nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Таны ашиглаж буй хөтчийн хувилбар нь CSS дэмжлэг хязгаарлагдмал байна. Хамгийн сайн туршлагыг авахын тулд бид хөтчийн хамгийн сүүлийн хувилбарыг ашиглахыг (эсвэл Internet Explorer дээр нийцтэй байдлын горимыг унтраах) зөвлөж байна. Нэмж дурдахад, тасралтгүй дэмжлэг үзүүлэхийн тулд энэ сайтад хэв маяг эсвэл JavaScript агуулаагүй болно.
Эрхтэн, эд эсийн хөдөлгөөн нь туяа эмчилгээний үед рентген туяаны байрлалд алдаа гаргахад хүргэдэг. Тиймээс туяа эмчилгээг оновчтой болгохын тулд эрхтний хөдөлгөөнийг дуурайлган эдтэй тэнцэх механик болон цацрагийн шинж чанартай материал шаардлагатай байдаг. Гэсэн хэдий ч ийм материалыг боловсруулах нь бэрхшээлтэй хэвээр байна. Альгинатын гидрогель нь эсийн гаднах матрицтай төстэй шинж чанартай тул эдтэй тэнцэх материалын хувьд ирээдүйтэй болгодог. Энэхүү судалгаанд хүссэн механик болон цацрагийн шинж чанартай альгинатын гидрогелийн хөөсийг in situ Ca2+ ялгаруулалтаар нэгтгэсэн. Тодорхойлсон механик болон цацрагийн шинж чанартай гидрогелийн хөөсийг авахын тулд агаар-эзэлхүүний харьцааг сайтар хянасан. Материалын макро ба микроморфологийг тодорхойлж, шахалтын үед гидрогелийн хөөсний зан төлөвийг судалсан. Радиологийн шинж чанарыг онолын хувьд үнэлж, компьютер томографи ашиглан туршилтаар баталгаажуулсан. Энэхүү судалгаа нь цацрагийн эмчилгээний үед цацрагийн тунг оновчтой болгох, чанарын хяналтад ашиглаж болох эдтэй тэнцэх материалын ирээдүйн хөгжлийн талаар гэрэл гэгээ өгч байна.
Цацраг туяа эмчилгээ нь хорт хавдрын нийтлэг эмчилгээ юм1. Эрхтэн, эд эсийн хөдөлгөөн нь цацраг туяа эмчилгээний үед рентген туяаны байрлалд алдаа гаргахад хүргэдэг2 бөгөөд энэ нь хавдрын дутуу эмчилгээ, хүрээлэн буй эрүүл эсүүдийг шаардлагагүй цацрагт хэт их өртөхөд хүргэдэг. Эрхтэн, эд эсийн хөдөлгөөнийг урьдчилан таамаглах чадвар нь хавдрын байршлын алдааг багасгахад чухал үүрэгтэй. Энэхүү судалгаа нь өвчтөн цацраг туяа эмчилгээний үеэр амьсгалах үед мэдэгдэхүйц деформаци, хөдөлгөөнд ордог тул уушгинд анхаарлаа хандуулсан. Хүний уушгины хөдөлгөөнийг дуурайлган янз бүрийн төгсгөлөг элементийн загваруудыг боловсруулж, хэрэгжүүлсэн3,4,5. Гэсэн хэдий ч хүний ​​эрхтэн, эд эсүүд нь нарийн төвөгтэй геометртэй бөгөөд өвчтөнөөс ихээхэн хамааралтай байдаг. Тиймээс эд эстэй тэнцэх шинж чанартай материалууд нь онолын загваруудыг баталгаажуулах, эмчилгээний сайжруулалтыг хөнгөвчлөх, анагаах ухааны боловсролын зорилгоор физик загваруудыг боловсруулахад маш их хэрэгтэй байдаг.
Зөөлөн эдийг дуурайлган хийсэн материалыг боловсруулж, тэдгээрийн төрөлхийн механик зөрчил нь зорилтот хэрэглээнд алдаа гаргахад хүргэдэг тул ихээхэн анхаарал татаж байна6,7. Хэт зөөлөн, уян хатан чанар, бүтцийн сүвэрхэг чанарыг хослуулсан уушгины эдийн нарийн төвөгтэй биомеханикийг загварчлах нь хүний ​​уушгийг үнэн зөв хуулбарлах загвар боловсруулахад томоохон бэрхшээл учруулдаг. Механик болон рентген шинжилгээний шинж чанарыг нэгтгэх, тохируулах нь эмчилгээний оролцоонд уушгины загварыг үр дүнтэй гүйцэтгэхэд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Нэмэлт үйлдвэрлэл нь өвчтөнд тохирсон загвар боловсруулахад үр дүнтэй болох нь батлагдсан бөгөөд нарийн төвөгтэй загварыг хурдан туршилтын загвар гаргах боломжийг олгодог. Шин нар 8 нь 3D хэвлэмэл амьсгалын замтай хуулбарлах боломжтой, деформацид ордог уушгины загварыг боловсруулсан. Хаселаар нар 9 нь цацраг туяа эмчилгээний дүрсний чанарыг үнэлэх, байрлалыг баталгаажуулах аргуудад зориулж бодит өвчтөнүүдтэй маш төстэй хий үзэгдлийг боловсруулсан. Хонг нар 10 нь тоон үзүүлэлтийн нарийвчлалыг үнэлэхийн тулд янз бүрийн уушгины гэмтлийн компьютер томографийн эрчмийг хуулбарлахын тулд 3D хэвлэх болон силикон цутгах технологийг ашиглан цээжний компьютер томографийн загварыг боловсруулсан. Гэсэн хэдий ч эдгээр туршилтын загваруудыг ихэвчлэн үр дүнтэй шинж чанар нь уушгины эдээс маш өөр материалаар хийдэг11.
Одоогийн байдлаар ихэнх уушгины хий үзэгдэл нь силикон эсвэл полиуретан хөөсөөр хийгдсэн бөгөөд энэ нь жинхэнэ уушгины паренхимийн механик болон рентген шинж чанартай тохирохгүй байна.12,13 Альгинатын гидрогель нь био нийцтэй бөгөөд тохируулж болох механик шинж чанараасаа шалтгаалан эдийн инженерчлэлд өргөн хэрэглэгддэг.14 Гэсэн хэдий ч уушгины эдийн уян хатан чанар болон дүүргэлтийн бүтцийг яг дуурайдаг уушгины хий үзэгдэлд шаардлагатай хэт зөөлөн, хөөс шиг тууштай байдлыг хуулбарлах нь туршилтын сорилт хэвээр байна.
Энэхүү судалгаанд уушгины эд нь нэгэн төрлийн уян хатан материал гэж үзсэн. Хүний уушгины эдийн нягтрал (\(\:\rho\:\)) нь 1.06 г/см3, хийлэгдсэн уушгины нягтрал нь 0.26 г/см315 гэж мэдээлсэн. Уушгины эдийн Янгийн модулийн (MY) утгуудын өргөн хүрээг янз бүрийн туршилтын аргаар олж авсан. Лай-Фук нар 16 нь хүний ​​уушгины YM-ийг жигд хийлдэг байдлаар 0.42–6.72 кПа гэж хэмжсэн. Госс нар 17 нь соронзон резонансын эластографи ашиглаж, YM нь 2.17 кПа гэж мэдээлсэн. Лю нар 18 нь шууд хэмжсэн YM нь 0.03–57.2 кПа гэж мэдээлсэн. Илегбуси нар 19 нь сонгосон өвчтөнүүдээс авсан 4D компьютер томографийн өгөгдөлд үндэслэн YM-ийг 0.1–2.7 кПа гэж тооцоолсон.
Уушгины рентген шинжилгээний шинж чанарын хувьд уушгины эдийн рентген туяатай харилцан үйлчлэлцэх зан төлөвийг тодорхойлоход хэд хэдэн параметрийг ашигладаг бөгөөд үүнд элементийн найрлага, электрон нягтрал (\(\:{\rho\:}_{e}\)), үр дүнтэй атомын тоо (\(\:{Z}_{eff}\)), дундаж өдөөлтийн энерги (\(\:I\)), массын сулралын коэффициент (\(\:\mu\:/\rho\:\)) болон \(\:\mu\:/\rho\:\)-тай шууд хамааралтай Хаунсфилдийн нэгж (HU) орно.
Электрон нягтрал \(\:{\rho\:}_{e}\)-ийг нэгж эзэлхүүн дэх электронуудын тоогоор тодорхойлж, дараах байдлаар тооцоолно.
энд \(\:\rho\:\) нь материалын нягтрал (г/см3), \(\:{N}_{A}\) нь Авогадро тогтмол, \(\:{w}_{i}\) нь массын фракц, \(\:{Z}_{i}\) нь атомын дугаар, \(\:{A}_{i}\) нь i-р элементийн атомын жин юм.
Атомын тоо нь материалын доторх цацрагийн харилцан үйлчлэлийн шинж чанартай шууд холбоотой. Хэд хэдэн элемент (жишээ нь, даавуу) агуулсан нэгдлүүд болон холимогуудын хувьд үр дүнтэй атомын тоог (\:{Z}_{eff}\) тооцоолох шаардлагатай. Энэ томъёог Мурти болон бусад хүмүүс санал болгосон. 20:
Дундаж өдөөлтийн энерги \(\:I\) нь бай материал нэвтэрч буй бөөмсийн кинетик энергийг хэр амархан шингээж байгааг харуулдаг. Энэ нь зөвхөн бай материалын шинж чанарыг тодорхойлдог бөгөөд бөөмсийн шинж чанартай ямар ч холбоогүй юм. \(\:I\)-ийг Брэггийн нэмэлт чанарын дүрмийг ашиглан тооцоолж болно:
Массын сулралын коэффициент \(\:\mu\:/\rho\:\) нь бай материал дахь фотонуудын нэвтрэлт ба энергийн ялгаралтыг тодорхойлдог. Үүнийг дараах томъёогоор тооцоолж болно:
Энд \(\:x\) нь материалын зузаан, \(\:{I}_{0}\) нь тусах гэрлийн эрчим, \(\:I\) нь материалд нэвтэрсний дараах фотоны эрчим юм. \(\:\mu\:/\rho\:\) өгөгдлийг NIST 12621 Стандартын Лавлах Мэдээллийн сангаас шууд авч болно. Холимог ба нэгдлүүдийн \(\:\mu\:/\rho\:\) утгыг дараах байдлаар нэмэлт чанарын дүрмийг ашиглан гаргаж авч болно:
HU нь компьютер томографийн (КТ) өгөгдлийг тайлбарлахдаа радио нягтралыг хэмжих стандартчилагдсан хэмжээсгүй нэгж бөгөөд хэмжсэн сулралтын коэффициентээс шугаман хувиргадаг. Үүнийг дараах байдлаар тодорхойлдог:
энд \(\:{\mu\:}_{water}\) нь усны сулралын коэффициент, \(\:{\mu\:}_{air}\) нь агаарын сулралын коэффициент юм. Тиймээс (6) томъёоноос усны HU утга 0, агаарын HU утга -1000 болохыг харж болно. Хүний уушгины HU утга -600-аас -70022 хооронд хэлбэлздэг.
Эдийн эквивалент хэд хэдэн материалыг боловсруулсан. Гриффит нар 23 нь хүний ​​уушги зэрэг янз бүрийн хүний ​​эрхтний шугаман сулралын коэффициентийг дуурайлган янз бүрийн концентрацитай кальцийн карбонат (CaCO3) нэмж, полиуретан (PU)-оор хийсэн хүний ​​их биеийн эдийн эквивалент загварыг боловсруулсан бөгөөд уг загварыг Гриффит гэж нэрлэжээ. Тейлор24 нь Лоуренс Ливерморын Үндэсний Лаборатори (LLNL)-ийн боловсруулсан LLLL1 нэртэй хоёр дахь уушгины эдийн эквивалент загварыг танилцуулсан. Трауб нар 25 нь гүйцэтгэлийг сайжруулагч болгон 5.25% CaCO3 агуулсан Foamex XRS-272 ашиглан уушгины эдийн шинэ орлуулагч боловсруулсан бөгөөд үүнийг ALT2 гэж нэрлэжээ. Хүснэгт 1 ба 2-т хүний ​​уушги (ICRU-44) болон дээрх эдийн эквивалент загваруудын \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) болон массын сулралын коэффициентуудын харьцуулалтыг харуулав.
Маш сайн радиологийн шинж чанартай хэдий ч бараг бүх хий үзэгдэл материалууд нь полистирол хөөсөнцөрөөр хийгдсэн байдаг тул эдгээр материалын механик шинж чанар нь хүний ​​уушгиныхтай ойртож чадахгүй гэсэн үг юм. Полиуретан хөөсний Янгийн модуль (YM) нь ойролцоогоор 500 кПа бөгөөд энэ нь хэвийн хүний ​​уушгитай (ойролцоогоор 5-10 кПа) харьцуулахад хамгийн тохиромжтой хэмжээнээс хол байна. Тиймээс жинхэнэ хүний ​​уушгины механик болон радиологийн шинж чанарыг хангаж чадах шинэ материал боловсруулах шаардлагатай байна.
Гидрогелийг эдийн инженерчлэлд өргөн ашигладаг. Түүний бүтэц, шинж чанар нь эсийн гаднах матриц (ECM)-тэй төстэй бөгөөд хялбархан тохируулж болдог. Энэхүү судалгаанд цэвэр натрийн альгинатыг хөөс бэлтгэх биоматериал болгон сонгосон. Альгинатын гидрогель нь био нийцтэй бөгөөд тохируулж болох механик шинж чанараасаа шалтгаалан эдийн инженерчлэлд өргөн хэрэглэгддэг. Натрийн альгинатын (C6H7NaO6)n элементийн найрлага болон Ca2+ байгаа нь түүний радиологийн шинж чанарыг шаардлагатай бол тохируулах боломжийг олгодог. Тохируулж болох механик болон радиологийн шинж чанаруудын энэхүү хослол нь альгинатын гидрогелийг бидний судалгаанд тохиромжтой болгодог. Мэдээжийн хэрэг, альгинатын гидрогель нь хязгаарлагдмал, ялангуяа амьсгалын замын мөчлөгийн симуляцийн үед урт хугацааны тогтвортой байдлын хувьд хязгаарлалттай байдаг. Тиймээс эдгээр хязгаарлалтыг арилгахын тулд ирээдүйн судалгаануудад цаашид сайжруулах шаардлагатай бөгөөд хүлээгдэж байна.
Энэхүү бүтээлдээ бид хүний ​​уушгины эдтэй төстэй хяналттай rho утга, уян хатан чанар, радиологийн шинж чанартай альгинатын гидрогелийн хөөсөн материалыг боловсруулсан. Энэхүү судалгаа нь уян хатан чанар болон радиологийн шинж чанартай, тохируулж болох эдтэй төстэй фантом үйлдвэрлэх ерөнхий шийдлийг гаргах болно. Материалын шинж чанарыг хүний ​​аливаа эд, эрхтэнд хялбархан тохируулж болно.
Гидрогелийн хөөсний зорилтот агаар ба эзлэхүүний харьцааг хүний ​​уушгины HU хүрээ (-600-аас -700 хүртэл) дээр үндэслэн тооцоолсон. Хөөс нь агаар ба синтетик альгинатын гидрогелийн энгийн холимог гэж үзсэн. Бие даасан элементүүдийн энгийн нэмэлт дүрмийг ашиглан агаарын эзлэхүүний фракц болон нийлэгжүүлсэн альгинатын гидрогелийн эзлэхүүний харьцааг тооцоолж болно.
Альгинатын гидрогелийн хөөсийг Миссури мужийн Сент-Луис хотын Sigma-Aldrich компаниас худалдаж авсан натрийн альгинат (W201502-р хэсэг), CaCO3 (795445-р хэсэг, MW: 100.09), GDL (G4750-р хэсэг, MW: 178.14-р хэсэг) ашиглан бэлтгэсэн. 70% натрийн лаурил эфирийн сульфат (SLES 70)-ийг Renowned Trading ХХК-аас худалдаж авсан. Хөөс бэлтгэх процесст ионгүйжүүлсэн ус ашигласан. Натрийн альгинатыг өрөөний температурт ионгүйжүүлсэн усанд тогтмол хутгаж (600 эрг/мин) нэгэн төрлийн шар тунгалаг уусмал гартал уусгасан. CaCO3-ийг GDL-тэй хослуулан гелжилтийг эхлүүлэхийн тулд Ca2+ эх үүсвэр болгон ашигласан. SLES 70-ийг гидрогелийн дотор сүвэрхэг бүтэц үүсгэхийн тулд гадаргуугийн идэвхт бодис болгон ашигласан. Альгинатын концентрацийг 5%-д, Ca2+:-COOH молийн харьцааг 0.18-д хадгалсан. Хөөс бэлтгэх явцад төвийг сахисан рН-ийг хадгалахын тулд CaCO3:GDL молийн харьцааг 0.5-д хадгалсан. Энэ утга нь 26.2% эзэлхүүнтэй SLES 70-ийг бүх дээжинд нэмсэн. Уусмал ба агаарын холих харьцааг хянахын тулд таглаатай стакан ашигласан. Стаканны нийт эзэлхүүн нь 140 мл байв. Онолын тооцооллын үр дүнд үндэслэн хольцын өөр өөр эзэлхүүнийг (50 мл, 100 мл, 110 мл) стакан руу нэмж агаартай холисон. 50 мл хольц агуулсан дээжийг хангалттай агаартай холихоор бүтээсэн бол бусад хоёр дээжинд байгаа агаарын эзэлхүүний харьцааг хянасан. Эхлээд SLES 70-ийг альгинатын уусмалд нэмж, бүрэн холилдох хүртэл цахилгаан хутгагчаар хутгасан. Дараа нь CaCO3 суспензийг холимог дээр нэмж, хольц бүрэн холилдох хүртэл тасралтгүй хутгаж, өнгө нь цагаан болж өөрчлөгдсөн. Эцэст нь, гелжилтийг эхлүүлэхийн тулд хольц дээр GDL уусмалыг нэмж, үйл явцын туршид механик хутгалтыг хадгалсан. 50 мл хольц агуулсан дээжийн хувьд хольцын хэмжээ өөрчлөгдөхөө больсон үед механик хутгалтыг зогсоосон. 100 мл ба 110 мл хольц агуулсан дээжийн хувьд холимог аяганд дүүрэх үед механик хутгалтыг зогсоосон. Мөн бид 50 мл-ээс 100 мл-ийн хооронд эзэлхүүнтэй гидрогель хөөс бэлтгэхийг оролдсон. Гэсэн хэдий ч хөөсний бүтцийн тогтворгүй байдал ажиглагдсан бөгөөд энэ нь агаарын бүрэн холилтын төлөв болон агаарын эзэлхүүний хяналтын төлөвийн хооронд хэлбэлзэж, эзэлхүүний хяналтын тогтворгүй байдалд хүргэсэн. Энэхүү тогтворгүй байдал нь тооцоололд тодорхойгүй байдал оруулсан тул энэ эзэлхүүний хүрээг энэхүү судалгаанд оруулаагүй болно.
Гидрогелийн хөөсний нягтралыг гидрогелийн хөөсний дээжийн масс (м) ба эзэлхүүн (В)-ийг хэмжиж тооцоолно.
Гидрогелийн хөөсний оптик микроскопийн зургийг Zeiss Axio Observer A1 камер ашиглан авсан. ImageJ програм хангамжийг ашиглан тодорхой талбай дахь дээжийн нүх сүвний тоо болон хэмжээний тархалтыг олж авсан зургууд дээр үндэслэн тооцоолсон. Нүх сүвний хэлбэрийг дугуй хэлбэртэй гэж үзсэн.
Альгинатын гидрогелийн хөөсний механик шинж чанарыг судлахын тулд TESTRESOURCES 100 цувралын машин ашиглан нэг тэнхлэгтэй шахалтын туршилтыг хийсэн. Дээжийг тэгш өнцөгт блок болгон хувааж, хүчдэл ба хэв гажилтыг тооцоолохын тулд блокийн хэмжээсийг хэмжсэн. Хөндлөн толгойн хурдыг 10 мм/мин гэж тогтоосон. Дээж бүрт гурван дээжийг туршиж, үр дүнгээс дундаж ба стандарт хазайлтыг тооцоолсон. Энэхүү судалгаа нь уушгины эд нь амьсгалын мөчлөгийн тодорхой үе шатанд шахалтын хүчэнд өртдөг тул альгинатын гидрогелийн хөөсний шахалтын механик шинж чанарт анхаарлаа хандуулсан. Суналт нь мэдээж чухал бөгөөд ялангуяа уушгины эдийн бүрэн динамик зан төлөвийг тусгахад чухал ач холбогдолтой бөгөөд үүнийг ирээдүйн судалгаануудад судлах болно.
Бэлтгэсэн гидрогелийн хөөсний дээжийг Siemens SOMATOM Drive хос сувгийн компьютер томографийн сканнер дээр сканнердсан. Сканнердах параметрүүдийг дараах байдлаар тохируулсан: 40 мАс, 120 кВп ба 1 мм зүсмэлийн зузаан. Үүссэн DICOM файлуудыг MicroDicom DICOM Viewer програм хангамж ашиглан дээж бүрийн 5 хөндлөн огтлолын HU утгыг шинжлэхэд шинжилсэн. CT-ээр олж авсан HU утгыг дээжийн нягтралын өгөгдөл дээр үндэслэсэн онолын тооцоололтой харьцуулсан.
Энэхүү судалгааны зорилго нь зөөлөн материалыг инженерчлэлээр дамжуулан бие даасан эрхтний загвар болон хиймэл биологийн эд эсийг үйлдвэрлэхэд хувьсгал хийх явдал юм. Хүний уушгины ажиллах механиктай нийцсэн механик болон цацраг идэвхт шинж чанартай материалыг боловсруулах нь эмнэлгийн сургалтыг сайжруулах, мэс заслын төлөвлөлт, цацраг идэвхт эмчилгээний төлөвлөлт зэрэг зорилтот хэрэглээнд чухал ач холбогдолтой юм. Зураг 1А-д бид хүний ​​уушгины загварыг үйлдвэрлэхэд ашигласан гэж үзэж буй зөөлөн материалын механик болон цацраг идэвхт шинж чанаруудын зөрүүг харуулсан. Өнөөдрийг хүртэл хүссэн цацраг идэвхт шинж чанарыг харуулсан материалыг боловсруулсан боловч тэдгээрийн механик шинж чанар нь хүссэн шаардлагыг хангаагүй байна. Полиуретан хөөс болон резин нь хүний ​​уушгины деформацитай загварыг үйлдвэрлэхэд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг материал юм. Полиуретан хөөсний механик шинж чанар (Young's modulus, YM) нь ердийн хүний ​​уушгины эдээс 10-100 дахин их байдаг. Хүссэн механик болон цацраг идэвхт шинж чанарыг харуулсан материалууд одоогоор тодорхойгүй байна.
(A) Төрөл бүрийн зөөлөн материалын шинж чанарыг бүдүүвчлэн дүрслэх ба нягтрал, Янгийн модуль болон рентген шинж чанарын хувьд хүний ​​уушгитай харьцуулах (HU-д). (B) 5%-ийн концентрацитай, Ca2+:-COOH молийн харьцаа 0.18 бүхий альгинатын гидрогелийн рентген дифракцийн хэв маяг. (C) Гидрогелийн хөөс дэх агаарын эзэлхүүний харьцааны хүрээ. (D) Агаарын эзэлхүүний харьцаа өөр өөр альгинатын гидрогелийн хөөсийг бүдүүвчлэн дүрслэх.
5%-ийн концентрацитай, Ca2+:-COOH молийн харьцаа 0.18 бүхий альгинатын гидрогелийн элементийн найрлагыг тооцоолсон бөгөөд үр дүнг Хүснэгт 3-т үзүүлэв. Өмнөх томъёо (5)-ын нэмэлт дүрмийн дагуу альгинатын гидрогелийн массын сулралын коэффициентийг Зураг 1B-д үзүүлсэн шиг гаргав.
Агаар ба усны \(\:\mu\:/\rho\:\) утгыг NIST 12612 стандартын лавлах мэдээллийн сангаас шууд авсан. Тиймээс Зураг 1C-д хүний ​​уушгины HU эквивалент утгатай гидрогель хөөс дэх тооцоолсон агаарын эзэлхүүний харьцааг харуулав -600 ба -700 хооронд. Онолын хувьд тооцоолсон агаарын эзэлхүүний харьцаа нь 1 × 10−3-аас 2 × 101 МэВ хүртэлх энергийн хязгаарт 60-70% дотор тогтвортой байгаа нь гидрогель хөөсийг үйлдвэрлэлийн процесст ашиглах сайн боломжийг харуулж байна.
Зураг 1D-д бэлтгэсэн альгинатын гидрогелийн хөөсний дээжийг харуулав. Бүх дээжийг 12.7 мм ирмэгийн урттай куб болгон хуваасан. Үр дүнгээс харахад нэгэн төрлийн, гурван хэмжээст тогтвортой гидрогелийн хөөс үүссэн байна. Агаарын эзэлхүүний харьцаанаас үл хамааран гидрогелийн хөөсний гадаад төрх байдалд мэдэгдэхүйц ялгаа ажиглагдаагүй. Гидрогелийн хөөсний өөрийгөө тэтгэх шинж чанар нь гидрогелийн дотор үүссэн сүлжээ нь хөөсний өөрийн жинг даах хангалттай хүчтэй болохыг харуулж байна. Хөөснөөс бага хэмжээний ус гоожихоос гадна хөөс нь хэдэн долоо хоногийн турш түр зуурын тогтвортой байдлыг харуулсан.
Хөөсний дээжийн масс ба эзэлхүүнийг хэмжиж бэлтгэсэн гидрогелийн хөөсний нягтыг тооцоолсон бөгөөд үр дүнг Хүснэгт 4-т үзүүлэв. Үр дүн нь агаарын эзэлхүүний харьцаанаас хамааралтай болохыг харуулж байна. 50 мл дээжтэй хангалттай хэмжээний агаар холилдоход нягтрал хамгийн бага болж, 0.482 г/см3 байна. Холимог агаарын хэмжээ буурах тусам нягтрал 0.685 г/см3 хүртэл нэмэгддэг. 50 мл, 100 мл ба 110 мл бүлгүүдийн хоорондох хамгийн их p утга нь 0.004 < 0.05 байсан нь үр дүнгийн статистик ач холбогдлыг харуулж байна.
Онолын \(\:\rho\:\) утгыг мөн хяналттай агаарын эзэлхүүний харьцааг ашиглан тооцоолсон. Хэмжсэн үр дүнгээс харахад \(\:\rho\:\) нь онолын утгаас 0.1 г/см³ бага байна. Энэ ялгааг гелжилтийн процессын үед гидрогельд үүссэн дотоод стрессээр тайлбарлаж болох бөгөөд энэ нь хаван үүсгэж, улмаар \(\:\rho\:\) буурахад хүргэдэг. Үүнийг Зураг 2-т үзүүлсэн КТ зургуудад (A, B, C) гидрогелийн хөөсөн доторх зарим завсар ажигласнаар улам бүр батлагдсан.
Агаарын эзэлхүүний агууламж өөр өөр гидрогелийн хөөсний оптик микроскопийн зургууд (A) 50, (B) 100, болон (C) 110. Альгинатын гидрогелийн хөөсний дээжинд эсийн тоо болон нүх сүвний хэмжээний тархалт (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Зураг 3 (A, B, C) нь өөр өөр агаарын эзэлхүүний харьцаатай гидрогелийн хөөсний дээжийн оптик микроскопын зургийг харуулж байна. Үр дүнгүүд нь гидрогелийн хөөсний оптик бүтцийг харуулж, өөр өөр диаметртэй нүх сүвийн зургийг тодорхой харуулж байна. Нүх сүвийн тоо болон диаметрийн тархалтыг ImageJ ашиглан тооцоолсон. Дээж тус бүрээс зургаан зураг авсан бөгөөд зураг тус бүр нь 1125.27 μм × 843.96 μм хэмжээтэй бөгөөд дээж тус бүрийн нийт шинжилсэн талбай 5.7 мм² байв.
(A) Өөр өөр агаарын эзэлхүүний харьцаатай альгинатын гидрогелийн хөөсний шахалтын стресс-деформацийн зан төлөв. (B) Экспоненциал тохируулга. (C) Өөр өөр агаарын эзэлхүүний харьцаатай гидрогелийн хөөсний E0 шахалт. (D) Өөр өөр агаарын эзэлхүүний харьцаатай альгинатын гидрогелийн хөөсний эцсийн шахалтын стресс ба деформаци.
Зураг 3 (D, E, F)-д нүх сүвний хэмжээний тархалт харьцангуй жигд бөгөөд хэдэн арван микрометрээс 500 микрометр орчим хооронд хэлбэлзэж байгааг харуулж байна. Нүх сүвний хэмжээ үндсэндээ жигд бөгөөд агаарын хэмжээ багасах тусам бага зэрэг буурдаг. Туршилтын өгөгдлөөс харахад 50 мл-ийн дээжийн дундаж нүх сүвний хэмжээ 192.16 μм, голч нь 184.51 μм, нэгж талбай дахь нүх сүвний тоо 103; 100 мл-ийн дээжийн дундаж нүх сүвний хэмжээ 156.62 μм, голч нь 151.07 μм, нэгж талбай дахь нүх сүвний тоо 109; 110 мл-ийн дээжийн харгалзах утга нь тус тус 163.07 μм, 150.29 μм, 115 байна. Өгөгдлүүдээс харахад нүх сүвний том хэмжээ нь дундаж нүх сүвний хэмжээний статистик үр дүнд илүү их нөлөөлдөг бөгөөд нүх сүвний дундаж хэмжээ нь нүх сүвний хэмжээний өөрчлөлтийн хандлагыг илүү сайн тусгаж чаддаг. Дээжийн хэмжээ 50 мл-ээс 110 мл хүртэл нэмэгдэхийн хэрээр нүх сүвний тоо ч мөн нэмэгддэг. Нүх сүвний дундаж диаметр болон нүх сүвний тооны статистик үр дүнг нэгтгэснээр эзэлхүүн нэмэгдэхийн хэрээр дээжийн дотор жижиг хэмжээтэй илүү олон нүх сүв үүсдэг гэж дүгнэж болно.
Механик туршилтын өгөгдлийг Зураг 4A ба 4D-д үзүүлэв. Зураг 4A нь өөр өөр агаарын эзэлхүүний харьцаатай бэлтгэсэн гидрогелийн хөөсний шахалтын стресс-деформацийн зан төлөвийг харуулж байна. Үр дүнгээс харахад бүх дээжүүд шугаман бус стресс-деформацийн зан төлөвтэй төстэй байна. Дээж бүрийн хувьд деформаци нэмэгдэхийн хэрээр стресс нь илүү хурдан нэмэгддэг. Гидрогелийн хөөсний шахалтын стресс-деформацийн зан төлөвт экспоненциал муруйг тохируулсан. Зураг 4B нь экспоненциал функцийг гидрогелийн хөөсөнд ойролцоо загвар болгон хэрэглэсний дараах үр дүнг харуулж байна.
Агаарын эзэлхүүний харьцаа өөр өөр гидрогелийн хөөсний хувьд тэдгээрийн шахалтын модулийг (E0) мөн судалсан. Гидрогелийн шинжилгээтэй адил шахалтын Янгийн модулийг анхны хэв гажилтын 20%-ийн хүрээнд судалсан. Шахалтын туршилтын үр дүнг Зураг 4C-д үзүүлэв. Зураг 4C-ийн үр дүнгээс харахад агаарын эзэлхүүний харьцаа 50-р дээжээс 110-р дээж хүртэл буурах үед альгинатын гидрогелийн хөөсний шахалтын Янгийн E0 модуль 10.86 кПа-аас 18 кПа хүртэл нэмэгддэг болохыг харуулж байна.
Үүнтэй адилаар гидрогелийн хөөсний бүрэн стресс-деформацийн муруй, түүнчлэн шахалтын стресс ба деформацийн утгыг олж авсан. Зураг 4D-д альгинатын гидрогелийн хөөсний шахалтын стресс ба деформацийг харуулав. Өгөгдлийн цэг бүр нь гурван туршилтын үр дүнгийн дундаж юм. Үр дүнгээс харахад хийн агууламж буурах тусам шахалтын стресс 9.84 кПа-аас 17.58 кПа хүртэл нэмэгддэг. Эцсийн деформаци нь ойролцоогоор 38% тогтвортой хэвээр байна.
Зураг 2 (A, B, C) нь 50, 100, 110 дээжүүдэд харгалзах өөр өөр агаарын эзэлхүүний харьцаатай гидрогелийн хөөсний КТ зургийг харуулж байна. Зураг дээр үүссэн гидрогелийн хөөс бараг нэгэн төрлийн болохыг харуулж байна. 100 ба 110 дээжинд цөөн тооны цоорхой ажиглагдсан. Эдгээр цоорхой үүсэх нь гелжих процессын үед гидрогельд үүссэн дотоод стрессээс үүдэлтэй байж магадгүй юм. Бид дээж бүрийн 5 хөндлөн огтлолын HU утгыг тооцоолж, тэдгээрийг харгалзах онолын тооцооллын үр дүнтэй хамт Хүснэгт 5-д жагсаав.
Хүснэгт 5-д агаарын эзэлхүүний харьцаа өөр өөр байсан дээжүүд өөр өөр HU утга авсан болохыг харуулж байна. 50 мл, 100 мл, 110 мл бүлгүүдийн хоорондох хамгийн их p утга нь 0.004 < 0.05 байсан нь үр дүнгийн статистик ач холбогдлыг харуулж байна. Туршилт хийсэн гурван дээжийн дунд 50 мл хольцтой дээж нь хүний ​​уушгиныхтай хамгийн ойр радиологийн шинж чанартай байв. Хүснэгт 5-ын сүүлийн багана нь хэмжсэн хөөсний утга \(\:\rho\:\) дээр үндэслэн онолын тооцооллоор гаргаж авсан үр дүн юм. Хэмжсэн өгөгдлийг онолын үр дүнтэй харьцуулж үзвэл компьютер томографийн сканнераар олж авсан HU утга нь ерөнхийдөө онолын үр дүнтэй ойролцоо байгааг олж мэдэх боломжтой бөгөөд энэ нь эргээд Зураг 1C-д үзүүлсэн агаарын эзэлхүүний харьцааны тооцооллын үр дүнг баталгаажуулж байна.
Энэхүү судалгааны гол зорилго нь хүний ​​уушгиныхтай харьцуулахуйц механик болон радиологийн шинж чанартай материалыг бүтээх явдал юм. Энэхүү зорилгод хүний ​​уушгиныхтай аль болох ойр, тохирсон эд эстэй тэнцэхүйц механик болон радиологийн шинж чанартай гидрогель дээр суурилсан материалыг боловсруулснаар хүрсэн. Онолын тооцооллоор удирдамж болгон натрийн альгинатын уусмал, CaCO3, GDL болон SLES 70-ийг механик аргаар хольж, агаарын эзэлхүүний харьцаа өөр өөр гидрогель хөөс бэлтгэсэн. Морфологийн шинжилгээгээр нэгэн төрлийн гурван хэмжээст тогтвортой гидрогель хөөс үүссэн болохыг харуулсан. Агаарын эзэлхүүний харьцааг өөрчилснөөр хөөсний нягтрал ба сүвэрхэг чанарыг хүссэнээрээ өөрчилж болно. Агаарын эзэлхүүний агууламж нэмэгдэхийн хэрээр нүх сүвний хэмжээ бага зэрэг буурч, нүх сүвний тоо нэмэгддэг. Альгинатын гидрогель хөөсний механик шинж чанарыг шинжлэхийн тулд шахалтын туршилт хийсэн. Үр дүнгээс харахад шахалтын туршилтаас гаргаж авсан шахалтын модуль (E0) нь хүний ​​уушгинд хамгийн тохиромжтой хязгаарт байна. Агаарын эзэлхүүний харьцаа буурах тусам E0 нэмэгддэг. Бэлтгэсэн дээжийн радиологийн шинж чанарын (RH) утгыг дээжийн компьютер томографийн өгөгдөлд үндэслэн олж авч, онолын тооцооллын үр дүнтэй харьцуулсан. Үр дүн нь таатай байсан. Хэмжсэн утга нь хүний ​​уушгины RH утгатай ойролцоо байна. Үр дүнгээс харахад хүний ​​уушгины шинж чанарыг дуурайдаг механик болон радиологийн шинж чанаруудын төгс хослол бүхий эд эсийг дуурайдаг гидрогелийн хөөс үүсгэх боломжтой болохыг харуулж байна.
Найдвартай үр дүнгээс үл хамааран агаарын эзэлхүүний харьцаа болон нүх сүвийг илүү сайн хянахын тулд одоогийн үйлдвэрлэлийн аргуудыг сайжруулах шаардлагатай бөгөөд ингэснээр онолын тооцоолол болон бодит хүний ​​уушгины дэлхийн болон орон нутгийн хэмжээнд хийсэн таамаглалтай нийцэх болно. Одоогийн судалгаа нь шахалтын механикийг туршихаар хязгаарлагдаж байгаа бөгөөд энэ нь амьсгалын мөчлөгийн шахалтын үе шатанд хий үзэгдлийг ашиглах боломжийг хязгаарладаг. Ирээдүйн судалгаанд динамик ачааллын нөхцөлд ашиглах боломжийг үнэлэхийн тулд суналтын туршилт, түүнчлэн материалын ерөнхий механик тогтвортой байдлыг судлах нь ашиг тустай байх болно. Эдгээр хязгаарлалтуудыг үл харгалзан энэхүү судалгаа нь хүний ​​уушгийг дуурайдаг нэг материалд радиологийн болон механик шинж чанарыг нэгтгэх анхны амжилттай оролдлого болж байна.
Одоогийн судалгааны явцад бий болгосон болон/эсвэл шинжилсэн өгөгдлийн багцуудыг холбогдох зохиогчоос боломжийн хүсэлтээр авах боломжтой. Туршилт болон өгөгдлийн багц хоёулаа хуулбарлах боломжтой.
Сонг, Г., нар. Хорт хавдрын туяа эмчилгээний шинэ нанотехнологи ба дэвшилтэт материалууд. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Килл, ПЖ, нар. Цацрагийн онкологийн амьсгалын замын хөдөлгөөний менежментийн AAPM 76a ажлын хэсгийн тайлан. Анагаах ухааны физик. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Аль-Майя, А., Мозли, Ж., болон Брок, К.К. Хүний уушгины интерфэйс ба материалын шугаман бус байдлыг загварчлах нь. Физик ба анагаах ухаан ба биологи 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Ван, X., нар. 3 хэмжээст био хэвлэх аргаар үүссэн хавдар төст уушгины хорт хавдрын загвар. 3. Биотехнологи. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Ли, М., нар. Уушгины деформацийг загварчлах: деформацид ордог дүрсийг бүртгэх техник болон орон зайн хувьд хувьсах Янгийн модулийн тооцооллыг хослуулсан арга. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Гуимарес, КФ нар. Амьд эдийн хөшүүн байдал ба түүний эдийн инженерчлэлд үзүүлэх нөлөө. Байгалийн тойм материал ба хүрээлэн буй орчин 5, 351–370 (2020).