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U muvimentu di l'organi è di i tessuti pò purtà à errori in u pusizionamentu di i raggi X durante a radioterapia. Dunque, sò necessarii materiali cù proprietà meccaniche è radiologiche equivalenti à i tessuti per imità u muvimentu di l'organi per l'ottimisazione di a radioterapia. Tuttavia, u sviluppu di tali materiali ferma una sfida. L'idrogel d'alginatu anu proprietà simili à quelle di a matrice extracellulare, ciò chì li rende promettenti cum'è materiali equivalenti à i tessuti. In questu studiu, e schiume d'idrogel d'alginatu cù proprietà meccaniche è radiologiche desiderate sò state sintetizate per liberazione in situ di Ca2+. U rapportu aria-volume hè statu attentamente cuntrullatu per ottene schiume d'idrogel cù proprietà meccaniche è radiologiche definite. A macro- è micromorfologia di i materiali sò state caratterizzate, è u cumpurtamentu di e schiume d'idrogel sottu cumpressione hè statu studiatu. E proprietà radiologiche sò state stimate teoricamente è verificate sperimentalmente utilizendu a tomografia computerizzata. Questu studiu mette in luce u sviluppu futuru di materiali equivalenti à i tessuti chì ponu esse aduprati per l'ottimisazione di a dosa di radiazioni è u cuntrollu di qualità durante a radioterapia.
A radioterapia hè un trattamentu cumunu per u cancru1. U muvimentu di l'organi è di i tessuti porta spessu à errori in u pusizionamentu di i raggi X durante a radioterapia2, chì pò purtà à un sottotrattamentu di u tumore è à una sovraesposizione di e cellule sane circundanti à radiazioni innecessarie. A capacità di prevede u muvimentu di l'organi è di i tessuti hè cruciale per minimizà l'errori di lucalizazione di u tumore. Stu studiu s'hè cuncentratu nantu à i pulmoni, postu chì subiscenu deformazioni è movimenti significativi quandu i pazienti respiranu durante a radioterapia. Diversi mudelli à elementi finiti sò stati sviluppati è applicati per simulà u muvimentu di i pulmoni umani3,4,5. Tuttavia, l'organi è i tessuti umani anu geometrie cumplesse è sò assai dipendenti da u paziente. Dunque, i materiali cù proprietà equivalenti à i tessuti sò assai utili per sviluppà mudelli fisichi per validà i mudelli teorichi, facilità un trattamentu medicu miglioratu è per scopi di educazione medica.
U sviluppu di materiali chì imitanu i tessuti molli per ottene geometrie strutturali esterne è interne cumplesse hà attiratu molta attenzione perchè e so inconsistenze meccaniche inerenti ponu purtà à fallimenti in l'applicazioni di destinazione6,7. A modellazione di a biomeccanica cumplessa di u tissutu pulmonariu, chì combina morbidezza estrema, elasticità è porosità strutturale, pone una sfida significativa in u sviluppu di mudelli chì riproducenu accuratamente u pulmone umanu. L'integrazione è a currispundenza di e proprietà meccaniche è radiologiche sò critiche per a prestazione efficace di i mudelli pulmonari in interventi terapeutici. A fabricazione additiva hà dimustratu di esse efficace in u sviluppu di mudelli specifichi per i pazienti, permettendu a prototipazione rapida di disinni cumplessi. Shin et al. 8 anu sviluppatu un mudellu pulmonariu riproducibile è deformabile cù vie aeree stampate in 3D. Haselaar et al. 9 anu sviluppatu un fantocciu assai simile à i pazienti reali per i metudi di valutazione di a qualità di l'immagine è di verificazione di a pusizione per a radioterapia. Hong et al10 anu sviluppatu un mudellu TC toracicu utilizendu a stampa 3D è a tecnulugia di colata di silicone per riproduce l'intensità TC di varie lesioni pulmonari per valutà l'accuratezza di a quantificazione. Tuttavia, sti prototipi sò spessu fatti di materiali chì e so proprietà efficaci sò assai diverse da quelle di u tissutu pulmonariu11.
Attualmente, a maiò parte di i fantocci pulmonari sò fatti di silicone o schiuma di poliuretanu, chì ùn currispondenu micca à e proprietà meccaniche è radiologiche di u parenchima pulmonare reale.12,13 L'idrogel d'alginatu sò biocompatibili è sò stati largamente aduprati in l'ingegneria tissutale per via di e so proprietà meccaniche regulabili.14 Tuttavia, a ripruduzzione di a consistenza ultra-morbida, simile à a schiuma, necessaria per un fantoccio pulmonare chì imita accuratamente l'elasticità è a struttura di riempimentu di u tissutu pulmonare ferma una sfida sperimentale.
In questu studiu, hè statu presuntu chì u tissutu pulmonariu hè un materiale elasticu omogeneu. A densità di u tissutu pulmonariu umanu (\(\:\rho\:\)) hè stata signalata cum'è 1,06 g/cm3, è a densità di u pulmone gonfiatu hè 0,26 g/cm315. Una larga gamma di valori di modulu di Young (MY) di u tissutu pulmonariu hè stata ottenuta utilizendu diversi metudi sperimentali. Lai-Fook et al. 16 anu misuratu u YM di u pulmone umanu cù gonfiamentu uniforme cum'è 0,42-6,72 kPa. Goss et al. 17 anu utilizatu l'elastografia di risonanza magnetica è anu riportatu un YM di 2,17 kPa. Liu et al. 18 anu riportatu un YM misuratu direttamente di 0,03-57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 anu stimatu u YM cum'è 0,1-2,7 kPa basatu annantu à dati CT 4D ottenuti da pazienti selezziunati.
Per e proprietà radiologiche di u pulmone, parechji parametri sò aduprati per discrive u cumpurtamentu d'interazzione di u tissutu pulmonariu cù i raggi X, cumprese a cumpusizione elementale, a densità elettronica (\(\:{\rho\:}_{e}\)), u numeru atomicu efficace (\(\:{Z}_{eff}\)), l'energia media d'eccitazione (\(\:I\)), u coefficientu d'attenuazione di massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) è l'unità Hounsfield (HU), chì hè direttamente ligata à \(\:\mu\:/\rho\:\).
A densità elettronica \(\:{\rho\:}_{e}\) hè definita cum'è u numeru di elettroni per unità di vulume è hè calculata cusì:
induve \(\:\rho\:\) hè a densità di u materiale in g/cm3, \(\:{N}_{A}\) hè a custante di Avogadro, \(\:{w}_{i}\) hè a frazzione di massa, \(\:{Z}_{i}\) hè u numeru atomicu, è \(\:{A}_{i}\) hè u pesu atomicu di l'i-esimu elementu.
U numeru atomicu hè direttamente ligatu à a natura di l'interazzione di a radiazione in u materiale. Per i cumposti è e miscele chì cuntenenu parechji elementi (per esempiu, i tessuti), u numeru atomicu efficace \(\:{Z}_{eff}\) deve esse calculatu. A formula hè stata pruposta da Murthy et al. 20:
L'energia media d'eccitazione \(\:I\) descrive a facilità cù a quale u materiale bersagliu assorbe l'energia cinetica di e particelle penetranti. Descrive solu e proprietà di u materiale bersagliu è ùn hà nunda à chì vede cù e proprietà di e particelle. \(\:I\) pò esse calculatu applicendu a regula d'additività di Bragg:
U cuefficiente d'attenuazione di massa \(\:\mu\:/\rho\:\) descrive a penetrazione è a liberazione d'energia di i fotoni in u materiale bersagliu. Pò esse calculatu cù a formula seguente:
Induve \(\:x\) hè u spessore di u materiale, \(\:{I}_{0}\) hè l'intensità di a luce incidente, è \(\:I\) hè l'intensità di u fotone dopu a penetrazione in u materiale. I dati \(\:\mu\:/\rho\:\) ponu esse ottenuti direttamente da a basa di dati di riferimentu di i standard NIST 12621. I valori \(\:\mu\:/\rho\:\) per e miscele è i cumposti ponu esse derivati ​​aduprendu a regula di additività cum'è seguita:
HU hè un'unità di misura adimensionale standardizata di a radiodensità in l'interpretazione di i dati di tomografia computerizzata (CT), chì hè trasfurmata linearmente da u cuefficiente di attenuazione misuratu \(\:\mu\:\). Hè definita cum'è:
induve \(\:{\mu\:}_{acqua}\) hè u coefficientu d'attenuazione di l'acqua, è \(\:{\mu\:}_{aria}\) hè u coefficientu d'attenuazione di l'aria. Dunque, da a formula (6) vedemu chì u valore HU di l'acqua hè 0, è u valore HU di l'aria hè -1000. U valore HU per i pulmoni umani varieghja da -600 à -70022.
Parechji materiali equivalenti di tessuti sò stati sviluppati. Griffith et al. 23 anu sviluppatu un mudellu equivalente di tessuti di u torsu umanu fattu di poliuretanu (PU) à u quale sò state aghjunte diverse concentrazioni di carbonatu di calciu (CaCO3) per simulà i coefficienti di attenuazione lineare di vari organi umani, cumpresu u pulmone umanu, è u mudellu hè statu chjamatu Griffith. Taylor24 hà presentatu un secondu mudellu equivalente di tessuti pulmonari sviluppatu da u Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), chjamatu LLLL1. Traub et al.25 anu sviluppatu un novu sustitutu di tessuti pulmonari utilizendu Foamex XRS-272 chì cuntene 5,25% di CaCO3 cum'è miglioratore di prestazioni, chì hè statu chjamatu ALT2. E Tabelle 1 è 2 mostranu una paragone di \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) è i coefficienti di attenuazione di massa per u pulmone umanu (ICRU-44) è i mudelli equivalenti di tessuti sopra.
Malgradu l'eccellenti proprietà radiologiche ottenute, quasi tutti i materiali fantasma sò fatti di schiuma di polistirene, ciò chì significa chì e proprietà meccaniche di sti materiali ùn ponu micca avvicinassi à quelle di i pulmoni umani. U modulu di Young (YM) di a schiuma di poliuretanu hè di circa 500 kPa, chì hè luntanu da esse ideale paragunatu à i pulmoni umani nurmali (circa 5-10 kPa). Dunque, hè necessariu sviluppà un novu materiale chì possa risponde à e caratteristiche meccaniche è radiologiche di i veri pulmoni umani.
L'idrogel sò largamente usati in l'ingegneria tissutale. A so struttura è e so proprietà sò simili à a matrice extracellulare (ECM) è sò facilmente regulabili. In questu studiu, l'alginatu di sodiu puru hè statu sceltu cum'è biomateriale per a preparazione di schiume. L'idrogel d'alginatu sò biocompatibili è largamente usati in l'ingegneria tissutale per via di e so proprietà meccaniche regulabili. A cumpusizione elementale di l'alginatu di sodiu (C6H7NaO6)n è a presenza di Ca2+ permettenu di aghjustà e so proprietà radiologiche secondu i bisogni. Questa cumbinazione di proprietà meccaniche è radiologiche regulabili rende l'idrogel d'alginatu ideali per u nostru studiu. Benintesa, l'idrogel d'alginatu anu ancu limitazioni, in particulare in termini di stabilità à longu andà durante i cicli respiratori simulati. Dunque, sò necessarii è previsti ulteriori miglioramenti in studii futuri per affrontà queste limitazioni.
In questu travagliu, avemu sviluppatu un materiale di schiuma d'idrogel d'alginatu cù valori di rho cuntrullati, elasticità è proprietà radiologiche simili à quelle di u tissutu pulmonariu umanu. Questu studiu furnisce una suluzione generale per a fabricazione di fantasmi simili à tessuti cù proprietà elastiche è radiologiche sintonizzabili. E proprietà di u materiale ponu esse facilmente adattate à qualsiasi tissutu è organu umanu.
U rapportu aria/volume di a schiuma d'idrogel hè statu calculatu basendu si nantu à a gamma HU di i pulmoni umani (da -600 à -700). Si suppunia chì a schiuma era una semplice mistura d'aria è d'idrogel d'alginatu sinteticu. Usendu una semplice regula d'addizione di elementi individuali \(\:\mu\:/\rho\:\), a frazione di volume di l'aria è u rapportu di volume di l'idrogel d'alginatu sintetizatu puderanu esse calculati.
E schiume d'idrogel d'alginatu sò state preparate aduprendu alginatu di sodiu (Parte N ° W201502), CaCO3 (Parte N ° 795445, MW: 100,09), è GDL (Parte N ° G4750, MW: 178,14) acquistati da Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. U 70% di Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) hè statu acquistatu da Renowned Trading LLC. L'acqua deionizzata hè stata aduprata in u prucessu di preparazione di a schiuma. L'alginatu di sodiu hè statu dissoltu in acqua deionizzata à temperatura ambiente cù agitazione costante (600 rpm) finu à ottene una soluzione traslucida gialla omogenea. CaCO3 in cumbinazione cù GDL hè statu adupratu cum'è fonte di Ca2+ per inizià a gelificazione. SLES 70 hè statu adupratu cum'è tensioattivu per furmà una struttura porosa in l'idrogel. A cuncentrazione d'alginatu hè stata mantenuta à 5% è u rapportu molare Ca2+:-COOH hè statu mantenutu à 0,18. U rapportu molare CaCO3:GDL hè statu ancu mantinutu à 0,5 durante a preparazione di a schiuma per mantene un pH neutru. U valore hè 26. 2% in vulume di SLES 70 hè statu aghjuntu à tutti i campioni. Un becher cù un coperchio hè statu utilizatu per cuntrullà u rapportu di mischju di a suluzione è di l'aria. U vulume tutale di u becher era di 140 ml. Basatu annantu à i risultati di u calculu teoricu, diversi vulumi di a mistura (50 ml, 100 ml, 110 ml) sò stati aghjunti à u becher per mischjà cù l'aria. U campione chì cuntene 50 ml di a mistura hè statu cuncipitu per mischjà cù aria sufficiente, mentre chì u rapportu di u vulume d'aria in l'altri dui campioni hè statu cuntrullatu. Prima, SLES 70 hè statu aghjuntu à a suluzione d'alginatu è agitatu cù un agitatore elettricu finu à chì hè cumpletamente mischiatu. Dopu, a sospensione di CaCO3 hè stata aghjunta à a mistura è agitata continuamente finu à chì a mistura hè stata cumpletamente mischiata, quandu u so culore hè cambiatu in biancu. Infine, a suluzione GDL hè stata aghjunta à a mistura per inizià a gelificazione, è l'agitazione meccanica hè stata mantenuta durante tuttu u prucessu. Per u campione chì cuntene 50 ml di a mistura, l'agitazione meccanica hè stata fermata quandu u vulume di a mistura hà cessatu di cambià. Per i campioni chì cuntenenu 100 ml è 110 ml di a mistura, l'agitazione meccanica hè stata fermata quandu a mistura hà riempitu u becher. Avemu ancu pruvatu à preparà schiume d'idrogel cù un vulume trà 50 ml è 100 ml. Tuttavia, hè stata osservata instabilità strutturale di a schiuma, postu chì fluttuava trà u statu di miscelazione cumpleta di l'aria è u statu di cuntrollu di u vulume di l'aria, risultendu in un cuntrollu di u vulume inconsistente. Questa instabilità hà introduttu incertezza in i calculi, è dunque questu intervallu di vulume ùn hè statu inclusu in questu studiu.
A densità \(\:\rho\:\) di una schiuma d'idrogel hè calculata misurendu a massa \(\:m\) è u vulume \(\:V\) di un campione di schiuma d'idrogel.
L'imagine microscopiche ottiche di schiume d'idrogel sò state ottenute cù una camera Zeiss Axio Observer A1. U software ImageJ hè statu utilizatu per calculà u numeru è a distribuzione di e dimensioni di i pori in un campione in una certa zona basendu si nantu à l'imagine ottenute. Si presume chì a forma di i pori sia circulare.
Per studià e proprietà meccaniche di e schiume d'idrogel d'alginatu, sò state realizate prove di cumpressione uniassiale cù una macchina di a serie TESTRESOURCES 100. I campioni sò stati tagliati in blocchi rettangulari è e dimensioni di u bloccu sò state misurate per calculà e tensioni è e deformazioni. A velocità di a testa trasversale hè stata fissata à 10 mm/min. Trè campioni sò stati testati per ogni campione è a media è a deviazione standard sò state calculate da i risultati. Stu studiu s'hè cuncentratu nantu à e proprietà meccaniche di cumpressione di e schiume d'idrogel d'alginatu postu chì u tissutu pulmonariu hè sottumessu à forze di cumpressione in una certa fase di u ciclu respiratoriu. L'estensibilità hè benintesa cruciale, soprattuttu per riflette u cumpurtamentu dinamicu cumpletu di u tissutu pulmonariu è questu serà investigatu in studii futuri.
I campioni di schiuma d'idrogel preparati sò stati scansionati nantu à un scanner CT à dui canali Siemens SOMATOM Drive. I parametri di scansione sò stati stabiliti cusì: 40 mAs, 120 kVp è 1 mm di spessore di fetta. I fugliali DICOM risultanti sò stati analizati cù u software MicroDicom DICOM Viewer per analizà i valori HU di 5 sezioni trasversali di ogni campione. I valori HU ottenuti da CT sò stati paragunati cù calculi teorichi basati nantu à i dati di densità di i campioni.
L'obiettivu di stu studiu hè di rivoluzionà a fabricazione di mudelli d'organi individuali è tessuti biologichi artificiali ingegnerizendu materiali morbidi. U sviluppu di materiali cù proprietà meccaniche è radiologiche chì currispondenu à a meccanica di travagliu di i pulmoni umani hè impurtante per applicazioni mirate cum'è u miglioramentu di a furmazione medica, a pianificazione chirurgica è a pianificazione di a radioterapia. In a Figura 1A, avemu tracciatu a discrepanza trà e proprietà meccaniche è radiologiche di i materiali morbidi presuntamente usati per fabricà mudelli di pulmoni umani. Finu à oghje, sò stati sviluppati materiali chì presentanu e proprietà radiologiche desiderate, ma e so proprietà meccaniche ùn rispondenu micca à i requisiti desiderati. A schiuma di poliuretanu è a gomma sò i materiali più largamente usati per fabricà mudelli di pulmoni umani deformabili. E proprietà meccaniche di a schiuma di poliuretanu (modulu di Young, YM) sò tipicamente da 10 à 100 volte più grande di quelle di u tissutu pulmonariu umanu nurmale. I materiali chì presentanu sia e proprietà meccaniche sia radiologiche desiderate ùn sò ancu cunnisciuti.
(A) Rappresentazione schematica di e proprietà di diversi materiali morbidi è paragone cù u pulmone umanu in termini di densità, modulu di Young è proprietà radiologiche (in HU). (B) Diagramma di diffrazione di raggi X di l'idrogel d'alginatu \(\:\mu\:/\rho\:\) cù una cuncentrazione di 5% è un rapportu molare Ca2+:-COOH di 0,18. (C) Gamma di rapporti di volume d'aria in schiume d'idrogel. (D) Rappresentazione schematica di schiume d'idrogel d'alginatu cù diversi rapporti di volume d'aria.
A cumpusizione elementale di l'idrogel d'alginatu cù una cuncentrazione di 5% è un rapportu molare Ca2+:-COOH di 0,18 hè stata calculata, è i risultati sò mostrati in a Tavula 3. Sicondu a regula d'addizione in a formula precedente (5), u coefficientu d'attenuazione di massa di l'idrogel d'alginatu \(\:\:\mu\:/\rho\:\) hè ottenutu cum'è mostratu in a Figura 1B.
I valori \(\:\mu\:/\rho\:\) per l'aria è l'acqua sò stati ottenuti direttamente da a basa di dati di riferimentu di i standard NIST 12612. Cusì, a Figura 1C mostra i rapporti di volume d'aria calculati in schiume d'idrogel cù valori equivalenti HU trà -600 è -700 per u pulmone umanu. U rapportu di volume d'aria calculatu teoricamente hè stabile trà 60 è 70% in l'intervallu di energia da 1 × 10−3 à 2 × 101 MeV, ciò chì indica un bon putenziale per l'applicazione di schiuma d'idrogel in prucessi di fabricazione à valle.
A Figura 1D mostra u campione di schiuma d'idrogel d'alginatu preparatu. Tutti i campioni sò stati tagliati in cubi cù una lunghezza di u bordu di 12,7 mm. I risultati anu dimustratu chì si hè furmata una schiuma d'idrogel omogenea è tridimensionalmente stabile. Indipendentemente da u rapportu di u vulume d'aria, ùn sò state osservate differenze significative in l'aspettu di e schiume d'idrogel. A natura autosufficiente di a schiuma d'idrogel suggerisce chì a rete furmata in l'idrogel hè abbastanza forte per sustene u pesu di a schiuma stessa. À parte una piccula quantità di perdite d'acqua da a schiuma, a schiuma hà ancu dimustratu una stabilità transitoria per parechje settimane.
Misurendu a massa è u vulume di u campione di schiuma, hè stata calculata a densità di a schiuma d'idrogel preparata \(\:\rho\:\), è i risultati sò mostrati in a Tavula 4. I risultati mostranu a dipendenza di \(\:\rho\:\) da u rapportu di vulume di l'aria. Quandu si mischia abbastanza aria cù 50 ml di u campione, a densità diventa a più bassa è hè 0,482 g/cm3. Quandu a quantità d'aria mischiata diminuisce, a densità aumenta à 0,685 g/cm3. U valore p massimu trà i gruppi di 50 ml, 100 ml è 110 ml era 0,004 < 0,05, ciò chì indica a significatività statistica di i risultati.
U valore teoricu \(\:\rho\:\) hè ancu calculatu aduprendu u rapportu di u vulume d'aria cuntrullatu. I risultati misurati mostranu chì \(\:\rho\:\) hè 0,1 g/cm³ più chjucu chè u valore teoricu. Sta differenza pò esse spiegata da a tensione interna generata in l'idrogel durante u prucessu di gelificazione, chì provoca gonfiore è dunque porta à una diminuzione di \(\:\rho\:\). Questu hè statu ulteriormente cunfirmatu da l'osservazione di alcune lacune in a schiuma di l'idrogel in l'imaghjini CT mostrate in a Figura 2 (A, B è C).
Imagine di microscopia ottica di schiume d'idrogel cù diversi cuntenuti di vulume d'aria (A) 50, (B) 100, è (C) 110. Numeru di cellule è distribuzione di a dimensione di i pori in campioni di schiuma d'idrogel d'alginatu (D) 50, (E) 100, (F) 110.
A Figura 3 (A, B, C) mostra l'imagine di microscopiu otticu di i campioni di schiuma d'idrogel cù diversi rapporti di vulume d'aria. I risultati mostranu a struttura ottica di a schiuma d'idrogel, mustrendu chjaramente l'imagine di i pori cù diversi diametri. A distribuzione di u numeru di pori è di u diametru hè stata calculata cù ImageJ. Sei imagine sò state scattate per ogni campione, ogni imagine avia una dimensione di 1125,27 μm × 843,96 μm, è l'area tutale analizzata per ogni campione era di 5,7 mm².
(A) Cumportamentu di cumpressione stress-strain di schiume d'idrogel d'alginatu cù diversi rapporti di vulume d'aria. (B) Adattamentu esponenziale. (C) Cumpressione E0 di schiume d'idrogel cù diversi rapporti di vulume d'aria. (D) Stress è deformazione di cumpressione massima di schiume d'idrogel d'alginatu cù diversi rapporti di vulume d'aria.
A Figura 3 (D, E, F) mostra chì a distribuzione di a dimensione di i pori hè relativamente uniforme, da decine di micrometri à circa 500 micrometri. A dimensione di i pori hè basicamente uniforme, è diminuisce ligeramente quandu u vulume d'aria diminuisce. Sicondu i dati di prova, a dimensione media di i pori di u campione di 50 ml hè 192,16 μm, a mediana hè 184,51 μm, è u numeru di pori per unità di area hè 103; a dimensione media di i pori di u campione di 100 ml hè 156,62 μm, a mediana hè 151,07 μm, è u numeru di pori per unità di area hè 109; i valori currispondenti di u campione di 110 ml sò 163,07 μm, 150,29 μm è 115, rispettivamente. I dati mostranu chì i pori più grandi anu una maggiore influenza nantu à i risultati statistici di a dimensione media di i pori, è a dimensione mediana di i pori pò riflette megliu a tendenza di cambiamentu di a dimensione di i pori. Quandu u vulume di u campione aumenta da 50 ml à 110 ml, u numeru di pori aumenta ancu. Cumbinendu i risultati statistici di u diametru medianu di i pori è u numeru di pori, si pò cunclude chì cù l'aumentu di u vulume, più pori di dimensioni più chjuche si formanu in u campione.
I dati di e prove meccaniche sò mostrati in e Figure 4A è 4D. A Figura 4A mostra u cumpurtamentu di tensione-deformazione di compressione di e schiume d'idrogel preparate cù diversi rapporti di volume d'aria. I risultati mostranu chì tutti i campioni anu un cumpurtamentu di tensione-deformazione non lineare simile. Per ogni campione, a tensione aumenta più rapidamente cù l'aumentu di a deformazione. Una curva esponenziale hè stata adattata à u cumpurtamentu di tensione-deformazione di compressione di a schiuma d'idrogel. A Figura 4B mostra i risultati dopu avè applicatu a funzione esponenziale cum'è un mudellu apprussimativu à a schiuma d'idrogel.
Per e schiume d'idrogel cù diversi rapporti di vulume d'aria, hè statu ancu studiatu u so modulu di cumpressione (E0). Simile à l'analisi di l'idrogel, u modulu di cumpressione di Young hè statu investigatu in l'intervallu di 20% di deformazione iniziale. I risultati di e prove di cumpressione sò mostrati in a Figura 4C. I risultati in a Figura 4C mostranu chì quandu u rapportu di vulume d'aria diminuisce da u campione 50 à u campione 110, u modulu di cumpressione di Young E0 di a schiuma d'idrogel d'alginatu aumenta da 10,86 kPa à 18 kPa.
In listessu modu, sò state ottenute e curve cumplette di tensione-deformazione di e schiume d'idrogel, è ancu i valori di tensione è deformazione di compressione finali. A Figura 4D mostra a tensione è a deformazione di compressione finali di e schiume d'idrogel d'alginatu. Ogni puntu di dati hè a media di trè risultati di prova. I risultati mostranu chì a tensione di compressione finale aumenta da 9,84 kPa à 17,58 kPa cù a diminuzione di u cuntenutu di gas. A deformazione finale ferma stabile à circa u 38%.
A Figura 2 (A, B, è C) mostra l'imagine CT di schiume d'idrogel cù diversi rapporti di vulume d'aria currispondenti à i campioni 50, 100, è 110, rispettivamente. L'imagine mostranu chì a schiuma d'idrogel furmata hè guasi omogenea. Un picculu numeru di lacune sò state osservate in i campioni 100 è 110. A furmazione di queste lacune pò esse duvuta à a tensione interna generata in l'idrogel durante u prucessu di gelificazione. Avemu calculatu i valori HU per 5 sezioni trasversali di ogni campione è li avemu elencati in a Tavula 5 inseme cù i risultati di calculu teoricu currispondenti.
A Tavula 5 mostra chì i campioni cù diversi rapporti di vulume d'aria anu ottenutu diversi valori HU. U valore p massimu trà i gruppi di 50 ml, 100 ml è 110 ml era 0,004 < 0,05, ciò chì indica a significatività statistica di i risultati. Trà i trè campioni testati, u campione cù 50 ml di mistura avia e proprietà radiologiche più vicine à quelle di i pulmoni umani. L'ultima colonna di a Tavula 5 hè u risultatu ottenutu per calculu teoricu basatu annantu à u valore di schiuma misuratu \(\:\rho\:\). Paragunendu i dati misurati cù i risultati teorichi, si pò truvà chì i valori HU ottenuti da a scansione TC sò generalmente vicini à i risultati teorichi, ciò chì à u so tornu cunfirma i risultati di u calculu di u rapportu di vulume d'aria in a Figura 1C.
L'obiettivu principale di questu studiu hè di creà un materiale cù proprietà meccaniche è radiologiche paragunabili à quelle di i pulmoni umani. Questu obiettivu hè statu ottenutu sviluppendu un materiale à basa di idrogel cù proprietà meccaniche è radiologiche equivalenti à i tessuti, u più vicinu pussibule à quelle di i pulmoni umani. Guidate da calculi teorichi, sò state preparate schiume di idrogel cù diversi rapporti di volume d'aria mischjendu meccanicamente una soluzione di alginato di sodiu, CaCO3, GDL è SLES 70. L'analisi morfologica hà dimustratu chì si hè furmata una schiuma di idrogel tridimensionale omogenea è stabile. Cambiendu u rapportu di u volume d'aria, a densità è a porosità di a schiuma ponu esse variate à vuluntà. Cù l'aumentu di u cuntenutu di u volume d'aria, a dimensione di i pori diminuisce ligeramente è u numeru di pori aumenta. Sò stati realizati testi di compressione per analizà e proprietà meccaniche di e schiume di idrogel d'alginato. I risultati anu dimustratu chì u modulu di compressione (E0) ottenutu da i testi di compressione hè in l'intervallu ideale per i pulmoni umani. E0 aumenta cù a diminuzione di u rapportu di u volume d'aria. I valori di e proprietà radiologiche (HU) di i campioni preparati sò stati ottenuti basendu si nantu à i dati CT di i campioni è paragunati cù i risultati di i calculi teorichi. I risultati sò stati favurevuli. U valore misuratu hè ancu vicinu à u valore HU di i pulmoni umani. I risultati mostranu chì hè pussibule creà schiume d'idrogel chì imitanu i tessuti cù una cumbinazione ideale di proprietà meccaniche è radiologiche chì imitanu e proprietà di i pulmoni umani.
Malgradu i risultati promettenti, i metudi di fabricazione attuali anu bisognu di esse migliurati per cuntrullà megliu u rapportu di u vulume d'aria è a porosità per currisponde à e previsioni di i calculi teorichi è di i pulmoni umani reali à scala glubale è lucale. U studiu attuale hè ancu limitatu à testà a meccanica di cumpressione, ciò chì limita l'applicazione putenziale di u fantocciu à a fase di cumpressione di u ciclu respiratoriu. A ricerca futura beneficerebbe di l'indagine di e prove di trazione è ancu di a stabilità meccanica generale di u materiale per valutà l'applicazioni putenziali in cundizioni di carica dinamica. Malgradu queste limitazioni, u studiu marca u primu tentativu riesciutu di cumbinà e proprietà radiologiche è meccaniche in un unicu materiale chì imita u pulmone umanu.
I datasets generati è/o analizzati durante u studiu attuale sò dispunibili da l'autore currispundente nantu à dumanda raghjonevule. Sia l'esperimenti sia i datasets sò riproducibili.
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