نشكركم على زيارة موقع nature.com. يُعاني متصفحكم من محدودية دعم CSS. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام أحدث إصدار من المتصفح (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). بالإضافة إلى ذلك، ولضمان استمرار الدعم، لن يتضمن هذا الموقع أنماط CSS أو JavaScript.
قد تؤدي حركة الأعضاء والأنسجة إلى أخطاء في تحديد موضع الأشعة السينية أثناء العلاج الإشعاعي. لذا، ثمة حاجة إلى مواد ذات خصائص ميكانيكية وإشعاعية مكافئة للأنسجة لمحاكاة حركة الأعضاء بهدف تحسين العلاج الإشعاعي. مع ذلك، لا يزال تطوير هذه المواد يمثل تحديًا. تتميز هيدروجيلات الألجينات بخصائص مشابهة لخصائص المصفوفة خارج الخلوية، مما يجعلها واعدة كمواد مكافئة للأنسجة. في هذه الدراسة، تم تصنيع رغوات هيدروجيل الألجينات ذات الخصائص الميكانيكية والإشعاعية المطلوبة عن طريق إطلاق أيونات الكالسيوم (Ca2+) في الموقع. تم التحكم بدقة في نسبة الهواء إلى الحجم للحصول على رغوات هيدروجيل ذات خصائص ميكانيكية وإشعاعية محددة. تم توصيف البنية المجهرية والكبيرة للمواد، ودُرست خصائص رغوات الهيدروجيل تحت الضغط. تم تقدير الخصائص الإشعاعية نظريًا والتحقق منها تجريبيًا باستخدام التصوير المقطعي المحوسب. تُسلط هذه الدراسة الضوء على التطوير المستقبلي لمواد مكافئة للأنسجة يمكن استخدامها لتحسين جرعة الإشعاع ومراقبة الجودة أثناء العلاج الإشعاعي.
يُعد العلاج الإشعاعي علاجًا شائعًا للسرطان¹. غالبًا ما تؤدي حركة الأعضاء والأنسجة إلى أخطاء في تحديد موضع الأشعة السينية أثناء العلاج الإشعاعي²، مما قد ينتج عنه عدم كفاية علاج الورم وتعريض الخلايا السليمة المحيطة به لإشعاع غير ضروري. تُعدّ القدرة على التنبؤ بحركة الأعضاء والأنسجة أمرًا بالغ الأهمية لتقليل أخطاء تحديد موضع الورم. ركزت هذه الدراسة على الرئتين، نظرًا لما تتعرضان له من تشوهات وحركات كبيرة أثناء تنفس المرضى خلال العلاج الإشعاعي. وقد طُوّرت نماذج مختلفة للعناصر المحدودة وطُبّقت لمحاكاة حركة الرئتين البشريتين³،⁴،⁵. ومع ذلك، تتميز الأعضاء والأنسجة البشرية بهندسة معقدة وتعتمد بشكل كبير على حالة المريض. لذلك، تُعدّ المواد ذات الخصائص المكافئة للأنسجة مفيدة جدًا لتطوير نماذج فيزيائية للتحقق من صحة النماذج النظرية، وتسهيل تحسين العلاج الطبي، ولأغراض التعليم الطبي.
حظي تطوير مواد تحاكي الأنسجة الرخوة لتحقيق أشكال هندسية خارجية وداخلية معقدة باهتمام كبير، نظرًا لأن عدم اتساقها الميكانيكي المتأصل قد يؤدي إلى فشل التطبيقات المستهدفة^6،7. ويُمثل نمذجة الميكانيكا الحيوية المعقدة لأنسجة الرئة، التي تجمع بين الليونة الشديدة والمرونة والمسامية الهيكلية، تحديًا كبيرًا في تطوير نماذج تُحاكي الرئة البشرية بدقة. ويُعد دمج ومطابقة الخصائص الميكانيكية والإشعاعية أمرًا بالغ الأهمية للأداء الفعال لنماذج الرئة في التدخلات العلاجية. وقد أثبتت الطباعة ثلاثية الأبعاد فعاليتها في تطوير نماذج خاصة بكل مريض، مما يُتيح النمذجة السريعة للتصاميم المعقدة. وقد طور شين وآخرون⁸ نموذجًا للرئة قابلًا للتكرار والتشكيل مع مجاري هوائية مطبوعة ثلاثية الأبعاد. كما طور هاسيلار وآخرون⁹ نموذجًا وهميًا شديد الشبه بالمرضى الحقيقيين لتقييم جودة الصورة وطرق التحقق من الموضع في العلاج الإشعاعي. وطور هونغ وآخرون¹⁰ نموذجًا للصدر باستخدام التصوير المقطعي المحوسب بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد وصب السيليكون لإعادة إنتاج شدة التصوير المقطعي المحوسب لمختلف آفات الرئة لتقييم دقة القياس الكمي. ومع ذلك، فإن هذه النماذج الأولية غالباً ما تكون مصنوعة من مواد تختلف خصائصها الفعالة اختلافاً كبيراً عن خصائص أنسجة الرئة11.
تُصنع معظم نماذج محاكاة الرئة حاليًا من السيليكون أو رغوة البولي يوريثان، وهي مواد لا تُحاكي الخصائص الميكانيكية والإشعاعية لنسيج الرئة الحقيقي.^12،13 أما هيدروجيلات الألجينات فهي متوافقة حيويًا، وقد استُخدمت على نطاق واسع في هندسة الأنسجة نظرًا لخصائصها الميكانيكية القابلة للتعديل.¹⁴ ومع ذلك، لا يزال إنتاج القوام فائق النعومة الشبيه بالرغوة، المطلوب لنموذج محاكاة الرئة الذي يُحاكي بدقة مرونة وبنية امتلاء نسيج الرئة، يُمثل تحديًا تجريبيًا.
في هذه الدراسة، افترضنا أن نسيج الرئة مادة مرنة متجانسة. وقد ذُكر أن كثافة نسيج الرئة البشرية (ρ) تبلغ 1.06 غ/سم³، بينما تبلغ كثافة الرئة المنتفخة 0.26 غ/سم³. وقد تم الحصول على نطاق واسع من قيم معامل يونغ (Y) لنسيج الرئة باستخدام طرق تجريبية مختلفة. قام لاي فوك وآخرون¹⁶ بقياس معامل يونغ للرئة البشرية مع نفخ منتظم، ووجدوه يتراوح بين 0.42 و6.72 كيلو باسكال. استخدم غوس وآخرون¹⁷ التصوير بالرنين المغناطيسي المرن، وأبلغوا عن قيمة معامل يونغ تبلغ 2.17 كيلو باسكال. وأبلغ ليو وآخرون¹⁸ عن قياس مباشر لمعامل يونغ يتراوح بين 0.03 و57.2 كيلو باسكال. وقدّر إيليغبوسي وآخرون¹⁹ معامل يونغ بين 0.1 و2.7 كيلو باسكال بناءً على بيانات التصوير المقطعي المحوسب رباعي الأبعاد التي تم الحصول عليها من مرضى مختارين.
بالنسبة للخصائص الإشعاعية للرئة، يتم استخدام العديد من المعلمات لوصف سلوك تفاعل أنسجة الرئة مع الأشعة السينية، بما في ذلك التركيب العنصري، وكثافة الإلكترون (\(\:{\rho\:}_{e}\))، والعدد الذري الفعال (\(\:{Z}_{eff}\))، ومتوسط ​​طاقة الإثارة (\(\:I\))، ومعامل التوهين الكتلي (\(\:\mu\:/\rho\:\))، ووحدة هاونسفيلد (HU)، والتي ترتبط ارتباطًا مباشرًا بـ \(\:\mu\:/\rho\:\).
تُعرَّف كثافة الإلكترون \(\:{\rho\:}_{e}\) بأنها عدد الإلكترونات لكل وحدة حجم ويتم حسابها على النحو التالي:
حيث \(\:\rho\:\) هي كثافة المادة بوحدة جم/سم3، و\(\:{N}_{A}\) هو ثابت أفوجادرو، و\(\:{w}_{i}\) هو الكسر الكتلي، و\(\:{Z}_{i}\) هو العدد الذري، و\(\:{A}_{i}\) هو الوزن الذري للعنصر رقم i.
يرتبط العدد الذري ارتباطًا مباشرًا بطبيعة تفاعل الإشعاع داخل المادة. بالنسبة للمركبات والمخاليط التي تحتوي على عدة عناصر (مثل الأقمشة)، يجب حساب العدد الذري الفعال (Z_eff). وقد اقترح مورثي وآخرون الصيغة التالية:
يصف متوسط ​​طاقة الإثارة \(\:I\) مدى سهولة امتصاص المادة المستهدفة للطاقة الحركية للجسيمات المخترقة. وهو يصف خصائص المادة المستهدفة فقط، ولا علاقة له بخصائص الجسيمات. ويمكن حساب \(\:I\) بتطبيق قاعدة براغ الجمعية.
يصف معامل التوهين الكتلي \(\:\mu\:/\rho\:\) اختراق الفوتونات للمادة المستهدفة وإطلاق الطاقة منها. ويمكن حسابه باستخدام الصيغة التالية:
حيث يُمثل \(\:x\) سُمك المادة، و\(\:{I}_{0}\) شدة الضوء الساقط، و\(\:I\) شدة الفوتون بعد اختراقه للمادة. يمكن الحصول على بيانات \(\:\mu\:/\rho\:\) مباشرةً من قاعدة بيانات NIST 12621 المرجعية للمعايير. ويمكن اشتقاق قيم \(\:\mu\:/\rho\:\) للمخاليط والمركبات باستخدام قاعدة الجمعية كما يلي:
وحدة هاونسفيلد (HU) هي وحدة قياس معيارية عديمة الأبعاد لكثافة الإشعاع في تفسير بيانات التصوير المقطعي المحوسب (CT)، وهي عبارة عن تحويل خطي من معامل التوهين المقاس (μ). وتُعرَّف على النحو التالي:
حيث يُمثل \(\:{\mu\:}_{water}\) معامل امتصاص الماء، و\(\:{\mu\:}_{air}\) معامل امتصاص الهواء. وبالتالي، من المعادلة (6) نلاحظ أن قيمة وحدة هاونسفيلد (HU) للماء تساوي صفرًا، وقيمة وحدة هاونسفيلد للهواء تساوي -1000. وتتراوح قيمة وحدة هاونسفيلد للرئتين البشريتين بين -600 و-70022.
تم تطوير العديد من المواد المكافئة للأنسجة. قام غريفيث وآخرون²³ بتطوير نموذج مكافئ لأنسجة الجذع البشري مصنوع من البولي يوريثان (PU) أُضيفت إليه تراكيز مختلفة من كربونات الكالسيوم (CaCO3) لمحاكاة معاملات التوهين الخطي لأعضاء بشرية مختلفة، بما في ذلك الرئة، وسُمّي هذا النموذج غريفيث. وقدّم تايلور²⁴ نموذجًا ثانيًا مكافئًا لأنسجة الرئة، طوّره مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، وسُمّي LLLL1. كما طوّر تراوب وآخرون²⁵ بديلًا جديدًا لأنسجة الرئة باستخدام فومكس XRS-272 يحتوي على 5.25% من كربونات الكالسيوم كمُحسِّن للأداء، وسُمّي ALT2. يوضح الجدولان 1 و 2 مقارنة بين \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) ومعاملات التوهين الكتلي للرئة البشرية (ICRU-44) ونماذج الأنسجة المكافئة المذكورة أعلاه.
على الرغم من الخصائص الإشعاعية الممتازة التي تم تحقيقها، فإن معظم مواد المحاكاة مصنوعة من رغوة البوليسترين، مما يعني أن خصائصها الميكانيكية لا تضاهي خصائص الرئتين البشريتين. يبلغ معامل يونغ لرغوة البولي يوريثان حوالي 500 كيلو باسكال، وهو أقل بكثير من القيمة المثالية للرئتين البشريتين الطبيعيتين (حوالي 5-10 كيلو باسكال). لذلك، من الضروري تطوير مادة جديدة تُحاكي الخصائص الميكانيكية والإشعاعية للرئتين البشريتين.
تُستخدم الهيدروجيلات على نطاق واسع في هندسة الأنسجة. تتشابه بنيتها وخصائصها مع المصفوفة خارج الخلوية (ECM)، كما أنها قابلة للتعديل بسهولة. في هذه الدراسة، تم اختيار ألجينات الصوديوم النقي كمادة حيوية لتحضير الرغوات. تتميز هيدروجيلات الألجينات بتوافقها الحيوي، وتُستخدم على نطاق واسع في هندسة الأنسجة نظرًا لخصائصها الميكانيكية القابلة للتعديل. يسمح التركيب العنصري لألجينات الصوديوم (C6H7NaO6)n ووجود أيونات الكالسيوم (Ca2+) بتعديل خصائصها الإشعاعية حسب الحاجة. هذا المزيج من الخصائص الميكانيكية والإشعاعية القابلة للتعديل يجعل هيدروجيلات الألجينات مثالية لدراستنا. بالطبع، تُعاني هيدروجيلات الألجينات من بعض القيود، لا سيما فيما يتعلق بالاستقرار طويل الأمد خلال دورات التنفس المُحاكاة. لذلك، من المتوقع إجراء المزيد من التحسينات في الدراسات المستقبلية لمعالجة هذه القيود.
في هذا العمل، قمنا بتطوير مادة رغوية من هيدروجيل الألجينات ذات قيم ρ قابلة للتحكم، ومرونة، وخصائص إشعاعية مشابهة لتلك الموجودة في أنسجة الرئة البشرية. ستوفر هذه الدراسة حلاً عاماً لتصنيع نماذج محاكاة للأنسجة ذات خصائص مرنة وإشعاعية قابلة للتعديل. ويمكن بسهولة تعديل خصائص المادة لتناسب أي نسيج أو عضو بشري.
تم حساب نسبة الهواء إلى حجم رغوة الهيدروجيل المستهدفة بناءً على نطاق وحدات هاونسفيلد (HU) للرئتين البشريتين (-600 إلى -700). وافترضنا أن الرغوة عبارة عن خليط بسيط من الهواء وهيدروجيل الألجينات الاصطناعي. وباستخدام قاعدة جمع بسيطة للعناصر الفردية \(\:\mu\:/\rho\:\)، أمكن حساب الكسر الحجمي للهواء والنسبة الحجمية لهيدروجيل الألجينات المصنّع.
تم تحضير رغوات هيدروجيل الألجينات باستخدام ألجينات الصوديوم (رقم القطعة W201502)، وكربونات الكالسيوم (رقم القطعة 795445، الوزن الجزيئي: 100.09)، وغلوكونو-دلتا-لاكتون (رقم القطعة G4750، الوزن الجزيئي: 178.14)، والمُشتراة من شركة سيجما-ألدريتش، سانت لويس، ميزوري. كما تم شراء كبريتات لوريل إيثر الصوديوم بتركيز 70% (SLES 70) من شركة رينوند تريدينج. استُخدم الماء منزوع الأيونات في عملية تحضير الرغوة. تم إذابة ألجينات الصوديوم في الماء منزوع الأيونات عند درجة حرارة الغرفة مع التحريك المستمر (600 دورة في الدقيقة) حتى الحصول على محلول أصفر شفاف متجانس. استُخدمت كربونات الكالسيوم مع غلوكونو-دلتا-لاكتون كمصدر لأيونات الكالسيوم لبدء عملية التجلط. استُخدمت كبريتات لوريل إيثر الصوديوم بتركيز 70% كعامل خافض للتوتر السطحي لتكوين بنية مسامية داخل الهيدروجيل. تم الحفاظ على تركيز الألجينات عند 5%، والنسبة المولية لـ Ca2+:COOH عند 0.18. كما تم الحفاظ على النسبة المولية لـ CaCO3:GDL عند 0.5 أثناء تحضير الرغوة للحفاظ على درجة حموضة متعادلة. القيمة 26. أُضيف 2% حجميًا من SLES 70 إلى جميع العينات. استُخدم دورق زجاجي ذو غطاء للتحكم في نسبة خلط المحلول والهواء. كان الحجم الكلي للدورق 140 مل. بناءً على نتائج الحسابات النظرية، أُضيفت أحجام مختلفة من الخليط (50 مل، 100 مل، 110 مل) إلى الدورق لخلطها بالهواء. صُممت العينة التي تحتوي على 50 مل من الخليط لخلطها بكمية كافية من الهواء، بينما تم التحكم في نسبة حجم الهواء في العينتين الأخريين. في البداية، أُضيف SLES 70 إلى محلول الألجينات وحُرك باستخدام محرك كهربائي حتى امتزج تمامًا. ثم أُضيف معلق كربونات الكالسيوم إلى المزيج مع التحريك المستمر حتى امتزج تمامًا، وعندها تحول لونه إلى الأبيض. بعد ذلك، أُضيف محلول غلوكونو-دلتا-لاكتون إلى المزيج لبدء عملية التجلط، مع الاستمرار في التحريك الميكانيكي طوال العملية. بالنسبة للعينة التي تحتوي على 50 مل من المزيج، توقف التحريك الميكانيكي عندما استقر حجم المزيج. أما بالنسبة للعينات التي تحتوي على 100 مل و110 مل من المزيج، فقد توقف التحريك الميكانيكي عندما امتلأ الكأس بالمزيج. حاولنا أيضًا تحضير رغوات هيدروجيل بحجم يتراوح بين 50 مل و100 مل. ومع ذلك، لوحظ عدم استقرار بنيوي للرغوة، حيث تذبذبت بين حالة المزج الكامل للهواء وحالة التحكم في حجم الهواء، مما أدى إلى عدم اتساق التحكم في الحجم. أدخل هذا التذبذب عدم اليقين في الحسابات، ولذلك لم يتم تضمين نطاق الحجم هذا في هذه الدراسة.
يتم حساب كثافة \(\:\rho\:\) رغوة الهيدروجيل عن طريق قياس كتلة \(\:m\) وحجم \(\:V\) عينة رغوة الهيدروجيل.
تم الحصول على صور مجهرية ضوئية لرغوات الهيدروجيل باستخدام كاميرا Zeiss Axio Observer A1. واستُخدم برنامج ImageJ لحساب عدد المسام وتوزيع أحجامها في عينة ضمن منطقة محددة بناءً على الصور الملتقطة. ويُفترض أن شكل المسام دائري.
لدراسة الخصائص الميكانيكية لرغوات هيدروجيل الألجينات، أُجريت اختبارات ضغط أحادي المحور باستخدام جهاز من سلسلة TESTRESOURCES 100. قُطعت العينات إلى مكعبات مستطيلة، وقُيست أبعاد المكعبات لحساب الإجهادات والانفعالات. ضُبطت سرعة رأس الاختبار على 10 مم/دقيقة. تم اختبار ثلاث عينات لكل نوع من أنواع الرغوات، وحُسب المتوسط ​​والانحراف المعياري من النتائج. ركزت هذه الدراسة على الخصائص الميكانيكية للضغط لرغوات هيدروجيل الألجينات، نظرًا لتعرض أنسجة الرئة لقوى ضغط في مرحلة معينة من دورة التنفس. تُعد قابلية التمدد أمرًا بالغ الأهمية، لا سيما لعكس السلوك الديناميكي الكامل لأنسجة الرئة، وسيتم بحث ذلك في دراسات مستقبلية.
تم فحص عينات رغوة الهيدروجيل المُحضّرة باستخدام جهاز التصوير المقطعي المحوسب ثنائي القنوات Siemens SOMATOM Drive. وتم ضبط معايير الفحص على النحو التالي: 40 مللي أمبير ثانية، 120 كيلو فولت، وسُمك شريحة 1 مم. وتم تحليل ملفات DICOM الناتجة باستخدام برنامج MicroDicom DICOM Viewer لتحليل قيم HU لخمسة مقاطع عرضية من كل عينة. وقورنت قيم HU المُستحصلة بواسطة التصوير المقطعي المحوسب بالحسابات النظرية المُستندة إلى بيانات كثافة العينات.
تهدف هذه الدراسة إلى إحداث ثورة في تصنيع نماذج الأعضاء الفردية والأنسجة البيولوجية الاصطناعية من خلال هندسة المواد اللينة. يُعدّ تطوير مواد ذات خصائص ميكانيكية وإشعاعية تُحاكي آلية عمل الرئتين البشريتين أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات مُحددة، مثل تحسين التدريب الطبي، والتخطيط الجراحي، والتخطيط للعلاج الإشعاعي. في الشكل 1أ، قمنا بتوضيح التباين بين الخصائص الميكانيكية والإشعاعية للمواد اللينة التي يُفترض استخدامها في تصنيع نماذج الرئة البشرية. حتى الآن، تم تطوير مواد تُظهر الخصائص الإشعاعية المطلوبة، لكن خصائصها الميكانيكية لا تُلبي المتطلبات المرجوة. يُعدّ كل من رغوة البولي يوريثان والمطاط من أكثر المواد استخدامًا في تصنيع نماذج الرئة البشرية القابلة للتشكيل. عادةً ما تكون الخصائص الميكانيكية لرغوة البولي يوريثان (معامل يونغ) أكبر من 10 إلى 100 مرة من تلك الموجودة في أنسجة الرئة البشرية الطبيعية. لم يتم التوصل بعد إلى مواد تُظهر الخصائص الميكانيكية والإشعاعية المطلوبة معًا.
(أ) تمثيل تخطيطي لخصائص مواد لينة مختلفة ومقارنتها بالرئة البشرية من حيث الكثافة ومعامل يونغ والخصائص الإشعاعية (بوحدة هاونسفيلد). (ب) نمط حيود الأشعة السينية لهيدروجيل الألجينات (μ/ρ) بتركيز 5% ونسبة مولية Ca2+:COOH مقدارها 0.18. (ج) نطاق نسب حجم الهواء في رغوات الهيدروجيل. (د) تمثيل تخطيطي لرغوات هيدروجيل الألجينات بنسب حجم هواء مختلفة.
تم حساب التركيب العنصري لهيدروجيلات الألجينات بتركيز 5% ونسبة مولية Ca2+:-COOH تبلغ 0.18، وتظهر النتائج في الجدول 3. وفقًا لقاعدة الجمع في الصيغة السابقة (5)، يتم الحصول على معامل امتصاص الكتلة لهيدروجيل الألجينات \(\:\:\mu\:/\rho\:\) كما هو موضح في الشكل 1B.
تم الحصول على قيم \(\:\mu\:/\rho\:\) للهواء والماء مباشرةً من قاعدة بيانات المعايير المرجعية NIST 12612. وبالتالي، يُظهر الشكل 1C نسب حجم الهواء المحسوبة في رغوة الهيدروجيل بقيم مكافئة لوحدة هاونسفيلد (HU) تتراوح بين -600 و-700 للرئة البشرية. وتظل نسبة حجم الهواء المحسوبة نظريًا مستقرة ضمن نطاق 60-70% في نطاق الطاقة من 1 × 10−3 إلى 2 × 101 ميغا إلكترون فولت، مما يشير إلى إمكانية جيدة لتطبيق رغوة الهيدروجيل في عمليات التصنيع اللاحقة.
يوضح الشكل 1D عينة رغوة هيدروجيل الألجينات المُحضّرة. قُطّعت جميع العينات إلى مكعبات بطول ضلع 12.7 مم. أظهرت النتائج تكوّن رغوة هيدروجيل متجانسة ومستقرة ثلاثية الأبعاد. وبغض النظر عن نسبة حجم الهواء، لم تُلاحظ فروق جوهرية في مظهر رغوة الهيدروجيل. تشير خاصية الاستدامة الذاتية لرغوة الهيدروجيل إلى أن الشبكة المتكونة داخل الهيدروجيل قوية بما يكفي لتحمّل وزن الرغوة نفسها. وبصرف النظر عن تسرب كمية ضئيلة من الماء من الرغوة، فقد أظهرت الرغوة أيضًا استقرارًا مؤقتًا لعدة أسابيع.
تم حساب كثافة رغوة الهيدروجيل المُحضّرة (ρ) بقياس كتلة وحجم عينة الرغوة، والنتائج موضحة في الجدول 4. تُظهر النتائج اعتماد الكثافة (ρ) على نسبة حجم الهواء. عند مزج كمية كافية من الهواء مع 50 مل من العينة، تصل الكثافة إلى أدنى قيمة لها وهي 0.482 جم/سم³. ومع انخفاض كمية الهواء المضاف، ترتفع الكثافة إلى 0.685 جم/سم³. بلغت قيمة p القصوى بين مجموعات 50 مل و100 مل و110 مل 0.004 < 0.05، مما يدل على الدلالة الإحصائية للنتائج.
تم حساب القيمة النظرية لـ \(\:\rho\:\) باستخدام نسبة حجم الهواء المتحكم بها. تُظهر النتائج المقاسة أن \(\:\rho\:\) أقل بمقدار 0.1 غ/سم³ من القيمة النظرية. يُعزى هذا الاختلاف إلى الإجهاد الداخلي المتولد في الهيدروجيل أثناء عملية التصلب، والذي يُسبب التورم وبالتالي انخفاض قيمة \(\:\rho\:\). وقد تأكد ذلك من خلال ملاحظة بعض الفجوات داخل رغوة الهيدروجيل في صور الأشعة المقطعية الموضحة في الشكل 2 (أ، ب، ج).
صور مجهرية ضوئية لرغوات الهيدروجيل ذات محتويات حجم هواء مختلفة (أ) 50، (ب) 100، و (ج) 110. عدد الخلايا وتوزيع حجم المسام في عينات رغوة هيدروجيل الألجينات (د) 50، (هـ) 100، (و) 110.
يوضح الشكل 3 (أ، ب، ج) صورًا مجهرية ضوئية لعينات رغوة الهيدروجيل بنسب حجم هواء مختلفة. تُظهر النتائج البنية البصرية لرغوة الهيدروجيل، حيث تُبرز بوضوح صور المسام بأقطار مختلفة. تم حساب توزيع عدد المسام وقطرها باستخدام برنامج ImageJ. تم التقاط ست صور لكل عينة، وكان حجم كل صورة 1125.27 ميكرومتر × 843.96 ميكرومتر، وبلغت المساحة الإجمالية المُحللة لكل عينة 5.7 مليمتر مربع.
(أ) سلوك الإجهاد والانفعال الانضغاطي لرغوات هيدروجيل الألجينات بنسب حجم هواء مختلفة. (ب) المطابقة الأسية. (ج) معامل الانضغاط E0 لرغوات الهيدروجيل بنسب حجم هواء مختلفة. (د) الإجهاد والانفعال الانضغاطي النهائي لرغوات هيدروجيل الألجينات بنسب حجم هواء مختلفة.
يوضح الشكل 3 (د، هـ، و) أن توزيع حجم المسام متجانس نسبيًا، ويتراوح من عشرات الميكرومترات إلى حوالي 500 ميكرومتر. حجم المسام متجانس بشكل أساسي، ويتناقص قليلًا مع انخفاض حجم الهواء. وفقًا لبيانات الاختبار، يبلغ متوسط ​​حجم المسام في عينة 50 مل 192.16 ميكرومتر، والوسيط 184.51 ميكرومتر، وعدد المسام لكل وحدة مساحة 103. أما متوسط ​​حجم المسام في عينة 100 مل فيبلغ 156.62 ميكرومتر، والوسيط 151.07 ميكرومتر، وعدد المسام لكل وحدة مساحة 109. بينما تبلغ القيم المقابلة لعينة 110 مل 163.07 ميكرومتر، و150.29 ميكرومتر، و115 على التوالي. تُظهر البيانات أن المسام الأكبر حجمًا لها تأثير أكبر على النتائج الإحصائية لمتوسط ​​حجم المسام، وأن الوسيط لحجم المسام يعكس بشكل أفضل اتجاه تغير حجم المسام. ومع زيادة حجم العينة من 50 مل إلى 110 مل، يزداد عدد المسام أيضًا. وبدمج النتائج الإحصائية لمتوسط ​​قطر المسام وعددها، يُمكن استنتاج أنه مع زيادة الحجم، تتشكل المزيد من المسام الأصغر حجمًا داخل العينة.
تُظهر الأشكال 4أ و4د بيانات الاختبارات الميكانيكية. يوضح الشكل 4أ سلوك الإجهاد والانفعال الانضغاطي لرغوات الهيدروجيل المُحضّرة بنسب حجم هواء مختلفة. تُشير النتائج إلى أن جميع العينات تُظهر سلوكًا غير خطي متشابهًا في الإجهاد والانفعال. ففي كل عينة، يزداد الإجهاد بسرعة أكبر مع ازدياد الانفعال. تمّت مطابقة منحنى أُسّي مع سلوك الإجهاد والانفعال الانضغاطي لرغوة الهيدروجيل. يُظهر الشكل 4ب النتائج بعد تطبيق الدالة الأُسّية كنموذج تقريبي لرغوة الهيدروجيل.
تمت دراسة معامل الانضغاط (E0) لرغوات الهيدروجيل ذات نسب حجم الهواء المختلفة. وكما هو الحال في تحليل الهيدروجيل، تم فحص معامل يونغ للانضغاط في نطاق إجهاد ابتدائي قدره 20%. تُظهر نتائج اختبارات الانضغاط في الشكل 4C أنه مع انخفاض نسبة حجم الهواء من العينة 50 إلى العينة 110، يزداد معامل يونغ للانضغاط (E0) لرغوة هيدروجيل الألجينات من 10.86 كيلو باسكال إلى 18 كيلو باسكال.
وبالمثل، تم الحصول على منحنيات الإجهاد والانفعال الكاملة لرغوات الهيدروجيل، بالإضافة إلى قيم الإجهاد والانفعال الانضغاطي القصوى. يوضح الشكل 4D الإجهاد والانفعال الانضغاطي القصوى لرغوات هيدروجيل الألجينات. كل نقطة بيانات هي متوسط ​​ثلاث نتائج اختبار. تُظهر النتائج أن الإجهاد الانضغاطي الأقصى يزداد من 9.84 كيلو باسكال إلى 17.58 كيلو باسكال مع انخفاض محتوى الغاز. ويبقى الانفعال الأقصى ثابتًا عند حوالي 38%.
يوضح الشكل 2 (أ، ب، ج) صور الأشعة المقطعية لرغوة الهيدروجيل بنسب حجم هواء مختلفة، والتي تُقابل العينات 50 و100 و110 على التوالي. تُظهر الصور أن رغوة الهيدروجيل المتكونة متجانسة تقريبًا. لوحظ وجود عدد قليل من الفجوات في العينتين 100 و110. قد يكون تكوّن هذه الفجوات ناتجًا عن الإجهاد الداخلي المتولد في الهيدروجيل أثناء عملية التجلط. قمنا بحساب قيم وحدة هاونسفيلد (HU) لخمسة مقاطع عرضية من كل عينة، وأدرجناها في الجدول 5 مع نتائج الحسابات النظرية المقابلة.
يُبين الجدول 5 أن العينات ذات نسب حجم الهواء المختلفة حصلت على قيم HU مختلفة. وكانت أعلى قيمة p بين مجموعات 50 مل و100 مل و110 مل هي 0.004 < 0.05، مما يدل على الدلالة الإحصائية للنتائج. ومن بين العينات الثلاث المختبرة، كانت العينة ذات الخليط بحجم 50 مل الأقرب في خصائصها الإشعاعية إلى خصائص الرئتين البشريتين. يُمثل العمود الأخير من الجدول 5 النتيجة المحسوبة نظريًا بناءً على قيمة الرغوة المقاسة (ρ). وبمقارنة البيانات المقاسة بالنتائج النظرية، يتضح أن قيم HU التي تم الحصول عليها بواسطة التصوير المقطعي المحوسب قريبة عمومًا من النتائج النظرية، مما يؤكد بدوره نتائج حساب نسبة حجم الهواء في الشكل 1C.
يهدف هذا البحث بشكل أساسي إلى ابتكار مادة ذات خصائص ميكانيكية وإشعاعية مماثلة لخصائص الرئتين البشريتين. وقد تحقق هذا الهدف من خلال تطوير مادة هيدروجيلية ذات خصائص ميكانيكية وإشعاعية مُصممة خصيصًا لتُحاكي خصائص أنسجة الرئة البشرية قدر الإمكان. وبالاستناد إلى حسابات نظرية، تم تحضير رغوات هيدروجيلية بنسب حجم هواء مختلفة عن طريق الخلط الميكانيكي لمحلول ألجينات الصوديوم، وكربونات الكالسيوم، وغلوكونو-دلتا-لايسين، وكبريتات لوريث الصوديوم 70. وأظهر التحليل المورفولوجي تكوّن رغوة هيدروجيلية متجانسة ثلاثية الأبعاد ومستقرة. ومن خلال تغيير نسبة حجم الهواء، يُمكن التحكم في كثافة الرغوة ومساميتها. ومع زيادة نسبة حجم الهواء، يقل حجم المسام قليلاً ويزداد عددها. أُجريت اختبارات ضغط لتحليل الخصائص الميكانيكية لرغوات هيدروجيل الألجينات. وأظهرت النتائج أن معامل الانضغاط (E0) المُستخلص من اختبارات الضغط يقع ضمن النطاق المثالي للرئتين البشريتين، حيث يزداد E0 مع انخفاض نسبة حجم الهواء. تم الحصول على قيم الخصائص الإشعاعية (وحدات هاونسفيلد) للعينات المُحضّرة بناءً على بيانات التصوير المقطعي المحوسب، وقورنت بنتائج الحسابات النظرية. وكانت النتائج مُرضية. كما أن القيمة المقاسة قريبة من قيمة وحدات هاونسفيلد للرئتين البشريتين. تُظهر هذه النتائج إمكانية تصنيع رغوات هيدروجيلية تُحاكي أنسجة الرئة، وتتميز بمزيج مثالي من الخصائص الميكانيكية والإشعاعية التي تُحاكي خصائص الرئتين البشريتين.
على الرغم من النتائج الواعدة، إلا أن أساليب التصنيع الحالية بحاجة إلى تحسين للتحكم بشكل أفضل في نسبة حجم الهواء والمسامية، بما يتوافق مع التوقعات المستمدة من الحسابات النظرية والرئتين البشريتين الحقيقيتين على المستويين الكلي والمحلي. وتقتصر الدراسة الحالية أيضًا على اختبار آليات الضغط، مما يحد من إمكانية تطبيق النموذج على مرحلة الضغط من دورة التنفس. ومن شأن الأبحاث المستقبلية أن تستفيد من دراسة اختبارات الشد، بالإضافة إلى الاستقرار الميكانيكي العام للمادة، لتقييم التطبيقات المحتملة في ظل ظروف التحميل الديناميكي. وعلى الرغم من هذه القيود، تُعد هذه الدراسة أول محاولة ناجحة لدمج الخصائص الإشعاعية والميكانيكية في مادة واحدة تحاكي الرئة البشرية.
تتوفر مجموعات البيانات التي تم إنشاؤها و/أو تحليلها خلال هذه الدراسة من المؤلف المسؤول عند الطلب. ويمكن إعادة إنتاج كل من التجارب ومجموعات البيانات.
سونغ، جي، وآخرون. تقنيات النانو الحديثة والمواد المتقدمة لعلاج السرطان بالإشعاع. المواد المتقدمة 29، 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
كيل، بي جيه، وآخرون. تقرير فرقة العمل التابعة للجمعية الأمريكية لفيزياء الطب 76أ بشأن إدارة حركة الجهاز التنفسي في علاج الأورام بالإشعاع. الفيزياء الطبية 33، 3874-3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
المايا، أ.، موسلي، ج.، وبروك، ك.ك. نمذجة اللاخطية في التفاعل والمواد في الرئة البشرية. الفيزياء والطب وعلم الأحياء 53، 305-317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
وانغ، إكس، وآخرون. نموذج لسرطان الرئة يشبه الورم تم إنشاؤه بواسطة الطباعة الحيوية ثلاثية الأبعاد. 3. التكنولوجيا الحيوية. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
لي، م.، وآخرون. نمذجة تشوه الرئة: طريقة تجمع بين تقنيات تسجيل الصور القابلة للتشوه وتقدير معامل يونغ المتغير مكانيًا. الفيزياء الطبية 40، 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. صلابة الأنسجة الحية وآثارها على هندسة الأنسجة. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).