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Il movimento di organi e tessuti può causare errori nel posizionamento dei raggi X durante la radioterapia. Pertanto, sono necessari materiali con proprietà meccaniche e radiologiche equivalenti ai tessuti per imitare il movimento degli organi e ottimizzare la radioterapia. Tuttavia, lo sviluppo di tali materiali rimane una sfida. Gli idrogel di alginato presentano proprietà simili a quelle della matrice extracellulare, il che li rende promettenti come materiali equivalenti ai tessuti. In questo studio, schiume di idrogel di alginato con le proprietà meccaniche e radiologiche desiderate sono state sintetizzate mediante rilascio in situ di Ca2+. Il rapporto aria/volume è stato attentamente controllato per ottenere schiume di idrogel con proprietà meccaniche e radiologiche definite. La macro- e micromorfologia dei materiali è stata caratterizzata ed è stato studiato il comportamento delle schiume di idrogel sotto compressione. Le proprietà radiologiche sono state stimate teoricamente e verificate sperimentalmente utilizzando la tomografia computerizzata. Questo studio getta luce sul futuro sviluppo di materiali equivalenti ai tessuti che possono essere utilizzati per l'ottimizzazione della dose di radiazioni e il controllo di qualità durante la radioterapia.
La radioterapia è un trattamento comune per il cancro1. Il movimento di organi e tessuti porta spesso a errori nel posizionamento dei raggi X durante la radioterapia2, che possono comportare un sottotrattamento del tumore e una sovraesposizione delle cellule sane circostanti a radiazioni non necessarie. La capacità di prevedere il movimento di organi e tessuti è fondamentale per ridurre al minimo gli errori di localizzazione del tumore. Questo studio si è concentrato sui polmoni, poiché subiscono deformazioni e movimenti significativi quando i pazienti respirano durante la radioterapia. Sono stati sviluppati e applicati vari modelli agli elementi finiti per simulare il movimento dei polmoni umani3,4,5. Tuttavia, organi e tessuti umani hanno geometrie complesse e sono altamente dipendenti dal paziente. Pertanto, i materiali con proprietà equivalenti ai tessuti sono molto utili per lo sviluppo di modelli fisici per convalidare modelli teorici, facilitare un trattamento medico migliore e per scopi di formazione medica.
Lo sviluppo di materiali che imitano i tessuti molli per ottenere geometrie strutturali esterne e interne complesse ha attirato molta attenzione perché le loro intrinseche incongruenze meccaniche possono portare a fallimenti nelle applicazioni target6,7. Modellare la complessa biomeccanica del tessuto polmonare, che combina estrema morbidezza, elasticità e porosità strutturale, rappresenta una sfida significativa nello sviluppo di modelli che riproducano accuratamente il polmone umano. L'integrazione e la corrispondenza delle proprietà meccaniche e radiologiche sono fondamentali per l'efficacia dei modelli polmonari negli interventi terapeutici. La produzione additiva si è dimostrata efficace nello sviluppo di modelli specifici per il paziente, consentendo la prototipazione rapida di design complessi. Shin et al.8 hanno sviluppato un modello polmonare riproducibile e deformabile con vie aeree stampate in 3D. Haselaar et al.9 hanno sviluppato un modello altamente simile a pazienti reali per la valutazione della qualità dell'immagine e i metodi di verifica della posizione per la radioterapia. Hong et al.10 hanno sviluppato un modello TC del torace utilizzando la stampa 3D e la tecnologia di fusione in silicone per riprodurre l'intensità TC di varie lesioni polmonari e valutare l'accuratezza della quantificazione. Tuttavia, questi prototipi sono spesso realizzati con materiali le cui proprietà efficaci sono molto diverse da quelle del tessuto polmonare11.
Attualmente, la maggior parte dei fantocci polmonari è realizzata in schiuma di silicone o poliuretano, che non corrispondono alle proprietà meccaniche e radiologiche del parenchima polmonare reale.12,13 Gli idrogel di alginato sono biocompatibili e sono stati ampiamente utilizzati nell'ingegneria tissutale grazie alle loro proprietà meccaniche regolabili.14 Tuttavia, riprodurre la consistenza ultra morbida, simile alla schiuma, richiesta per un fantoccio polmonare che imiti accuratamente l'elasticità e la struttura di riempimento del tessuto polmonare rimane una sfida sperimentale.
In questo studio, si è ipotizzato che il tessuto polmonare sia un materiale elastico omogeneo. La densità del tessuto polmonare umano (rho) è risultata pari a 1,06 g/cm³ e la densità del polmone insufflato è pari a 0,26 g/cm³15. Un'ampia gamma di valori del modulo di Young (MY) del tessuto polmonare è stata ottenuta utilizzando diversi metodi sperimentali. Lai-Fook et al. 16 hanno misurato il modulo di Young (YM) del polmone umano con insufflazione uniforme tra 0,42 e 6,72 kPa. Goss et al. 17 hanno utilizzato l'elastografia a risonanza magnetica e hanno riportato un modulo di Young (YM) di 2,17 kPa. Liu et al. 18 hanno riportato un modulo di Young (YM) misurato direttamente tra 0,03 e 57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 hanno stimato il modulo di Young (YM) tra 0,1 e 2,7 kPa sulla base di dati TC 4D ottenuti da pazienti selezionati.
Per le proprietà radiologiche del polmone, vengono utilizzati diversi parametri per descrivere il comportamento di interazione del tessuto polmonare con i raggi X, tra cui la composizione elementare, la densità elettronica (\(\:{\rho\:}_{e}\)), il numero atomico effettivo (\(\:{\Z}_{eff}\)), l'energia di eccitazione media (\(\:I\)), il coefficiente di attenuazione di massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) e l'unità Hounsfield (HU), che è direttamente correlata a \(\:\mu\:/\rho\:\).
La densità elettronica \(\:{\rho\:}_{e}\) è definita come il numero di elettroni per unità di volume e si calcola come segue:
dove \(\:\rho\:\) è la densità del materiale in g/cm3, \(\:{N}_{A}\) è la costante di Avogadro, \(\:{w}_{i}\) è la frazione di massa, \(\:{Z}_{i}\) è il numero atomico e \(\:{A}_{i}\) è il peso atomico dell'i-esimo elemento.
Il numero atomico è direttamente correlato alla natura dell'interazione della radiazione all'interno del materiale. Per composti e miscele contenenti più elementi (ad esempio, tessuti), è necessario calcolare il numero atomico effettivo \(\:{Z}_{eff}\). La formula è stata proposta da Murthy et al. 20:
L'energia di eccitazione media \(\:I\) descrive la facilità con cui il materiale bersaglio assorbe l'energia cinetica delle particelle penetranti. Descrive solo le proprietà del materiale bersaglio e non ha nulla a che fare con le proprietà delle particelle. \(\:I\) può essere calcolata applicando la regola di additività di Bragg:
Il coefficiente di attenuazione di massa \(\:\mu\:/\rho\:\) descrive la penetrazione e il rilascio di energia dei fotoni nel materiale bersaglio. Può essere calcolato utilizzando la seguente formula:
Dove \(\:x\) è lo spessore del materiale, \(\:{I}_{0}\) è l'intensità della luce incidente e \(\:I\) è l'intensità dei fotoni dopo la penetrazione nel materiale. I dati \(\:\mu\:/\rho\:\) possono essere ottenuti direttamente dal database di riferimento degli standard NIST 12621. I valori \(\:\mu\:/\rho\:\) per miscele e composti possono essere derivati ​​utilizzando la regola di additività come segue:
HU è un'unità di misura adimensionale standardizzata della radiodensità nell'interpretazione dei dati di tomografia computerizzata (TC), che viene trasformata linearmente dal coefficiente di attenuazione misurato \(\:\mu\:\). È definita come:
dove \(\:{\mu\:}_{acqua}\) è il coefficiente di attenuazione dell'acqua e \(\:{\mu\:}_{aria}\) è il coefficiente di attenuazione dell'aria. Pertanto, dalla formula (6) vediamo che il valore HU dell'acqua è 0 e il valore HU dell'aria è -1000. Il valore HU per i polmoni umani varia da -600 a -70022.
Sono stati sviluppati diversi materiali equivalenti tissutali. Griffith et al. 23 hanno sviluppato un modello equivalente tissutale del torso umano in poliuretano (PU) a cui sono state aggiunte diverse concentrazioni di carbonato di calcio (CaCO3) per simulare i coefficienti di attenuazione lineare di vari organi umani, incluso il polmone umano, e il modello è stato denominato Griffith. Taylor24 ha presentato un secondo modello equivalente tissutale polmonare sviluppato dal Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), denominato LLLL1. Traub et al.25 hanno sviluppato un nuovo sostituto del tessuto polmonare utilizzando Foamex XRS-272 contenente il 5,25% di CaCO3 come potenziatore delle prestazioni, denominato ALT2. Le Tabelle 1 e 2 mostrano un confronto tra \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) e i coefficienti di attenuazione di massa per il polmone umano (ICRU-44) e i modelli equivalenti tissutali sopra menzionati.
Nonostante le eccellenti proprietà radiologiche ottenute, quasi tutti i materiali utilizzati per i fantocci sono realizzati in polistirene espanso, il che significa che le proprietà meccaniche di questi materiali non possono avvicinarsi a quelle dei polmoni umani. Il modulo di Young (YM) della schiuma di poliuretano è di circa 500 kPa, un valore ben lontano dall'ideale rispetto ai normali polmoni umani (circa 5-10 kPa). Pertanto, è necessario sviluppare un nuovo materiale in grado di soddisfare le caratteristiche meccaniche e radiologiche dei polmoni umani reali.
Gli idrogel sono ampiamente utilizzati nell'ingegneria tissutale. La loro struttura e le loro proprietà sono simili a quelle della matrice extracellulare (ECM) e sono facilmente regolabili. In questo studio, l'alginato di sodio puro è stato scelto come biomateriale per la preparazione di schiume. Gli idrogel di alginato sono biocompatibili e ampiamente utilizzati nell'ingegneria tissutale grazie alle loro proprietà meccaniche regolabili. La composizione elementare dell'alginato di sodio (C6H7NaO6)n e la presenza di Ca2+ consentono di adattarne le proprietà radiologiche in base alle esigenze. Questa combinazione di proprietà meccaniche e radiologiche regolabili rende gli idrogel di alginato ideali per il nostro studio. Naturalmente, gli idrogel di alginato presentano anche delle limitazioni, soprattutto in termini di stabilità a lungo termine durante cicli respiratori simulati. Pertanto, sono necessari e attesi ulteriori miglioramenti in studi futuri per superare queste limitazioni.
In questo lavoro, abbiamo sviluppato un materiale espanso di idrogel di alginato con valori di rho controllabili, elasticità e proprietà radiologiche simili a quelle del tessuto polmonare umano. Questo studio fornirà una soluzione generale per la fabbricazione di modelli simil-tessutiali con proprietà elastiche e radiologiche regolabili. Le proprietà del materiale possono essere facilmente adattate a qualsiasi tessuto e organo umano.
Il rapporto aria/volume target della schiuma di idrogel è stato calcolato in base all'intervallo di HU dei polmoni umani (da -600 a -700). Si è ipotizzato che la schiuma fosse una semplice miscela di aria e idrogel di alginato sintetico. Utilizzando una semplice regola di addizione dei singoli elementi (mu/rho), è stato possibile calcolare la frazione volumetrica di aria e il rapporto volumetrico dell'idrogel di alginato sintetizzato.
Le schiume di idrogel di alginato sono state preparate utilizzando alginato di sodio (codice articolo W201502), CaCO3 (codice articolo 795445, PM: 100,09) e GDL (codice articolo G4750, PM: 178,14) acquistati da Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. Il sodio lauril etere solfato al 70% (SLES 70) è stato acquistato da Renowned Trading LLC. Nel processo di preparazione della schiuma è stata utilizzata acqua deionizzata. L'alginato di sodio è stato sciolto in acqua deionizzata a temperatura ambiente sotto costante agitazione (600 giri/min) fino a ottenere una soluzione omogenea e traslucida gialla. CaCO3 in combinazione con GDL è stato utilizzato come fonte di Ca2+ per avviare la gelificazione. SLES 70 è stato utilizzato come tensioattivo per formare una struttura porosa all'interno dell'idrogel. La concentrazione di alginato è stata mantenuta al 5% e il rapporto molare Ca2+:-COOH è stato mantenuto a 0,18. Anche il rapporto molare CaCO3:GDL è stato mantenuto a 0,5 durante la preparazione della schiuma per mantenere un pH neutro. Il valore è 26. A tutti i campioni è stato aggiunto il 2% in volume di SLES 70. È stato utilizzato un becher con coperchio per controllare il rapporto di miscelazione tra soluzione e aria. Il volume totale del becher era di 140 ml. Sulla base dei risultati dei calcoli teorici, diversi volumi della miscela (50 ml, 100 ml, 110 ml) sono stati aggiunti al becher per miscelarla con l'aria. Il campione contenente 50 ml di miscela è stato progettato per miscelarsi con aria sufficiente, mentre il rapporto in volume d'aria negli altri due campioni è stato controllato. Innanzitutto, SLES 70 è stato aggiunto alla soluzione di alginato e agitato con un agitatore elettrico fino a completa miscelazione. Successivamente, la sospensione di CaCO3 è stata aggiunta alla miscela e agitata continuamente fino a completa miscelazione, quando il colore è cambiato in bianco. Infine, la soluzione di GDL è stata aggiunta alla miscela per avviare la gelificazione, mantenendo l'agitazione meccanica per tutto il processo. Per il campione contenente 50 ml di miscela, l'agitazione meccanica è stata interrotta quando il volume della miscela ha smesso di variare. Per i campioni contenenti 100 ml e 110 ml di miscela, l'agitazione meccanica è stata interrotta quando la miscela ha riempito il becher. Abbiamo anche tentato di preparare schiume di idrogel con un volume compreso tra 50 ml e 100 ml. Tuttavia, è stata osservata un'instabilità strutturale della schiuma, che oscillava tra lo stato di completa miscelazione dell'aria e lo stato di controllo del volume dell'aria, con conseguente controllo del volume incoerente. Questa instabilità ha introdotto incertezza nei calcoli e pertanto questo intervallo di volume non è stato incluso in questo studio.
La densità \(\:\rho\:\) di una schiuma di idrogel viene calcolata misurando la massa \(\:m\) e il volume \(\:V\) di un campione di schiuma di idrogel.
Immagini microscopiche ottiche di schiume di idrogel sono state ottenute utilizzando una fotocamera Zeiss Axio Observer A1. Il software ImageJ è stato utilizzato per calcolare il numero e la distribuzione dimensionale dei pori in un campione in una determinata area sulla base delle immagini ottenute. Si presume che la forma dei pori sia circolare.
Per studiare le proprietà meccaniche delle schiume di idrogel di alginato, sono stati eseguiti test di compressione monoassiale utilizzando una macchina TESTRESOURCES serie 100. I campioni sono stati tagliati in blocchi rettangolari e le dimensioni dei blocchi sono state misurate per calcolare le sollecitazioni e le deformazioni. La velocità della traversa è stata impostata a 10 mm/min. Sono stati testati tre campioni per ogni campione e dai risultati sono state calcolate la media e la deviazione standard. Questo studio si è concentrato sulle proprietà meccaniche compressive delle schiume di idrogel di alginato, poiché il tessuto polmonare è soggetto a forze di compressione in una certa fase del ciclo respiratorio. L'estensibilità è ovviamente cruciale, soprattutto per riflettere il comportamento dinamico completo del tessuto polmonare e questo aspetto sarà studiato in studi futuri.
I campioni di schiuma di idrogel preparati sono stati scansionati con uno scanner TC a doppio canale Siemens SOMATOM Drive. I parametri di scansione sono stati impostati come segue: 40 mAs, 120 kVp e 1 mm di spessore di sezione. I file DICOM risultanti sono stati analizzati utilizzando il software MicroDicom DICOM Viewer per analizzare i valori HU di 5 sezioni trasversali di ciascun campione. I valori HU ottenuti mediante TC sono stati confrontati con calcoli teorici basati sui dati di densità dei campioni.
L'obiettivo di questo studio è rivoluzionare la fabbricazione di modelli di organi individuali e tessuti biologici artificiali mediante l'ingegnerizzazione di materiali morbidi. Lo sviluppo di materiali con proprietà meccaniche e radiologiche che corrispondano alla meccanica di funzionamento dei polmoni umani è importante per applicazioni mirate, come il miglioramento della formazione medica, la pianificazione chirurgica e la pianificazione della radioterapia. Nella Figura 1A, abbiamo tracciato la discrepanza tra le proprietà meccaniche e radiologiche dei materiali morbidi presumibilmente utilizzati per fabbricare modelli di polmoni umani. Ad oggi, sono stati sviluppati materiali che presentano le proprietà radiologiche desiderate, ma le loro proprietà meccaniche non soddisfano i requisiti richiesti. La schiuma di poliuretano e la gomma sono i materiali più ampiamente utilizzati per la fabbricazione di modelli di polmoni umani deformabili. Le proprietà meccaniche della schiuma di poliuretano (modulo di Young, YM) sono in genere da 10 a 100 volte superiori a quelle del normale tessuto polmonare umano. I materiali che presentano sia le proprietà meccaniche che radiologiche desiderate non sono ancora noti.
(A) Rappresentazione schematica delle proprietà di vari materiali morbidi e confronto con i polmoni umani in termini di densità, modulo di Young e proprietà radiologiche (in HU). (B) Modello di diffrazione dei raggi X di un idrogel di alginato \(\:\mu\:/\rho\:\) con una concentrazione del 5% e un rapporto molare Ca2+:-COOH di 0,18. (C) Intervallo di rapporti di volume d'aria nelle schiume di idrogel. (D) Rappresentazione schematica di schiume di idrogel di alginato con diversi rapporti di volume d'aria.
È stata calcolata la composizione elementare degli idrogel di alginato con una concentrazione del 5% e un rapporto molare Ca2+:-COOH di 0,18 e i risultati sono mostrati nella Tabella 3. Secondo la regola di addizione nella formula precedente (5), il coefficiente di attenuazione di massa dell'idrogel di alginato \(\:\:\mu\:/\rho\:\) si ottiene come mostrato nella Figura 1B.
I valori di \(\:\mu\:/\rho\:\) per aria e acqua sono stati ottenuti direttamente dal database di riferimento degli standard NIST 12612. Pertanto, la Figura 1C mostra i rapporti di volume d'aria calcolati nelle schiume di idrogel con valori equivalenti di HU compresi tra -600 e -700 per il polmone umano. Il rapporto di volume d'aria calcolato teoricamente è stabile entro il 60-70% nell'intervallo di energia da 1 × 10−3 a 2 × 101 MeV, indicando un buon potenziale per l'applicazione della schiuma di idrogel nei processi di produzione a valle.
La Figura 1D mostra il campione di schiuma di idrogel di alginato preparato. Tutti i campioni sono stati tagliati a cubetti con una lunghezza del bordo di 12,7 mm. I risultati hanno mostrato la formazione di una schiuma di idrogel omogenea e tridimensionale stabile. Indipendentemente dal rapporto tra volume d'aria e volume, non sono state osservate differenze significative nell'aspetto delle schiume di idrogel. La natura autosufficiente della schiuma di idrogel suggerisce che la rete formata all'interno dell'idrogel sia sufficientemente resistente da sostenere il peso della schiuma stessa. A parte una piccola perdita d'acqua dalla schiuma, la schiuma ha anche dimostrato una stabilità transitoria per diverse settimane.
Misurando la massa e il volume del campione di schiuma, è stata calcolata la densità della schiuma di idrogel preparata \(\:\rho\:\) e i risultati sono riportati nella Tabella 4. I risultati mostrano la dipendenza di \(\:\rho\:\) dal rapporto in volume dell'aria. Quando una quantità sufficiente di aria viene miscelata con 50 ml di campione, la densità diventa minima ed è pari a 0,482 g/cm³. Al diminuire della quantità di aria miscelata, la densità aumenta fino a 0,685 g/cm³. Il valore p massimo tra i gruppi da 50 ml, 100 ml e 110 ml è stato 0,004 < 0,05, a indicare la significatività statistica dei risultati.
Il valore teorico di rho viene calcolato anche utilizzando il rapporto di volume d'aria controllato. I risultati misurati mostrano che rho è inferiore di 0,1 g/cm³ rispetto al valore teorico. Questa differenza può essere spiegata dallo stress interno generato nell'idrogel durante il processo di gelificazione, che causa rigonfiamento e quindi porta a una diminuzione di rho. Ciò è stato ulteriormente confermato dall'osservazione di alcune fessure all'interno della schiuma di idrogel nelle immagini TC mostrate in Figura 2 (A, B e C).
Immagini di microscopia ottica di schiume di idrogel con diversi contenuti di volume d'aria (A) 50, (B) 100 e (C) 110. Numero di cellule e distribuzione delle dimensioni dei pori in campioni di schiuma di idrogel di alginato (D) 50, (E) 100, (F) 110.
La Figura 3 (A, B, C) mostra le immagini al microscopio ottico dei campioni di schiuma di idrogel con diversi rapporti di volume d'aria. I risultati dimostrano la struttura ottica della schiuma di idrogel, mostrando chiaramente le immagini dei pori con diametri diversi. La distribuzione del numero e del diametro dei pori è stata calcolata utilizzando ImageJ. Sono state acquisite sei immagini per ciascun campione, ciascuna delle quali aveva una dimensione di 1125,27 μm × 843,96 μm e l'area totale analizzata per ciascun campione era di 5,7 mm².
(A) Comportamento sforzo-deformazione compressiva di schiume di idrogel di alginato con diversi rapporti di volume d'aria. (B) Adattamento esponenziale. (C) Compressione E0 di schiume di idrogel con diversi rapporti di volume d'aria. (D) Sforzo e deformazione compressiva ultima di schiume di idrogel di alginato con diversi rapporti di volume d'aria.
La Figura 3 (D, E, F) mostra che la distribuzione delle dimensioni dei pori è relativamente uniforme, variando da decine di micrometri a circa 500 micrometri. La dimensione dei pori è sostanzialmente uniforme e diminuisce leggermente al diminuire del volume d'aria. Secondo i dati del test, la dimensione media dei pori del campione da 50 ml è di 192,16 μm, la mediana è di 184,51 μm e il numero di pori per unità di superficie è 103; la dimensione media dei pori del campione da 100 ml è di 156,62 μm, la mediana è di 151,07 μm e il numero di pori per unità di superficie è 109; i valori corrispondenti del campione da 110 ml sono rispettivamente di 163,07 μm, 150,29 μm e 115. I dati mostrano che i pori più grandi hanno una maggiore influenza sui risultati statistici della dimensione media dei pori e che la dimensione mediana dei pori può riflettere meglio l'andamento della variazione della dimensione dei pori. All'aumentare del volume del campione da 50 ml a 110 ml, aumenta anche il numero di pori. Combinando i risultati statistici del diametro mediano dei pori e del numero di pori, si può concludere che all'aumentare del volume si formano più pori di dimensioni minori all'interno del campione.
I dati dei test meccanici sono mostrati nelle Figure 4A e 4D. La Figura 4A mostra il comportamento sforzo-deformazione a compressione delle schiume di idrogel preparate con diversi rapporti di volume d'aria. I risultati mostrano che tutti i campioni presentano un comportamento sforzo-deformazione non lineare simile. Per ciascun campione, lo sforzo aumenta più rapidamente all'aumentare della deformazione. Una curva esponenziale è stata adattata al comportamento sforzo-deformazione a compressione della schiuma di idrogel. La Figura 4B mostra i risultati dopo l'applicazione della funzione esponenziale come modello approssimativo alla schiuma di idrogel.
Per le schiume di idrogel con diversi rapporti di volume d'aria, è stato studiato anche il loro modulo di compressione (E0). Analogamente all'analisi degli idrogel, il modulo di Young a compressione è stato studiato nell'intervallo del 20% della deformazione iniziale. I risultati dei test di compressione sono mostrati in Figura 4C. I risultati in Figura 4C mostrano che, al diminuire del rapporto di volume d'aria dal campione 50 al campione 110, il modulo di Young a compressione E0 della schiuma di idrogel di alginato aumenta da 10,86 kPa a 18 kPa.
Analogamente, sono state ottenute le curve complete sforzo-deformazione delle schiume di idrogel, nonché i valori di sforzo di compressione e deformazione finali. La Figura 4D mostra lo sforzo di compressione e la deformazione finali delle schiume di idrogel di alginato. Ogni punto dati è la media di tre risultati di prova. I risultati mostrano che lo sforzo di compressione finale aumenta da 9,84 kPa a 17,58 kPa con la diminuzione del contenuto di gas. La deformazione finale rimane stabile a circa il 38%.
La Figura 2 (A, B e C) mostra le immagini TC di schiume di idrogel con diversi rapporti di volume d'aria corrispondenti rispettivamente ai campioni 50, 100 e 110. Le immagini mostrano che la schiuma di idrogel formata è pressoché omogenea. Un piccolo numero di spazi vuoti è stato osservato nei campioni 100 e 110. La formazione di questi spazi vuoti potrebbe essere dovuta allo stress interno generato nell'idrogel durante il processo di gelificazione. Abbiamo calcolato i valori di HU per 5 sezioni trasversali di ciascun campione e li abbiamo elencati nella Tabella 5 insieme ai corrispondenti risultati di calcolo teorici.
La Tabella 5 mostra che i campioni con diversi rapporti di volume d'aria hanno ottenuto valori di HU diversi. Il valore p massimo tra i gruppi da 50 ml, 100 ml e 110 ml è stato 0,004 < 0,05, indicando la significatività statistica dei risultati. Tra i tre campioni testati, il campione con 50 ml di miscela presentava le proprietà radiologiche più vicine a quelle dei polmoni umani. L'ultima colonna della Tabella 5 riporta il risultato ottenuto mediante calcolo teorico basato sul valore di schiuma misurato \(\:\rho\:\). Confrontando i dati misurati con i risultati teorici, si può osservare che i valori di HU ottenuti mediante TC sono generalmente prossimi ai risultati teorici, il che a sua volta conferma i risultati del calcolo del rapporto di volume d'aria nella Figura 1C.
L'obiettivo principale di questo studio è creare un materiale con proprietà meccaniche e radiologiche paragonabili a quelle dei polmoni umani. Questo obiettivo è stato raggiunto sviluppando un materiale a base di idrogel con proprietà meccaniche e radiologiche su misura, equivalenti a quelle dei tessuti, il più possibile simili a quelle dei polmoni umani. Guidati da calcoli teorici, sono state preparate schiume di idrogel con diversi rapporti di volume d'aria miscelando meccanicamente una soluzione di alginato di sodio, CaCO3, GDL e SLES 70. L'analisi morfologica ha mostrato la formazione di una schiuma di idrogel tridimensionale stabile e omogenea. Modificando il rapporto di volume d'aria, è possibile variare a piacimento la densità e la porosità della schiuma. Con l'aumento del contenuto di volume d'aria, la dimensione dei pori diminuisce leggermente e il numero di pori aumenta. Sono stati condotti test di compressione per analizzare le proprietà meccaniche delle schiume di idrogel di alginato. I risultati hanno mostrato che il modulo di compressione (E0) ottenuto dai test di compressione rientra nell'intervallo ideale per i polmoni umani. E0 aumenta al diminuire del rapporto di volume d'aria. I valori delle proprietà radiologiche (HU) dei campioni preparati sono stati ottenuti sulla base dei dati TC dei campioni e confrontati con i risultati dei calcoli teorici. I risultati sono stati favorevoli. Il valore misurato è anche vicino al valore HU dei polmoni umani. I risultati mostrano che è possibile creare schiume di idrogel che imitano i tessuti con una combinazione ideale di proprietà meccaniche e radiologiche che imitano le proprietà dei polmoni umani.
Nonostante i risultati promettenti, gli attuali metodi di fabbricazione devono essere migliorati per controllare meglio il rapporto tra volume d'aria e porosità, in modo da corrispondere alle previsioni dei calcoli teorici e dei polmoni umani reali, sia su scala globale che locale. Lo studio attuale si limita inoltre a testare la meccanica della compressione, il che limita la potenziale applicazione del modello alla fase di compressione del ciclo respiratorio. La ricerca futura trarrebbe beneficio dallo studio delle prove di trazione e della stabilità meccanica complessiva del materiale per valutarne le potenziali applicazioni in condizioni di carico dinamico. Nonostante queste limitazioni, lo studio rappresenta il primo tentativo riuscito di combinare proprietà radiologiche e meccaniche in un unico materiale che imita il polmone umano.
I set di dati generati e/o analizzati durante il presente studio sono disponibili presso l'autore corrispondente su richiesta ragionevole. Sia gli esperimenti che i set di dati sono riproducibili.
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