Cảm ơn bạn đã truy cập nature.com. Phiên bản trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng phiên bản trình duyệt mới nhất (hoặc tắt chế độ tương thích trong Internet Explorer). Ngoài ra, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, trang web này sẽ không bao gồm các kiểu định dạng hoặc JavaScript.
Sự chuyển động của các cơ quan và mô có thể dẫn đến sai sót trong việc định vị tia X trong quá trình xạ trị. Do đó, cần có các vật liệu có tính chất cơ học và phóng xạ tương đương với mô để mô phỏng sự chuyển động của các cơ quan nhằm tối ưu hóa xạ trị. Tuy nhiên, việc phát triển các vật liệu như vậy vẫn còn là một thách thức. Hydrogel alginate có các đặc tính tương tự như chất nền ngoại bào, khiến chúng trở nên đầy hứa hẹn như là vật liệu tương đương với mô. Trong nghiên cứu này, bọt hydrogel alginate với các đặc tính cơ học và phóng xạ mong muốn đã được tổng hợp bằng phương pháp giải phóng Ca2+ tại chỗ. Tỷ lệ không khí trên thể tích được kiểm soát cẩn thận để thu được bọt hydrogel với các đặc tính cơ học và phóng xạ xác định. Hình thái vĩ mô và vi mô của vật liệu đã được đặc trưng hóa, và hành vi của bọt hydrogel dưới tác dụng nén đã được nghiên cứu. Các đặc tính phóng xạ được ước tính về mặt lý thuyết và được kiểm chứng thực nghiệm bằng cách sử dụng chụp cắt lớp vi tính. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển trong tương lai của các vật liệu tương đương với mô có thể được sử dụng để tối ưu hóa liều lượng bức xạ và kiểm soát chất lượng trong quá trình xạ trị.
Xạ trị là một phương pháp điều trị ung thư phổ biến¹. Sự chuyển động của các cơ quan và mô thường dẫn đến sai sót trong việc định vị tia X trong quá trình xạ trị², có thể dẫn đến việc điều trị không đầy đủ khối u và làm cho các tế bào khỏe mạnh xung quanh bị phơi nhiễm bức xạ không cần thiết. Khả năng dự đoán sự chuyển động của các cơ quan và mô là rất quan trọng để giảm thiểu sai sót trong việc định vị khối u. Nghiên cứu này tập trung vào phổi, vì chúng trải qua những biến dạng và chuyển động đáng kể khi bệnh nhân thở trong quá trình xạ trị. Nhiều mô hình phần tử hữu hạn đã được phát triển và áp dụng để mô phỏng chuyển động của phổi người^3,4,5. Tuy nhiên, các cơ quan và mô của con người có hình dạng phức tạp và phụ thuộc rất nhiều vào từng bệnh nhân. Do đó, các vật liệu có tính chất tương đương mô rất hữu ích để phát triển các mô hình vật lý nhằm xác thực các mô hình lý thuyết, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cải thiện điều trị y tế và phục vụ mục đích giáo dục y khoa.
Việc phát triển các vật liệu mô phỏng mô mềm để đạt được các hình dạng cấu trúc bên ngoài và bên trong phức tạp đã thu hút nhiều sự chú ý vì những bất nhất quán cơ học vốn có của chúng có thể dẫn đến thất bại trong các ứng dụng mục tiêu6,7. Mô hình hóa cơ sinh học phức tạp của mô phổi, kết hợp độ mềm, độ đàn hồi và độ xốp cấu trúc cực độ, đặt ra một thách thức đáng kể trong việc phát triển các mô hình tái tạo chính xác phổi người. Sự tích hợp và phù hợp các đặc tính cơ học và phóng xạ là rất quan trọng đối với hiệu quả hoạt động của các mô hình phổi trong các can thiệp điều trị. Sản xuất bồi đắp đã được chứng minh là hiệu quả trong việc phát triển các mô hình dành riêng cho bệnh nhân, cho phép tạo mẫu nhanh các thiết kế phức tạp. Shin et al. 8 đã phát triển một mô hình phổi có thể tái tạo, biến dạng được với đường thở được in 3D. Haselaar et al. 9 đã phát triển một mô hình giả rất giống với bệnh nhân thực để đánh giá chất lượng hình ảnh và các phương pháp xác minh vị trí cho xạ trị. Hong et al10 đã phát triển một mô hình CT ngực bằng cách sử dụng công nghệ in 3D và đúc silicon để tái tạo cường độ CT của các tổn thương phổi khác nhau nhằm đánh giá độ chính xác của định lượng. Tuy nhiên, những nguyên mẫu này thường được làm từ các vật liệu có đặc tính hiệu quả rất khác so với mô phổi11.
Hiện nay, hầu hết các mô hình phổi nhân tạo được làm từ silicon hoặc bọt polyurethane, không phù hợp với các đặc tính cơ học và phóng xạ của nhu mô phổi thật.12,13 Hydrogel alginate có khả năng tương thích sinh học và đã được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật mô do các đặc tính cơ học có thể điều chỉnh được của chúng.14 Tuy nhiên, việc tái tạo độ mềm mại, giống như bọt cần thiết cho một mô hình phổi nhân tạo bắt chước chính xác độ đàn hồi và cấu trúc lấp đầy của mô phổi vẫn là một thách thức thực nghiệm.
Trong nghiên cứu này, người ta giả định rằng mô phổi là một vật liệu đàn hồi đồng nhất. Mật độ của mô phổi người (ρ) được báo cáo là 1,06 g/cm³ và mật độ của phổi được bơm căng là 0,26 g/cm³¹⁵. Một loạt các giá trị mô đun Young (MY) của mô phổi đã được thu được bằng các phương pháp thực nghiệm khác nhau. Lai-Fook et al. ¹⁶ đã đo YM của phổi người khi được bơm căng đồng đều là 0,42–6,72 kPa. Goss et al. ¹⁷ đã sử dụng phương pháp đo độ đàn hồi cộng hưởng từ và báo cáo YM là 2,17 kPa. Liu et al. ¹⁸ đã báo cáo YM được đo trực tiếp là 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. ¹⁹ ước tính YM là 0,1–2,7 kPa dựa trên dữ liệu CT 4D thu được từ các bệnh nhân được chọn.
Đối với các đặc tính phóng xạ của phổi, một số thông số được sử dụng để mô tả hành vi tương tác của mô phổi với tia X, bao gồm thành phần nguyên tố, mật độ electron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), số nguyên tử hiệu dụng (\(\:{Z}_{eff}\)), năng lượng kích thích trung bình (\(\:I\)), hệ số suy giảm khối lượng (\(\:\mu\:/\rho\:\)) và đơn vị Hounsfield (HU), có liên quan trực tiếp đến \(\:\mu\:/\rho\:\).
Mật độ electron \(\:{\rho\:}_{e}\) được định nghĩa là số lượng electron trên một đơn vị thể tích và được tính như sau:
trong đó \(\:\rho\:\) là mật độ của vật liệu tính bằng g/cm3, \(\:{N}_{A}\) là hằng số Avogadro, \(\:{w}_{i}\) là phần trăm khối lượng, \(\:{Z}_{i}\) là số hiệu nguyên tử, và \(\:{A}_{i}\) là khối lượng nguyên tử của nguyên tố thứ i.
Số nguyên tử có liên quan trực tiếp đến bản chất của tương tác bức xạ bên trong vật liệu. Đối với các hợp chất và hỗn hợp chứa nhiều nguyên tố (ví dụ: vải), số nguyên tử hiệu dụng \(\:{Z}_{eff}\) phải được tính toán. Công thức này được đề xuất bởi Murthy et al. 20:
Năng lượng kích thích trung bình \(\:I\) mô tả mức độ dễ dàng mà vật liệu đích hấp thụ động năng của các hạt xuyên thấu. Nó chỉ mô tả các đặc tính của vật liệu đích và không liên quan gì đến các đặc tính của các hạt. \(\:I\) có thể được tính toán bằng cách áp dụng quy tắc cộng Bragg:
Hệ số suy giảm khối lượng \(\:\mu\:/\rho\:\) mô tả sự xuyên thấu và giải phóng năng lượng của photon trong vật liệu đích. Nó có thể được tính toán bằng công thức sau:
Trong đó \(\:x\) là độ dày của vật liệu, \(\:{I}_{0}\) là cường độ ánh sáng tới, và \(\:I\) là cường độ photon sau khi xuyên qua vật liệu. Dữ liệu \(\:\mu\:/\rho\:\) có thể được lấy trực tiếp từ Cơ sở dữ liệu tham chiếu tiêu chuẩn NIST 12621. Giá trị \(\:\mu\:/\rho\:\) cho hỗn hợp và hợp chất có thể được suy ra bằng cách sử dụng quy tắc cộng tính như sau:
HU là đơn vị đo không thứ nguyên tiêu chuẩn của mật độ phóng xạ trong việc diễn giải dữ liệu chụp cắt lớp vi tính (CT), được chuyển đổi tuyến tính từ hệ số suy giảm đo được \(\:\mu\:\). Nó được định nghĩa như sau:
trong đó \(\:{\mu\:}_{water}\) là hệ số suy giảm của nước và \(\:{\mu\:}_{air}\) là hệ số suy giảm của không khí. Do đó, từ công thức (6) ta thấy giá trị HU của nước là 0 và giá trị HU của không khí là -1000. Giá trị HU của phổi người nằm trong khoảng từ -600 đến -70022.
Một số vật liệu tương đương mô đã được phát triển. Griffith và cộng sự 23 đã phát triển một mô hình tương đương mô của thân người làm bằng polyurethane (PU) mà trong đó có thêm các nồng độ canxi cacbonat (CaCO3) khác nhau để mô phỏng hệ số suy giảm tuyến tính của các cơ quan khác nhau của con người, bao gồm cả phổi người, và mô hình này được đặt tên là Griffith. Taylor24 đã trình bày một mô hình tương đương mô phổi thứ hai được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL), được đặt tên là LLLL1. Traub và cộng sự 25 đã phát triển một chất thay thế mô phổi mới sử dụng Foamex XRS-272 chứa 5,25% CaCO3 làm chất tăng cường hiệu suất, được đặt tên là ALT2. Bảng 1 và 2 cho thấy sự so sánh của \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) và hệ số suy giảm khối lượng của phổi người (ICRU-44) và các mô hình tương đương mô nêu trên.
Mặc dù đạt được các đặc tính phóng xạ tuyệt vời, hầu hết các vật liệu mô phỏng đều được làm từ bọt polystyrene, điều này có nghĩa là các đặc tính cơ học của các vật liệu này không thể sánh được với phổi người. Mô đun Young (YM) của bọt polyurethane khoảng 500 kPa, còn xa so với phổi người bình thường (khoảng 5-10 kPa). Do đó, cần phải phát triển một vật liệu mới có thể đáp ứng các đặc tính cơ học và phóng xạ của phổi người thật.
Hydrogel được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật mô. Cấu trúc và tính chất của chúng tương tự như chất nền ngoại bào (ECM) và dễ dàng điều chỉnh. Trong nghiên cứu này, natri alginat tinh khiết được chọn làm vật liệu sinh học để chế tạo bọt. Hydrogel alginat có khả năng tương thích sinh học và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật mô nhờ các đặc tính cơ học có thể điều chỉnh được. Thành phần nguyên tố của natri alginat (C6H7NaO6)n và sự hiện diện của Ca2+ cho phép điều chỉnh các đặc tính phóng xạ của nó theo nhu cầu. Sự kết hợp giữa các đặc tính cơ học và phóng xạ có thể điều chỉnh này làm cho hydrogel alginat trở nên lý tưởng cho nghiên cứu của chúng tôi. Tất nhiên, hydrogel alginat cũng có những hạn chế, đặc biệt là về độ ổn định lâu dài trong các chu kỳ hô hấp mô phỏng. Do đó, cần có những cải tiến hơn nữa và dự kiến ​​sẽ có trong các nghiên cứu tương lai để giải quyết những hạn chế này.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát triển một vật liệu xốp hydrogel alginate với các giá trị rho, độ đàn hồi và đặc tính phóng xạ có thể điều chỉnh được, tương tự như mô phổi người. Nghiên cứu này sẽ cung cấp một giải pháp tổng quát để chế tạo các mô hình giả giống mô với các đặc tính đàn hồi và phóng xạ có thể điều chỉnh được. Các đặc tính vật liệu có thể dễ dàng được điều chỉnh cho phù hợp với bất kỳ mô và cơ quan nào của con người.
Tỷ lệ thể tích không khí mục tiêu của bọt hydrogel được tính toán dựa trên phạm vi HU của phổi người (-600 đến -700). Giả định rằng bọt là hỗn hợp đơn giản của không khí và hydrogel alginate tổng hợp. Sử dụng quy tắc cộng đơn giản của các phần tử riêng lẻ \(\:\mu\:/\rho\:\), có thể tính toán được tỷ lệ thể tích của không khí và tỷ lệ thể tích của hydrogel alginate tổng hợp.
Các bọt hydrogel alginate được điều chế bằng cách sử dụng natri alginate (Mã số W201502), CaCO3 (Mã số 795445, Khối lượng phân tử: 100,09) và GDL (Mã số G4750, Khối lượng phân tử: 178,14) mua từ Công ty Sigma-Aldrich, St. Louis, MO. Natri Lauryl Ether Sulfate 70% (SLES 70) được mua từ Renowned Trading LLC. Nước khử ion được sử dụng trong quá trình điều chế bọt. Natri alginate được hòa tan trong nước khử ion ở nhiệt độ phòng với khuấy liên tục (600 vòng/phút) cho đến khi thu được dung dịch màu vàng trong suốt đồng nhất. CaCO3 kết hợp với GDL được sử dụng làm nguồn Ca2+ để khởi đầu quá trình tạo gel. SLES 70 được sử dụng làm chất hoạt động bề mặt để tạo cấu trúc xốp bên trong hydrogel. Nồng độ alginate được duy trì ở mức 5% và tỷ lệ mol Ca2+:-COOH được duy trì ở mức 0,18. Tỷ lệ mol CaCO3:GDL cũng được duy trì ở mức 0,5 trong quá trình chuẩn bị bọt để giữ pH trung tính. Giá trị là 26,2% theo thể tích. SLES 70 được thêm vào tất cả các mẫu. Một cốc có nắp đậy được sử dụng để kiểm soát tỷ lệ trộn giữa dung dịch và không khí. Tổng thể tích của cốc là 140 ml. Dựa trên kết quả tính toán lý thuyết, các thể tích hỗn hợp khác nhau (50 ml, 100 ml, 110 ml) được thêm vào cốc để trộn với không khí. Mẫu chứa 50 ml hỗn hợp được thiết kế để trộn với lượng không khí vừa đủ, trong khi tỷ lệ thể tích không khí trong hai mẫu còn lại được kiểm soát. Đầu tiên, SLES 70 được thêm vào dung dịch alginate và khuấy bằng máy khuấy điện cho đến khi trộn đều hoàn toàn. Sau đó, huyền phù CaCO3 được thêm vào hỗn hợp và khuấy liên tục cho đến khi hỗn hợp trộn đều hoàn toàn, khi đó màu của nó chuyển sang màu trắng. Cuối cùng, dung dịch GDL được thêm vào hỗn hợp để bắt đầu quá trình tạo gel, và khuấy cơ học được duy trì trong suốt quá trình. Đối với mẫu chứa 50 ml hỗn hợp, quá trình khuấy cơ học được dừng lại khi thể tích hỗn hợp ngừng thay đổi. Đối với các mẫu chứa 100 ml và 110 ml hỗn hợp, quá trình khuấy cơ học được dừng lại khi hỗn hợp đầy cốc. Chúng tôi cũng đã thử chuẩn bị bọt hydrogel với thể tích từ 50 ml đến 100 ml. Tuy nhiên, sự không ổn định về cấu trúc của bọt đã được quan sát thấy, vì nó dao động giữa trạng thái trộn đều không khí và trạng thái kiểm soát thể tích không khí, dẫn đến việc kiểm soát thể tích không nhất quán. Sự không ổn định này gây ra sự không chắc chắn trong các phép tính, và do đó phạm vi thể tích này không được đưa vào nghiên cứu này.
Mật độ \(\:\rho\:\) của bọt hydrogel được tính bằng cách đo khối lượng \(\:m\) và thể tích \(\:V\) của mẫu bọt hydrogel.
Ảnh hiển vi quang học của bọt hydrogel được thu thập bằng máy ảnh Zeiss Axio Observer A1. Phần mềm ImageJ được sử dụng để tính toán số lượng và phân bố kích thước lỗ xốp trong mẫu ở một khu vực nhất định dựa trên các hình ảnh thu được. Hình dạng lỗ xốp được giả định là hình tròn.
Để nghiên cứu các tính chất cơ học của bọt hydrogel alginate, các thử nghiệm nén đơn trục đã được thực hiện bằng máy TESTRESOURCES dòng 100. Các mẫu được cắt thành các khối hình chữ nhật và kích thước khối được đo để tính toán ứng suất và biến dạng. Tốc độ đầu kẹp được đặt ở mức 10 mm/phút. Ba mẫu được thử nghiệm cho mỗi loại vật liệu và giá trị trung bình cùng độ lệch chuẩn được tính toán từ kết quả. Nghiên cứu này tập trung vào các tính chất cơ học nén của bọt hydrogel alginate vì mô phổi chịu lực nén ở một giai đoạn nhất định của chu kỳ hô hấp. Khả năng giãn nở tất nhiên là rất quan trọng, đặc biệt là để phản ánh đầy đủ hành vi động học của mô phổi và điều này sẽ được nghiên cứu trong các nghiên cứu tiếp theo.
Các mẫu bọt hydrogel đã chuẩn bị được quét trên máy quét CT hai kênh Siemens SOMATOM Drive. Các thông số quét được thiết lập như sau: 40 mAs, 120 kVp và độ dày lát cắt 1 mm. Các tệp DICOM thu được đã được phân tích bằng phần mềm MicroDicom DICOM Viewer để phân tích giá trị HU của 5 mặt cắt ngang của mỗi mẫu. Các giá trị HU thu được bằng CT được so sánh với các tính toán lý thuyết dựa trên dữ liệu mật độ của các mẫu.
Mục tiêu của nghiên cứu này là cách mạng hóa việc chế tạo các mô hình cơ quan riêng lẻ và mô sinh học nhân tạo bằng cách kỹ thuật hóa các vật liệu mềm. Việc phát triển các vật liệu có tính chất cơ học và phóng xạ phù hợp với cơ chế hoạt động của phổi người là rất quan trọng đối với các ứng dụng cụ thể như cải thiện đào tạo y khoa, lập kế hoạch phẫu thuật và lập kế hoạch xạ trị. Trong Hình 1A, chúng tôi đã biểu diễn sự khác biệt giữa các tính chất cơ học và phóng xạ của các vật liệu mềm được cho là dùng để chế tạo mô hình phổi người. Cho đến nay, đã có những vật liệu được phát triển thể hiện các tính chất phóng xạ mong muốn, nhưng các tính chất cơ học của chúng lại không đáp ứng được yêu cầu. Bọt polyurethane và cao su là những vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để chế tạo các mô hình phổi người có thể biến dạng. Các tính chất cơ học của bọt polyurethane (modulus Young, YM) thường lớn hơn từ 10 đến 100 lần so với mô phổi người bình thường. Các vật liệu thể hiện cả tính chất cơ học và phóng xạ mong muốn vẫn chưa được biết đến.
(A) Sơ đồ mô tả các đặc tính của các vật liệu mềm khác nhau và so sánh với phổi người về mật độ, mô đun Young và các đặc tính phóng xạ (đơn vị HU). (B) Mẫu nhiễu xạ tia X của hydrogel alginate \(\:\mu\:/\rho\:\) với nồng độ 5% và tỷ lệ mol Ca2+:-COOH là 0,18. (C) Phạm vi tỷ lệ thể tích không khí trong bọt hydrogel. (D) Sơ đồ mô tả bọt hydrogel alginate với các tỷ lệ thể tích không khí khác nhau.
Thành phần nguyên tố của hydrogel alginate với nồng độ 5% và tỷ lệ mol Ca2+:-COOH là 0,18 đã được tính toán và kết quả được thể hiện trong Bảng 3. Theo quy tắc cộng trong công thức trước đó (5), hệ số suy giảm khối lượng của hydrogel alginate \(\:\:\mu\:/\rho\:\) được thu được như thể hiện trong Hình 1B.
Các giá trị \(\:\mu\:/\rho\:\) ​​cho không khí và nước được lấy trực tiếp từ cơ sở dữ liệu tham chiếu tiêu chuẩn NIST 12612. Do đó, Hình 1C cho thấy tỷ lệ thể tích không khí được tính toán trong bọt hydrogel với các giá trị tương đương HU ​​nằm trong khoảng từ -600 đến -700 đối với phổi người. Tỷ lệ thể tích không khí được tính toán theo lý thuyết ổn định trong khoảng 60–70% trong phạm vi năng lượng từ 1 × 10−3 đến 2 × 101 MeV, cho thấy tiềm năng tốt cho việc ứng dụng bọt hydrogel trong các quy trình sản xuất tiếp theo.
Hình 1D cho thấy mẫu bọt hydrogel alginate đã được chuẩn bị. Tất cả các mẫu đều được cắt thành hình lập phương với cạnh dài 12,7 mm. Kết quả cho thấy một bọt hydrogel đồng nhất, ổn định ba chiều đã được hình thành. Bất kể tỷ lệ thể tích không khí, không có sự khác biệt đáng kể nào về hình dạng của bọt hydrogel được quan sát thấy. Bản chất tự duy trì của bọt hydrogel cho thấy mạng lưới hình thành bên trong hydrogel đủ mạnh để chịu được trọng lượng của chính bọt. Ngoài một lượng nhỏ nước rò rỉ ra từ bọt, bọt cũng thể hiện tính ổn định tạm thời trong vài tuần.
Bằng cách đo khối lượng và thể tích của mẫu bọt, mật độ của bọt hydrogel đã chuẩn bị (\(\:\rho\:\)) được tính toán và kết quả được thể hiện trong Bảng 4. Kết quả cho thấy sự phụ thuộc của \(\:\rho\:\) vào tỷ lệ thể tích không khí. Khi trộn đủ không khí với 50 ml mẫu, mật độ đạt mức thấp nhất là 0,482 g/cm3. Khi lượng không khí trộn giảm, mật độ tăng lên 0,685 g/cm3. Giá trị p tối đa giữa các nhóm 50 ml, 100 ml và 110 ml là 0,004 < 0,05, cho thấy ý nghĩa thống kê của kết quả.
Giá trị \(\:\rho\:\) lý thuyết cũng được tính toán bằng cách sử dụng tỷ lệ thể tích không khí được kiểm soát. Kết quả đo được cho thấy \(\:\rho\:\) nhỏ hơn giá trị lý thuyết 0,1 g/cm³. Sự khác biệt này có thể được giải thích bởi ứng suất bên trong được tạo ra trong hydrogel trong quá trình tạo gel, gây ra hiện tượng trương nở và do đó dẫn đến sự giảm \(\:\rho\:\). Điều này được xác nhận thêm bằng việc quan sát một số khoảng trống bên trong bọt hydrogel trong hình ảnh CT được hiển thị trong Hình 2 (A, B và C).
Hình ảnh hiển vi quang học của bọt hydrogel với hàm lượng thể tích không khí khác nhau: (A) 50, (B) 100 và (C) 110. Số lượng tế bào và phân bố kích thước lỗ xốp trong các mẫu bọt hydrogel alginate: (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Hình 3 (A, B, C) hiển thị ảnh chụp hiển vi quang học của các mẫu bọt hydrogel với tỷ lệ thể tích không khí khác nhau. Kết quả cho thấy cấu trúc quang học của bọt hydrogel, thể hiện rõ hình ảnh các lỗ xốp với đường kính khác nhau. Sự phân bố số lượng và đường kính lỗ xốp được tính toán bằng phần mềm ImageJ. Sáu hình ảnh được chụp cho mỗi mẫu, mỗi hình ảnh có kích thước 1125,27 μm × 843,96 μm, và tổng diện tích phân tích cho mỗi mẫu là 5,7 mm².
(A) Đặc tính ứng suất-biến dạng nén của bọt hydrogel alginate với tỷ lệ thể tích không khí khác nhau. (B) Đường cong phù hợp theo hàm mũ. (C) Độ nén E0 của bọt hydrogel với tỷ lệ thể tích không khí khác nhau. (D) Ứng suất và biến dạng nén tối đa của bọt hydrogel alginate với tỷ lệ thể tích không khí khác nhau.
Hình 3 (D, E, F) cho thấy sự phân bố kích thước lỗ xốp tương đối đồng đều, dao động từ vài chục micromet đến khoảng 500 micromet. Kích thước lỗ xốp về cơ bản là đồng nhất và giảm nhẹ khi thể tích không khí giảm. Theo dữ liệu thử nghiệm, kích thước lỗ xốp trung bình của mẫu 50 ml là 192,16 μm, giá trị trung vị là 184,51 μm, và số lượng lỗ xốp trên một đơn vị diện tích là 103; kích thước lỗ xốp trung bình của mẫu 100 ml là 156,62 μm, giá trị trung vị là 151,07 μm, và số lượng lỗ xốp trên một đơn vị diện tích là 109; các giá trị tương ứng của mẫu 110 ml lần lượt là 163,07 μm, 150,29 μm và 115. Dữ liệu cho thấy các lỗ rỗng lớn hơn có ảnh hưởng lớn hơn đến kết quả thống kê về kích thước lỗ rỗng trung bình, và kích thước lỗ rỗng trung vị phản ánh tốt hơn xu hướng thay đổi kích thước lỗ rỗng. Khi thể tích mẫu tăng từ 50 ml lên 110 ml, số lượng lỗ rỗng cũng tăng lên. Kết hợp các kết quả thống kê về đường kính lỗ rỗng trung vị và số lượng lỗ rỗng, có thể kết luận rằng khi thể tích tăng, càng nhiều lỗ rỗng có kích thước nhỏ hơn được hình thành bên trong mẫu.
Dữ liệu thử nghiệm cơ học được thể hiện trong Hình 4A và 4D. Hình 4A cho thấy đặc tính ứng suất-biến dạng nén của các bọt hydrogel được chế tạo với tỷ lệ thể tích không khí khác nhau. Kết quả cho thấy tất cả các mẫu đều có đặc tính ứng suất-biến dạng phi tuyến tương tự. Đối với mỗi mẫu, ứng suất tăng nhanh hơn khi biến dạng tăng. Một đường cong hàm mũ được sử dụng để khớp với đặc tính ứng suất-biến dạng nén của bọt hydrogel. Hình 4B cho thấy kết quả sau khi áp dụng hàm mũ làm mô hình xấp xỉ cho bọt hydrogel.
Đối với các loại bọt hydrogel có tỷ lệ thể tích không khí khác nhau, mô đun nén (E0) của chúng cũng được nghiên cứu. Tương tự như phân tích hydrogel, mô đun Young nén được nghiên cứu trong phạm vi biến dạng ban đầu 20%. Kết quả của các thử nghiệm nén được thể hiện trong Hình 4C. Kết quả trong Hình 4C cho thấy khi tỷ lệ thể tích không khí giảm từ mẫu 50 đến mẫu 110, mô đun Young nén E0 của bọt hydrogel alginate tăng từ 10,86 kPa lên 18 kPa.
Tương tự, đường cong ứng suất-biến dạng hoàn chỉnh của bọt hydrogel, cũng như các giá trị ứng suất và biến dạng nén tối đa, đã được thu được. Hình 4D thể hiện ứng suất và biến dạng nén tối đa của bọt hydrogel alginate. Mỗi điểm dữ liệu là giá trị trung bình của ba kết quả thử nghiệm. Kết quả cho thấy ứng suất nén tối đa tăng từ 9,84 kPa lên 17,58 kPa khi hàm lượng khí giảm. Biến dạng tối đa vẫn ổn định ở mức khoảng 38%.
Hình 2 (A, B và C) hiển thị ảnh CT của bọt hydrogel với tỷ lệ thể tích không khí khác nhau tương ứng với các mẫu 50, 100 và 110. Các hình ảnh cho thấy bọt hydrogel được hình thành gần như đồng nhất. Một số ít khe hở được quan sát thấy trong các mẫu 100 và 110. Sự hình thành các khe hở này có thể là do ứng suất bên trong được tạo ra trong hydrogel trong quá trình tạo gel. Chúng tôi đã tính toán giá trị HU cho 5 mặt cắt ngang của mỗi mẫu và liệt kê chúng trong Bảng 5 cùng với các kết quả tính toán lý thuyết tương ứng.
Bảng 5 cho thấy các mẫu có tỷ lệ thể tích không khí khác nhau thu được các giá trị HU khác nhau. Giá trị p tối đa giữa các nhóm 50 ml, 100 ml và 110 ml là 0,004 < 0,05, cho thấy ý nghĩa thống kê của kết quả. Trong số ba mẫu được thử nghiệm, mẫu có hỗn hợp 50 ml có đặc tính phóng xạ gần nhất với phổi người. Cột cuối cùng của Bảng 5 là kết quả thu được bằng phép tính lý thuyết dựa trên giá trị bọt đo được \(\:\rho\:\). Bằng cách so sánh dữ liệu đo được với kết quả lý thuyết, có thể thấy rằng các giá trị HU thu được bằng chụp CT nhìn chung gần với kết quả lý thuyết, điều này lần lượt xác nhận kết quả tính toán tỷ lệ thể tích không khí trong Hình 1C.
Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tạo ra một vật liệu có các đặc tính cơ học và phóng xạ tương đương với phổi người. Mục tiêu này đã đạt được bằng cách phát triển một vật liệu gốc hydrogel với các đặc tính cơ học và phóng xạ tương đương mô được điều chỉnh sao cho càng gần với phổi người càng tốt. Dựa trên các tính toán lý thuyết, các bọt hydrogel với tỷ lệ thể tích không khí khác nhau đã được điều chế bằng cách trộn cơ học dung dịch natri alginate, CaCO3, GDL và SLES 70. Phân tích hình thái cho thấy một bọt hydrogel ổn định ba chiều đồng nhất đã được hình thành. Bằng cách thay đổi tỷ lệ thể tích không khí, mật độ và độ xốp của bọt có thể được thay đổi tùy ý. Khi hàm lượng thể tích không khí tăng lên, kích thước lỗ xốp giảm nhẹ và số lượng lỗ xốp tăng lên. Các thử nghiệm nén đã được tiến hành để phân tích các tính chất cơ học của bọt hydrogel alginate. Kết quả cho thấy mô đun nén (E0) thu được từ các thử nghiệm nén nằm trong phạm vi lý tưởng đối với phổi người. E0 tăng lên khi tỷ lệ thể tích không khí giảm xuống. Các giá trị đặc tính phóng xạ (HU) của các mẫu được chuẩn bị được thu thập dựa trên dữ liệu CT của các mẫu và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết. Kết quả thu được rất khả quan. Giá trị đo được cũng gần với giá trị HU của phổi người. Kết quả cho thấy có thể tạo ra các bọt hydrogel mô phỏng mô với sự kết hợp lý tưởng giữa các đặc tính cơ học và phóng xạ, bắt chước các đặc tính của phổi người.
Mặc dù kết quả đầy hứa hẹn, các phương pháp chế tạo hiện tại cần được cải tiến để kiểm soát tốt hơn tỷ lệ thể tích không khí và độ xốp nhằm phù hợp với dự đoán từ các tính toán lý thuyết và phổi người thực tế ở cả quy mô toàn cầu và cục bộ. Nghiên cứu hiện tại cũng chỉ giới hạn ở việc kiểm tra cơ học nén, điều này hạn chế tiềm năng ứng dụng của mô hình vào giai đoạn nén của chu kỳ hô hấp. Nghiên cứu trong tương lai sẽ có lợi nếu tiến hành kiểm tra độ bền kéo cũng như độ ổn định cơ học tổng thể của vật liệu để đánh giá các ứng dụng tiềm năng trong điều kiện tải trọng động. Mặc dù có những hạn chế này, nghiên cứu đánh dấu nỗ lực thành công đầu tiên trong việc kết hợp các đặc tính phóng xạ và cơ học trong một vật liệu duy nhất mô phỏng phổi người.
Các bộ dữ liệu được tạo ra và/hoặc phân tích trong nghiên cứu hiện tại có sẵn từ tác giả liên hệ khi có yêu cầu hợp lý. Cả thí nghiệm và bộ dữ liệu đều có thể tái tạo được.
Song, G., và cộng sự. Các công nghệ nano mới và vật liệu tiên tiến cho liệu pháp xạ trị ung thư. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Báo cáo của Nhóm đặc nhiệm AAPM 76a về Quản lý chuyển động hô hấp trong Xạ trị ung thư. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., và Brock, KK Mô hình hóa giao diện và tính phi tuyến vật liệu trong phổi người. Vật lý, Y học và Sinh học 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Mô hình ung thư phổi giống khối u được tạo ra bằng công nghệ in sinh học 3D. 3. Công nghệ sinh học. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Mô hình hóa biến dạng phổi: một phương pháp kết hợp các kỹ thuật đăng ký hình ảnh biến dạng và ước tính mô đun Young thay đổi theo không gian. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF và cộng sự. Độ cứng của mô sống và ý nghĩa của nó đối với kỹ thuật mô. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).