Tapadh leibh airson tadhal air nature.com. Tha taic CSS cuibhrichte aig an dreach brabhsair a tha thu a’ cleachdadh. Airson an eòlas as fheàrr, tha sinn a’ moladh an dreach brabhsair as ùire a chleachdadh (no modh co-chòrdalachd a chuir dheth ann an Internet Explorer). A bharrachd air sin, gus dèanamh cinnteach à taic leantainneach, cha bhith stoidhlichean no JavaScript air an làrach seo.
Faodaidh gluasad bhuill-bodhaig is fhigheagan mearachdan adhbhrachadh ann an suidheachadh ghathan-X rè rèidio-leighis. Mar sin, tha feum air stuthan le feartan meacanaigeach is rèidio-eòlach co-ionann ri clò gus gluasad bhuill-bodhaig aithris airson rèidio-leighis a dhèanamh cho math ‘s as urrainn. Ach, tha leasachadh stuthan mar sin fhathast na dhùbhlan. Tha feartan aig hydrogels alginate coltach ri feartan a’ mhaitriceas taobh a-muigh na cealla, gan dèanamh gealltanach mar stuthan co-ionann ri clò. Anns an sgrùdadh seo, chaidh foams hydrogel alginate leis na feartan meacanaigeach is rèidio-eòlach a bha a dhìth a cho-chur ri chèile le bhith a’ leigeil ma sgaoil Ca2+ in situ. Chaidh an co-mheas èadhair-gu-meud a smachdachadh gu faiceallach gus foams hydrogel fhaighinn le feartan meacanaigeach is rèidio-eòlach mìnichte. Chaidh macra- agus micromorf-eòlas nan stuthan a chomharrachadh, agus chaidh giùlan nan foams hydrogel fo theannachadh a sgrùdadh. Chaidh na feartan rèidio-eòlach a mheasadh gu teòiridheach agus a dhearbhadh gu deuchainneach a’ cleachdadh tomagrafaireachd coimpiutaichte. Tha an sgrùdadh seo a’ toirt solas air leasachadh san àm ri teachd air stuthan co-ionann ri clò a dh’ fhaodar a chleachdadh airson dòs rèididheachd a dhèanamh nas fheàrr agus smachd càileachd rè rèidio-leighis.
’S e leigheas rèididheachd aon de na leigheasan cumanta airson aillse1. Bidh gluasad bhuill-bodhaig is fhigheagan gu tric ag adhbhrachadh mhearachdan ann an suidheachadh ghathan-X rè leigheas rèididheachd2, agus faodaidh seo leantainn gu dìth làimhseachaidh air an tumhair agus cus nochdadh do cheallan fallain mun cuairt air rèididheachd neo-riatanach. Tha e deatamach gum bi e comasach gluasad bhuill-bodhaig is fhigheagan a ro-innse gus mearachdan suidheachaidh tumhair a lughdachadh. Bha an sgrùdadh seo ag amas air na sgamhanan, leis gu bheil iad a’ faighinn mòran deformachaidhean is gluasadan nuair a bhios euslaintich ag anail rè leigheas rèididheachd. Chaidh diofar mhodalan eileamaidean crìochnaichte a leasachadh agus a chur an sàs gus gluasad sgamhanan daonna3,4,5 atharrais. Ach, tha cruthan-tìre iom-fhillte aig bhuill-bodhaig is fhigheagan daonna agus tha iad gu mòr an urra ris an euslainteach. Mar sin, tha stuthan le feartan co-ionann ri fhigheagan glè fheumail airson modalan corporra a leasachadh gus modalan teòiridheach a dhearbhadh, làimhseachadh meidigeach nas fheàrr a dhèanamh comasach, agus airson adhbharan foghlaim meidigeach.
Tha leasachadh stuthan a tha ag atharrais air clò bog gus geoimeatraidhean structarail taobh a-muigh is taobh a-staigh iom-fhillte a choileanadh air mòran aire a tharraing leis gum faod na neo-chunbhalachdan meacanaigeach nàdarra aca leantainn gu fàilligidhean ann an tagraidhean targaid6,7. Tha modaladh bith-mheacanaig iom-fhillte clò sgamhain, a tha a’ cothlamadh bogachd, sùbailteachd agus porosity structarail anabarrach, a’ cur dùbhlan mòr ann a bhith a’ leasachadh mhodalan a bhios ag ath-riochdachadh sgamhan an duine gu ceart. Tha amalachadh agus maidseadh fheartan meacanaigeach agus rèidio-eòlach deatamach airson coileanadh èifeachdach mhodalan sgamhain ann an eadar-theachdan leigheasach. Tha saothrachadh cur-ris air dearbhadh gu bheil e èifeachdach ann a bhith a’ leasachadh mhodalan sònraichte do dh’ euslaintich, a’ comasachadh prototàpadh luath de dhealbhaidhean iom-fhillte. Leasaich Shin et al. 8 modail sgamhain ath-riochdachadh, deformable le slighean-adhair clò-bhuailte 3D. Leasaich Haselaar et al. 9 phantom glè choltach ri fìor euslaintich airson measadh càileachd ìomhaigh agus dòighean dearbhaidh suidheachaidh airson rèidio-leigheas. Leasaich Hong et al10 modail CT ciste a’ cleachdadh clò-bhualadh 3D agus teicneòlas tilgeadh silicone gus dian CT diofar leòintean sgamhain ath-riochdachadh gus cruinneas an tomhais a mheasadh. Ach, bidh na prototaipean sin gu tric air an dèanamh de stuthan aig a bheil feartan èifeachdach gu math eadar-dhealaichte bho fheartan clò sgamhain11.
An-dràsta, tha a’ mhòr-chuid de thaibhseagan sgamhain air an dèanamh de shìolaic no de chòm polyurethane, nach eil a’ freagairt ri feartan meacanaigeach is rèididheachdach parenchyma sgamhain fìor.12,13 Tha hydrogels alginate bith-cho-chòrdail agus chaidh an cleachdadh gu farsaing ann an innleadaireachd clò air sgàth na feartan meacanaigeach atharrachail aca.14 Ach, tha e fhathast na dhùbhlan deuchainneach an cunbhalachd ultra-bhog, coltach ri còm a tha a dhìth airson thaibhse sgamhain a bhios ag atharrais gu ceart air sùbailteachd agus structar lìonaidh clò sgamhain ath-riochdachadh.
Anns an sgrùdadh seo, chaidh gabhail ris gur e stuth elastagach aon-ghnèitheach a th’ ann an clò sgamhain. Thathar ag aithris gu bheil dùmhlachd clò sgamhain daonna (\(\:\rho\:\)) 1.06 g/cm3, agus gu bheil dùmhlachd na sgamhain làn sèididh 0.26 g/cm315. Chaidh raon farsaing de luachan modulas Young (MY) de chlò sgamhain fhaighinn a’ cleachdadh diofar dhòighean deuchainneach. Thomhais Lai-Fook et al. 16 YM sgamhain daonna le sèideadh aon-ghnèitheach gu bhith 0.42–6.72 kPa. Chleachd Goss et al. 17 elastagrafaidheachd ath-shuidheachaidh magnetach agus dh’innis iad YM de 2.17 kPa. Dh’innis Liu et al. 18 YM a chaidh a thomhas gu dìreach de 0.03–57.2 kPa. Mheas Ilegbusi et al. 19 an YM gu bhith 0.1–2.7 kPa stèidhichte air dàta CT 4D a fhuaireadh bho euslaintich taghte.
Airson feartan rèididheachdach na sgamhain, thathar a’ cleachdadh grunn pharaimeatairean gus cunntas a thoirt air giùlan eadar-obrachaidh clò sgamhain le ghathan-X, a’ gabhail a-steach co-dhèanamh nan eileamaideach, dùmhlachd electron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), àireamh atamach èifeachdach (\(\:{Z}_{eff}\)), lùth brosnachaidh cuibheasach (\(\:I\)), co-èifeachd lagachaidh mais (\(\:\:\:/\rho\:\)) agus aonad Hounsfield (HU), a tha gu dìreach co-cheangailte ri \(\:\mu\:/\rho\:\).
Tha dùmhlachd electron \(\:{\rho\:}_{e}\) air a mhìneachadh mar an àireamh de electronan gach aonad toirte agus tha e air a thomhas mar a leanas:
far a bheil \(\:\rho\:\) na dùmhlachd den stuth ann an g/cm3, \(\:{N}_{A}\) na sheasmhachd Avogadro, \(\:{w}_{i}\) na bloigh maise, \(\:{Z}_{i}\) na h-àireamh atamach, agus \(\:{A}_{i}\) na chuideam atamach den i-mh eileamaid.
Tha an àireamh atamach ceangailte gu dìreach ri nàdar an eadar-obrachaidh rèididheachd taobh a-staigh an stuth. Airson todhar agus measgachaidhean anns a bheil grunn eileamaidean (me, aodach), feumar an àireamh atamach èifeachdach \(\:{Z}_{eff}\) obrachadh a-mach. Chaidh am foirmle a mholadh le Murthy et al. 20:
Tha an lùth brosnachaidh cuibheasach \(\:I\) a’ toirt cunntas air cho furasta ‘s a bhios an stuth targaid a’ gabhail a-steach lùth cineatach nam mìrean a tha a’ dol a-steach. Chan eil e a’ toirt cunntas ach air feartan an stuth targaid agus chan eil dad aige ri dhèanamh ri feartan nam mìrean. Faodar \(\:I\) obrachadh a-mach le bhith a’ cleachdadh riaghailt cur-ris Bragg:
Tha an co-èifeachd lughdachadh mais \(\:\mu\:/\rho\:\) a’ toirt cunntas air dol a-steach agus leigeil ma sgaoil lùth fotonan anns an stuth targaid. Faodar a thomhas leis an fhoirmle a leanas:
Far a bheil \(\:x\) tiugh an stuth, \(\:{I}_{0}\) dian an t-solais a tha a’ tighinn a-steach, agus \(\:I\) dian nam foton às dèidh dha dol a-steach don stuth. Gheibhear dàta \(\:\mu\:/\rho\:\) gu dìreach bhon Stòr-dàta Iomraidh Inbhean NIST 12621. Faodar luachan \(\:\:\:/\rho\:\) airson measgachaidhean agus todhar a thoirt a-mach a’ cleachdadh riaghailt na suimeachaidh mar a leanas:
'S e aonad tomhais gun tomhas àbhaisteach de rèidio-dùmhlachd a th' ann an HU ann am mìneachadh dàta tomagrafaireachd coimpiutaichte (CT), a tha air a chruth-atharrachadh gu loidhneach bhon cho-èifeachd lùghdachaidh tomhaiste \(\:\mu\:\). Tha e air a mhìneachadh mar:
far a bheil \(\:{\mu\:}_{uisge}\) na cho-èifeachd lagachaidh airson uisge, agus \(\:{\mu\:}_{èadhar}\) na cho-èifeachd lagachaidh airson èadhair. Mar sin, bho fhoirmle (6) chì sinn gu bheil luach HU uisge co-ionann ri 0, agus luach HU èadhair co-ionann ri -1000. Tha luach HU sgamhanan daonna eadar -600 agus -70022.
Chaidh grunn stuthan co-ionann clò a leasachadh. Leasaich Griffith et al. 23 modail co-ionann clò den chorp daonna air a dhèanamh de polyurethane (PU) ris an deach diofar dùmhlachdan de chalcium carbonate (CaCO3) a chur ris gus na co-èifeachdan lughdachadh loidhneach de dhiofar bhuill-bodhaig daonna a’ gabhail a-steach sgamhan an duine ath-riochdachadh, agus chaidh am modail ainmeachadh mar Griffith. Thaisbean Taylor24 dàrna modail co-ionann clò sgamhain air a leasachadh le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), air an robh LLLL1. Leasaich Traub et al.25 stuth-ionaid clò sgamhain ùr a’ cleachdadh Foamex XRS-272 anns a bheil 5.25% CaCO3 mar leasaichear coileanaidh, air an robh ALT2. Tha Clàran 1 agus 2 a’ sealltainn coimeas eadar \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) agus na co-èifeachdan lughdachadh mais airson sgamhan an duine (ICRU-44) agus na modailean co-ionann clò gu h-àrd.
A dh’aindeoin nan deagh fheartan rèididheachd a chaidh a choileanadh, tha cha mhòr a h-uile stuth taibhse air a dhèanamh de chòm polystyrene, agus tha sin a’ ciallachadh nach urrainn dha na feartan meacanaigeach aig na stuthan sin a bhith faisg air feartan sgamhanan daonna. Tha modúl Young (YM) còm polyurethane mu 500 kPa, rud nach eil idir freagarrach an taca ri sgamhanan daonna àbhaisteach (mu 5-10 kPa). Mar sin, tha e riatanach stuth ùr a leasachadh a choinnicheas ri feartan meacanaigeach is rèididheachd sgamhanan daonna fìor.
Tha hydrogels air an cleachdadh gu farsaing ann an innleadaireachd clò. Tha an structar agus na feartan aca coltach ris a’ mhaitriceas taobh a-muigh na cealla (ECM) agus tha iad furasta an atharrachadh. Anns an sgrùdadh seo, chaidh alginate sodium fìor-ghlan a thaghadh mar am bith-stuth airson ullachadh foams. Tha hydrogels alginate bith-cho-chòrdail agus air an cleachdadh gu farsaing ann an innleadaireachd clò air sgàth na feartan meacanaigeach atharrachail aca. Tha co-dhèanamh eileamaideach sodium alginate (C6H7NaO6)n agus làthaireachd Ca2+ a’ leigeil le na feartan rèididheachd aige atharrachadh mar a dh’ fheumar. Tha an cothlamadh seo de fheartan meacanaigeach agus rèididheachd atharrachail a’ dèanamh hydrogels alginate air leth freagarrach airson an sgrùdaidh againn. Gu dearbh, tha cuingealachaidhean aig hydrogels alginate cuideachd, gu sònraichte a thaobh seasmhachd fad-ùine rè chuairtean analach samhlaichte. Mar sin, tha feum air tuilleadh leasachaidhean agus thathar an dùil gun tèid sin a dhèanamh ann an sgrùdaidhean san àm ri teachd gus dèiligeadh ris na cuingealachaidhean sin.
Anns an obair seo, leasaich sinn stuth foam alginate hydrogel le luachan rho, leaisteachas, agus feartan rèididheachd a ghabhas smachdachadh coltach ri luachan clò sgamhain daonna. Bheir an sgrùdadh seo fuasgladh coitcheann airson phantoms coltach ri clò a dhèanamh le feartan leaisteachas agus rèididheachd a ghabhas atharrachadh. Faodar feartan an stuth atharrachadh gu furasta a rèir clò is organ daonna sam bith.
Chaidh an co-mheas targaid èadhair ri meud an foam hydrogel obrachadh a-mach stèidhichte air raon HU sgamhanan daonna (-600 gu -700). Chaidh gabhail ris gur e measgachadh sìmplidh de dh’èadhar agus hydrogel alginate synthetigeach a bh’ anns a’ foam. Le bhith a’ cleachdadh riaghailt cur-ris sìmplidh de eileamaidean fa leth \(\:\mu\:/\rho\:\), b’ urrainnear an co-mheas meud èadhair agus an co-mheas meud den hydrogel alginate synthetigeach obrachadh a-mach.
Chaidh foamaichean alginate hydrogel ullachadh le bhith a’ cleachdadh alginate sodium (Àireamh Pàirt W201502), CaCO3 (Àireamh Pàirt 795445, MW: 100.09), agus GDL (Àireamh Pàirt G4750, MW: 178.14) a chaidh a cheannach bho Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. Chaidh 70% Sodium Lauryl Ether Sulfate (SLES 70) a cheannach bho Renowned Trading LLC. Chaidh uisge dì-ionichte a chleachdadh ann am pròiseas ullachaidh a’ fhoma. Chaidh alginate sodium a sgaoileadh ann an uisge dì-ionichte aig teòthachd an t-seòmair le gluasad cunbhalach (600 rpm) gus an deach fuasgladh buidhe aon-ghnèitheach, tar-shoilleir fhaighinn. Chaidh CaCO3 còmhla ri GDL a chleachdadh mar thùs Ca2+ gus gelation a thòiseachadh. Chaidh SLES 70 a chleachdadh mar surfactant gus structar porous a chruthachadh taobh a-staigh an hydrogel. Chaidh dùmhlachd an alginate a chumail aig 5% agus chaidh an co-mheas molar Ca2+:-COOH a chumail aig 0.18. Chaidh an co-mheas molar CaCO3:GDL a chumail aig 0.5 cuideachd rè ullachadh na cobhair gus pH neodrach a chumail suas. Is e an luach 26. Chaidh 2% a rèir meud de SLES 70 a chur ris na sampallan uile. Chaidh beacair le mullach a chleachdadh gus smachd a chumail air co-mheas measgachadh an fhuasglaidh agus an èadhair. B’ e 140 ml meud iomlan a’ bhèiceir. Stèidhichte air toraidhean an àireamhachaidh teòiridheach, chaidh diofar mheudan den mheasgachadh (50 ml, 100 ml, 110 ml) a chur ris a’ bhèiceir gus a mheasgachadh le èadhar. Chaidh an sampall anns an robh 50 ml den mheasgachadh a dhealbhadh gus a mheasgachadh le èadhar gu leòr, agus chaidh co-mheas meud an èadhair anns an dà shampall eile a smachdachadh. An toiseach, chaidh SLES 70 a chur ris an fhuasgladh alginate agus a mheasgachadh le inneal-measgachaidh dealain gus an robh e air a mheasgachadh gu tur. An uairsin, chaidh an crochadh CaCO3 a chur ris a’ mheasgachadh agus a mheasgachadh gu leantainneach gus an robh am measgachadh air a mheasgachadh gu tur, nuair a dh’ atharraich a dath gu geal. Mu dheireadh, chaidh am fuasgladh GDL a chur ris a’ mheasgachadh gus gelation a thòiseachadh, agus chaidh gluasad meacanaigeach a chumail suas tron ​​phròiseas. Airson an sampall anns an robh 50 ml den mheasgachadh, chaidh stad a chur air a’ mheasgachadh meacanaigeach nuair a sguir meud a’ mheasgachaidh ag atharrachadh. Airson nan sampallan anns an robh 100 ml agus 110 ml den mheasgachadh, chaidh stad a chur air a’ mheasgachadh meacanaigeach nuair a lìon am measgachadh an soitheach-bèice. Dh’fheuch sinn cuideachd ri cobhar hydrogel ullachadh le meud eadar 50 ml agus 100 ml. Ach, chaidh neo-sheasmhachd structarail a’ chobhair fhaicinn, leis gun robh e ag atharrachadh eadar staid measgachadh adhair iomlan agus staid smachd meud adhair, agus mar thoradh air sin bha smachd meud neo-chunbhalach ann. Thug an neo-sheasmhachd seo mì-chinnt a-steach do na h-àireamhachadh, agus mar sin cha deach an raon meud seo a ghabhail a-steach san sgrùdadh seo.
Tha dùmhlachd \(\:\rho\:\) foam hydrogel air a thomhas le bhith a’ tomhas mais \(\:m\) agus toirt \(\:V\) sampall foam hydrogel.
Fhuaireadh ìomhaighean microscopach optaigeach de chùram hydrogel le bhith a’ cleachdadh camara Zeiss Axio Observer A1. Chaidh bathar-bog ImageJ a chleachdadh gus àireamh agus sgaoileadh meud nam pores ann an sampall ann an sgìre sònraichte obrachadh a-mach stèidhichte air na h-ìomhaighean a fhuaireadh. Thathar a’ gabhail ris gu bheil cumadh cruinn air na pores.
Gus sgrùdadh a dhèanamh air feartan meacanaigeach nan cobhar alginate hydrogel, chaidh deuchainnean teannachaidh uniaxial a dhèanamh a’ cleachdadh inneal sreath TESTRESOURCES 100. Chaidh na sampallan a ghearradh ann am blocaichean ceart-cheàrnach agus chaidh tomhasan a’ bhloca a thomhas gus na cuideaman agus na teannachaidhean obrachadh a-mach. Chaidh astar a’ chinn-tarsainn a shuidheachadh aig 10 mm / min. Chaidh trì sampallan a dhearbhadh airson gach sampall agus chaidh an claonadh cuibheasach agus àbhaisteach obrachadh a-mach bho na toraidhean. Bha an sgrùdadh seo ag amas air feartan meacanaigeach teannachaidh nan cobhar alginate hydrogel leis gu bheil an clò sgamhain fo ùmhlachd fheachdan teannachaidh aig ìre sònraichte den chearcall analach. Tha an leudachd deatamach, gu dearbh, gu sònraichte gus giùlan làn fiùghantach an clò sgamhain a nochdadh agus thèid seo a sgrùdadh ann an sgrùdaidhean san àm ri teachd.
Chaidh na sampallan foam hydrogel ullaichte a sganadh air sganair CT dà-sianal Siemens SOMATOM Drive. Chaidh na paramadairean sganaidh a shuidheachadh mar a leanas: 40 mAs, 120 kVp agus tiugh slisne 1 mm. Chaidh na faidhlichean DICOM a thig às a sgrùdadh le bhith a’ cleachdadh bathar-bog MicroDicom DICOM Viewer gus luachan HU 5 earrannan-tarsainn de gach sampall a sgrùdadh. Chaidh na luachan HU a fhuaireadh le CT a choimeas ri àireamhachadh teòiridheach stèidhichte air dàta dùmhlachd nan sampallan.
’S e amas an sgrùdaidh seo ath-bhualadh a thoirt air saothrachadh mhodalan organ fa leth agus fhigheagan bith-eòlasach fuadain le bhith ag innleadaireachd stuthan bog. Tha leasachadh stuthan le feartan meacanaigeach agus rèididheachd-eòlach a tha a rèir meacanaig obrach sgamhanan daonna cudromach airson tagraidhean cuimsichte leithid leasachadh trèanadh meidigeach, dealbhadh lannsaireachd, agus dealbhadh leigheas rèididheachd. Ann am Figear 1A, tha sinn air plota a dhèanamh den eadar-dhealachadh eadar feartan meacanaigeach agus rèididheachd-eòlach stuthan bog a thathas a’ cleachdadh gu cumanta gus modalan sgamhanan daonna a dhèanamh. Gu ruige seo, chaidh stuthan a leasachadh a tha a’ nochdadh na feartan rèididheachd-eòlach a tha a dhìth, ach chan eil na feartan meacanaigeach aca a’ coinneachadh ris na riatanasan a tha a dhìth. Is e foam polyurethane agus rubair na stuthan as fharsainge a thathas a’ cleachdadh airson modalan sgamhanan daonna deformable a dhèanamh. Mar as trice, tha feartan meacanaigeach foam polyurethane (modulus Young, YM) 10 gu 100 uair nas motha na feartan clò sgamhanan daonna àbhaisteach. Chan eil fios fhathast air stuthan a tha a’ nochdadh an dà chuid na feartan meacanaigeach agus rèididheachd-eòlach a tha a dhìth.
(A) Riochdachadh sgemataigeach de fheartan diofar stuthan bog agus coimeas ri sgamhan daonna a thaobh dùmhlachd, modulas Young agus feartan rèididheachd (ann an HU). (B) Pàtran diffraction X-ghathan de \(\:\mu\:/\rho\:\) alginate hydrogel le dùmhlachd de 5% agus co-mheas molar Ca2+:-COOH de 0.18. (C) Raon cho-mheasan meud adhair ann an cobhair hydrogel. (D) Riochdachadh sgemataigeach de chobhair alginate hydrogel le diofar cho-mheasan meud adhair.
Chaidh co-dhèanamh eileamaideach hydrogelan alginate le dùmhlachd de 5% agus co-mheas molar Ca2+:-COOH de 0.18 obrachadh a-mach, agus tha na toraidhean air an sealltainn ann an Clàr 3. A rèir riaghailt an cur-ris anns an fhoirmle roimhe (5), gheibhear co-èifeachd lughdachadh mais hydrogel alginate \(\:\:\mu\:/\rho\:\) mar a chithear ann am Figear 1B.
Fhuaireadh na luachan \(\:\mu\:/\rho\:\) airson èadhar agus uisge gu dìreach bhon stòr-dàta iomraidh inbhean NIST 12612. Mar sin, tha Figear 1C a’ sealltainn nan co-mheasan meud-adhair a chaidh obrachadh a-mach ann am foam hydrogel le luachan co-ionann HU eadar -600 agus -700 airson sgamhan an duine. Tha an co-mheas meud-adhair a chaidh obrachadh a-mach gu teòiridheach seasmhach taobh a-staigh 60–70% anns an raon lùtha bho 1 × 10−3 gu 2 × 101 MeV, a’ nochdadh deagh chomas airson foam hydrogel a chleachdadh ann am pròiseasan saothrachaidh sìos an abhainn.
Tha Figear 1D a’ sealltainn an sampall de chòm hydrogel alginate a chaidh ullachadh. Chaidh na sampallan uile a ghearradh ann an ciùban le fad oir de 12.7 mm. Sheall na toraidhean gun deach còm hydrogel aon-ghnèitheach, trì-thaobhach seasmhach a chruthachadh. Ge bith dè an co-mheas meud-adhair, cha deach eadar-dhealachaidhean mòra sam bith fhaicinn ann an coltas nan còm hydrogel. Tha nàdar fèin-sheasmhach a’ chòm hydrogel a’ moladh gu bheil an lìonra a chaidh a chruthachadh taobh a-staigh an hydrogel làidir gu leòr airson cuideam a’ chòm fhèin a chumail suas. A bharrachd air beagan aodion uisge bhon chòm, sheall a’ chòm seasmhachd sealach airson grunn sheachdainean cuideachd.
Le bhith a’ tomhas mais agus meud an t-sampall foam, chaidh dùmhlachd a’ foam hydrogel ullaichte obrachadh a-mach, agus tha na toraidhean air an sealltainn ann an Clàr 4. Tha na toraidhean a’ sealltainn mar a tha _(\:\rho\:\) an urra ri co-mheas meud an èadhair. Nuair a thèid gu leòr èadhair a mheasgachadh le 50 ml den sampall, bidh an dùmhlachd aig an ìre as ìsle agus tha e 0.482 g/cm3. Mar a bhios meud an èadhair mheasgaichte a’ lùghdachadh, bidh an dùmhlachd ag àrdachadh gu 0.685 g/cm3. B’ e 0.004 < 0.05 an luach p as àirde eadar na buidhnean de 50 ml, 100 ml agus 110 ml, a’ nochdadh cudromachd staitistigeil nan toraidhean.
Tha an luach teòiridheach \(\:\rho\:\) air a thomhas cuideachd a’ cleachdadh co-mheas meud an adhair fo smachd. Tha na toraidhean tomhaiste a’ sealltainn gu bheil \(\:\rho\:\) 0.1 g/cm³ nas lugha na an luach teòiridheach. Faodar an diofar seo a mhìneachadh leis a’ chuideam a-staigh a thèid a chruthachadh anns an hydrogel rè a’ phròiseas gelachaidh, a dh’adhbhraicheas at agus mar sin a’ leantainn gu lùghdachadh ann an \(\:\rho\:\). Chaidh seo a dhearbhadh tuilleadh le bhith a’ faicinn cuid de bheàrnan taobh a-staigh foam an hydrogel anns na h-ìomhaighean CT a chithear ann am Figear 2 (A, B agus C).
Dealbhan maicreasgopaidh optaigeach de chùbhraidhean hydrogel le diofar shusbaint èadhair (A) 50, (B) 100, agus (C) 110. Àireamhan cealla agus sgaoileadh meud nam pores ann an sampallan cùbhraidh hydrogel alginate (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Tha Figear 3 (A, B, C) a’ sealltainn nan ìomhaighean miocrosgop optaigeach de na sampallan foam hydrogel le diofar cho-mheasan meud adhair. Tha na toraidhean a’ sealltainn structar optaigeach a’ foam hydrogel, a’ sealltainn gu soilleir na h-ìomhaighean de phòran le diofar thrast-thomhasan. Chaidh sgaoileadh àireamh agus trast-thomhas nam poran obrachadh a-mach a’ cleachdadh ImageJ. Chaidh sia ìomhaighean a thogail airson gach sampall, bha meud 1125.27 μm × 843.96 μm aig gach ìomhaigh, agus b’ e 5.7 mm² an raon iomlan a chaidh a sgrùdadh airson gach sampall.
(A) Giùlan cuideam-deformachaidh teannachaidh de chòmraichean hydrogel alginate le co-mheasan meud-adhair eadar-dhealaichte. (B) Freagarrachd eas-chruthach. (C) Teannachadh E0 de chòmraichean hydrogel le co-mheasan meud-adhair eadar-dhealaichte. (D) Cuideam teannachaidh is deformachaidh mu dheireadh de chòmraichean hydrogel alginate le co-mheasan meud-adhair eadar-dhealaichte.
Tha Figear 3 (D, E, F) a’ sealltainn gu bheil sgaoileadh meud nam pores an ìre mhath co-ionnan, bho dheichean de mhicreameatairean gu timcheall air 500 micromeatair. Tha meud nam pores co-ionnan sa mhòr-chuid, agus tha e a’ lùghdachadh beagan mar a bhios meud an adhair a’ lùghdachadh. A rèir dàta an deuchainn, is e 192.16 μm meud cuibheasach nam pores anns an t-sampall 50 ml, is e 184.51 μm am meadhan, agus is e 103 an àireamh de phores gach aonad; is e 156.62 μm meud cuibheasach nam pores anns an t-sampall 100 ml, is e 151.07 μm am meadhan, agus is e 109 an àireamh de phores gach aonad; is e na luachan co-fhreagarrach anns an t-sampall 110 ml 163.07 μm, 150.29 μm agus 115, fa leth. Tha an dàta a’ sealltainn gu bheil buaidh nas motha aig pores nas motha air na toraidhean staitistigeil a thaobh meud cuibheasach nam pores, agus faodaidh meud meadhanach nam pores gluasad atharrachaidh meud nam pores a nochdadh nas fheàrr. Mar a bhios meud an t-sampall ag àrdachadh bho 50 ml gu 110 ml, bidh àireamh nam pores ag àrdachadh cuideachd. Le bhith a’ cothlamadh nan toraidhean staitistigeil de thrast-thomhas meadhanach nam pores agus àireamh nam pores, faodar a cho-dhùnadh, le meud a tha ag àrdachadh, gum bi barrachd pores de mheud nas lugha air an cruthachadh taobh a-staigh an t-sampall.
Tha dàta an deuchainn mheacanaigeach air a shealltainn ann am Figearan 4A agus 4D. Tha Figear 4A a’ sealltainn giùlan cuideam-deformachaidh teannachaidh nan cúr hydrogel ullaichte le co-mheasan meud-adhair eadar-dhealaichte. Tha na toraidhean a’ sealltainn gu bheil giùlan cuideam-deformachaidh neo-loidhneach coltach ri chèile aig gach sampall. Airson gach sampall, bidh an cuideam ag àrdachadh nas luaithe le barrachd deformachaidh. Chaidh lùb eas-chruthach a chur an sàs ann an giùlan cuideam-deformachaidh teannachaidh a’ chùir hydrogel. Tha Figear 4B a’ sealltainn nan toraidhean às dèidh an gnìomh eas-chruthach a chur an sàs mar mhodail tuairmseach air a’ chùir hydrogel.
Airson na foam hydrogel le co-mheasan meud adhair eadar-dhealaichte, chaidh am modulas teannachaidh (E0) aca a sgrùdadh cuideachd. Coltach ri mion-sgrùdadh nan hydrogels, chaidh modulas teannachaidh Young a sgrùdadh anns an raon de 20% de shìneadh tùsail. Tha toraidhean nan deuchainnean teannachaidh air an sealltainn ann am Figear 4C. Tha na toraidhean ann am Figear 4C a’ sealltainn, mar a bhios an co-mheas meud adhair a’ lùghdachadh bho shampall 50 gu sampall 110, gu bheil modulas teannachaidh Young E0 an foam hydrogel alginate ag àrdachadh bho 10.86 kPa gu 18 kPa.
San aon dòigh, fhuaireadh na lùban cuideam-deformachaidh iomlan de na foams hydrogel, a bharrachd air na luachan cuideam teannachaidh is deformachaidh mu dheireadh. Tha Figear 4D a’ sealltainn an cuideam teannachaidh is an deformachaidh mu dheireadh de na foams hydrogel alginate. Is e gach puing dàta cuibheasachd trì toraidhean deuchainn. Tha na toraidhean a’ sealltainn gu bheil an cuideam teannachaidh mu dheireadh ag àrdachadh bho 9.84 kPa gu 17.58 kPa le susbaint gas a tha a’ lùghdachadh. Tha an deformachadh mu dheireadh seasmhach aig mu 38%.
Tha Figear 2 (A, B, agus C) a’ sealltainn nan ìomhaighean CT de chùbhraidhean hydrogel le co-mheasan meud adhair eadar-dhealaichte a tha a’ freagairt ri sampallan 50, 100, agus 110, fa leth. Tha na h-ìomhaighean a’ sealltainn gu bheil an cùbh hydrogel a chaidh a chruthachadh cha mhòr aon-ghnèitheach. Chaidh àireamh bheag de bheàrnan fhaicinn ann an sampallan 100 agus 110. Is dòcha gu bheil cruthachadh nam beàrnan sin mar thoradh air an cuideam a-staigh a chaidh a chruthachadh anns an hydrogel rè a’ phròiseas gelachaidh. Rinn sinn àireamhachadh air na luachan HU airson 5 earrannan-tarsainn de gach sampall agus rinn sinn an liostadh ann an Clàr 5 còmhla ris na toraidhean àireamhachaidh teòiridheach co-fhreagarrach.
Tha Clàr 5 a’ sealltainn gun d’ fhuair na sampallan le co-mheasan meud adhair eadar-dhealaichte luachan HU eadar-dhealaichte. B’ e 0.004 < 0.05 an luach p as àirde eadar na buidhnean 50 ml, 100 ml agus 110 ml, a’ nochdadh cudromachd staitistigeil nan toraidhean. Am measg nan trì sampallan a chaidh a dhearbhadh, bha na feartan rèididheachd as fhaisge air feartan sgamhanan daonna aig an sampall le measgachadh 50 ml. Is e an colbh mu dheireadh de Chlàr 5 an toradh a fhuaireadh le àireamhachadh teòiridheach stèidhichte air luach na foam a chaidh a thomhas \(\:\rho\:\). Le bhith a’ dèanamh coimeas eadar an dàta a chaidh a thomhas agus na toraidhean teòiridheach, gheibhear a-mach gu bheil na luachan HU a fhuaireadh le sganadh CT sa chumantas faisg air na toraidhean teòiridheach, a tha an uair sin a’ dearbhadh toraidhean àireamhachadh co-mheas meud adhair ann am Figear 1C.
’S e prìomh amas an sgrùdaidh seo stuth a chruthachadh le feartan meacanaigeach is rèididheachdach a tha co-ionann ri feartan sgamhanan daonna. Chaidh an t-amas seo a choileanadh le bhith a’ leasachadh stuth stèidhichte air hydrogel le feartan meacanaigeach is rèididheachdach co-ionann ri clò a tha cho faisg ’s a ghabhas air feartan sgamhanan daonna. Air a stiùireadh le àireamhachadh teòiridheach, chaidh foam hydrogel le diofar cho-mheasan meud èadhair ullachadh le bhith a’ measgachadh gu meacanaigeach fuasgladh alginate sodium, CaCO3, GDL agus SLES 70. Sheall mion-sgrùdadh morf-eòlach gun deach foam hydrogel seasmhach trì-thaobhach aonghnèitheach a chruthachadh. Le bhith ag atharrachadh co-mheas meud an èadhair, faodar dùmhlachd agus porosity an foam atharrachadh aig toil. Le àrdachadh ann an susbaint meud an èadhair, bidh meud nam pores a’ lùghdachadh beagan agus bidh àireamh nam pores ag àrdachadh. Chaidh deuchainnean teannachaidh a dhèanamh gus feartan meacanaigeach nan foam hydrogel alginate a sgrùdadh. Sheall na toraidhean gu bheil am modulus teannachaidh (E0) a fhuaireadh bho na deuchainnean teannachaidh anns an raon air leth freagarrach airson sgamhanan daonna. Bidh E0 ag àrdachadh mar a bhios co-mheas meud an èadhair a’ lùghdachadh. Chaidh luachan nan feartan rèididheachdach (HU) de na sampallan ullaichte fhaighinn stèidhichte air dàta CT nan sampallan agus chaidh an coimeas ri toraidhean àireamhachadh teòiridheach. Bha na toraidhean fàbharach. Tha an luach tomhaiste cuideachd faisg air luach HU sgamhanan daonna. Tha na toraidhean a’ sealltainn gu bheil e comasach foam hydrogel a chruthachadh a tha ag atharrais air clò le measgachadh air leth de fheartan meacanaigeach agus rèididheachdach a tha ag atharrais air feartan sgamhanan daonna.
A dh’aindeoin nan toraidhean gealltanach, feumar na dòighean saothrachaidh a th’ ann an-dràsta a leasachadh gus smachd nas fheàrr a chumail air co-mheas meud an adhair agus an t-sruth-adhair gus a bhith a rèir ro-innse bho àireamhachadh teòiridheach agus sgamhanan daonna fìor aig sgèilean cruinneil agus ionadail. Tha an sgrùdadh làithreach cuideachd cuingealaichte ri bhith a’ dèanamh deuchainn air meacanaig an teannachaidh, a tha a’ cuingealachadh comas cleachdadh an phantom gu ìre teannachaidh a’ chearcall analach. Bhiodh e na bhuannachd do rannsachadh san àm ri teachd sgrùdadh a dhèanamh air deuchainnean tensile a bharrachd air seasmhachd meacanaigeach iomlan an stuth gus measadh a dhèanamh air tagraidhean a dh’fhaodadh a bhith ann fo chumhachan luchdachadh fiùghantach. A dh’aindeoin nan crìochan sin, tha an sgrùdadh a’ comharrachadh a’ chiad oidhirp shoirbheachail air feartan rèidio-eòlach agus meacanaigeach a chur còmhla ann an aon stuth a tha ag atharrais air sgamhan an duine.
Tha na seataichean dàta a chaidh a chruthachadh agus/no a sgrùdadh rè an sgrùdaidh seo rim faighinn bhon ùghdar co-fhreagarrach air iarrtas reusanta. Tha an dà chuid deuchainnean agus seataichean dàta ath-riochdachadh.
Song, G., et al. Nanoteicneòlasan ùra agus stuthan adhartach airson leigheas rèididheachd aillse. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, et al. Aithisg Buidheann-obrach AAPM 76a air Riaghladh Gluasad Analach ann an Onco-eòlas Rèididheachd. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., agus Brock, KK A’ modaladh an eadar-aghaidh agus neo-loidhneachdan stuthan ann an sgamhan an duine. Fiosaigs is Leigheas is Bith-eòlas 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., et al. Modail aillse sgamhain coltach ri tumhair air a chruthachadh le clò-bhualadh bith-eòlasach 3D. 3. Bith-theicneòlas. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., et al. Modaladh deformachadh sgamhain: dòigh a tha a’ cothlamadh dhòighean clàraidh ìomhaighean deformachail agus tuairmse modulas Young a tha ag atharrachadh gu spàsail. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF et al. Doilleireachd clò beò agus a bhuaidh air innleadaireachd clò. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).