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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 a quelle dei tessuti per simulare 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, sono state sintetizzate schiume di idrogel di alginato con le proprietà meccaniche e radiologiche desiderate 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. Sono state caratterizzate la macro- e la micromorfologia dei materiali ed è stato studiato il comportamento delle schiume di idrogel sotto compressione. Le proprietà radiologiche sono state stimate teoricamente e verificate sperimentalmente mediante 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 spesso causa errori nel posizionamento dei raggi X durante la radioterapia2, con conseguente sottotrattamento del tumore e sovraesposizione delle cellule sane circostanti a radiazioni non necessarie. La capacità di prevedere il movimento di organi e tessuti è fondamentale per minimizzare gli errori di localizzazione del tumore. Questo studio si è concentrato sui polmoni, poiché subiscono significative deformazioni e movimenti quando i pazienti respirano durante la radioterapia. Sono stati sviluppati e applicati diversi modelli agli elementi finiti per simulare il movimento dei polmoni umani3,4,5. Tuttavia, gli organi e i tessuti umani presentano geometrie complesse e sono altamente dipendenti dal paziente. Pertanto, i materiali con proprietà equivalenti ai tessuti sono molto utili per sviluppare 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 complesse, sia esterne che interne, ha suscitato grande interesse, poiché le loro intrinseche incongruenze meccaniche possono portare a fallimenti nelle applicazioni target6,7. La modellazione della 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 le prestazioni efficaci dei modelli polmonari negli interventi terapeutici. La produzione additiva si è dimostrata efficace nello sviluppo di modelli specifici per il paziente, consentendo una rapida prototipazione di progetti 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 fantoccio molto 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 del silicone per riprodurre l'intensità TC di varie lesioni polmonari al fine di valutare l'accuratezza della quantificazione. Tuttavia, questi prototipi sono spesso realizzati con materiali le cui proprietà effettive sono molto diverse da quelle del tessuto polmonare11.
Attualmente, la maggior parte dei modelli polmonari è realizzata in schiuma di silicone o poliuretano, che non riproducono le 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 e simile alla schiuma necessaria per un modello 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 (ρ) è riportata essere di 1,06 g/cm³, e la densità del polmone gonfiato è di 0,26 g/cm³. 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 YM del polmone umano con gonfiaggio uniforme a 0,42–6,72 kPa. Goss et al. 17 hanno utilizzato l'elastografia a risonanza magnetica e hanno riportato un YM di 2,17 kPa. Liu et al. 18 hanno riportato un YM misurato direttamente di 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al. 19 hanno stimato il YM a 0,1–2,7 kPa sulla base di dati TC 4D ottenuti da pazienti selezionati.
Per descrivere le proprietà radiologiche del polmone, vengono utilizzati diversi parametri per illustrare 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 media di eccitazione (\(\:I\)), 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 delle radiazioni all'interno del materiale. Per i composti e le miscele contenenti diversi elementi (ad esempio, i 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 vedere 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 del fotone dopo la penetrazione nel materiale. I dati \(\:\mu\:/\rho\:\) possono essere ottenuti direttamente dal database di riferimento degli standard NIST 12621. I valori di \(\:\mu\:/\rho\:\) 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) si evince 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 ai tessuti. Griffith et al. 23 hanno sviluppato un modello equivalente al tessuto del torso umano realizzato in poliuretano (PU) a cui sono state aggiunte varie 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 chiamato Griffith. Taylor24 ha presentato un secondo modello equivalente al tessuto 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 miglioratore delle prestazioni, che è stato chiamato ALT2. Le tabelle 1 e 2 mostrano un confronto di \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) e i coefficienti di attenuazione di massa per il polmone umano (ICRU-44) e i suddetti modelli equivalenti al tessuto.
Nonostante le eccellenti proprietà radiologiche raggiunte, quasi tutti i materiali utilizzati per i fantocci sono costituiti da schiuma di polistirene, 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 a quello dei polmoni umani normali (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 delle 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 regolarne le proprietà radiologiche in base alle necessità. 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 ulteriori miglioramenti, che saranno oggetto di studi futuri, per affrontare tali limitazioni.
In questo lavoro, abbiamo sviluppato un materiale in schiuma 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 fantocci simili a tessuti 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 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 prodotto W201502), CaCO3 (codice prodotto 795445, peso molecolare: 100,09) e GDL (codice prodotto G4750, peso molecolare: 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. Per la preparazione della schiuma è stata utilizzata acqua deionizzata. L'alginato di sodio è stato disciolto in acqua deionizzata a temperatura ambiente sotto costante agitazione (600 rpm) fino all'ottenimento di una soluzione omogenea traslucida di colore giallo. Il CaCO3, in combinazione con il GDL, è stato utilizzato come fonte di Ca2+ per avviare la gelificazione. L'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 26,2% in volume di SLES 70 è stato aggiunto a tutti i campioni. Un becher con coperchio è stato utilizzato per controllare il rapporto di miscelazione della soluzione e dell'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 miscelarli con l'aria. Il campione contenente 50 ml di miscela è stato progettato per miscelarsi con una quantità sufficiente di aria, mentre il rapporto del volume d'aria negli altri due campioni è stato controllato. In primo luogo, SLES 70 è stato aggiunto alla soluzione di alginato e mescolato con un agitatore elettrico fino a completa miscelazione. Successivamente, la sospensione di CaCO3 è stata aggiunta alla miscela e mescolata continuamente fino a completa miscelazione, momento in cui il colore della miscela è diventato bianco. Infine, la soluzione di GDL è stata aggiunta alla miscela per avviare la gelificazione e l'agitazione meccanica è stata mantenuta per tutta la durata del 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 d'aria, con conseguente controllo del volume non uniforme. 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.
Le immagini al microscopio ottico delle schiume di idrogel sono state ottenute utilizzando una telecamera Zeiss Axio Observer A1. Il software ImageJ è stato utilizzato per calcolare il numero e la distribuzione dimensionale dei pori in una determinata area del campione, sulla base delle immagini acquisite. Si è ipotizzato che la forma dei pori fosse circolare.
Per studiare le proprietà meccaniche delle schiume di idrogel di alginato, sono state eseguite prove di compressione uniassiale 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 tensioni e le deformazioni. La velocità della traversa è stata impostata a 10 mm/min. Sono stati testati tre campioni per ciascun tipo e dai risultati sono stati calcolati la media e la deviazione standard. Questo studio si è concentrato sulle proprietà meccaniche di compressione delle schiume di idrogel di alginato poiché il tessuto polmonare è soggetto a forze compressive in una determinata fase del ciclo respiratorio. L'estensibilità è ovviamente cruciale, soprattutto per riflettere il comportamento dinamico completo del tessuto polmonare, e questo aspetto sarà oggetto di studi futuri.
I campioni di schiuma 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 spessore di sezione di 1 mm. 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 tramite TC sono stati confrontati con i 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 attraverso l'ingegneria dei 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 rappresentato la discrepanza tra le proprietà meccaniche e radiologiche dei materiali morbidi potenzialmente utilizzati per la fabbricazione di modelli di polmone umano. 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 utilizzati per la fabbricazione di modelli deformabili di polmone umano. 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. Non sono ancora noti materiali che presentino sia le proprietà meccaniche che radiologiche desiderate.
(A) Rappresentazione schematica delle proprietà di vari materiali morbidi e confronto con il polmone umano in termini di densità, modulo di Young e proprietà radiologiche (in HU). (B) Schema di diffrazione a raggi X dell'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.
La composizione elementare degli idrogel di alginato con una concentrazione del 5% e un rapporto molare Ca2+:-COOH di 0,18 è stata calcolata 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 \(\:\:\mu\:/\rho\:\) è ottenuto come mostrato nella Figura 1B.
I valori di μ/ρ 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 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 in cubi con un lato di 12,7 mm. I risultati hanno mostrato la formazione di una schiuma di idrogel omogenea e tridimensionalemente stabile. Indipendentemente dal rapporto di volume d'aria, non sono state osservate differenze significative nell'aspetto delle schiume di idrogel. La natura autosostenente della schiuma di idrogel suggerisce che la rete formata all'interno dell'idrogel è sufficientemente resistente da sostenere il peso della schiuma stessa. A parte una piccola perdita d'acqua dalla schiuma, quest'ultima ha dimostrato una stabilità transitoria per diverse settimane.
Misurando la massa e il volume del campione di schiuma, è stata calcolata la densità della schiuma idrogel preparata \(\:\rho\:\), e i risultati sono riportati nella Tabella 4. I risultati mostrano la dipendenza di \(\:\rho\:\) dal rapporto volumetrico dell'aria. Quando una quantità sufficiente di aria viene miscelata con 50 ml del campione, la densità diventa minima ed è pari a 0,482 g/cm³. Man mano che la quantità di aria miscelata diminuisce, la densità aumenta fino a 0,685 g/cm³. Il valore p massimo tra i gruppi di 50 ml, 100 ml e 110 ml è stato 0,004 < 0,05, indicando 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 provoca rigonfiamento e quindi porta a una diminuzione di \(\:\rho\:\). Ciò è stato ulteriormente confermato dall'osservazione di alcune lacune all'interno della schiuma di idrogel nelle immagini TC mostrate in Figura 2 (A, B e C).
Immagini al microscopio ottico di schiume di idrogel con diversi contenuti di volume d'aria (A) 50, (B) 100 e (C) 110. Numero di celle 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 scattate sei immagini per ciascun campione, ciascuna con dimensioni di 1125,27 μm × 843,96 μm, e l'area totale analizzata per ciascun campione era di 5,7 mm².
(A) Comportamento sforzo-deformazione a compressione 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 a compressione ultimi 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, con valori che vanno 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 area 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 area è 109; i valori corrispondenti del campione da 110 ml sono rispettivamente 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 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 con l'aumentare del volume, all'interno del campione si formano più pori di dimensioni minori.
I dati delle prove meccaniche sono riportati 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 con l'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 approssimante 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 di deformazione iniziale del 20%. I risultati delle prove di compressione sono mostrati nella Figura 4C. I risultati nella 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, così come i valori di sforzo e deformazione a compressione ultima. La Figura 4D mostra lo sforzo e la deformazione a compressione ultima delle schiume di idrogel di alginato. Ogni punto dati è la media di tre risultati di prova. I risultati mostrano che lo sforzo a compressione ultima aumenta da 9,84 kPa a 17,58 kPa con la diminuzione del contenuto di gas. La deformazione ultima rimane stabile intorno al 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 quasi omogenea. Un piccolo numero di lacune è stato osservato nei campioni 100 e 110. La formazione di queste lacune potrebbe essere dovuta allo stress interno generato nell'idrogel durante il processo di gelificazione. Abbiamo calcolato i valori HU per 5 sezioni trasversali di ciascun campione e li abbiamo elencati nella Tabella 5 insieme ai corrispondenti risultati del calcolo teorico.
La Tabella 5 mostra che i campioni con diversi rapporti di volume d'aria hanno ottenuto diversi valori HU. Il valore p massimo tra i gruppi da 50 ml, 100 ml e 110 ml era 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 è il risultato ottenuto dal calcolo teorico basato sul valore di schiuma misurato \(\:\rho\:\). Confrontando i dati misurati con i risultati teorici, si può constatare che i valori HU ottenuti dalla scansione TC sono generalmente vicini 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. Tale obiettivo è stato raggiunto sviluppando un materiale a base di idrogel con proprietà meccaniche e radiologiche equivalenti a quelle del tessuto polmonare umano, personalizzate in modo da essere 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 omogenea e tridimensionale stabile. 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 a partire dai dati TC dei campioni e confrontati con i risultati dei calcoli teorici. I risultati sono stati favorevoli. Il valore misurato è inoltre vicino al valore HU dei polmoni umani. I risultati dimostrano che è possibile creare schiume idrogel biomimetiche con una combinazione ideale di proprietà meccaniche e radiologiche che imitano quelle dei polmoni umani.
Nonostante i risultati promettenti, gli attuali metodi di fabbricazione devono essere migliorati per controllare meglio il rapporto del volume d'aria e la porosità, in modo da corrispondere alle previsioni dei calcoli teorici e alle caratteristiche dei polmoni umani reali, sia a livello globale che locale. Lo studio attuale si limita inoltre a testare la meccanica della compressione, il che restringe la potenziale applicazione del fantoccio alla fase di compressione del ciclo respiratorio. La ricerca futura trarrebbe beneficio dall'analisi delle prove di trazione e della stabilità meccanica complessiva del materiale, al fine di 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 simula il polmone umano.
I set di dati generati e/o analizzati durante il presente studio sono disponibili presso l'autore corrispondente su richiesta motivata. Sia gli esperimenti che i set di dati sono riproducibili.
Song, G., et al. Nuove nanotecnologie e materiali avanzati per la radioterapia del cancro. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Rapporto della Task Force AAPM 76a sulla gestione del movimento respiratorio in radioterapia oncologica. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., e Brock, KK Modellazione dell'interfaccia e delle non linearità del materiale nel polmone umano. Physics and Medicine and Biology 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Modello di cancro polmonare simile a un tumore generato mediante biostampa 3D. 3. Biotecnologia. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modellazione della deformazione polmonare: un metodo che combina tecniche di registrazione di immagini deformabili e stima del modulo di Young spazialmente variabile. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Rigidità del tessuto vivente e sue implicazioni per l'ingegneria tissutale. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).