Grazas por visitar nature.com. A versión do navegador que estás a usar ten compatibilidade limitada con CSS. Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que uses a versión máis recente do navegador (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer). Ademais, para garantir a compatibilidade continua, este sitio non incluirá estilos nin JavaScript.
O movemento de órganos e tecidos pode levar a erros no posicionamento dos raios X durante a radioterapia. Polo tanto, necesítanse materiais con propiedades mecánicas e radiolóxicas equivalentes a tecidos para imitar o movemento de órganos para a optimización da radioterapia. Non obstante, o desenvolvemento destes materiais segue a ser un desafío. Os hidrogeles de alxinato teñen propiedades similares ás da matriz extracelular, o que os fai prometedores como materiais equivalentes a tecidos. Neste estudo, sintetizáronse escumas de hidrogele de alxinato con propiedades mecánicas e radiolóxicas desexadas mediante liberación in situ de Ca2+. A relación aire-volume controlouse coidadosamente para obter escumas de hidrogele con propiedades mecánicas e radiolóxicas definidas. Caracterizouse a macro e micromorfoloxía dos materiais e estudouse o comportamento das escumas de hidrogele baixo compresión. As propiedades radiolóxicas estimáronse teoricamente e verificáronse experimentalmente mediante tomografía computarizada. Este estudo arroxa luz sobre o desenvolvemento futuro de materiais equivalentes a tecidos que se poden usar para a optimización da dose de radiación e o control de calidade durante a radioterapia.
A radioterapia é un tratamento común para o cancro1. O movemento de órganos e tecidos adoita levar a erros no posicionamento dos raios X durante a radioterapia2, o que pode provocar un tratamento insuficiente do tumor e unha sobreexposición das células sas circundantes a radiación innecesaria. A capacidade de predicir o movemento de órganos e tecidos é fundamental para minimizar os erros de localización do tumor. Este estudo centrouse nos pulmóns, xa que sofren deformacións e movementos significativos cando os pacientes respiran durante a radioterapia. Desenvolvéronse e aplicáronse varios modelos de elementos finitos para simular o movemento dos pulmóns humanos3,4,5. Non obstante, os órganos e tecidos humanos teñen xeometrías complexas e dependen en gran medida do paciente. Polo tanto, os materiais con propiedades equivalentes aos tecidos son moi útiles para desenvolver modelos físicos para validar modelos teóricos, facilitar un mellor tratamento médico e para fins educativos médicos.
O desenvolvemento de materiais que imiten tecidos brandos para conseguir xeometrías estruturais externas e internas complexas atraeu moita atención debido a que as súas inconsistencias mecánicas inherentes poden levar a fallos nas aplicacións obxectivo6,7. A modelización da complexa biomecánica do tecido pulmonar, que combina unha brandura, elasticidade e porosidade estrutural extremas, supón un desafío significativo no desenvolvemento de modelos que reproduzan con precisión o pulmón humano. A integración e a correspondencia das propiedades mecánicas e radiolóxicas son fundamentais para o rendemento eficaz dos modelos pulmonares en intervencións terapéuticas. A fabricación aditiva demostrou ser eficaz no desenvolvemento de modelos específicos para o paciente, o que permite a prototipación rápida de deseños complexos. Shin et al.8 desenvolveron un modelo de pulmón reproducible e deformable con vías respiratorias impresas en 3D. Haselaar et al.9 desenvolveron un maniquí moi similar a pacientes reais para a avaliación da calidade da imaxe e os métodos de verificación da posición para radioterapia. Hong et al10 desenvolveron un modelo de TC de tórax utilizando impresión 3D e tecnoloxía de fundición de silicona para reproducir a intensidade da TC de diversas lesións pulmonares para avaliar a precisión da cuantificación. Non obstante, estes prototipos adoitan estar feitos de materiais cuxas propiedades efectivas son moi diferentes ás do tecido pulmonar11.
Actualmente, a maioría dos maniquís pulmonares están feitos de silicona ou escuma de poliuretano, que non coinciden coas propiedades mecánicas e radiolóxicas do parénquima pulmonar real.12,13 Os hidrogeles de alxinato son biocompatibles e foron amplamente utilizados na enxeñaría de tecidos debido ás súas propiedades mecánicas axustables.14 Non obstante, reproducir a consistencia ultrasuave e similar á escuma necesaria para un maniquí pulmonar que imite con precisión a elasticidade e a estrutura de recheo do tecido pulmonar segue a ser un reto experimental.
Neste estudo, asumiuse que o tecido pulmonar é un material elástico homoxéneo. A densidade do tecido pulmonar humano (\(\:\rho\:\)) é de 1,06 g/cm3 e a densidade do pulmón inflado é de 0,26 g/cm315. Obtivéronse unha ampla gama de valores de módulo de Young (MY) do tecido pulmonar utilizando diferentes métodos experimentais. Lai-Fook et al. 16 mediron o YM do pulmón humano con inflación uniforme en 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 utilizaron elastografía por resonancia magnética e informaron dun YM de 2,17 kPa. Liu et al. 18 informaron dun YM medido directamente de 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 estimaron o YM en 0,1–2,7 kPa baseándose en datos de TC 4D obtidos de pacientes seleccionados.
Para as propiedades radiolóxicas do pulmón, utilízanse varios parámetros para describir o comportamento de interacción do tecido pulmonar cos raios X, incluíndo a composición elemental, a densidade electrónica (\(\:{\rho\:}_{e}\)), o número atómico efectivo (\(\:{Z}_{eff}\)), a enerxía de excitación media (\(\:I\)), o coeficiente de atenuación de masa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) e a unidade Hounsfield (HU), que está directamente relacionada con \(\:\mu\:/\rho\:\).
A densidade electrónica \(\:{\rho\:}_{e}\) defínese como o número de electróns por unidade de volume e calcúlase do seguinte xeito:
onde \(\:\rho\:\) é a densidade do material en g/cm3, \(\:{N}_{A}\) é a constante de Avogadro, \(\:{w}_{i}\) é a fracción másica, \(\:{Z}_{i}\) é o número atómico e \(\:{A}_{i}\) é o peso atómico do i-ésimo elemento.
O número atómico está directamente relacionado coa natureza da interacción da radiación dentro do material. Para compostos e mesturas que conteñen varios elementos (por exemplo, tecidos), débese calcular o número atómico efectivo \(\:{Z}_{eff}\). A fórmula foi proposta por Murthy et al. 20:
A enerxía de excitación media \(\:I\) describe a facilidade coa que o material obxectivo absorbe a enerxía cinética das partículas penetrantes. Describe só as propiedades do material obxectivo e non ten nada que ver coas propiedades das partículas. \(\:I\) pódese calcular aplicando a regra de aditividade de Bragg:
O coeficiente de atenuación de masa \(\:\mu\:/\rho\:\) describe a penetración e a liberación de enerxía dos fotóns no material obxectivo. Pódese calcular usando a seguinte fórmula:
Onde \(\:x\) é o grosor do material, \(\:{I}_{0}\) é a intensidade da luz incidente e \(\:I\) é a intensidade do fotón despois da penetración no material. Os datos de \(\:\mu\:/\rho\:\) pódense obter directamente da base de datos de referencia de estándares NIST 12621. Os valores de \(\:\mu\:/\rho\:\) para mesturas e compostos pódense derivar usando a regra da aditividade do seguinte xeito:
A HU é unha unidade de medida adimensional estandarizada da radiodensidade na interpretación dos datos da tomografía computarizada (TC), que se transforma linealmente a partir do coeficiente de atenuación medido \(\:\mu\:\). Defínese como:
onde \(\:{\mu\:}_{auga}\) é o coeficiente de atenuación da auga e \(\:{\mu\:}_{aire}\) é o coeficiente de atenuación do aire. Polo tanto, a partir da fórmula (6) vemos que o valor de HU da auga é 0 e o valor de HU do aire é -1000. O valor de HU para os pulmóns humanos oscila entre -600 e -70022.
Desenvolvéronse varios materiais equivalentes a tecidos. Griffith et al.23 desenvolveron un modelo equivalente a tecido do torso humano feito de poliuretano (PU) ao que se lle engadiron diversas concentracións de carbonato de calcio (CaCO3) para simular os coeficientes de atenuación lineal de varios órganos humanos, incluído o pulmón humano, e o modelo chamouse Griffith. Taylor24 presentaron un segundo modelo equivalente a tecido pulmonar desenvolvido polo Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), chamado LLLL1. Traub et al.25 desenvolveron un novo substituto do tecido pulmonar usando Foamex XRS-272 que contiña un 5,25 % de CaCO3 como potenciador do rendemento, que se denominou ALT2. As táboas 1 e 2 mostran unha comparación de \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) e os coeficientes de atenuación de masa para o pulmón humano (ICRU-44) e os modelos equivalentes a tecidos anteriores.
Malia as excelentes propiedades radiolóxicas acadadas, case todos os materiais fantoma están feitos de escuma de poliestireno, o que significa que as propiedades mecánicas destes materiais non se poden aproximar ás dos pulmóns humanos. O módulo de Young (YM) da escuma de poliuretano é duns 500 kPa, o que está lonxe de ser o ideal en comparación cos pulmóns humanos normais (uns 5-10 kPa). Polo tanto, é necesario desenvolver un novo material que poida cumprir as características mecánicas e radiolóxicas dos pulmóns humanos reais.
Os hidroxeles úsanse amplamente na enxeñaría de tecidos. A súa estrutura e propiedades son similares á da matriz extracelular (MEC) e son facilmente axustables. Neste estudo, elixiuse alxinato de sodio puro como biomaterial para a preparación de espumas. Os hidroxeles de alxinato son biocompatibles e úsanse amplamente na enxeñaría de tecidos debido ás súas propiedades mecánicas axustables. A composición elemental do alxinato de sodio (C6H7NaO6)n e a presenza de Ca2+ permiten axustar as súas propiedades radiolóxicas segundo sexa necesario. Esta combinación de propiedades mecánicas e radiolóxicas axustables fai que os hidroxeles de alxinato sexan ideais para o noso estudo. Por suposto, os hidroxeles de alxinato tamén teñen limitacións, especialmente en termos de estabilidade a longo prazo durante os ciclos respiratorios simulados. Polo tanto, necesítanse e espéranse máis melloras en futuros estudos para abordar estas limitacións.
Neste traballo, desenvolvemos un material de escuma de hidrogel de alxinato con valores de rho controlables, elasticidade e propiedades radiolóxicas similares ás do tecido pulmonar humano. Este estudo proporcionará unha solución xeral para fabricar maniquíes semellantes a tecidos con propiedades elásticas e radiolóxicas axustables. As propiedades do material pódense adaptar facilmente a calquera tecido e órgano humano.
A proporción obxectivo de aire en relación co volume da escuma de hidroxel calculouse en función do rango de HU dos pulmóns humanos (de -600 a -700). Asumiuse que a escuma era unha mestura simple de aire e hidroxel de alxinato sintético. Usando unha regra de suma simple de elementos individuais \(\:\mu\:/\rho\:\), puido calcularse a fracción volumétrica de aire e a proporción volumétrica do hidroxel de alxinato sintetizado.
As espumas de hidrogel de alxinato preparáronse empregando alxinato de sodio (nº de peza W201502), CaCO3 (nº de peza 795445, peso molecular: 100,09) e GDL (nº de peza G4750, peso molecular: 178,14) adquiridos a Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. O lauril éter sulfato de sodio (SLES 70) ao 70 % adquiriuse a Renowned Trading LLC. No proceso de preparación da espuma utilizouse auga desionizada. O alxinato de sodio disolveuse en auga desionizada a temperatura ambiente con axitación constante (600 rpm) ata obter unha solución translúcida amarela homoxénea. O CaCO3 en combinación con GDL utilizouse como fonte de Ca2+ para iniciar a xelificación. O SLES 70 utilizouse como surfactante para formar unha estrutura porosa dentro do hidrogel. A concentración de alxinato mantívose ao 5 % e a proporción molar de Ca2+:-COOH en 0,18. A proporción molar de CaCO3:GDL tamén se mantivo en 0,5 durante a preparación da escuma para manter un pH neutro. O valor é de 26. Engadiuse un 2 % en volume de SLES 70 a todas as mostras. Utilizouse un vaso de precipitados con tapa para controlar a proporción de mestura da solución e o aire. O volume total do vaso de precipitados foi de 140 ml. En función dos resultados do cálculo teórico, engadíronse diferentes volumes da mestura (50 ml, 100 ml, 110 ml) ao vaso de precipitados para mesturala co aire. A mostra que contiña 50 ml da mestura deseñouse para mesturarse con aire suficiente, mentres que se controlou a proporción de volume de aire nas outras dúas mostras. Primeiro, engadiuse SLES 70 á solución de alxinato e axitouse cun axitador eléctrico ata que se mesturou completamente. Despois, engadiuse a suspensión de CaCO3 á mestura e axitouse continuamente ata que a mestura estivo completamente mesturada, cando a súa cor cambiou a branca. Finalmente, engadiuse a solución de GDL á mestura para iniciar a xelificación e mantívose a axitación mecánica durante todo o proceso. Para a mostra que contiña 50 ml da mestura, a axitación mecánica detívose cando o volume da mestura deixou de cambiar. Para as mostras que contiñan 100 ml e 110 ml da mestura, a axitación mecánica detívose cando a mestura encheu o vaso de precipitados. Tamén intentamos preparar escumas de hidrogel cun volume entre 50 ml e 100 ml. Non obstante, observouse inestabilidade estrutural da escuma, xa que flutuaba entre o estado de mestura completa do aire e o estado de control do volume de aire, o que resultaba nun control do volume inconsistente. Esta inestabilidade introduciu incerteza nos cálculos e, polo tanto, este rango de volume non se incluíu neste estudo.
A densidade \(\:\rho\:\) dunha escuma de hidroxel calcúlase medindo a masa \(\:m\) e o volume \(\:V\) dunha mostra de escuma de hidroxel.
Obtivéronse imaxes de microscopía óptica de espumas de hidrogel cunha cámara Zeiss Axio Observer A1. Empregouse o software ImageJ para calcular o número e a distribución de tamaño dos poros nunha mostra nunha determinada área baseándose nas imaxes obtidas. Suponse que a forma dos poros é circular.
Para estudar as propiedades mecánicas das escumas de hidrogel de alxinato, realizáronse probas de compresión uniaxial empregando unha máquina TESTRESOURCES da serie 100. As mostras cortáronse en bloques rectangulares e medíronse as dimensións do bloque para calcular as tensións e as deformacións. A velocidade do cabezal transversal axustouse a 10 mm/min. Probáronse tres mostras para cada mostra e calculáronse a media e a desviación estándar a partir dos resultados. Este estudo centrouse nas propiedades mecánicas de compresión das escumas de hidrogel de alxinato, xa que o tecido pulmonar está sometido a forzas de compresión nunha determinada etapa do ciclo respiratorio. A extensibilidade é, por suposto, crucial, especialmente para reflectir o comportamento dinámico completo do tecido pulmonar e isto investigarase en estudos futuros.
As mostras de escuma de hidroxel preparadas foron dixitalizadas nun escáner TC de dobre canle Siemens SOMATOM Drive. Os parámetros de dixitalización establecéronse do seguinte xeito: 40 mAs, 120 kVp e 1 mm de grosor de corte. Os ficheiros DICOM resultantes analizáronse usando o software MicroDicom DICOM Viewer para analizar os valores de HU de 5 seccións transversais de cada mostra. Os valores de HU obtidos por TC comparáronse con cálculos teóricos baseados nos datos de densidade das mostras.
O obxectivo deste estudo é revolucionar a fabricación de modelos de órganos individuais e tecidos biolóxicos artificiais mediante a enxeñaría de materiais brandos. O desenvolvemento de materiais con propiedades mecánicas e radiolóxicas que se axusten á mecánica de funcionamento dos pulmóns humanos é importante para aplicacións específicas como a mellora da formación médica, a planificación cirúrxica e a planificación da radioterapia. Na Figura 1A, representamos gráficamente a discrepancia entre as propiedades mecánicas e radiolóxicas dos materiais brandos supostamente utilizados para fabricar modelos de pulmóns humanos. Ata a data, desenvolvéronse materiais que presentan as propiedades radiolóxicas desexadas, pero as súas propiedades mecánicas non cumpren os requisitos desexados. A escuma de poliuretano e o caucho son os materiais máis utilizados para fabricar modelos de pulmóns humanos deformables. As propiedades mecánicas da escuma de poliuretano (módulo de Young, YM) son normalmente de 10 a 100 veces maiores que as do tecido pulmonar humano normal. Os materiais que presentan as propiedades mecánicas e radiolóxicas desexadas aínda non se coñecen.
(A) Representación esquemática das propiedades de varios materiais brandos e comparación co pulmón humano en termos de densidade, módulo de Young e propiedades radiolóxicas (en HU). (B) Patrón de difracción de raios X do hidroxel de alxinato \(\:\mu\:/\rho\:\) cunha concentración do 5 % e unha proporción molar Ca2+:-COOH de 0,18. (C) Rango de proporcións de volume de aire en escumas de hidroxel. (D) Representación esquemática de escumas de hidroxel de alxinato con diferentes proporcións de volume de aire.
Calculouse a composición elemental de hidroxeles de alxinato cunha concentración do 5 % e unha proporción molar de Ca2+:-COOH de 0,18, e os resultados móstranse na Táboa 3. De acordo coa regra de adición da fórmula anterior (5), o coeficiente de atenuación de masa do hidroxel de alxinato \(\:\:\mu\:/\rho\:\) obtense como se mostra na Figura 1B.
Os valores \(\:\mu\:/\rho\:\) para o aire e a auga obtivéronse directamente da base de datos de referencia de estándares NIST 12612. Polo tanto, a Figura 1C mostra as proporcións de volume de aire calculadas en escumas de hidrogel con valores equivalentes en HU entre -600 e -700 para o pulmón humano. A proporción de volume de aire calculada teoricamente é estable dentro do 60–70 % no rango de enerxía de 1 × 10−3 a 2 × 101 MeV, o que indica un bo potencial para a aplicación da escuma de hidrogel en procesos de fabricación posteriores.
A figura 1D mostra a mostra de escuma de hidrogel de alxinato preparada. Todas as mostras foron cortadas en cubos cunha lonxitude de aresta de 12,7 mm. Os resultados mostraron que se formou unha escuma de hidrogel homoxénea e tridimensionalmente estable. Independentemente da relación de volume de aire, non se observaron diferenzas significativas na aparencia das escumas de hidrogel. A natureza autosuficiente da escuma de hidrogel suxire que a rede formada dentro do hidrogel é o suficientemente forte como para soportar o peso da propia escuma. Ademais dunha pequena cantidade de fugas de auga da escuma, a escuma tamén demostrou estabilidade transitoria durante varias semanas.
Medindo a masa e o volume da mostra de escuma, calculouse a densidade da escuma de hidrogel preparada \(\:\rho\:\), e os resultados móstranse na Táboa 4. Os resultados mostran a dependencia de \(\:\rho\:\) coa relación volumetrica do aire. Cando se mestura suficiente aire con 50 ml da mostra, a densidade é a máis baixa e é de 0,482 g/cm3. A medida que a cantidade de aire mesturado diminúe, a densidade aumenta ata 0,685 g/cm3. O valor p máximo entre os grupos de 50 ml, 100 ml e 110 ml foi de 0,004 < 0,05, o que indica a significación estatística dos resultados.
O valor teórico \(\:\rho\:\) tamén se calcula empregando a relación de volume de aire controlado. Os resultados medidos mostran que \(\:\rho\:\) é 0,1 g/cm³ menor que o valor teórico. Esta diferenza pódese explicar pola tensión interna xerada no hidroxel durante o proceso de xelificación, que provoca inchazo e, polo tanto, leva a unha diminución de \(\:\rho\:\). Isto confirmouse aínda máis coa observación dalgúns ocos dentro da escuma de hidroxel nas imaxes de TC que se mostran na Figura 2 (A, B e C).
Imaxes de microscopía óptica de espumas de hidroxel con diferentes contidos de volume de aire (A) 50, (B) 100 e (C) 110. Número de células e distribución do tamaño dos poros en mostras de espuma de hidroxel de alxinato (D) 50, (E) 100, (F) 110.
A figura 3 (A, B, C) mostra as imaxes de microscopio óptico das mostras de escuma de hidrogel con diferentes proporcións de volume de aire. Os resultados demostran a estrutura óptica da escuma de hidrogel, mostrando claramente as imaxes de poros con diferentes diámetros. A distribución do número de poros e o diámetro calculouse mediante ImageJ. Tomáronse seis imaxes para cada mostra, cada imaxe tiña un tamaño de 1125,27 μm × 843,96 μm, e a área total analizada para cada mostra foi de 5,7 mm².
(A) Comportamento de tensión-deformación compresiva de escumas de hidrogel de alxinato con diferentes proporcións de volume de aire. (B) Axuste exponencial. (C) Compresión E0 de escumas de hidrogel con diferentes proporcións de volume de aire. (D) Tensión e deformación compresiva máximas de escumas de hidrogel de alxinato con diferentes proporcións de volume de aire.
A figura 3 (D, E, F) mostra que a distribución do tamaño dos poros é relativamente uniforme, dende decenas de micrómetros ata uns 500 micrómetros. O tamaño dos poros é basicamente uniforme e diminúe lixeiramente a medida que diminúe o volume de aire. Segundo os datos da proba, o tamaño medio dos poros da mostra de 50 ml é de 192,16 μm, a mediana é de 184,51 μm e o número de poros por unidade de área é de 103; o tamaño medio dos poros da mostra de 100 ml é de 156,62 μm, a mediana é de 151,07 μm e o número de poros por unidade de área é de 109; os valores correspondentes da mostra de 110 ml son 163,07 μm, 150,29 μm e 115, respectivamente. Os datos mostran que os poros máis grandes teñen unha maior influencia nos resultados estatísticos do tamaño medio dos poros e o tamaño medio dos poros pode reflectir mellor a tendencia de cambio do tamaño dos poros. A medida que o volume da mostra aumenta de 50 ml a 110 ml, o número de poros tamén aumenta. Combinando os resultados estatísticos do diámetro medio dos poros e o número de poros, pódese concluír que a medida que aumenta o volume, fórmanse máis poros de menor tamaño dentro da mostra.
Os datos das probas mecánicas móstranse nas figuras 4A e 4D. A figura 4A mostra o comportamento de tensión-deformación compresiva das espumas de hidroxel preparadas con diferentes proporcións de volume de aire. Os resultados amosan que todas as mostras teñen un comportamento de tensión-deformación non lineal similar. Para cada mostra, a tensión aumenta máis rápido ao aumentar a deformación. Axustouse unha curva exponencial ao comportamento de tensión-deformación compresiva da espuma de hidroxel. A figura 4B mostra os resultados despois de aplicar a función exponencial como modelo de aproximación á espuma de hidroxel.
Para as espumas de hidroxel con diferentes proporcións de volume de aire, tamén se estudou o seu módulo de compresión (E0). De xeito similar á análise dos hidroxeles, investigouse o módulo de Young de compresión no rango dunha deformación inicial do 20 %. Os resultados das probas de compresión móstranse na Figura 4C. Os resultados da Figura 4C mostran que a medida que a proporción de volume de aire diminúe da mostra 50 á mostra 110, o módulo de Young de compresión E0 da espuma de hidroxel de alxinato aumenta de 10,86 kPa a 18 kPa.
Do mesmo xeito, obtivéronse as curvas completas de tensión-deformación das escumas de hidroxel, así como os valores máximos de tensión e deformación de compresión. A figura 4D mostra a tensión e a deformación de compresión máximas das escumas de hidroxel de alxinato. Cada punto de datos é a media de tres resultados de probas. Os resultados mostran que a tensión de compresión máxima aumenta de 9,84 kPa a 17,58 kPa ao diminuír o contido de gas. A deformación máxima permanece estable en aproximadamente o 38 %.
A figura 2 (A, B e C) mostra as imaxes de TC de espumas de hidrogel con diferentes proporcións de volume de aire correspondentes ás mostras 50, 100 e 110, respectivamente. As imaxes mostran que a espuma de hidrogel formada é case homoxénea. Observouse un pequeno número de ocos nas mostras 100 e 110. A formación destes ocos pode deberse á tensión interna xerada no hidrogel durante o proceso de xelificación. Calculamos os valores de HU para 5 seccións transversais de cada mostra e enumerámolos na táboa 5 xunto cos resultados de cálculo teóricos correspondentes.
A Táboa 5 mostra que as mostras con diferentes proporcións de volume de aire obtiveron diferentes valores de HU. O valor p máximo entre os grupos de 50 ml, 100 ml e 110 ml foi de 0,004 < 0,05, o que indica a significación estatística dos resultados. Entre as tres mostras analizadas, a mostra con 50 ml de mestura tiña as propiedades radiolóxicas máis próximas ás dos pulmóns humanos. A última columna da Táboa 5 é o resultado obtido mediante cálculo teórico baseado no valor de escuma medido \(\:\rho\:\). Ao comparar os datos medidos cos resultados teóricos, pódese constatar que os valores de HU obtidos mediante tomografía computarizada son xeralmente próximos aos resultados teóricos, o que á súa vez confirma os resultados do cálculo da proporción de volume de aire na Figura 1C.
O obxectivo principal deste estudo é crear un material con propiedades mecánicas e radiolóxicas comparables ás dos pulmóns humanos. Este obxectivo conseguiuse mediante o desenvolvemento dun material baseado en hidroxel con propiedades mecánicas e radiolóxicas equivalentes a tecidos, adaptadas e o máis próximas posible ás dos pulmóns humanos. Guiándose por cálculos teóricos, preparáronse escumas de hidroxel con diferentes proporcións de volume de aire mesturando mecanicamente unha solución de alxinato de sodio, CaCO3, GDL e SLES 70. A análise morfolóxica mostrou que se formaba unha escuma de hidroxel tridimensional homoxénea e estable. Ao cambiar a proporción de volume de aire, a densidade e a porosidade da escuma pódense variar a vontade. Co aumento do contido de volume de aire, o tamaño dos poros diminúe lixeiramente e o número de poros aumenta. Realizáronse probas de compresión para analizar as propiedades mecánicas das escumas de hidroxel de alxinato. Os resultados mostraron que o módulo de compresión (E0) obtido das probas de compresión está no rango ideal para os pulmóns humanos. E0 aumenta a medida que diminúe a proporción de volume de aire. Os valores das propiedades radiolóxicas (HU) das mostras preparadas obtivéronse a partir dos datos de TC das mostras e comparáronse cos resultados dos cálculos teóricos. Os resultados foron favorables. O valor medido tamén é próximo ao valor de HU dos pulmóns humanos. Os resultados mostran que é posible crear escumas de hidroxel que imitan os tecidos cunha combinación ideal de propiedades mecánicas e radiolóxicas que imitan as propiedades dos pulmóns humanos.
A pesar dos resultados prometedores, os métodos de fabricación actuais deben mellorar para controlar mellor a relación do volume de aire e a porosidade e coincidir coas predicións dos cálculos teóricos e dos pulmóns humanos reais tanto a escala global como local. O estudo actual tamén se limita a probar a mecánica da compresión, o que limita a posible aplicación do maniquí á fase de compresión do ciclo respiratorio. As investigacións futuras beneficiaríanse da investigación das probas de tracción, así como da estabilidade mecánica xeral do material, para avaliar as posibles aplicacións en condicións de carga dinámica. A pesar destas limitacións, o estudo supón o primeiro intento exitoso de combinar propiedades radiolóxicas e mecánicas nun só material que imita o pulmón humano.
Os conxuntos de datos xerados e/ou analizados durante o presente estudo están dispoñibles a través do autor correspondente se o solicita de forma razoable. Tanto os experimentos como os conxuntos de datos son reproducibles.
Song, G., et al. Novas nanotecnoloxías e materiais avanzados para a radioterapia do cancro. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ e outros. Informe do Grupo de Traballo 76a da AAPM sobre Xestión do Movemento Respiratorio en Oncoloxía Radioterápica. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J. e Brock, KK. Modelando a interface e as non linealidades materiais no pulmón humano. *Física, Medicina e Bioloxía* 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X. e outros. Modelo de cancro de pulmón de tipo tumoral xerado por bioimpresión 3D. 3. Biotecnoloxía. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelización da deformación pulmonar: un método que combina técnicas de rexistro de imaxes deformables e estimación do módulo de Young espacialmente variable. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Rixidez do tecido vivo e as súas implicacións para a enxeñaría de tecidos. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).