nature.com ని సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు ఉపయోగిస్తున్న బ్రౌజర్ వెర్షన్ పరిమిత CSS మద్దతును కలిగి ఉంది. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, తాజా బ్రౌజర్ వెర్షన్‌ను ఉపయోగించమని మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్‌ప్లోరర్‌లో అనుకూలత మోడ్‌ను ఆఫ్ చేయడం). అదనంగా, నిరంతర మద్దతును నిర్ధారించడానికి, ఈ సైట్ శైలులు లేదా జావాస్క్రిప్ట్‌ను కలిగి ఉండదు.
రేడియోథెరపీ సమయంలో అవయవాలు మరియు కణజాలాల కదలిక ఎక్స్-కిరణాల స్థానంలో లోపాలకు దారితీస్తుంది. అందువల్ల, రేడియోథెరపీ యొక్క ఆప్టిమైజేషన్ కోసం అవయవ కదలికను అనుకరించడానికి కణజాల-సమానమైన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో కూడిన పదార్థాలు అవసరం. అయితే, అటువంటి పదార్థాల అభివృద్ధి ఒక సవాలుగా మిగిలిపోయింది. ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్స్ బాహ్య కణ మాతృక యొక్క లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి, ఇవి కణజాల-సమానమైన పదార్థాలుగా ఆశాజనకంగా ఉంటాయి. ఈ అధ్యయనంలో, కావలసిన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను ఇన్ సిటు Ca2+ విడుదల ద్వారా సంశ్లేషణ చేశారు. నిర్వచించిన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను పొందేందుకు గాలి-నుండి-వాల్యూమ్ నిష్పత్తిని జాగ్రత్తగా నియంత్రించారు. పదార్థాల స్థూల- మరియు సూక్ష్మరూపశాస్త్రం వర్గీకరించబడింది మరియు కుదింపులో ఉన్న హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల ప్రవర్తనను అధ్యయనం చేశారు. రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను సిద్ధాంతపరంగా అంచనా వేశారు మరియు కంప్యూటెడ్ టోమోగ్రఫీని ఉపయోగించి ప్రయోగాత్మకంగా ధృవీకరించారు. రేడియోథెరపీ సమయంలో రేడియేషన్ మోతాదు ఆప్టిమైజేషన్ మరియు నాణ్యత నియంత్రణ కోసం ఉపయోగించగల కణజాల-సమానమైన పదార్థాల భవిష్యత్తు అభివృద్ధిపై ఈ అధ్యయనం వెలుగునిస్తుంది.
క్యాన్సర్‌కు రేడియేషన్ థెరపీ ఒక సాధారణ చికిత్స 1. రేడియేషన్ థెరపీ సమయంలో అవయవాలు మరియు కణజాలాల కదలిక తరచుగా ఎక్స్-కిరణాల స్థానంలో లోపాలకు దారితీస్తుంది2, దీని ఫలితంగా కణితికి చికిత్స తక్కువగా ఉండటం మరియు చుట్టుపక్కల ఆరోగ్యకరమైన కణాలు అనవసరమైన రేడియేషన్‌కు ఎక్కువగా గురికావడం జరుగుతుంది. కణితి స్థానికీకరణ లోపాలను తగ్గించడానికి అవయవాలు మరియు కణజాలాల కదలికను అంచనా వేయగల సామర్థ్యం చాలా ముఖ్యమైనది. రేడియేషన్ థెరపీ సమయంలో రోగులు ఊపిరి పీల్చుకున్నప్పుడు అవి గణనీయమైన వైకల్యాలు మరియు కదలికలకు లోనవుతాయి కాబట్టి ఈ అధ్యయనం ఊపిరితిత్తులపై దృష్టి పెట్టింది. మానవ ఊపిరితిత్తుల కదలికను అనుకరించడానికి వివిధ పరిమిత మూలక నమూనాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి మరియు వర్తింపజేయబడ్డాయి3,4,5. అయితే, మానవ అవయవాలు మరియు కణజాలాలు సంక్లిష్టమైన జ్యామితులను కలిగి ఉంటాయి మరియు రోగిపై ఎక్కువగా ఆధారపడి ఉంటాయి. అందువల్ల, కణజాల-సమాన లక్షణాలతో కూడిన పదార్థాలు సైద్ధాంతిక నమూనాలను ధృవీకరించడానికి, మెరుగైన వైద్య చికిత్సను సులభతరం చేయడానికి మరియు వైద్య విద్య ప్రయోజనాల కోసం భౌతిక నమూనాలను అభివృద్ధి చేయడానికి చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటాయి.
సంక్లిష్టమైన బాహ్య మరియు అంతర్గత నిర్మాణ జ్యామితులను సాధించడానికి మృదు కణజాల-అనుకరించే పదార్థాల అభివృద్ధి చాలా దృష్టిని ఆకర్షించింది ఎందుకంటే వాటి స్వాభావిక యాంత్రిక అసమానతలు లక్ష్య అనువర్తనాల్లో వైఫల్యాలకు దారితీయవచ్చు6,7. తీవ్రమైన మృదుత్వం, స్థితిస్థాపకత మరియు నిర్మాణ సచ్ఛిద్రతను మిళితం చేసే ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క సంక్లిష్ట బయోమెకానిక్స్‌ను మోడలింగ్ చేయడం, మానవ ఊపిరితిత్తులను ఖచ్చితంగా పునరుత్పత్తి చేసే నమూనాలను అభివృద్ధి చేయడంలో గణనీయమైన సవాలును కలిగిస్తుంది. చికిత్సా జోక్యాలలో ఊపిరితిత్తుల నమూనాల ప్రభావవంతమైన పనితీరుకు యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల ఏకీకరణ మరియు సరిపోలిక చాలా కీలకం. రోగి-నిర్దిష్ట నమూనాలను అభివృద్ధి చేయడంలో సంకలిత తయారీ ప్రభావవంతంగా ఉందని నిరూపించబడింది, సంక్లిష్ట డిజైన్ల వేగవంతమైన నమూనాను అనుమతిస్తుంది. షిన్ మరియు ఇతరులు 8 3D-ముద్రిత వాయుమార్గాలతో పునరుత్పాదక, వికృతీకరించదగిన ఊపిరితిత్తుల నమూనాను అభివృద్ధి చేశారు. హసెలార్ మరియు ఇతరులు 9 రేడియోథెరపీ కోసం చిత్ర నాణ్యత అంచనా మరియు స్థాన ధృవీకరణ పద్ధతుల కోసం నిజమైన రోగులకు చాలా సారూప్యమైన ఫాంటమ్‌ను అభివృద్ధి చేశారు. పరిమాణీకరణ యొక్క ఖచ్చితత్వాన్ని అంచనా వేయడానికి వివిధ ఊపిరితిత్తుల గాయాల యొక్క CT తీవ్రతను పునరుత్పత్తి చేయడానికి హాంగ్ మరియు ఇతరులు10 3D ప్రింటింగ్ మరియు సిలికాన్ కాస్టింగ్ టెక్నాలజీని ఉపయోగించి ఛాతీ CT నమూనాను అభివృద్ధి చేశారు. అయితే, ఈ నమూనాలు తరచుగా ఊపిరితిత్తుల కణజాలం11 కంటే చాలా భిన్నమైన ప్రభావవంతమైన లక్షణాలతో తయారు చేయబడతాయి.
ప్రస్తుతం, చాలా ఊపిరితిత్తుల ఫాంటమ్‌లు సిలికాన్ లేదా పాలియురేతేన్ ఫోమ్‌తో తయారు చేయబడ్డాయి, ఇవి నిజమైన ఊపిరితిత్తుల పరేన్చైమా యొక్క యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో సరిపోలడం లేదు.12,13 ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్‌లు జీవ అనుకూలత కలిగి ఉంటాయి మరియు వాటి ట్యూనబుల్ యాంత్రిక లక్షణాల కారణంగా కణజాల ఇంజనీరింగ్‌లో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.14 అయితే, ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క స్థితిస్థాపకత మరియు నింపే నిర్మాణాన్ని ఖచ్చితంగా అనుకరించే ఊపిరితిత్తుల ఫాంటమ్‌కు అవసరమైన అల్ట్రా-మృదువైన, నురుగు లాంటి స్థిరత్వాన్ని పునరుత్పత్తి చేయడం ఒక ప్రయోగాత్మక సవాలుగా మిగిలిపోయింది.
ఈ అధ్యయనంలో, ఊపిరితిత్తుల కణజాలం ఒక సజాతీయ సాగే పదార్థం అని భావించబడింది. మానవ ఊపిరితిత్తుల కణజాలం (\(\:\rho\:\)) సాంద్రత 1.06 g/cm3 గా నివేదించబడింది మరియు ఉబ్బిన ఊపిరితిత్తుల సాంద్రత 0.26 g/cm315. ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క విస్తృత శ్రేణి యంగ్ మాడ్యులస్ (MY) విలువలను వివిధ ప్రయోగాత్మక పద్ధతులను ఉపయోగించి పొందారు. లై-ఫూక్ మరియు ఇతరులు 16 మానవ ఊపిరితిత్తుల YM ను ఏకరీతి ద్రవ్యోల్బణంతో 0.42–6.72 kPa గా కొలుస్తారు. గాస్ మరియు ఇతరులు 17 మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ ఎలాస్టోగ్రఫీని ఉపయోగించారు మరియు 2.17 kPa యొక్క YM ని నివేదించారు. లియు మరియు ఇతరులు 18 0.03–57.2 kPa యొక్క నేరుగా కొలిచిన YM ని నివేదించారు. ఇలెగ్బుసి మరియు ఇతరులు 19 ఎంపిక చేసిన రోగుల నుండి పొందిన 4D CT డేటా ఆధారంగా YM 0.1–2.7 kPa గా అంచనా వేశారు.
ఊపిరితిత్తుల రేడియోలాజికల్ లక్షణాల కోసం, ఊపిరితిత్తుల కణజాలం మరియు ఎక్స్-కిరణాల మధ్య పరస్పర చర్యను వివరించడానికి అనేక పారామితులను ఉపయోగిస్తారు, వీటిలో మూలక కూర్పు, ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత (\(\:{\rho\:}_{e}\)), ప్రభావవంతమైన పరమాణు సంఖ్య (\(\:{Z}_{eff}\)), సగటు ఉత్తేజిత శక్తి (\(\:I\)), ద్రవ్యరాశి క్షీణత గుణకం (\(\:\mu\:/\rho\:\)) మరియు హౌన్స్‌ఫీల్డ్ యూనిట్ (HU), ఇది \(\:\mu\:/\rho\:\) కు నేరుగా సంబంధించినది.
ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత \(\:{\rho\:}_{e}\) అనేది యూనిట్ వాల్యూమ్‌కు ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యగా నిర్వచించబడింది మరియు ఈ క్రింది విధంగా లెక్కించబడుతుంది:
ఇక్కడ \(\:\rho\:\) అనేది g/cm3లో పదార్థం యొక్క సాంద్రత, \(\:{N}_{A}\) అనేది అవగాడ్రో స్థిరాంకం, \(\:{w}_{i}\) అనేది ద్రవ్యరాశి భిన్నం, \(\:{Z}_{i}\) అనేది పరమాణు సంఖ్య, మరియు \(\:{A}_{i}\) అనేది i-వ మూలకం యొక్క పరమాణు భారం.
పరమాణు సంఖ్య అనేది పదార్థంలోని రేడియేషన్ సంకర్షణ స్వభావంతో నేరుగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. అనేక మూలకాలను (ఉదా. ఫాబ్రిక్‌లు) కలిగి ఉన్న సమ్మేళనాలు మరియు మిశ్రమాలకు, ప్రభావవంతమైన పరమాణు సంఖ్య \(\:{Z}_{eff}\) ను లెక్కించాలి. ఈ సూత్రాన్ని మూర్తి మరియు ఇతరులు ప్రతిపాదించారు. 20:
సగటు ఉత్తేజిత శక్తి \(\:I\) లక్ష్య పదార్థం చొచ్చుకుపోయే కణాల గతి శక్తిని ఎంత సులభంగా గ్రహిస్తుందో వివరిస్తుంది. ఇది లక్ష్య పదార్థం యొక్క లక్షణాలను మాత్రమే వివరిస్తుంది మరియు కణాల లక్షణాలతో దీనికి ఎటువంటి సంబంధం లేదు. \(\:I\) బ్రాగ్ యొక్క సంకలన నియమాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా లెక్కించవచ్చు:
ద్రవ్యరాశి క్షీణత గుణకం \(\:\mu\:/\rho\:\) లక్ష్య పదార్థంలో ఫోటాన్ల చొచ్చుకుపోవడం మరియు శక్తి విడుదలను వివరిస్తుంది. దీనిని ఈ క్రింది సూత్రాన్ని ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు:
ఇక్కడ \(\:x\) అనేది పదార్థం యొక్క మందం, \(\:{I}_{0}\) అనేది సంఘటన కాంతి తీవ్రత, మరియు \(\:I\) అనేది పదార్థంలోకి చొచ్చుకుపోయిన తర్వాత ఫోటాన్ తీవ్రత. \(\:\mu\:/\rho\:\) డేటాను NIST 12621 స్టాండర్డ్స్ రిఫరెన్స్ డేటాబేస్ నుండి నేరుగా పొందవచ్చు. \(\:\mu\:/\rho\:\) మిశ్రమాలు మరియు సమ్మేళనాల కోసం విలువలను ఈ క్రింది విధంగా సంకలిత నియమాన్ని ఉపయోగించి పొందవచ్చు:
HU అనేది కంప్యూటెడ్ టోమోగ్రఫీ (CT) డేటా యొక్క వివరణలో రేడియోడెన్సిటీని కొలవడానికి ప్రామాణికమైన కొలతలేని యూనిట్, ఇది కొలిచిన అటెన్యుయేషన్ కోఎఫీషియంట్ \(\:\mu\:\) నుండి సరళంగా రూపాంతరం చెందుతుంది. దీనిని ఇలా నిర్వచించారు:
ఇక్కడ \(\:{\mu\:}_{water}\) అనేది నీటి యొక్క క్షీణత గుణకం, మరియు \(\:{\mu\:}_{air}\) అనేది గాలి యొక్క క్షీణత గుణకం. కాబట్టి, సూత్రం (6) నుండి నీటి యొక్క HU విలువ 0 మరియు గాలి యొక్క HU విలువ -1000 అని మనం చూస్తాము. మానవ ఊపిరితిత్తులకు HU విలువ -600 నుండి -70022 వరకు ఉంటుంది.
అనేక కణజాల సమానమైన పదార్థాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. గ్రిఫిత్ మరియు ఇతరులు 23 పాలియురేతేన్ (PU)తో తయారు చేయబడిన మానవ మొండెం యొక్క కణజాల సమానమైన నమూనాను అభివృద్ధి చేశారు, దీనికి మానవ ఊపిరితిత్తులతో సహా వివిధ మానవ అవయవాల యొక్క లీనియర్ అటెన్యుయేషన్ గుణకాలను అనుకరించడానికి వివిధ సాంద్రతలలో కాల్షియం కార్బోనేట్ (CaCO3) జోడించబడింది మరియు ఆ నమూనాకు గ్రిఫిత్ అని పేరు పెట్టారు. టేలర్24 లారెన్స్ లివర్మోర్ నేషనల్ లాబొరేటరీ (LLNL) అభివృద్ధి చేసిన రెండవ ఊపిరితిత్తుల కణజాల సమానమైన నమూనాను సమర్పించారు, దీనికి LLLL1 అని పేరు పెట్టారు. ట్రౌబ్ మరియు ఇతరులు 25 5.25% CaCO3 కలిగిన ఫోమెక్స్ XRS-272ని పనితీరు పెంచేదిగా ఉపయోగించి కొత్త ఊపిరితిత్తుల కణజాల ప్రత్యామ్నాయాన్ని అభివృద్ధి చేశారు, దీనికి ALT2 అని పేరు పెట్టారు. పట్టికలు 1 మరియు 2 \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) మరియు మానవ ఊపిరితిత్తుల (ICRU-44) కోసం ద్రవ్యరాశి అటెన్యుయేషన్ గుణకాలు మరియు పైన పేర్కొన్న కణజాల సమానమైన నమూనాల పోలికను చూపుతాయి.
అద్భుతమైన రేడియోలాజికల్ లక్షణాలు సాధించినప్పటికీ, దాదాపు అన్ని ఫాంటమ్ పదార్థాలు పాలీస్టైరిన్ ఫోమ్‌తో తయారు చేయబడ్డాయి, అంటే ఈ పదార్థాల యాంత్రిక లక్షణాలు మానవ ఊపిరితిత్తులకు చేరుకోలేవు. పాలియురేతేన్ ఫోమ్ యొక్క యంగ్స్ మాడ్యులస్ (YM) దాదాపు 500 kPa, ఇది సాధారణ మానవ ఊపిరితిత్తులతో పోలిస్తే (సుమారు 5-10 kPa) ఆదర్శానికి దూరంగా ఉంది. అందువల్ల, నిజమైన మానవ ఊపిరితిత్తుల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను తీర్చగల కొత్త పదార్థాన్ని అభివృద్ధి చేయడం అవసరం.
కణజాల ఇంజనీరింగ్‌లో హైడ్రోజెల్‌లను విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు. దీని నిర్మాణం మరియు లక్షణాలు ఎక్స్‌ట్రాసెల్యులర్ మాతృక (ECM)ని పోలి ఉంటాయి మరియు సులభంగా సర్దుబాటు చేయబడతాయి. ఈ అధ్యయనంలో, నురుగుల తయారీకి స్వచ్ఛమైన సోడియం ఆల్జీనేట్‌ను బయోమెటీరియల్‌గా ఎంచుకున్నారు. ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్‌లు బయో కాంపాజిబుల్ మరియు వాటి సర్దుబాటు చేయగల యాంత్రిక లక్షణాల కారణంగా కణజాల ఇంజనీరింగ్‌లో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడతాయి. సోడియం ఆల్జీనేట్ (C6H7NaO6)n యొక్క మూలక కూర్పు మరియు Ca2+ ఉనికి దాని రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను అవసరమైన విధంగా సర్దుబాటు చేయడానికి అనుమతిస్తాయి. సర్దుబాటు చేయగల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల ఈ కలయిక ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్‌లను మా అధ్యయనానికి అనువైనదిగా చేస్తుంది. వాస్తవానికి, ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్‌లకు కూడా పరిమితులు ఉన్నాయి, ముఖ్యంగా అనుకరణ శ్వాసకోశ చక్రాల సమయంలో దీర్ఘకాలిక స్థిరత్వం పరంగా. అందువల్ల, ఈ పరిమితులను పరిష్కరించడానికి భవిష్యత్ అధ్యయనాలలో మరిన్ని మెరుగుదలలు అవసరం మరియు ఆశించబడతాయి.
ఈ పనిలో, మానవ ఊపిరితిత్తుల కణజాలం మాదిరిగానే నియంత్రించదగిన rho విలువలు, స్థితిస్థాపకత మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో కూడిన ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ పదార్థాన్ని మేము అభివృద్ధి చేసాము. ఈ అధ్యయనం ట్యూనబుల్ ఎలాస్టిక్ మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో కణజాలం లాంటి ఫాంటమ్‌లను తయారు చేయడానికి ఒక సాధారణ పరిష్కారాన్ని అందిస్తుంది. పదార్థ లక్షణాలను ఏదైనా మానవ కణజాలం మరియు అవయవానికి సులభంగా అనుగుణంగా మార్చవచ్చు.
మానవ ఊపిరితిత్తుల HU పరిధి (-600 నుండి -700) ఆధారంగా హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క లక్ష్య గాలి నుండి వాల్యూమ్ నిష్పత్తిని లెక్కించారు. ఫోమ్ గాలి మరియు సింథటిక్ ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ యొక్క సాధారణ మిశ్రమం అని భావించారు. వ్యక్తిగత మూలకాల యొక్క సాధారణ జోడింపు నియమాన్ని ఉపయోగించి \(\:\mu\:/\rho\:\), గాలి యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నం మరియు సంశ్లేషణ చేయబడిన ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ యొక్క వాల్యూమ్ నిష్పత్తిని లెక్కించవచ్చు.
ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను సోడియం ఆల్జీనేట్ (పార్ట్ నం. W201502), CaCO3 (పార్ట్ నం. 795445, MW: 100.09), మరియు GDL (పార్ట్ నం. G4750, MW: 178.14) ఉపయోగించి తయారు చేశారు. సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్ కంపెనీ, సెయింట్ లూయిస్, MO నుండి కొనుగోలు చేయబడింది. 70% సోడియం లారిల్ ఈథర్ సల్ఫేట్ (SLES 70)ను రెనౌండెడ్ ట్రేడింగ్ LLC నుండి కొనుగోలు చేశారు. ఫోమ్ తయారీ ప్రక్రియలో డీయోనైజ్డ్ నీటిని ఉపయోగించారు. సోడియం ఆల్జీనేట్‌ను గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద డీయోనైజ్డ్ నీటిలో కరిగించి, సజాతీయ పసుపు అపారదర్శక ద్రావణం పొందే వరకు నిరంతరం కదిలించడం (600 rpm) చేశారు. GDLతో కలిపి CaCO3ను జిలేషన్‌ను ప్రారంభించడానికి Ca2+ మూలంగా ఉపయోగించారు. హైడ్రోజెల్ లోపల పోరస్ నిర్మాణాన్ని ఏర్పరచడానికి SLES 70ని సర్ఫ్యాక్టెంట్‌గా ఉపయోగించారు. ఆల్జీనేట్ సాంద్రత 5% వద్ద నిర్వహించబడింది మరియు Ca2+:-COOH మోలార్ నిష్పత్తి 0.18 వద్ద నిర్వహించబడింది. ఫోమ్ తయారీ సమయంలో తటస్థ pHని నిర్వహించడానికి CaCO3:GDL మోలార్ నిష్పత్తిని కూడా 0.5 వద్ద నిర్వహించారు. విలువ 26. అన్ని నమూనాలకు SLES 70 యొక్క వాల్యూమ్ ద్వారా 2% జోడించబడింది. ద్రావణం మరియు గాలి యొక్క మిక్సింగ్ నిష్పత్తిని నియంత్రించడానికి మూతతో కూడిన బీకర్‌ను ఉపయోగించారు. బీకర్ యొక్క మొత్తం వాల్యూమ్ 140 ml. సైద్ధాంతిక గణన ఫలితాల ఆధారంగా, మిశ్రమం యొక్క వివిధ వాల్యూమ్‌లను (50 ml, 100 ml, 110 ml) గాలితో కలపడానికి బీకర్‌కు జోడించారు. 50 ml మిశ్రమాన్ని కలిగి ఉన్న నమూనా తగినంత గాలితో కలపడానికి రూపొందించబడింది, అయితే మిగిలిన రెండు నమూనాలలో గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తిని నియంత్రించారు. మొదట, SLES 70ని ఆల్జినేట్ ద్రావణానికి జోడించారు మరియు పూర్తిగా కలిసే వరకు ఎలక్ట్రిక్ స్టిరర్‌తో కదిలించారు. తరువాత, CaCO3 సస్పెన్షన్‌ను మిశ్రమానికి జోడించారు మరియు మిశ్రమం పూర్తిగా కలిసే వరకు నిరంతరం కదిలించారు, దాని రంగు తెల్లగా మారినప్పుడు. చివరగా, జిలేషన్‌ను ప్రారంభించడానికి GDL ద్రావణాన్ని మిశ్రమానికి జోడించారు మరియు ప్రక్రియ అంతటా యాంత్రిక గందరగోళాన్ని నిర్వహించారు. 50 ml మిశ్రమం ఉన్న నమూనా కోసం, మిశ్రమం యొక్క పరిమాణం మారడం ఆగిపోయినప్పుడు యాంత్రిక గందరగోళం ఆపివేయబడింది. 100 ml మరియు 110 ml మిశ్రమం ఉన్న నమూనాల కోసం, మిశ్రమం బీకర్‌ను నింపినప్పుడు యాంత్రిక గందరగోళం ఆపివేయబడింది. 50 ml మరియు 100 ml మధ్య వాల్యూమ్‌తో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను తయారు చేయడానికి కూడా మేము ప్రయత్నించాము. అయినప్పటికీ, నురుగు యొక్క నిర్మాణాత్మక అస్థిరత గమనించబడింది, ఎందుకంటే ఇది పూర్తి గాలి మిక్సింగ్ స్థితి మరియు గాలి వాల్యూమ్ నియంత్రణ స్థితి మధ్య హెచ్చుతగ్గులకు గురైంది, ఫలితంగా అస్థిరమైన వాల్యూమ్ నియంత్రణ ఏర్పడింది. ఈ అస్థిరత గణనలలో అనిశ్చితిని ప్రవేశపెట్టింది మరియు అందువల్ల ఈ వాల్యూమ్ పరిధిని ఈ అధ్యయనంలో చేర్చలేదు.
హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క సాంద్రత \(\:\rho\:\) ను హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనా యొక్క ద్రవ్యరాశి \(\:m\) మరియు వాల్యూమ్ \(\:V\) ను కొలవడం ద్వారా లెక్కించబడుతుంది.
Zeiss Axio Observer A1 కెమెరాను ఉపయోగించి హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపిక్ చిత్రాలను పొందారు. పొందిన చిత్రాల ఆధారంగా ఒక నిర్దిష్ట ప్రాంతంలోని నమూనాలోని రంధ్రాల సంఖ్య మరియు పరిమాణ పంపిణీని లెక్కించడానికి ImageJ సాఫ్ట్‌వేర్ ఉపయోగించబడింది. రంధ్ర ఆకారం వృత్తాకారంగా ఉంటుందని భావించబడుతుంది.
ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలను అధ్యయనం చేయడానికి, TESTRESOURCES 100 సిరీస్ యంత్రాన్ని ఉపయోగించి యూనియాక్సియల్ కంప్రెషన్ పరీక్షలు నిర్వహించబడ్డాయి. నమూనాలను దీర్ఘచతురస్రాకార బ్లాక్‌లుగా కట్ చేసి, ఒత్తిళ్లు మరియు స్ట్రెయిన్‌లను లెక్కించడానికి బ్లాక్ కొలతలు కొలుస్తారు. క్రాస్‌హెడ్ వేగం 10 మిమీ/నిమిషానికి సెట్ చేయబడింది. ప్రతి నమూనాకు మూడు నమూనాలను పరీక్షించారు మరియు ఫలితాల నుండి సగటు మరియు ప్రామాణిక విచలనం లెక్కించబడ్డాయి. ఈ అధ్యయనం ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క సంపీడన యాంత్రిక లక్షణాలపై దృష్టి పెట్టింది ఎందుకంటే ఊపిరితిత్తుల కణజాలం శ్వాసకోశ చక్రం యొక్క ఒక నిర్దిష్ట దశలో సంపీడన శక్తులకు లోనవుతుంది. విస్తరణ అనేది చాలా ముఖ్యమైనది, ముఖ్యంగా ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క పూర్తి డైనమిక్ ప్రవర్తనను ప్రతిబింబించడానికి మరియు ఇది భవిష్యత్ అధ్యయనాలలో పరిశోధించబడుతుంది.
తయారుచేసిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాలను సిమెన్స్ SOMATOM డ్రైవ్ డ్యూయల్-ఛానల్ CT స్కానర్‌పై స్కాన్ చేశారు. స్కానింగ్ పారామితులు ఈ క్రింది విధంగా సెట్ చేయబడ్డాయి: 40 mAs, 120 kVp మరియు 1 mm స్లైస్ మందం. ఫలితంగా వచ్చిన DICOM ఫైళ్లను మైక్రోడికామ్ DICOM వ్యూయర్ సాఫ్ట్‌వేర్ ఉపయోగించి విశ్లేషించి, ప్రతి నమూనా యొక్క 5 క్రాస్-సెక్షన్ల HU విలువలను విశ్లేషించారు. CT ద్వారా పొందిన HU విలువలను నమూనాల సాంద్రత డేటా ఆధారంగా సైద్ధాంతిక గణనలతో పోల్చారు.
ఈ అధ్యయనం యొక్క లక్ష్యం మృదువైన పదార్థాలను ఇంజనీరింగ్ చేయడం ద్వారా వ్యక్తిగత అవయవ నమూనాలు మరియు కృత్రిమ జీవ కణజాలాల తయారీలో విప్లవాత్మక మార్పులు తీసుకురావడం. మానవ ఊపిరితిత్తుల పని విధానాలకు సరిపోయే యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో పదార్థాలను అభివృద్ధి చేయడం వైద్య శిక్షణ, శస్త్రచికిత్స ప్రణాళిక మరియు రేడియేషన్ థెరపీ ప్రణాళిక వంటి లక్ష్య అనువర్తనాలకు ముఖ్యమైనది. చిత్రం 1Aలో, మానవ ఊపిరితిత్తుల నమూనాలను రూపొందించడానికి ఉపయోగించే మృదువైన పదార్థాల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల మధ్య వ్యత్యాసాన్ని మేము ప్లాట్ చేసాము. ఈ రోజు వరకు, కావలసిన రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను ప్రదర్శించే పదార్థాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి, కానీ వాటి యాంత్రిక లక్షణాలు కావలసిన అవసరాలను తీర్చవు. పాలియురేతేన్ ఫోమ్ మరియు రబ్బరు వికృతమైన మానవ ఊపిరితిత్తుల నమూనాలను రూపొందించడానికి విస్తృతంగా ఉపయోగించే పదార్థాలు. పాలియురేతేన్ ఫోమ్ (యంగ్స్ మాడ్యులస్, YM) యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలు సాధారణంగా సాధారణ మానవ ఊపిరితిత్తుల కణజాలం కంటే 10 నుండి 100 రెట్లు ఎక్కువ. కావలసిన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను ప్రదర్శించే పదార్థాలు ఇంకా తెలియలేదు.
(ఎ) వివిధ మృదువైన పదార్థాల లక్షణాల యొక్క స్కీమాటిక్ ప్రాతినిధ్యం మరియు సాంద్రత పరంగా మానవ ఊపిరితిత్తులతో పోలిక, యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్ మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలు (HUలో). (బి) 5% గాఢత మరియు 0.18 Ca2+:-COOH మోలార్ నిష్పత్తి కలిగిన \(\:\mu\:/\rho\:\) ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ యొక్క ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ నమూనా. (సి) హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లలో గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తుల పరిధి. (డి) వివిధ గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క స్కీమాటిక్ ప్రాతినిధ్యం.
5% గాఢత మరియు Ca2+:-COOH మోలార్ నిష్పత్తి 0.18 కలిగిన ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్స్ యొక్క మూలక కూర్పును లెక్కించారు మరియు ఫలితాలు పట్టిక 3లో చూపబడ్డాయి. మునుపటి సూత్రం (5)లోని అదనపు నియమం ప్రకారం, ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ \(\:\:\mu\:/\rho\:\) యొక్క ద్రవ్యరాశి క్షీణత గుణకం చిత్రం 1Bలో చూపిన విధంగా పొందబడింది.
గాలి మరియు నీటికి సంబంధించిన \(\:\mu\:/\rho\:\) విలువలు నేరుగా NIST 12612 ప్రమాణాల సూచన డేటాబేస్ నుండి పొందబడ్డాయి. అందువల్ల, మానవ ఊపిరితిత్తులకు -600 మరియు -700 మధ్య HU సమానమైన విలువలతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లలో లెక్కించిన గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులను చిత్రం 1C చూపిస్తుంది. సిద్ధాంతపరంగా లెక్కించిన గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తి 1 × 10−3 నుండి 2 × 101 MeV వరకు శక్తి పరిధిలో 60–70% లోపల స్థిరంగా ఉంటుంది, ఇది దిగువ తయారీ ప్రక్రియలలో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క అనువర్తనానికి మంచి సామర్థ్యాన్ని సూచిస్తుంది.
Figure 1D తయారుచేసిన ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాను చూపిస్తుంది. అన్ని నమూనాలను 12.7 mm అంచు పొడవుతో ఘనాలగా కట్ చేశారు. ఫలితాలు సజాతీయ, త్రిమితీయ స్థిరమైన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ ఏర్పడిందని చూపించాయి. గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తితో సంబంధం లేకుండా, హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల రూపంలో గణనీయమైన తేడాలు గమనించబడలేదు. హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క స్వయం-స్థిరమైన స్వభావం, హైడ్రోజెల్ లోపల ఏర్పడిన నెట్‌వర్క్ ఫోమ్ యొక్క బరువును తట్టుకునేంత బలంగా ఉందని సూచిస్తుంది. ఫోమ్ నుండి కొద్ది మొత్తంలో నీటి లీకేజీ కాకుండా, ఫోమ్ అనేక వారాల పాటు తాత్కాలిక స్థిరత్వాన్ని కూడా ప్రదర్శించింది.
ఫోమ్ నమూనా యొక్క ద్రవ్యరాశి మరియు ఘనపరిమాణాన్ని కొలవడం ద్వారా, తయారు చేయబడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ \(\:\rho\:\) యొక్క సాంద్రతను లెక్కించారు మరియు ఫలితాలు పట్టిక 4లో చూపబడ్డాయి. ఫలితాలు గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తిపై \(\:\rho\:\) యొక్క ఆధారపడటాన్ని చూపుతాయి. తగినంత గాలిని నమూనాలోని 50 mlతో కలిపినప్పుడు, సాంద్రత అత్యల్పంగా మారుతుంది మరియు 0.482 g/cm3 అవుతుంది. మిశ్రమ గాలి పరిమాణం తగ్గినప్పుడు, సాంద్రత 0.685 g/cm3కి పెరుగుతుంది. 50 ml, 100 ml మరియు 110 ml సమూహాల మధ్య గరిష్ట p విలువ 0.004 < 0.05, ఇది ఫలితాల గణాంక ప్రాముఖ్యతను సూచిస్తుంది.
సైద్ధాంతిక \(\:\rho\:\) విలువను కూడా నియంత్రిత గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తిని ఉపయోగించి లెక్కిస్తారు. కొలిచిన ఫలితాలు \(\:\rho\:\) సైద్ధాంతిక విలువ కంటే 0.1 g/cm³ తక్కువగా ఉందని చూపిస్తున్నాయి. జిలేషన్ ప్రక్రియలో హైడ్రోజెల్‌లో ఉత్పన్నమయ్యే అంతర్గత ఒత్తిడి ద్వారా ఈ వ్యత్యాసాన్ని వివరించవచ్చు, ఇది వాపుకు కారణమవుతుంది మరియు తద్వారా \(\:\rho\:\) తగ్గుదలకు దారితీస్తుంది. చిత్రం 2 (A, B మరియు C)లో చూపిన CT చిత్రాలలో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ లోపల కొన్ని అంతరాలను పరిశీలించడం ద్వారా ఇది మరింత నిర్ధారించబడింది.
వివిధ గాలి పరిమాణం కంటెంట్‌లతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీ చిత్రాలు (A) 50, (B) 100, మరియు (C) 110. ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాలలో సెల్ సంఖ్యలు మరియు రంధ్రాల పరిమాణం పంపిణీ (D) 50, (E) 100, (F) 110.
చిత్రం 3 (A, B, C) వివిధ గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాల ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ చిత్రాలను చూపిస్తుంది. ఫలితాలు హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క ఆప్టికల్ నిర్మాణాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి, వివిధ వ్యాసాలతో రంధ్రాల చిత్రాలను స్పష్టంగా చూపుతాయి. రంధ్రాల సంఖ్య మరియు వ్యాసం యొక్క పంపిణీని ImageJ ఉపయోగించి లెక్కించారు. ప్రతి నమూనాకు ఆరు చిత్రాలు తీయబడ్డాయి, ప్రతి చిత్రం 1125.27 μm × 843.96 μm పరిమాణంలో ఉంది మరియు ప్రతి నమూనాకు మొత్తం విశ్లేషించబడిన ప్రాంతం 5.7 mm².
(ఎ) వేర్వేరు గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల సంపీడన ఒత్తిడి-ఒత్తిడి ప్రవర్తన. (బి) ఘాతాంక అమరిక. (సి) వేర్వేరు గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల సంపీడన E0. (డి) వేర్వేరు గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో అల్టిమేట్ సంపీడన ఒత్తిడి మరియు ఆల్జీనేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల జాతి.
చిత్రం 3 (D, E, F) ప్రకారం, పదుల మైక్రోమీటర్ల నుండి దాదాపు 500 మైక్రోమీటర్ల వరకు రంధ్రాల పరిమాణం పంపిణీ సాపేక్షంగా ఏకరీతిగా ఉంటుంది. రంధ్రాల పరిమాణం ప్రాథమికంగా ఏకరీతిగా ఉంటుంది మరియు గాలి పరిమాణం తగ్గినప్పుడు ఇది కొద్దిగా తగ్గుతుంది. పరీక్ష డేటా ప్రకారం, 50 ml నమూనా యొక్క సగటు రంధ్రాల పరిమాణం 192.16 μm, మధ్యస్థం 184.51 μm, మరియు యూనిట్ ప్రాంతానికి రంధ్రాల సంఖ్య 103; 100 ml నమూనా యొక్క సగటు రంధ్రాల పరిమాణం 156.62 μm, మధ్యస్థం 151.07 μm మరియు యూనిట్ ప్రాంతానికి రంధ్రాల సంఖ్య 109; 110 ml నమూనా యొక్క సంబంధిత విలువలు వరుసగా 163.07 μm, 150.29 μm మరియు 115. సగటు రంధ్ర పరిమాణం యొక్క గణాంక ఫలితాలపై పెద్ద రంధ్రాలు ఎక్కువ ప్రభావాన్ని చూపుతాయని డేటా చూపిస్తుంది మరియు మధ్యస్థ రంధ్ర పరిమాణం రంధ్ర పరిమాణం యొక్క మార్పు ధోరణిని బాగా ప్రతిబింబిస్తుంది. నమూనా పరిమాణం 50 ml నుండి 110 ml వరకు పెరిగేకొద్దీ, రంధ్రాల సంఖ్య కూడా పెరుగుతుంది. మధ్యస్థ రంధ్ర వ్యాసం మరియు రంధ్ర సంఖ్య యొక్క గణాంక ఫలితాలను కలిపి, పెరుగుతున్న పరిమాణంతో, నమూనా లోపల చిన్న పరిమాణంలో ఎక్కువ రంధ్రాలు ఏర్పడతాయని నిర్ధారించవచ్చు.
యాంత్రిక పరీక్ష డేటా గణాంకాలు 4A మరియు 4D లలో చూపబడింది. వివిధ గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో తయారు చేయబడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క సంపీడన ఒత్తిడి-జాతి ప్రవర్తనను చిత్రం 4A చూపిస్తుంది. అన్ని నమూనాలు ఒకే విధమైన నాన్-లీనియర్ ఒత్తిడి-జాతి ప్రవర్తనను కలిగి ఉన్నాయని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి. ప్రతి నమూనా కోసం, ఒత్తిడి పెరుగుతున్న కొద్దీ ఒత్తిడి వేగంగా పెరుగుతుంది. హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క సంపీడన ఒత్తిడి-జాతి ప్రవర్తనకు ఒక ఘాతాంక వక్రత అమర్చబడింది. హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌కు అంచనా వేసే నమూనాగా ఘాతాంక ఫంక్షన్‌ను వర్తింపజేసిన తర్వాత మూర్తి 4B ఫలితాలను చూపుతుంది.
వివిధ గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులు కలిగిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల కోసం, వాటి కంప్రెసివ్ మాడ్యులస్ (E0) కూడా అధ్యయనం చేయబడింది. హైడ్రోజెల్‌ల విశ్లేషణ మాదిరిగానే, కంప్రెసివ్ యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్‌ను 20% ప్రారంభ స్ట్రెయిన్ పరిధిలో పరిశోధించారు. కంప్రెసివ్ పరీక్షల ఫలితాలు చిత్రం 4Cలో చూపబడ్డాయి. చిత్రం 4Cలోని ఫలితాలు గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తి నమూనా 50 నుండి నమూనా 110కి తగ్గినప్పుడు, ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క కంప్రెసివ్ యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్ E0 10.86 kPa నుండి 18 kPaకి పెరుగుతుందని చూపిస్తున్నాయి.
అదేవిధంగా, హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క పూర్తి ఒత్తిడి-జాతి వక్రతలు, అలాగే అల్టిమేట్ కంప్రెసివ్ స్ట్రెస్ మరియు స్ట్రెయిన్ విలువలు పొందబడ్డాయి. ఫిగర్ 4D ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క అల్టిమేట్ కంప్రెసివ్ స్ట్రెస్ మరియు స్ట్రెయిన్‌ను చూపిస్తుంది. ప్రతి డేటా పాయింట్ మూడు పరీక్ష ఫలితాల సగటు. అల్టిమేట్ కంప్రెసివ్ స్ట్రెస్ 9.84 kPa నుండి 17.58 kPa వరకు పెరుగుతుందని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి, తగ్గుతున్న గ్యాస్ కంటెంట్‌తో. అల్టిమేట్ స్ట్రెయిన్ దాదాపు 38% వద్ద స్థిరంగా ఉంటుంది.
చిత్రం 2 (A, B, మరియు C) వరుసగా 50, 100 మరియు 110 నమూనాలకు అనుగుణంగా వేర్వేరు గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క CT చిత్రాలను చూపిస్తుంది. ఏర్పడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ దాదాపు సజాతీయంగా ఉందని చిత్రాలు చూపిస్తున్నాయి. 100 మరియు 110 నమూనాలలో తక్కువ సంఖ్యలో ఖాళీలు గమనించబడ్డాయి. జిలేషన్ ప్రక్రియలో హైడ్రోజెల్‌లో ఉత్పన్నమయ్యే అంతర్గత ఒత్తిడి వల్ల ఈ అంతరాలు ఏర్పడవచ్చు. మేము ప్రతి నమూనా యొక్క 5 క్రాస్ సెక్షన్‌లకు HU విలువలను లెక్కించాము మరియు సంబంధిత సైద్ధాంతిక గణన ఫలితాలతో పాటు వాటిని టేబుల్ 5లో జాబితా చేసాము.
వేర్వేరు గాలి పరిమాణ నిష్పత్తులు కలిగిన నమూనాలు వేర్వేరు HU విలువలను పొందాయని పట్టిక 5 చూపిస్తుంది. 50 ml, 100 ml మరియు 110 ml సమూహాల మధ్య గరిష్ట p విలువ 0.004 < 0.05, ఇది ఫలితాల గణాంక ప్రాముఖ్యతను సూచిస్తుంది. పరీక్షించిన మూడు నమూనాలలో, 50 ml మిశ్రమం కలిగిన నమూనా మానవ ఊపిరితిత్తులకు దగ్గరగా ఉన్న రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను కలిగి ఉంది. పట్టిక 5 యొక్క చివరి నిలువు వరుస కొలిచిన ఫోమ్ విలువ \(\:\rho\:\) ఆధారంగా సైద్ధాంతిక గణన ద్వారా పొందిన ఫలితం. కొలిచిన డేటాను సైద్ధాంతిక ఫలితాలతో పోల్చడం ద్వారా, CT స్కానింగ్ ద్వారా పొందిన HU విలువలు సాధారణంగా సైద్ధాంతిక ఫలితాలకు దగ్గరగా ఉన్నాయని కనుగొనవచ్చు, ఇది మూర్తి 1C లోని గాలి పరిమాణ నిష్పత్తి గణన ఫలితాలను నిర్ధారిస్తుంది.
ఈ అధ్యయనం యొక్క ప్రధాన లక్ష్యం మానవ ఊపిరితిత్తులతో పోల్చదగిన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో కూడిన పదార్థాన్ని సృష్టించడం. మానవ ఊపిరితిత్తులకు సాధ్యమైనంత దగ్గరగా ఉండే కణజాల-సమానమైన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో కూడిన హైడ్రోజెల్ ఆధారిత పదార్థాన్ని అభివృద్ధి చేయడం ద్వారా ఈ లక్ష్యం సాధించబడింది. సైద్ధాంతిక లెక్కల ద్వారా మార్గనిర్దేశం చేయబడి, సోడియం ఆల్జినేట్ ద్రావణం, CaCO3, GDL మరియు SLES 70 లను యాంత్రికంగా కలపడం ద్వారా వివిధ గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను తయారు చేశారు. పదనిర్మాణ విశ్లేషణలో సజాతీయ త్రిమితీయ స్థిరమైన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ ఏర్పడిందని తేలింది. గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తిని మార్చడం ద్వారా, నురుగు యొక్క సాంద్రత మరియు సచ్ఛిద్రతను ఇష్టానుసారంగా మార్చవచ్చు. గాలి వాల్యూమ్ కంటెంట్ పెరుగుదలతో, రంధ్రాల పరిమాణం కొద్దిగా తగ్గుతుంది మరియు రంధ్రాల సంఖ్య పెరుగుతుంది. ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలను విశ్లేషించడానికి కంప్రెషన్ పరీక్షలు నిర్వహించబడ్డాయి. కంప్రెషన్ పరీక్షల నుండి పొందిన కంప్రెసివ్ మాడ్యులస్ (E0) మానవ ఊపిరితిత్తులకు అనువైన పరిధిలో ఉందని ఫలితాలు చూపించాయి. గాలి వాల్యూమ్ నిష్పత్తి తగ్గినప్పుడు E0 పెరుగుతుంది. తయారుచేసిన నమూనాల రేడియోలాజికల్ లక్షణాల (HU) విలువలను నమూనాల CT డేటా ఆధారంగా పొందారు మరియు సైద్ధాంతిక గణనల ఫలితాలతో పోల్చారు. ఫలితాలు అనుకూలంగా ఉన్నాయి. కొలిచిన విలువ కూడా మానవ ఊపిరితిత్తుల HU విలువకు దగ్గరగా ఉంటుంది. మానవ ఊపిరితిత్తుల లక్షణాలను అనుకరించే యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల ఆదర్శ కలయికతో కణజాల-అనుకరణ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను సృష్టించడం సాధ్యమని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి.
ఆశాజనకమైన ఫలితాలు ఉన్నప్పటికీ, ప్రపంచ మరియు స్థానిక ప్రమాణాల వద్ద సైద్ధాంతిక లెక్కలు మరియు నిజమైన మానవ ఊపిరితిత్తుల నుండి అంచనాలకు సరిపోయేలా గాలి పరిమాణం నిష్పత్తి మరియు సచ్ఛిద్రతను బాగా నియంత్రించడానికి ప్రస్తుత తయారీ పద్ధతులను మెరుగుపరచాల్సిన అవసరం ఉంది. ప్రస్తుత అధ్యయనం కంప్రెషన్ మెకానిక్‌లను పరీక్షించడానికి కూడా పరిమితం చేయబడింది, ఇది ఫాంటమ్ యొక్క సంభావ్య అనువర్తనాన్ని శ్వాసకోశ చక్రం యొక్క కుదింపు దశకు పరిమితం చేస్తుంది. డైనమిక్ లోడింగ్ పరిస్థితులలో సంభావ్య అనువర్తనాలను అంచనా వేయడానికి తన్యత పరీక్షతో పాటు పదార్థం యొక్క మొత్తం యాంత్రిక స్థిరత్వాన్ని పరిశోధించడం ద్వారా భవిష్యత్ పరిశోధన ప్రయోజనం పొందుతుంది. ఈ పరిమితులు ఉన్నప్పటికీ, మానవ ఊపిరితిత్తులను అనుకరించే ఒకే పదార్థంలో రేడియోలాజికల్ మరియు యాంత్రిక లక్షణాలను కలపడానికి ఈ అధ్యయనం మొదటి విజయవంతమైన ప్రయత్నాన్ని సూచిస్తుంది.
ప్రస్తుత అధ్యయనం సమయంలో ఉత్పత్తి చేయబడిన మరియు/లేదా విశ్లేషించబడిన డేటాసెట్‌లు సంబంధిత రచయిత నుండి సహేతుకమైన అభ్యర్థనపై అందుబాటులో ఉన్నాయి. ప్రయోగాలు మరియు డేటాసెట్‌లు రెండూ పునరుత్పత్తి చేయగలవు.
సాంగ్, జి., మరియు ఇతరులు. క్యాన్సర్ రేడియేషన్ థెరపీ కోసం నవల నానోటెక్నాలజీలు మరియు అధునాతన పదార్థాలు. అడ్వాన్స్డ్ మేటర్. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
కిల్, పిజె, మరియు ఇతరులు. రేడియేషన్ ఆంకాలజీలో శ్వాసకోశ చలన నిర్వహణపై AAPM 76a టాస్క్ ఫోర్స్ నివేదిక. మెడ్. ఫిజి. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
అల్-మాయ, ఎ., మోస్లీ, జె., మరియు బ్రాక్, కె.కె. మానవ ఊపిరితిత్తులలోని ఇంటర్‌ఫేస్ మరియు మెటీరియల్ నాన్‌లీనియారిటీలను మోడలింగ్ చేయడం. ఫిజిక్స్ అండ్ మెడిసిన్ అండ్ బయాలజీ 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
వాంగ్, X., మరియు ఇతరులు. 3D బయోప్రింటింగ్ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన కణితి లాంటి ఊపిరితిత్తుల క్యాన్సర్ నమూనా. 3. బయోటెక్నాలజీ. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
లీ, ఎం., మరియు ఇతరులు. ఊపిరితిత్తుల వైకల్యాన్ని మోడలింగ్ చేయడం: వైకల్యం చెందగల ఇమేజ్ రిజిస్ట్రేషన్ టెక్నిక్‌లను మరియు ప్రాదేశికంగా మారుతున్న యంగ్ యొక్క మాడ్యులస్ అంచనాను కలిపే పద్ధతి. మెడ్. ఫిజి. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
గుయిమారేస్, CF మరియు ఇతరులు. జీవ కణజాలం యొక్క దృఢత్వం మరియు కణజాల ఇంజనీరింగ్‌కు దాని ప్రభావాలు. నేచర్ రివ్యూస్ మెటీరియల్స్ అండ్ ఎన్విరాన్‌మెంట్ 5, 351–370 (2020).