компютерӣ (КТ) мебошад, ки аз коэффитсиенти сустшавии ченшуда ба таври хаттӣ табдил дода мешавад \(\:\mu\:\). Он чунин муайян карда мешавад:
ки дар он \(\:{\mu\:}_{water}\) коэффитсиенти сустшавии об ва \(\:{\mu\:}_{air}\) коэффитсиенти сустшавии ҳаво мебошад. Аз ин рӯ, аз формулаи (6) мо мебинем, ки арзиши HU-и об 0 ва арзиши HU-и ҳаво -1000 аст. Арзиши HU барои шушҳои инсон аз -600 то -70022 аст.
Якчанд маводҳои муодили бофта таҳия шудаанд. Гриффит ва ҳамкорон 23 модели муодили бофтаи бадани инсонро аз полиуретан (PU) таҳия карданд, ки ба он консентратсияҳои гуногуни карбонати калсий (CaCO3) илова карда шуданд, то коэффитсиентҳои сустшавии хаттии узвҳои гуногуни инсон, аз ҷумла шуши инсонро тақлид кунанд ва модел Гриффит номгузорӣ шуд. Taylor24 модели дуюми муодили бофтаи шушро, ки аз ҷониби Лабораторияи миллии Лоуренс Ливермор (LLNL) таҳия шудааст, бо номи LLLL1 пешниҳод кард. Traub ва ҳамкорон 25 ивазкунандаи нави бофтаи шушро бо истифода аз Foamex XRS-272, ки дорои 5.25% CaCO3 ҳамчун тақвиятдиҳандаи самаранокӣ мебошад, таҳия карданд, ки ALT2 номгузорӣ шуд. Ҷадвалҳои 1 ва 2 муқоисаи коэффитсиентҳои сустшавии массаро барои шуши инсон (ICRU-44) ва моделҳои муодили бофтаи дар боло зикршударо нишон медиҳанд.
Сарфи назар аз хосиятҳои аълои радиологӣ, қариб ҳамаи маводҳои фантомӣ аз кафки полистирол сохта шудаанд, ки ин маънои онро дорад, ки хосиятҳои механикии ин маводҳо наметавонанд ба хосиятҳои шушҳои инсон наздик шаванд. Модули Янг (YM)-и кафки полиуретанӣ тақрибан 500 кПа аст, ки дар муқоиса бо шушҳои муқаррарии инсон (тақрибан 5-10 кПа) аз идеал хеле дур аст. Аз ин рӯ, таҳияи маводи наве зарур аст, ки метавонад ба хусусиятҳои механикӣ ва радиологии шушҳои воқеии инсон ҷавобгӯ бошад.
Гидрогелҳо дар муҳандисии бофтаҳо васеъ истифода мешаванд. Сохтор ва хосиятҳои он ба матритсаи берун аз ҳуҷайра (ECM) монанданд ва ба осонӣ танзимшавандаанд. Дар ин таҳқиқот, алгинати натрийи холис ҳамчун биоматериал барои тайёр кардани кафкҳо интихоб карда шуд. Гидрогелҳои алгинат биомутобиқанд ва аз сабаби хосиятҳои механикии танзимшавандаи худ дар муҳандисии бофтаҳо васеъ истифода мешаванд. Таркиби элементии алгинати натрий (C6H7NaO6)n ва мавҷудияти Ca2+ имкон медиҳад, ки хосиятҳои радиологии он дар ҳолати зарурӣ танзим карда шаванд. Ин омезиши хосиятҳои механикӣ ва радиологии танзимшаванда гидрогелҳои алгинатро барои таҳқиқоти мо беҳтарин мегардонад. Албатта, гидрогелҳои алгинат низ маҳдудиятҳо доранд, хусусан аз ҷиҳати устувории дарозмуддат ҳангоми давраҳои нафаскашии симулятсияшуда. Аз ин рӯ, барои ҳалли ин маҳдудиятҳо дар таҳқиқоти оянда беҳбудиҳои бештар лозиманд ва интизор меравад.
Дар ин кор, мо маводи кафки гидрогелии алгинатӣ бо арзишҳои rho, чандирӣ ва хосиятҳои радиологии идорашаванда ба бофтаи шуши инсонро таҳия кардем. Ин таҳқиқот роҳи ҳалли умумиро барои сохтани фантомҳои монанд ба бофта бо хосиятҳои чандирӣ ва радиологии танзимшаванда пешниҳод мекунад. Хусусиятҳои маводро ба осонӣ ба ҳама гуна бофта ва узвҳои инсон мутобиқ кардан мумкин аст.
Таносуби ҳавои мақсаднок ба ҳаҷми кафки гидрогел дар асоси диапазони HU-и шушҳои инсон (-600 то -700) ҳисоб карда шуд. Фарз карда шуд, ки кафк омехтаи оддии ҳаво ва гидрогели синтетикии алгинат аст. Бо истифода аз қоидаи оддии иловаи унсурҳои алоҳида \(\:\mu\:/\rho\:\), ҳиссаи ҳаҷмии ҳаво ва таносуби ҳаҷми гидрогели синтезшудаи алгинатро ҳисоб кардан мумкин буд.
Кафкҳои гидрогелии алгинат бо истифода аз алгинати натрий (Қисми № W201502), CaCO3 (Қисми № 795445, MW: 100.09) ва GDL (Қисми № G4750, MW: 178.14), ки аз ширкати Sigma-Aldrich, Сент-Луис, MO харидорӣ шуда буданд, омода карда шуданд. 70% натрий лаурил эфир сулфат (SLES 70) аз Renowned Trading LLC харидорӣ карда шуд. Дар раванди тайёр кардани кафк оби деионизатсияшуда истифода шуд. Алгинати натрий дар оби деионизатсияшуда дар ҳарорати хонагӣ бо омехтакунии доимӣ (600 чархзанӣ) то ба даст овардани маҳлули якхелаи зардранги шаффоф ҳал карда шуд. CaCO3 дар якҷоягӣ бо GDL ҳамчун манбаи Ca2+ барои оғози желакунӣ истифода шуд. SLES 70 ҳамчун сурфактант барои ташкили сохтори сӯрохдор дар дохили гидрогел истифода шуд. Консентратсияи алгинат дар 5% ва таносуби молярии Ca2+:-COOH дар 0.18 нигоҳ дошта шуд. Таносуби молярии CaCO3:GDL низ ҳангоми тайёр кардани кафк дар сатҳи 0,5 нигоҳ дошта шуд, то рН-и бетарафро нигоҳ дорад. Қимат 26,2% аз рӯи ҳаҷм ба ҳамаи намунаҳо SLES 70 илова карда шуд. Барои назорат кардани таносуби омехташавии маҳлул ва ҳаво як стакан бо сарпӯш истифода шуд. Ҳаҷми умумии стакан 140 мл буд. Бар асоси натиҷаҳои ҳисобҳои назариявӣ, ҳаҷмҳои гуногуни омехта (50 мл, 100 мл, 110 мл) ба стакан илова карда шуданд, то бо ҳаво омехта шаванд. Намунае, ки 50 мл омехта дошт, барои омехта кардан бо ҳавои кофӣ тарҳрезӣ шуда буд, дар ҳоле ки таносуби ҳаҷми ҳаво дар ду намунаи дигар назорат карда шуд. Аввалан, SLES 70 ба маҳлули алгинат илова карда шуд ва бо омехтакунандаи барқӣ то пурра омехта шудан омехта карда шуд. Сипас, суспензияи CaCO3 ба омехта илова карда шуд ва то пурра омехта шудани омехта, вақте ки ранги он ба сафед табдил ёфт, пайваста омехта карда шуд. Дар ниҳоят, маҳлули GDL ба омехта илова карда шуд, то желатинатсия оғоз карда шавад ва дар тӯли раванд омехтакунии механикӣ нигоҳ дошта шуд. Барои намунае, ки 50 мл омехта дошт, омехтакунии механикӣ вақте қатъ шуд, ки ҳаҷми омехта тағйир наёфт, қатъ карда шуд. Барои намунаҳое, ки 100 мл ва 110 мл омехта доштанд, омехтакунии механикӣ вақте қатъ карда шуд, ки омехта стаканро пур кард. Мо инчунин кӯшиш кардем, ки кафкҳои гидрогелро бо ҳаҷми аз 50 мл то 100 мл омода кунем. Аммо, ноустувории сохтории кафк мушоҳида шуд, зеро он байни ҳолати омехтакунии пурраи ҳаво ва ҳолати назорати ҳаҷми ҳаво тағйир меёфт, ки боиси номувофиқи назорати ҳаҷм гардид. Ин ноустуворӣ ба ҳисобҳо номуайянӣ ворид кард ва аз ин рӯ, ин диапазони ҳаҷм ба ин таҳқиқот дохил карда нашуд.
Зичии кафки гидрогелӣ бо роҳи чен кардани массаи (м) ва ҳаҷми (В)-и намунаи кафки гидрогелӣ ҳисоб карда мешавад.
Тасвирҳои оптикии микроскопии кафкҳои гидрогел бо истифода аз камераи Zeiss Axio Observer A1 ба даст оварда шуданд. Барои ҳисоб кардани шумора ва тақсимоти андозаи сӯрохиҳо дар намуна дар минтақаи муайян дар асоси тасвирҳои бадастомада, нармафзори ImageJ истифода шуд. Шакли сӯрохиҳо даврашакл тахмин карда мешавад.
Барои омӯзиши хосиятҳои механикии кафкҳои гидрогелии алгинат, озмоишҳои фишурдасозии якмеҳварӣ бо истифода аз дастгоҳи силсилаи TESTRESOURCES 100 анҷом дода шуданд. Намунаҳо ба блокҳои росткунҷа бурида шуданд ва андозаи блокҳо барои ҳисоб кардани фишорҳо ва деформатсияҳо чен карда шуданд. Суръати гардиши гардиш ба 10 мм/дақ муқаррар карда шуд. Барои ҳар як намуна се намуна санҷида шуд ва миёна ва инҳирофи стандартӣ аз натиҷаҳо ҳисоб карда шуданд. Ин таҳқиқот ба хосиятҳои механикии фишурдасозии кафкҳои гидрогелии алгинат нигаронида шуда буд, зеро бофтаи шуш дар марҳилаи муайяни давраи нафаскашӣ ба қувваҳои фишурда дучор мешавад. Албатта, васеъшавӣ муҳим аст, махсусан барои инъикоси рафтори пурраи динамикии бофтаи шуш ва ин дар таҳқиқоти оянда таҳқиқ карда мешавад.
Намунаҳои кафки гидрогелии омодашуда дар сканери компютерии дуканалии Siemens SOMATOM Drive скан карда шуданд. Параметрҳои сканкунӣ чунин муқаррар карда шуданд: 40 мАс, 120 кВп ва ғафсии буриши 1 мм. Файлҳои DICOM-и ҳосилшуда бо истифода аз нармафзори MicroDicom DICOM Viewer барои таҳлили арзишҳои HU-и 5 буриши арзии ҳар як намуна таҳлил карда шуданд. Арзишҳои HU, ки тавассути CT ба даст оварда шудаанд, бо ҳисобҳои назариявӣ дар асоси маълумоти зичии намунаҳо муқоиса карда шуданд.
Ҳадафи ин таҳқиқот инқилоб дар истеҳсоли моделҳои алоҳидаи узвҳо ва бофтаҳои сунъии биологӣ тавассути муҳандисии маводҳои нарм мебошад. Таҳияи маводҳо бо хосиятҳои механикӣ ва радиологӣ, ки ба механикаи кори шушҳои инсон мувофиқат мекунанд, барои татбиқи мақсаднок, ба монанди беҳтар кардани омӯзиши тиббӣ, банақшагирии ҷарроҳӣ ва банақшагирии терапияи радиатсионӣ муҳим аст. Дар расми 1A, мо номувофиқатии байни хосиятҳои механикӣ ва радиологии маводҳои нармеро, ки эҳтимолан барои сохтани моделҳои шуши инсон истифода мешаванд, нишон додем. То имрӯз, маводҳое таҳия шудаанд, ки хосиятҳои радиологии дилхоҳро нишон медиҳанд, аммо хосиятҳои механикии онҳо ба талаботи дилхоҳ ҷавобгӯ нестанд. Кафки полиуретанӣ ва резина маводҳои маъмултарин барои сохтани моделҳои деформатсионии шуши инсон мебошанд. Хусусиятҳои механикии кафки полиуретанӣ (модулуси Янг, YM) одатан аз 10 то 100 маротиба аз бофтаи муқаррарии шуши инсон зиёдтаранд. Маводҳое, ки ҳам хосиятҳои механикӣ ва ҳам радиологии дилхоҳро нишон медиҳанд, ҳанӯз маълум нестанд.
(A) Намунаи схемавии хосиятҳои маводҳои гуногуни нарм ва муқоиса бо шуши инсон аз ҷиҳати зичӣ, модули Янг ва хосиятҳои радиологӣ (дар HU). (B) Намунаи дифракцияи рентгении гидрогели алгинати \(\:\mu\:\/\rho\:\) бо консентратсияи 5% ва таносуби молярии Ca2+:-COOH 0.18. (C) Диапазони таносубҳои ҳаҷми ҳаво дар кафкҳои гидрогел. (D) Намунаи схемавии кафкҳои гидрогели алгинат бо таносубҳои гуногуни ҳаҷми ҳаво.
Таркиби элементии гидрогелҳои алгинат бо консентратсияи 5% ва таносуби молярии Ca2+:-COOH 0,18 ҳисоб карда шуд ва натиҷаҳо дар Ҷадвали 3 нишон дода шудаанд. Мувофиқи қоидаи илова дар формулаи қаблӣ (5), коэффитсиенти сустшавии массаи гидрогелҳои алгинат \(\:\:\mu\:/\rho\:\), тавре ки дар расми 1B нишон дода шудааст, ба даст оварда мешавад.
Арзишҳои \(\:\mu\:/\rho\:\) барои ҳаво ва об мустақиман аз пойгоҳи додаҳои истинодии стандартҳои NIST 12612 гирифта шудаанд. Ҳамин тариқ, дар расми 1C таносубҳои ҳисобшудаи ҳаҷми ҳаво дар кафкҳои гидрогелӣ бо арзишҳои эквиваленти HU байни -600 ва -700 барои шуши инсон нишон дода шудаанд. Таносуби ҳаҷми ҳавои аз ҷиҳати назариявӣ ҳисобшуда дар ҳудуди 60-70% дар диапазони энергия аз 1 × 10−3 то 2 × 101 МэВ устувор аст, ки аз имконоти хуби истифодаи кафки гидрогелӣ дар равандҳои истеҳсолии поёноб шаҳодат медиҳад.
Дар расми 1D намунаи кафки гидрогелии алгинатии омодашуда нишон дода шудааст. Ҳамаи намунаҳо ба мукаабҳо бо дарозии канорҳои 12,7 мм бурида шуданд. Натиҷаҳо нишон доданд, ки кафки гидрогелии якхела ва сеченака устувор ба вуҷуд омадааст. Новобаста аз таносуби ҳаҷми ҳаво, дар намуди зоҳирии кафкҳои гидрогел ягон фарқияти назаррас мушоҳида нашуд. Хусусияти худнигоҳдории кафки гидрогел нишон медиҳад, ки шабакаи дар дохили гидрогел ба вуҷуд омада ба қадри кофӣ қавӣ аст, ки вазни худи кафкро дастгирӣ кунад. Ғайр аз миқдори ками ихроҷи об аз кафк, кафк инчунин дар тӯли якчанд ҳафта устувории муваққатӣ нишон дод.
Бо чен кардани масса ва ҳаҷми намунаи кафк, зичии кафки гидрогелии омодашуда \(\:\rho\:\) ҳисоб карда шуд ва натиҷаҳо дар Ҷадвали 4 нишон дода шудаанд. Натиҷаҳо вобастагии \(\:\rho\:\)-ро аз таносуби ҳаҷми ҳаво нишон медиҳанд. Вақте ки ҳавои кофӣ бо 50 мл намуна омехта мешавад, зичӣ пасттарин мешавад ва 0,482 г/см3-ро ташкил медиҳад. Ҳангоми кам шудани миқдори ҳавои омехта, зичӣ то 0,685 г/см3 меафзояд. Арзиши максималии p байни гурӯҳҳои 50 мл, 100 мл ва 110 мл 0,004 < 0,05 буд, ки аҳамияти омории натиҷаҳоро нишон медиҳад.
Арзиши назариявии \(\:\rho\:\) инчунин бо истифода аз таносуби ҳаҷми ҳавои назоратшаванда ҳисоб карда мешавад. Натиҷаҳои ченшуда нишон медиҳанд, ки \(\:\rho\:\) аз арзиши назариявӣ 0,1 г/см³ хурдтар аст. Ин фарқиятро метавон бо фишори дохилӣ, ки дар гидрогел ҳангоми раванди желакунӣ ба вуҷуд меояд, шарҳ дод, ки боиси варам ва бо ин васила ба коҳиши \(\:\rho\:\) мегардад. Ин бо мушоҳидаи баъзе сӯрохиҳо дар дохили кафки гидрогел дар тасвирҳои CT, ки дар расми 2 (A, B ва C) нишон дода шудаанд, тасдиқ карда шуд.
Тасвирҳои микроскопии оптикии кафкҳои гидрогел бо миқдори гуногуни ҳаҷми ҳаво (A) 50, (B) 100 ва (C) 110. Шумораи ҳуҷайраҳо ва тақсимоти андозаи сӯрохиҳо дар намунаҳои кафки гидрогелии алгинатӣ (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Расми 3 (A, B, C) тасвирҳои оптикии микроскопи намунаҳои кафки гидрогелро бо таносуби ҳаҷми ҳавои гуногун нишон медиҳад. Натиҷаҳо сохтори оптикии кафки гидрогелро нишон медиҳанд, ки тасвирҳои сӯрохиҳоро бо диаметрҳои гуногун ба таври возеҳ нишон медиҳанд. Тақсимоти шумора ва диаметри сӯрохиҳо бо истифода аз ImageJ ҳисоб карда шуд. Барои ҳар як намуна шаш тасвир гирифта шуд, ки андозаи ҳар як тасвир 1125.27 мкм × 843.96 мкм буд ва масоҳати умумии таҳлилшуда барои ҳар як намуна 5.7 мм² буд.
(A) Рафтори фишори фишурдашавандаи кафкҳои гидрогелии алгинатӣ бо таносубҳои гуногуни ҳаҷми ҳаво. (B) Мутобиқати экспоненсиалӣ. (C) Фишурдашавандаи E0-и кафкҳои гидрогелӣ бо таносубҳои гуногуни ҳаҷми ҳаво. (D) Фишурдашавандагии ниҳоӣ ва фишори фишурдашавандаи кафкҳои гидрогелии алгинатӣ бо таносубҳои гуногуни ҳаҷми ҳаво.
Расми 3 (D, E, F) нишон медиҳад, ки тақсимоти андозаи сӯрохиҳо нисбатан яксон буда, аз даҳҳо микрометр то тақрибан 500 микрометрро ташкил медиҳад. Андозаи сӯрохиҳо асосан яксон аст ва бо кам шудани ҳаҷми ҳаво каме кам мешавад. Тибқи маълумоти санҷиш, андозаи миёнаи сӯрохиҳои намунаи 50 мл 192,16 мкм, медиана 184,51 мкм ва шумораи сӯрохиҳо дар як воҳиди масоҳат 103 аст; андозаи миёнаи сӯрохиҳои намунаи 100 мл 156,62 мкм, медиана 151,07 мкм ва шумораи сӯрохиҳо дар як воҳиди масоҳат 109 аст; арзишҳои мувофиқи намунаи 110 мл мутаносибан 163,07 мкм, 150,29 мкм ва 115 мебошанд. Маълумотҳо нишон медиҳанд, ки сӯрохиҳои калонтар ба натиҷаҳои омории андозаи миёнаи сӯрохиҳо таъсири бештар мерасонанд ва андозаи миёнаи сӯрохиҳо метавонад тамоюли тағйирёбии андозаи сӯрохиҳоро беҳтар инъикос кунад. Ҳангоми афзоиши ҳаҷми намуна аз 50 мл то 110 мл, шумораи сӯрохиҳо низ меафзояд. Бо якҷоя кардани натиҷаҳои омории диаметри миёнаи сӯрохиҳо ва шумораи сӯрохиҳо, метавон хулоса кард, ки бо афзоиши ҳаҷм, дар дохили намуна сӯрохиҳои бештари андозаи хурдтар ба вуҷуд меоянд.
Маълумоти санҷиши механикӣ дар расмҳои 4A ва 4D нишон дода шудаанд. Расми 4A рафтори фишори фишурдашавандаи кафкҳои гидрогелии омодашударо бо таносуби ҳаҷми ҳавои гуногун нишон медиҳад. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки ҳамаи намунаҳо рафтори ғайрихаттии фишори фишурдашавандаро доранд. Барои ҳар як намуна, фишор бо афзоиши фишор тезтар меафзояд. Ба рафтори фишори фишурдашавандаи кафки гидрогел каҷи экспоненсиалӣ мувофиқ карда шуд. Расми 4B натиҷаҳоро пас аз татбиқи функсияи экспоненсиалӣ ҳамчун модели тақрибӣ ба кафки гидрогел нишон медиҳад.
Барои кафкҳои гидрогелӣ бо таносуби ҳаҷми ҳавои гуногун, модули фишурдашавии онҳо (E0) низ омӯхта шуд. Монанди таҳлили гидрогелҳо, модули фишурдашавии Янг дар диапазони 20% шиддати ибтидоӣ таҳқиқ карда шуд. Натиҷаҳои санҷишҳои фишурдашавӣ дар расми 4C нишон дода шудаанд. Натиҷаҳо дар расми 4C нишон медиҳанд, ки бо коҳиши таносуби ҳаҷми ҳаво аз намунаи 50 то намунаи 110, модули фишурдашавии Янг E0-и кафки гидрогелии алгинатӣ аз 10,86 кПа то 18 кПа меафзояд.
Ба ҳамин монанд, каҷхатҳои пурраи шиддат-деформатсияи кафкҳои гидрогелӣ, инчунин арзишҳои ниҳоии фишори фишурда ва деформатсия ба даст оварда шуданд. Расми 4D фишори фишурда ва деформатсияи ниҳоии кафкҳои гидрогелии алгинатӣ нишон медиҳад. Ҳар як нуқтаи додаҳо миёнаи се натиҷаи санҷиш аст. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки фишори фишурдашавии ниҳоии аз 9,84 кПа то 17,58 кПа бо коҳиш ёфтани миқдори газ меафзояд. Деформатсияи ниҳоии тақрибан 38% устувор боқӣ мемонад.
Расми 2 (A, B ва C) тасвирҳои компютерии кафкҳои гидрогелро бо таносубҳои гуногуни ҳаҷми ҳаво, ки мутаносибан ба намунаҳои 50, 100 ва 110 мувофиқат мекунанд, нишон медиҳад. Тасвирҳо нишон медиҳанд, ки кафки гидрогелии ташаккулёфта қариб якхела аст. Дар намунаҳои 100 ва 110 шумораи ками фосилаҳо мушоҳида шуданд. Ташаккули ин фосилаҳо метавонад аз сабаби фишори дохилӣ, ки дар гидрогел ҳангоми раванди желакунӣ ба вуҷуд омадааст, бошад. Мо арзишҳои HU-ро барои 5 буриши арзии ҳар як намуна ҳисоб кардем ва онҳоро дар Ҷадвали 5 дар баробари натиҷаҳои ҳисобкунии назариявии мувофиқ номбар кардем.
Ҷадвали 5 нишон медиҳад, ки намунаҳо бо таносубҳои гуногуни ҳаҷми ҳаво арзишҳои гуногуни HU-ро ба даст оварданд. Арзиши максималии p байни гурӯҳҳои 50 мл, 100 мл ва 110 мл 0,004 < 0,05 буд, ки аҳамияти омории натиҷаҳоро нишон медиҳад. Дар байни се намунаи санҷидашуда, намуна бо омехтаи 50 мл хосиятҳои радиологии наздиктарин ба хусусиятҳои шушҳои инсонро дошт. Сутуни охирини Ҷадвали 5 натиҷаест, ки бо ҳисоби назариявӣ дар асоси арзиши кафки ченшуда ба даст оварда шудааст \(\:\rho\:\). Бо муқоисаи маълумоти ченшуда бо натиҷаҳои назариявӣ, метавон муайян кард, ки арзишҳои HU, ки тавассути сканкунии компютерии компютерӣ ба даст оварда шудаанд, умуман ба натиҷаҳои назариявӣ наздиканд, ки ин дар навбати худ натиҷаҳои ҳисобкунии таносуби ҳаҷми ҳаворо дар расми 1C тасдиқ мекунад.
Ҳадафи асосии ин таҳқиқот эҷоди маводе мебошад, ки дорои хосиятҳои механикӣ ва радиологӣ мебошад, ки ба хосиятҳои шуши инсон монанд аст. Ин ҳадаф бо таҳияи маводи гидрогелӣ бо хосиятҳои механикӣ ва радиологии ба бофтаҳои мувофиқ мувофиқ, ки ба хосиятҳои шуши инсон то ҳадди имкон наздиканд, ба даст оварда шуд. Бо роҳнамоии ҳисобҳои назариявӣ, кафкҳои гидрогелӣ бо таносубҳои гуногуни ҳаҷми ҳаво бо роҳи омезиши механикии маҳлули алгинати натрий, CaCO3, GDL ва SLES 70 омода карда шуданд. Таҳлили морфологӣ нишон дод, ки кафки гидрогелии устувори сеченакаи якхела ба вуҷуд омадааст. Бо тағир додани таносуби ҳаҷми ҳаво, зичӣ ва сӯрохии кафкро метавон ба таври дилхоҳ тағйир дод. Бо афзоиши миқдори ҳаҷми ҳаво, андозаи сӯрохиҳо каме кам мешавад ва шумораи сӯрохиҳо меафзояд. Барои таҳлили хосиятҳои механикии кафкҳои гидрогелии алгинат озмоишҳои фишурдакунӣ гузаронида шуданд. Натиҷаҳо нишон доданд, ки модули фишурдакунӣ (E0), ки аз озмоишҳои фишурдакунӣ ба даст оварда шудааст, дар диапазони беҳтарин барои шушҳои инсон аст. E0 бо коҳиш ёфтани таносуби ҳаҷми ҳаво меафзояд. Арзишҳои хосиятҳои радиологӣ (ХР)-и намунаҳои омодашуда дар асоси маълумоти томографияи компютерии намунаҳо ба даст оварда шуда, бо натиҷаҳои ҳисобҳои назариявӣ муқоиса карда шуданд. Натиҷаҳо мусбат буданд. Арзишҳои ченшуда инчунин ба арзиши ХР-и шушҳои инсон наздиканд. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки бо омезиши идеалии хосиятҳои механикӣ ва радиологӣ, ки хосиятҳои шушҳои инсонро тақлид мекунанд, кафкҳои гидрогелии тақлидкунандаи бофтаро эҷод кардан мумкин аст.
Бо вуҷуди натиҷаҳои умедбахш, усулҳои ҷории истеҳсолот бояд барои беҳтар назорат кардани таносуби ҳаҷми ҳаво ва сӯрохнокӣ барои мувофиқат бо пешгӯиҳо аз ҳисобҳои назариявӣ ва шушҳои воқеии инсон дар миқёси ҷаҳонӣ ва маҳаллӣ такмил дода шаванд. Таҳқиқоти ҷорӣ инчунин бо санҷиши механикаи фишурдасозӣ маҳдуд аст, ки истифодаи эҳтимолии фантомро ба марҳилаи фишурдасозии давраи нафаскашӣ маҳдуд мекунад. Таҳқиқоти оянда аз таҳқиқи санҷиши кашиш ва инчунин устувории умумии механикии мавод барои арзёбии истифодаи эҳтимолӣ дар шароити боркунии динамикӣ фоида хоҳанд бурд. Бо вуҷуди ин маҳдудиятҳо, ин таҳқиқот аввалин кӯшиши муваффақ барои муттаҳид кардани хосиятҳои радиологӣ ва механикӣ дар як маводи ягонаест, ки шуши инсонро тақлид мекунад.
Маҷмӯаҳои маълумоте, ки дар давоми таҳқиқоти ҷорӣ тавлид ва/ё таҳлил шудаанд, бо дархости оқилона аз муаллифи мувофиқ дастрасанд. Ҳам таҷрибаҳо ва ҳам маҷмӯи маълумотҳо қобили такрор мебошанд.
Сонг, Г. ва дигарон. Нанотехнологияҳои нав ва маводҳои пешрафта барои терапияи радиатсионии саратон. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Килл, П.Ҷ. ва дигарон. Ҳисоботи Гурӯҳи кории AAPM 76a оид ба идоракунии ҳаракати нафаскашӣ дар онкологияи радиатсионӣ. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Ал-Майя, А., Мозли, Ҷ., ва Брок, К.К. Моделсозии интерфейс ва ғайрихаттии мавод дар шуши инсон. Физика ва тиб ва биология 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Ванг, Х. ва дигарон. Модели саратони шуш монанд ба варам, ки тавассути биопринтинги 3D ба вуҷуд омадааст. 3. Биотехнология. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Ли, М. ва дигарон. Моделсозии деформатсияи шуш: усуле, ки усулҳои сабти тасвири деформатсионӣ ва арзёбии модули Янгро дар фазо тағйирёбанда муттаҳид мекунад. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Гимарайнс, CF ва дигарон. Сахтии бофтаи зинда ва таъсири он ба муҳандисии бофтаҳо. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).