Gràcies per visitar nature.com. La versió del navegador que esteu utilitzant té compatibilitat limitada amb CSS. Per a una millor experiència, us recomanem que utilitzeu la darrera versió del navegador (o que desactiveu el mode de compatibilitat a l'Internet Explorer). A més, per garantir una compatibilitat continuada, aquest lloc no inclourà estils ni JavaScript.
El moviment d'òrgans i teixits pot provocar errors en el posicionament dels raigs X durant la radioteràpia. Per tant, es necessiten materials amb propietats mecàniques i radiològiques equivalents a teixits per imitar el moviment d'òrgans per a l'optimització de la radioteràpia. Tanmateix, el desenvolupament d'aquests materials continua sent un repte. Els hidrogels d'alginat tenen propietats similars a les de la matriu extracel·lular, cosa que els fa prometedors com a materials equivalents a teixits. En aquest estudi, es van sintetitzar escumes d'hidrogel d'alginat amb les propietats mecàniques i radiològiques desitjades mitjançant l'alliberament in situ de Ca2+. La relació aire-volum es va controlar acuradament per obtenir escumes d'hidrogel amb propietats mecàniques i radiològiques definides. Es va caracteritzar la macro i micromorfologia dels materials i es va estudiar el comportament de les escumes d'hidrogel sota compressió. Les propietats radiològiques es van estimar teòricament i es van verificar experimentalment mitjançant tomografia computada. Aquest estudi il·lumina el desenvolupament futur de materials equivalents a teixits que es poden utilitzar per a l'optimització de la dosi de radiació i el control de qualitat durant la radioteràpia.
La radioteràpia és un tractament comú per al càncer1. El moviment d'òrgans i teixits sovint provoca errors en el posicionament dels raigs X durant la radioteràpia2, cosa que pot provocar un tractament insuficient del tumor i una sobreexposició de les cèl·lules sanes circumdants a radiació innecessària. La capacitat de predir el moviment d'òrgans i teixits és fonamental per minimitzar els errors de localització del tumor. Aquest estudi es va centrar en els pulmons, ja que experimenten deformacions i moviments significatius quan els pacients respiren durant la radioteràpia. S'han desenvolupat i aplicat diversos models d'elements finits per simular el moviment dels pulmons humans3,4,5. Tanmateix, els òrgans i teixits humans tenen geometries complexes i depenen molt del pacient. Per tant, els materials amb propietats equivalents als teixits són molt útils per desenvolupar models físics per validar models teòrics, facilitar un millor tractament mèdic i per a fins educatius mèdics.
El desenvolupament de materials que imiten teixits tous per aconseguir geometries estructurals externes i internes complexes ha atret molta atenció perquè les seves inconsistències mecàniques inherents poden provocar fallades en les aplicacions objectiu6,7. La modelització de la complexa biomecànica del teixit pulmonar, que combina una suavitat, elasticitat i porositat estructural extremes, planteja un repte important en el desenvolupament de models que reprodueixin amb precisió el pulmó humà. La integració i la coincidència de les propietats mecàniques i radiològiques són crítiques per al rendiment eficaç dels models pulmonars en intervencions terapèutiques. La fabricació additiva ha demostrat ser eficaç en el desenvolupament de models específics per a pacients, permetent la prototipació ràpida de dissenys complexos. Shin et al. 8 van desenvolupar un model de pulmó reproduïble i deformable amb vies respiratòries impreses en 3D. Haselaar et al. 9 van desenvolupar un maniquí molt similar a pacients reals per a l'avaluació de la qualitat de la imatge i els mètodes de verificació de la posició per a la radioteràpia. Hong et al10 van desenvolupar un model de TC de tòrax mitjançant impressió 3D i tecnologia de fosa de silicona per reproduir la intensitat de la TC de diverses lesions pulmonars per avaluar la precisió de la quantificació. Tanmateix, aquests prototips sovint estan fets de materials les propietats efectives dels quals són molt diferents de les del teixit pulmonar11.
Actualment, la majoria dels maniquís pulmonars estan fets de silicona o escuma de poliuretà, que no coincideixen amb les propietats mecàniques i radiològiques del parènquima pulmonar real.12,13 Els hidrogels d'alginat són biocompatibles i s'han utilitzat àmpliament en enginyeria de teixits a causa de les seves propietats mecàniques ajustables.14 Tanmateix, reproduir la consistència ultrasuau i semblant a l'escuma necessària per a un maniquí pulmonar que imiti amb precisió l'elasticitat i l'estructura d'ompliment del teixit pulmonar continua sent un repte experimental.
En aquest estudi, es va assumir que el teixit pulmonar és un material elàstic homogeni. La densitat del teixit pulmonar humà (\(\:\rho\:\)) s'ha reportat com a 1,06 g/cm3, i la densitat del pulmó inflat és de 0,26 g/cm315. S'ha obtingut una àmplia gamma de valors de mòdul de Young (MY) del teixit pulmonar mitjançant diferents mètodes experimentals. Lai-Fook et al. 16 van mesurar el YM del pulmó humà amb inflació uniforme en 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 van utilitzar elastografia de ressonància magnètica i van reportar un YM de 2,17 kPa. Liu et al. 18 van reportar un YM mesurat directament de 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 van estimar el YM en 0,1–2,7 kPa basant-se en dades de TC 4D obtingudes de pacients seleccionats.
Per a les propietats radiològiques del pulmó, s'utilitzen diversos paràmetres per descriure el comportament d'interacció del teixit pulmonar amb els raigs X, incloent-hi la composició elemental, la densitat d'electrons (\(\:{\rho\:}_{e}\)), el nombre atòmic efectiu (\(\:{Z}_{eff}\)), l'energia d'excitació mitjana (\(\:I\)), el coeficient d'atenuació de massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) i la unitat Hounsfield (HU), que està directament relacionada amb \(\:\mu\:/\rho\:\).
La densitat electrònica \(\:{\rho\:}_{e}\) es defineix com el nombre d'electrons per unitat de volum i es calcula de la manera següent:
on \(\:\rho\:\) és la densitat del material en g/cm3, \(\:{N}_{A}\) és la constant d'Avogadro, \(\:{w}_{i}\) és la fracció màssica, \(\:{Z}_{i}\) és el nombre atòmic i \(\:{A}_{i}\) és el pes atòmic de l'i-èsim element.
El nombre atòmic està directament relacionat amb la naturalesa de la interacció de la radiació dins del material. Per a compostos i mescles que contenen diversos elements (per exemple, teixits), s'ha de calcular el nombre atòmic efectiu \(\:{Z}_{eff}\). La fórmula va ser proposada per Murthy et al. 20:
L'energia d'excitació mitjana \(\:I\) descriu la facilitat amb què el material objectiu absorbeix l'energia cinètica de les partícules penetrants. Només descriu les propietats del material objectiu i no té res a veure amb les propietats de les partícules. \(\:I\) es pot calcular aplicant la regla d'aditivitat de Bragg:
El coeficient d'atenuació de massa \(\:\mu\:/\rho\:\) descriu la penetració i l'alliberament d'energia dels fotons en el material objectiu. Es pot calcular mitjançant la fórmula següent:
On \(\:x\) és el gruix del material, \(\:{I}_{0}\) és la intensitat de la llum incident i \(\:I\) és la intensitat del fotó després de la penetració al material. Les dades de \(\:\mu\:/\rho\:\) es poden obtenir directament de la base de dades de referència d'estàndards NIST 12621. Els valors de \(\:\mu\:/\rho\:\) per a mescles i compostos es poden derivar utilitzant la regla d'additivitat de la manera següent:
La HU és una unitat de mesura adimensional estandarditzada de la radiodensitat en la interpretació de dades de tomografia computada (TC), que es transforma linealment a partir del coeficient d'atenuació mesurat \(\:\mu\:\). Es defineix com:
on \(\:{\mu\:}_{aigua}\) és el coeficient d'atenuació de l'aigua i \(\:{\mu\:}_{aire}\) és el coeficient d'atenuació de l'aire. Per tant, a partir de la fórmula (6) veiem que el valor HU de l'aigua és 0 i el valor HU de l'aire és -1000. El valor HU per als pulmons humans oscil·la entre -600 i -70022.
S'han desenvolupat diversos materials equivalents de teixits. Griffith et al. 23 van desenvolupar un model equivalent de teixit del tors humà fet de poliuretà (PU) al qual es van afegir diverses concentracions de carbonat de calci (CaCO3) per simular els coeficients d'atenuació lineal de diversos òrgans humans, inclòs el pulmó humà, i el model es va anomenar Griffith. Taylor24 va presentar un segon model equivalent de teixit pulmonar desenvolupat pel Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), anomenat LLLL1. Traub et al.25 van desenvolupar un nou substitut de teixit pulmonar utilitzant Foamex XRS-272 que contenia un 5,25% de CaCO3 com a potenciador del rendiment, que es va anomenar ALT2. Les taules 1 i 2 mostren una comparació de \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) i els coeficients d'atenuació de massa per al pulmó humà (ICRU-44) i els models equivalents de teixits anteriors.
Malgrat les excel·lents propietats radiològiques aconseguides, gairebé tots els materials fantoma estan fets d'escuma de poliestirè, la qual cosa significa que les propietats mecàniques d'aquests materials no es poden aproximar a les dels pulmons humans. El mòdul de Young (YM) de l'escuma de poliuretà és d'uns 500 kPa, cosa que està lluny de ser ideal en comparació amb els pulmons humans normals (uns 5-10 kPa). Per tant, cal desenvolupar un nou material que pugui complir les característiques mecàniques i radiològiques dels pulmons humans reals.
Els hidrogels s'utilitzen àmpliament en enginyeria de teixits. La seva estructura i propietats són similars a la matriu extracel·lular (MEC) i són fàcilment ajustables. En aquest estudi, es va escollir alginat de sodi pur com a biomaterial per a la preparació d'escumes. Els hidrogels d'alginat són biocompatibles i s'utilitzen àmpliament en enginyeria de teixits a causa de les seves propietats mecàniques ajustables. La composició elemental de l'alginat de sodi (C6H7NaO6)n i la presència de Ca2+ permeten ajustar les seves propietats radiològiques segons calgui. Aquesta combinació de propietats mecàniques i radiològiques ajustables fa que els hidrogels d'alginat siguin ideals per al nostre estudi. Per descomptat, els hidrogels d'alginat també tenen limitacions, especialment pel que fa a l'estabilitat a llarg termini durant cicles respiratoris simulats. Per tant, calen i s'esperen més millores en futurs estudis per abordar aquestes limitacions.
En aquest treball, hem desenvolupat un material d'escuma d'hidrogel d'alginat amb valors de Rho controlables, elasticitat i propietats radiològiques similars a les del teixit pulmonar humà. Aquest estudi proporcionarà una solució general per a la fabricació de maniquís semblants a teixits amb propietats elàstiques i radiològiques ajustables. Les propietats del material es poden adaptar fàcilment a qualsevol teixit i òrgan humà.
La relació objectiu entre aire i volum de l'escuma d'hidrogel es va calcular basant-se en el rang HU dels pulmons humans (de -600 a -700). Es va assumir que l'escuma era una barreja simple d'aire i hidrogel d'alginat sintètic. Utilitzant una regla d'addició simple d'elements individuals \(\:\mu\:/\rho\:\), es va poder calcular la fracció volumètrica d'aire i la relació volumètrica de l'hidrogel d'alginat sintetitzat.
Les escumes d'hidrogel d'alginat es van preparar utilitzant alginat de sodi (núm. de peça W201502), CaCO3 (núm. de peça 795445, MW: 100,09) i GDL (núm. de peça G4750, MW: 178,14) adquirits a Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. Es va adquirir lauril èter sulfat de sodi (SLES 70) al 70% a Renowned Trading LLC. En el procés de preparació de l'escuma es va utilitzar aigua desionitzada. L'alginat de sodi es va dissoldre en aigua desionitzada a temperatura ambient amb agitació constant (600 rpm) fins que es va obtenir una solució translúcida groga homogènia. El CaCO3 en combinació amb GDL es va utilitzar com a font de Ca2+ per iniciar la gelificació. Es va utilitzar SLES 70 com a tensioactiu per formar una estructura porosa dins de l'hidrogel. La concentració d'alginat es va mantenir al 5% i la relació molar Ca2+:-COOH es va mantenir a 0,18. La proporció molar CaCO3:GDL també es va mantenir a 0,5 durant la preparació de l'escuma per mantenir un pH neutre. El valor és de 26. Es va afegir un 2% en volum de SLES 70 a totes les mostres. Es va utilitzar un vas de precipitats amb tapa per controlar la proporció de barreja de la solució i l'aire. El volum total del vas de precipitats va ser de 140 ml. Basant-se en els resultats del càlcul teòric, es van afegir diferents volums de la barreja (50 ml, 100 ml, 110 ml) al vas de precipitats per barrejar-lo amb aire. La mostra que contenia 50 ml de la barreja es va dissenyar per barrejar-se amb aire suficient, mentre que es va controlar la proporció de volum d'aire a les altres dues mostres. Primer, es va afegir SLES 70 a la solució d'alginat i es va agitar amb un agitador elèctric fins que es va barrejar completament. A continuació, es va afegir la suspensió de CaCO3 a la barreja i es va agitar contínuament fins que la barreja es va barrejar completament, quan el seu color va canviar a blanc. Finalment, es va afegir la solució de GDL a la barreja per iniciar la gelificació i es va mantenir l'agitació mecànica durant tot el procés. Per a la mostra que contenia 50 ml de la mescla, l'agitació mecànica es va aturar quan el volum de la mescla va deixar de canviar. Per a les mostres que contenien 100 ml i 110 ml de la mescla, l'agitació mecànica es va aturar quan la mescla va omplir el vas de precipitats. També vam intentar preparar escumes d'hidrogel amb un volum d'entre 50 ml i 100 ml. Tanmateix, es va observar inestabilitat estructural de l'escuma, ja que fluctuava entre l'estat de barreja completa d'aire i l'estat de control del volum d'aire, cosa que resultava en un control del volum inconsistent. Aquesta inestabilitat va introduir incertesa en els càlculs i, per tant, aquest rang de volum no es va incloure en aquest estudi.
La densitat \(\:\rho\:\) d'una escuma d'hidrogel es calcula mesurant la massa \(\:\m\) i el volum \(\:\V\) d'una mostra d'escuma d'hidrogel.
Les imatges de microscòpia òptica d'escumes d'hidrogel es van obtenir mitjançant una càmera Zeiss Axio Observer A1. El programari ImageJ es va utilitzar per calcular el nombre i la distribució de mida dels porus en una mostra en una determinada àrea basant-se en les imatges obtingudes. Se suposa que la forma dels porus és circular.
Per estudiar les propietats mecàniques de les escumes d'hidrogel d'alginat, es van realitzar proves de compressió uniaxial utilitzant una màquina TESTRESOURCES sèrie 100. Les mostres es van tallar en blocs rectangulars i es van mesurar les dimensions del bloc per calcular les tensions i les deformacions. La velocitat del capçal transversal es va establir en 10 mm/min. Es van provar tres mostres per a cada mostra i es va calcular la mitjana i la desviació estàndard a partir dels resultats. Aquest estudi es va centrar en les propietats mecàniques de compressió de les escumes d'hidrogel d'alginat, ja que el teixit pulmonar està sotmès a forces de compressió en una determinada etapa del cicle respiratori. L'extensibilitat és, per descomptat, crucial, especialment per reflectir el comportament dinàmic complet del teixit pulmonar i això s'investigarà en futurs estudis.
Les mostres d'escuma d'hidrogel preparades es van escanejar en un escàner TC de doble canal Siemens SOMATOM Drive. Els paràmetres d'escaneig es van establir de la manera següent: 40 mAs, 120 kVp i 1 mm de gruix de llesca. Els fitxers DICOM resultants es van analitzar mitjançant el programari MicroDicom DICOM Viewer per analitzar els valors HU de 5 seccions transversals de cada mostra. Els valors HU obtinguts per TC es van comparar amb càlculs teòrics basats en les dades de densitat de les mostres.
L'objectiu d'aquest estudi és revolucionar la fabricació de models d'òrgans individuals i teixits biològics artificials mitjançant l'enginyeria de materials tous. El desenvolupament de materials amb propietats mecàniques i radiològiques que coincideixin amb la mecànica de funcionament dels pulmons humans és important per a aplicacions específiques com ara la millora de la formació mèdica, la planificació quirúrgica i la planificació de la radioteràpia. A la Figura 1A, hem representat gràficament la discrepància entre les propietats mecàniques i radiològiques dels materials tous suposadament utilitzats per fabricar models de pulmó humà. Fins ara, s'han desenvolupat materials que presenten les propietats radiològiques desitjades, però les seves propietats mecàniques no compleixen els requisits desitjats. L'escuma de poliuretà i el cautxú són els materials més utilitzats per fabricar models de pulmó humà deformables. Les propietats mecàniques de l'escuma de poliuretà (mòdul de Young, YM) solen ser de 10 a 100 vegades superiors a les del teixit pulmonar humà normal. Encara no es coneixen els materials que presenten les propietats mecàniques i radiològiques desitjades.
(A) Representació esquemàtica de les propietats de diversos materials tous i comparació amb el pulmó humà en termes de densitat, mòdul de Young i propietats radiològiques (en HU). (B) Patró de difracció de raigs X de l'hidrogel d'alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) amb una concentració del 5% i una relació molar Ca2+:-COOH de 0,18. (C) Rang de relacions de volum d'aire en escumes d'hidrogel. (D) Representació esquemàtica d'escumes d'hidrogel d'alginat amb diferents relacions de volum d'aire.
Es va calcular la composició elemental d'hidrogels d'alginat amb una concentració del 5% i una relació molar Ca2+:-COOH de 0,18, i els resultats es mostren a la Taula 3. Segons la regla d'addició de la fórmula anterior (5), el coeficient d'atenuació de massa de l'hidrogel d'alginat \(\:\:\mu\:/\rho\:\) s'obté tal com es mostra a la Figura 1B.
Els valors \(\:\mu\:/\rho\:\) per a l'aire i l'aigua es van obtenir directament de la base de dades de referència dels estàndards NIST 12612. Així, la Figura 1C mostra les relacions de volum d'aire calculades en escumes d'hidrogel amb valors equivalents en HU entre -600 i -700 per al pulmó humà. La relació de volum d'aire calculada teòricament és estable dins del 60-70% en el rang d'energia d'1 × 10−3 a 2 × 101 MeV, cosa que indica un bon potencial per a l'aplicació de l'escuma d'hidrogel en processos de fabricació posteriors.
La figura 1D mostra la mostra d'escuma d'hidrogel d'alginat preparada. Totes les mostres es van tallar en cubs amb una longitud de vora de 12,7 mm. Els resultats van mostrar que es va formar una escuma d'hidrogel homogènia i tridimensionalment estable. Independentment de la relació de volum d'aire, no es van observar diferències significatives en l'aspecte de les escumes d'hidrogel. La naturalesa autosostenible de l'escuma d'hidrogel suggereix que la xarxa formada dins de l'hidrogel és prou forta per suportar el pes de la pròpia escuma. A part d'una petita quantitat de fuites d'aigua de l'escuma, l'escuma també va demostrar estabilitat transitòria durant diverses setmanes.
Mesurant la massa i el volum de la mostra d'escuma, es va calcular la densitat de l'escuma d'hidrogel preparada \(\:\rho\:\), i els resultats es mostren a la Taula 4. Els resultats mostren la dependència de \(\:\rho\:\) respecte a la relació volumètrica de l'aire. Quan es barreja prou aire amb 50 ml de mostra, la densitat esdevé la més baixa i és de 0,482 g/cm3. A mesura que disminueix la quantitat d'aire barrejat, la densitat augmenta fins a 0,685 g/cm3. El valor p màxim entre els grups de 50 ml, 100 ml i 110 ml va ser de 0,004 < 0,05, cosa que indica la significació estadística dels resultats.
El valor teòric \(\:\rho\:\) també es calcula utilitzant la relació de volum d'aire controlat. Els resultats mesurats mostren que \(\:\rho\:\) és 0,1 g/cm³ més petit que el valor teòric. Aquesta diferència es pot explicar per la tensió interna generada a l'hidrogel durant el procés de gelificació, que provoca inflor i, per tant, condueix a una disminució de \(\:\rho\:\). Això es va confirmar encara més amb l'observació d'alguns espais dins de l'escuma d'hidrogel a les imatges de TC que es mostren a la Figura 2 (A, B i C).
Imatges de microscòpia òptica d'escumes d'hidrogel amb diferents continguts de volum d'aire (A) 50, (B) 100 i (C) 110. Nombre de cèl·lules i distribució de la mida dels porus en mostres d'escuma d'hidrogel d'alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
La figura 3 (A, B, C) mostra les imatges de microscopi òptic de les mostres d'escuma d'hidrogel amb diferents proporcions de volum d'aire. Els resultats mostren l'estructura òptica de l'escuma d'hidrogel, mostrant clarament les imatges de porus amb diferents diàmetres. La distribució del nombre de porus i el diàmetre es va calcular mitjançant ImageJ. Es van prendre sis imatges per a cada mostra, cada imatge tenia una mida de 1125,27 μm × 843,96 μm, i l'àrea total analitzada per a cada mostra va ser de 5,7 mm².
(A) Comportament de compressió tensió-deformació d'escumes d'hidrogel d'alginat amb diferents relacions de volum d'aire. (B) Ajust exponencial. (C) Compressió E0 d'escumes d'hidrogel amb diferents relacions de volum d'aire. (D) Tensió i deformació compressives últimes d'escumes d'hidrogel d'alginat amb diferents relacions de volum d'aire.
La figura 3 (D, E, F) mostra que la distribució de la mida dels porus és relativament uniforme, que va des de desenes de micròmetres fins a uns 500 micròmetres. La mida dels porus és bàsicament uniforme i disminueix lleugerament a mesura que disminueix el volum d'aire. Segons les dades de la prova, la mida mitjana dels porus de la mostra de 50 ml és de 192,16 μm, la mediana és de 184,51 μm i el nombre de porus per unitat de superfície és de 103; la mida mitjana dels porus de la mostra de 100 ml és de 156,62 μm, la mediana és de 151,07 μm i el nombre de porus per unitat de superfície és de 109; els valors corresponents de la mostra de 110 ml són 163,07 μm, 150,29 μm i 115, respectivament. Les dades mostren que els porus més grans tenen una major influència en els resultats estadístics de la mida mitjana dels porus, i la mida mitjana dels porus pot reflectir millor la tendència de canvi de la mida dels porus. A mesura que el volum de la mostra augmenta de 50 ml a 110 ml, el nombre de porus també augmenta. Combinant els resultats estadístics del diàmetre mitjà dels porus i el nombre de porus, es pot concloure que a mesura que augmenta el volum, es formen més porus de mida més petita dins de la mostra.
Les dades de les proves mecàniques es mostren a les figures 4A i 4D. La figura 4A mostra el comportament compressiu d'esforç i deformació de les escumes d'hidrogel preparades amb diferents relacions de volum d'aire. Els resultats mostren que totes les mostres tenen un comportament compressiu no lineal similar. Per a cada mostra, l'esforç augmenta més ràpidament a mesura que augmenta la deformació. Es va ajustar una corba exponencial al comportament compressiu d'esforç i deformació de l'escuma d'hidrogel. La figura 4B mostra els resultats després d'aplicar la funció exponencial com a model aproximat a l'escuma d'hidrogel.
Per a les escumes d'hidrogel amb diferents relacions de volum d'aire, també es va estudiar el seu mòdul de compressió (E0). De manera similar a l'anàlisi dels hidrogels, es va investigar el mòdul de Young de compressió en el rang de deformació inicial del 20%. Els resultats de les proves de compressió es mostren a la Figura 4C. Els resultats de la Figura 4C mostren que a mesura que la relació de volum d'aire disminueix de la mostra 50 a la mostra 110, el mòdul de Young de compressió E0 de l'escuma d'hidrogel d'alginat augmenta de 10,86 kPa a 18 kPa.
De la mateixa manera, es van obtenir les corbes completes de tensió-deformació de les escumes d'hidrogel, així com els valors últimes de tensió i deformació compressiva. La figura 4D mostra la tensió i la deformació compressiva de les escumes d'hidrogel d'alginat. Cada punt de dades és la mitjana de tres resultats de proves. Els resultats mostren que la tensió compressiva última augmenta de 9,84 kPa a 17,58 kPa amb la disminució del contingut de gas. La deformació última es manté estable al voltant del 38%.
La figura 2 (A, B i C) mostra les imatges de TC d'escumes d'hidrogel amb diferents relacions de volum d'aire corresponents a les mostres 50, 100 i 110, respectivament. Les imatges mostren que l'escuma d'hidrogel formada és gairebé homogènia. Es va observar un petit nombre de buits a les mostres 100 i 110. La formació d'aquests buits pot ser deguda a la tensió interna generada a l'hidrogel durant el procés de gelificació. Vam calcular els valors de HU per a 5 seccions transversals de cada mostra i els vam enumerar a la Taula 5 juntament amb els resultats de càlcul teòric corresponents.
La Taula 5 mostra que les mostres amb diferents relacions de volum d'aire van obtenir diferents valors d'HU. El valor p màxim entre els grups de 50 ml, 100 ml i 110 ml va ser de 0,004 < 0,05, cosa que indica la significació estadística dels resultats. Entre les tres mostres analitzades, la mostra amb 50 ml de barreja tenia les propietats radiològiques més properes a les dels pulmons humans. L'última columna de la Taula 5 és el resultat obtingut mitjançant càlcul teòric basat en el valor d'escuma mesurat \(\:\rho\:\). En comparar les dades mesurades amb els resultats teòrics, es pot trobar que els valors d'HU obtinguts mitjançant TC són generalment propers als resultats teòrics, cosa que al seu torn confirma els resultats del càlcul de la relació de volum d'aire de la Figura 1C.
L'objectiu principal d'aquest estudi és crear un material amb propietats mecàniques i radiològiques comparables a les dels pulmons humans. Aquest objectiu s'ha aconseguit desenvolupant un material basat en hidrogel amb propietats mecàniques i radiològiques equivalents a teixits que s'assemblin el màxim possible a les dels pulmons humans. Guiats per càlculs teòrics, es van preparar escumes d'hidrogel amb diferents relacions de volum d'aire barrejant mecànicament una solució d'alginat de sodi, CaCO3, GDL i SLES 70. L'anàlisi morfològica va mostrar que es formava una escuma d'hidrogel tridimensional homogènia i estable. En canviar la relació de volum d'aire, la densitat i la porositat de l'escuma es poden variar a voluntat. Amb l'augment del contingut de volum d'aire, la mida dels porus disminueix lleugerament i el nombre de porus augmenta. Es van dur a terme proves de compressió per analitzar les propietats mecàniques de les escumes d'hidrogel d'alginat. Els resultats van mostrar que el mòdul de compressió (E0) obtingut de les proves de compressió es troba en el rang ideal per als pulmons humans. E0 augmenta a mesura que disminueix la relació de volum d'aire. Els valors de les propietats radiològiques (HU) de les mostres preparades es van obtenir a partir de les dades de TC de les mostres i es van comparar amb els resultats dels càlculs teòrics. Els resultats van ser favorables. El valor mesurat també s'acosta al valor HU dels pulmons humans. Els resultats mostren que és possible crear escumes d'hidrogel que imiten teixits amb una combinació ideal de propietats mecàniques i radiològiques que imiten les propietats dels pulmons humans.
Malgrat els resultats prometedors, cal millorar els mètodes de fabricació actuals per controlar millor la relació del volum d'aire i la porositat per tal que coincideixin amb les prediccions dels càlculs teòrics i els pulmons humans reals tant a escala global com local. L'estudi actual també es limita a provar la mecànica de la compressió, cosa que limita l'aplicació potencial del maniquí a la fase de compressió del cicle respiratori. Les futures investigacions es beneficiarien d'investigar les proves de tracció, així com l'estabilitat mecànica general del material, per avaluar les possibles aplicacions en condicions de càrrega dinàmiques. Malgrat aquestes limitacions, l'estudi marca el primer intent reeixit de combinar propietats radiològiques i mecàniques en un sol material que imita el pulmó humà.
Els conjunts de dades generats i/o analitzats durant l'estudi actual estan disponibles a través de l'autor corresponent si es sol·licita raonablement. Tant els experiments com els conjunts de dades són reproduïbles.
Song, G., et al. Noves nanotecnologies i materials avançats per a la radioteràpia del càncer. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Informe del grup de treball AAPM 76a sobre gestió del moviment respiratori en oncologia radioteràpica. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., i Brock, KK. Modelització de la interfície i les no linealitats materials en el pulmó humà. Física, Medicina i Biologia 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Model de càncer de pulmó semblant a un tumor generat per bioimpressió 3D. 3. Biotecnologia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modelització de la deformació pulmonar: un mètode que combina tècniques de registre d'imatges deformables i estimació del mòdul de Young amb variació espacial. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Rigidesa del teixit viu i les seves implicacions per a l'enginyeria de teixits. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).