nature.com ను సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు ఉపయోగిస్తున్న బ్రౌజర్ వెర్షన్‌లో CSS మద్దతు పరిమితంగా ఉంది. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, తాజా బ్రౌజర్ వెర్షన్‌ను ఉపయోగించమని (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్‌ప్లోరర్‌లో కంపాటిబిలిటీ మోడ్‌ను ఆఫ్ చేయమని) మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము. అదనంగా, నిరంతర మద్దతును నిర్ధారించడానికి, ఈ సైట్‌లో స్టైల్స్ లేదా జావాస్క్రిప్ట్ ఉండవు.
రేడియోథెరపీ సమయంలో అవయవాలు మరియు కణజాలాల కదలికల వల్ల ఎక్స్-రేలను సరైన స్థానంలో ఉంచడంలో లోపాలు ఏర్పడవచ్చు. అందువల్ల, రేడియోథెరపీని ఉత్తమంగా చేయడానికి అవయవాల కదలికలను అనుకరించేందుకు, కణజాలానికి సమానమైన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలు గల పదార్థాలు అవసరం. అయితే, అటువంటి పదార్థాలను అభివృద్ధి చేయడం ఇప్పటికీ ఒక సవాలుగానే ఉంది. ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్‌లు ఎక్స్‌ట్రాసెల్యులార్ మ్యాట్రిక్స్‌ను పోలిన లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి, అందువల్ల అవి కణజాలానికి సమానమైన పదార్థాలుగా ఆశాజనకంగా ఉన్నాయి. ఈ అధ్యయనంలో, ఇన్ సిటు Ca2+ విడుదల పద్ధతి ద్వారా కావలసిన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను సంశ్లేషణ చేయడం జరిగింది. నిర్దిష్ట యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను పొందడానికి గాలి-పరిమాణ నిష్పత్తిని జాగ్రత్తగా నియంత్రించడం జరిగింది. ఈ పదార్థాల స్థూల మరియు సూక్ష్మ స్వరూపాలను నిర్ధారించడం జరిగింది, మరియు సంపీడనం కింద హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల ప్రవర్తనను అధ్యయనం చేయడం జరిగింది. రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను సైద్ధాంతికంగా అంచనా వేసి, కంప్యూటెడ్ టోమోగ్రఫీని ఉపయోగించి ప్రయోగాత్మకంగా ధృవీకరించడం జరిగింది. రేడియోథెరపీ సమయంలో రేడియేషన్ మోతాదును ఉత్తమంగా చేయడానికి మరియు నాణ్యత నియంత్రణ కోసం ఉపయోగపడే కణజాలానికి సమానమైన పదార్థాల భవిష్యత్ అభివృద్ధిపై ఈ అధ్యయనం వెలుగునిస్తుంది.
రేడియేషన్ థెరపీ అనేది క్యాన్సర్‌కు ఒక సాధారణ చికిత్స¹. రేడియేషన్ థెరపీ సమయంలో అవయవాలు మరియు కణజాలాల కదలికల వల్ల తరచుగా ఎక్స్-రేలను సరైన స్థానంలో ఉంచడంలో పొరపాట్లు జరుగుతాయి². దీని ఫలితంగా కణితికి తగినంత చికిత్స అందకపోవడం, మరియు చుట్టుపక్కల ఉన్న ఆరోగ్యకరమైన కణాలు అనవసరమైన రేడియేషన్‌కు అధికంగా గురికావడం జరగవచ్చు. కణితిని గుర్తించడంలో జరిగే పొరపాట్లను తగ్గించడానికి, అవయవాలు మరియు కణజాలాల కదలికలను ముందుగానే అంచనా వేయగల సామర్థ్యం చాలా కీలకం. రేడియేషన్ థెరపీ సమయంలో రోగులు శ్వాస తీసుకున్నప్పుడు ఊపిరితిత్తులు గణనీయమైన మార్పులకు, కదలికలకు గురవుతాయి కాబట్టి, ఈ అధ్యయనం వాటిపై దృష్టి సారించింది. మానవ ఊపిరితిత్తుల కదలికను అనుకరించడానికి (సిమ్యులేట్ చేయడానికి) వివిధ ఫైనైట్ ఎలిమెంట్ నమూనాలను అభివృద్ధి చేసి, ఉపయోగించడం జరిగింది³,4,5. అయితే, మానవ అవయవాలు మరియు కణజాలాలు సంక్లిష్టమైన జ్యామితులను కలిగి ఉంటాయి మరియు అవి రోగిపై ఎక్కువగా ఆధారపడి ఉంటాయి. అందువల్ల, సైద్ధాంతిక నమూనాలను ధృవీకరించడానికి, మెరుగైన వైద్య చికిత్సను సులభతరం చేయడానికి, మరియు వైద్య విద్యా ప్రయోజనాల కోసం భౌతిక నమూనాలను అభివృద్ధి చేయడానికి కణజాల-సమాన లక్షణాలు గల పదార్థాలు చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటాయి.
సంక్లిష్టమైన బాహ్య మరియు అంతర్గత నిర్మాణ జ్యామితులను సాధించడానికి మృదు కణజాలాన్ని అనుకరించే పదార్థాల అభివృద్ధి చాలా దృష్టిని ఆకర్షించింది, ఎందుకంటే వాటి సహజమైన యాంత్రిక అస్థిరతలు లక్షిత అనువర్తనాలలో వైఫల్యాలకు దారితీయవచ్చు6,7. అత్యంత మృదుత్వం, స్థితిస్థాపకత మరియు నిర్మాణ రంధ్రాలను మిళితం చేసే ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క సంక్లిష్ట బయోమెకానిక్స్‌ను నమూనా చేయడం, మానవ ఊపిరితిత్తులను ఖచ్చితంగా పునరుత్పత్తి చేసే నమూనాలను అభివృద్ధి చేయడంలో ఒక ముఖ్యమైన సవాలును విసురుతుంది. చికిత్సా జోక్యాలలో ఊపిరితిత్తుల నమూనాల సమర్థవంతమైన పనితీరుకు యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల ఏకీకరణ మరియు సరిపోలిక చాలా కీలకం. రోగి-నిర్దిష్ట నమూనాలను అభివృద్ధి చేయడంలో యాడిటివ్ మాన్యుఫ్యాక్చరింగ్ సమర్థవంతంగా నిరూపించబడింది, ఇది సంక్లిష్టమైన డిజైన్‌ల వేగవంతమైన ప్రోటోటైపింగ్‌ను సాధ్యం చేస్తుంది. షిన్ మరియు ఇతరులు8 3D-ప్రింటెడ్ వాయుమార్గాలతో పునరుత్పత్తి చేయగల, రూపాంతరం చెందగల ఊపిరితిత్తుల నమూనాను అభివృద్ధి చేశారు. హసేలార్ మరియు ఇతరులు9 రేడియోథెరపీ కోసం చిత్ర నాణ్యత అంచనా మరియు స్థాన ధృవీకరణ పద్ధతుల కొరకు నిజమైన రోగులను అత్యంత పోలి ఉండే ఫాంటమ్‌ను అభివృద్ధి చేశారు. హాంగ్ మరియు ఇతరులు10 పరిమాణీకరణ యొక్క ఖచ్చితత్వాన్ని అంచనా వేయడానికి వివిధ ఊపిరితిత్తుల గాయాల CT తీవ్రతను పునరుత్పత్తి చేయడానికి 3D ప్రింటింగ్ మరియు సిలికాన్ కాస్టింగ్ టెక్నాలజీని ఉపయోగించి ఛాతీ CT నమూనాను అభివృద్ధి చేశారు. అయితే, ఈ నమూనాలను తరచుగా ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క ప్రభావవంతమైన లక్షణాల కంటే చాలా భిన్నమైన లక్షణాలు గల పదార్థాలతో తయారు చేస్తారు¹¹.
ప్రస్తుతం, చాలా ఊపిరితిత్తుల ఫాంటమ్‌లు సిలికాన్ లేదా పాలియురేథేన్ ఫోమ్‌తో తయారు చేయబడతాయి, ఇవి నిజమైన ఊపిరితిత్తుల పారెన్‌కైమా యొక్క యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో సరిపోలవు.12,13 ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్‌లు జీవ అనుకూలమైనవి మరియు వాటి సర్దుబాటు చేయగల యాంత్రిక లక్షణాల కారణంగా టిష్యూ ఇంజనీరింగ్‌లో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.14 అయినప్పటికీ, ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క స్థితిస్థాపకత మరియు నింపే నిర్మాణాన్ని ఖచ్చితంగా అనుకరించే ఊపిరితిత్తుల ఫాంటమ్‌కు అవసరమైన అతి మృదువైన, ఫోమ్ లాంటి స్థిరత్వాన్ని పునరుత్పత్తి చేయడం ఇప్పటికీ ఒక ప్రయోగాత్మక సవాలుగా మిగిలిపోయింది.
ఈ అధ్యయనంలో, ఊపిరితిత్తుల కణజాలం ఒక సజాతీయ స్థితిస్థాపక పదార్థం అని భావించబడింది. మానవ ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క సాంద్రత (ρ) 1.06 గ్రా/సెం.మీ³గా మరియు గాలితో నింపిన ఊపిరితిత్తుల సాంద్రత 0.26 గ్రా/సెం.మీ³గా నివేదించబడింది¹⁵. వివిధ ప్రయోగాత్మక పద్ధతులను ఉపయోగించి ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క యంగ్ మాడ్యులస్ (MY) విలువలు విస్తృత శ్రేణిలో పొందబడ్డాయి. లై-ఫూక్ మరియు ఇతరులు¹⁶ ఏకరీతిగా గాలితో నింపిన మానవ ఊపిరితిత్తుల YMను 0.42–6.72 kPaగా కొలిచారు. గాస్ మరియు ఇతరులు¹⁷ మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ ఎలాస్టోగ్రఫీని ఉపయోగించి 2.17 kPa YMను నివేదించారు. లియు మరియు ఇతరులు¹⁸ నేరుగా కొలిచిన 0.03–57.2 kPa YMను నివేదించారు. ఇలెగ్బుసి మరియు ఇతరులు¹⁹ ఎంపిక చేసిన రోగుల నుండి పొందిన 4D CT డేటా ఆధారంగా YMను 0.1–2.7 kPaగా అంచనా వేశారు.
ఊపిరితిత్తుల రేడియోలాజికల్ లక్షణాల కోసం, ఎక్స్-కిరణాలతో ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క పరస్పర చర్య ప్రవర్తనను వివరించడానికి అనేక పారామితులను ఉపయోగిస్తారు, వాటిలో మూలకాల కూర్పు, ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత (\(\:{\rho\:}_{e}\)), ప్రభావవంతమైన పరమాణు సంఖ్య (\(\:{Z}_{eff}\)), సగటు ఉత్తేజ శక్తి (\(\:I\)), ద్రవ్యరాశి క్షీణత గుణకం (\(\:\mu\:/\rho\:\)) మరియు హౌన్స్‌ఫీల్డ్ యూనిట్ (HU) ఉన్నాయి, ఇది నేరుగా \(\:\mu\:/\rho\:\) తో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది.
ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత \(\:{\rho\:}_{e}\) ను యూనిట్ ఘనపరిమాణానికి ఉండే ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యగా నిర్వచిస్తారు మరియు దీనిని ఈ క్రింది విధంగా లెక్కిస్తారు:
ఇక్కడ \(\:\rho\:\) అనేది పదార్థం యొక్క సాంద్రత (g/cm3), \(\:{N}_{A}\) అనేది అవొగాడ్రో స్థిరాంకం, \(\:{w}_{i}\) అనేది ద్రవ్యరాశి భిన్నం, \(\:{Z}_{i}\) అనేది పరమాణు సంఖ్య, మరియు \(\:{A}_{i}\) అనేది i-వ మూలకం యొక్క పరమాణు భారం.
పరమాణు సంఖ్య పదార్థంలోని రేడియేషన్ పరస్పర చర్య యొక్క స్వభావానికి నేరుగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. అనేక మూలకాలను కలిగి ఉన్న సమ్మేళనాలు మరియు మిశ్రమాల కోసం (ఉదాహరణకు, వస్త్రాలు), ప్రభావవంతమైన పరమాణు సంఖ్య \(\:{Z}_{eff}\) ను లెక్కించాలి. ఈ సూత్రాన్ని మూర్తి మరియు ఇతరులు 20 ప్రతిపాదించారు:
సగటు ఉత్తేజ శక్తి \(\:I\) అనేది లక్ష్య పదార్థం చొచ్చుకుపోయే కణాల గతిజ శక్తిని ఎంత సులభంగా శోషించుకుంటుందో వివరిస్తుంది. ఇది కేవలం లక్ష్య పదార్థం యొక్క లక్షణాలను మాత్రమే వివరిస్తుంది మరియు కణాల లక్షణాలతో దీనికి ఎటువంటి సంబంధం లేదు. బ్రాగ్ సంకలన నియమాన్ని వర్తింపజేయడం ద్వారా \(\:I\) ను లెక్కించవచ్చు:
ద్రవ్యరాశి క్షీణత గుణకం \(\:\mu\:/\rho\:\) లక్ష్య పదార్థంలో ఫోటాన్‌ల చొచ్చుకుపోవడాన్ని మరియు శక్తి విడుదలని వివరిస్తుంది. దీనిని కింది సూత్రాన్ని ఉపయోగించి లెక్కించవచ్చు:
ఇక్కడ \(\:x\) అనేది పదార్థం యొక్క మందం, \(\:{I}_{0}\) అనేది పతన కాంతి తీవ్రత, మరియు \(\:I\) అనేది పదార్థంలోకి చొచ్చుకుపోయిన తర్వాత ఫోటాన్ తీవ్రత. \(\:\mu\:/\rho\:\) డేటాను NIST 12621 స్టాండర్డ్స్ రిఫరెన్స్ డేటాబేస్ నుండి నేరుగా పొందవచ్చు. మిశ్రమాలు మరియు సమ్మేళనాల కోసం \(\:\mu\:/\rho\:\) విలువలను సంకలన నియమాన్ని ఉపయోగించి ఈ క్రింది విధంగా రాబట్టవచ్చు:
HU అనేది కంప్యూటెడ్ టోమోగ్రఫీ (CT) డేటా యొక్క వివరణలో రేడియోడెన్సిటీని కొలవడానికి ఉపయోగించే ఒక ప్రామాణికమైన, పరిమాణరహిత యూనిట్, ఇది కొలవబడిన అటెన్యుయేషన్ గుణకం \(\:\mu\:\) నుండి సరళంగా రూపాంతరం చెందుతుంది. దీనిని ఈ విధంగా నిర్వచించారు:
ఇక్కడ \(\:{\mu\:}_{water}\) అనేది నీటి క్షీణత గుణకం, మరియు \(\:{\mu\:}_{air}\) అనేది గాలి క్షీణత గుణకం. అందువల్ల, ఫార్ములా (6) నుండి నీటి HU విలువ 0 అని, మరియు గాలి HU విలువ -1000 అని మనం చూస్తాము. మానవ ఊపిరితిత్తుల HU విలువ -600 నుండి -70022 వరకు ఉంటుంది.
అనేక కణజాల సమాన పదార్థాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. గ్రిఫిత్ మరియు ఇతరులు 23 మానవ ఊపిరితిత్తులతో సహా వివిధ మానవ అవయవాల యొక్క రేఖీయ క్షీణత గుణకాలను అనుకరించడానికి, పాలియురేథేన్ (PU) తో తయారు చేయబడిన మానవ మొండెం యొక్క కణజాల సమాన నమూనాను అభివృద్ధి చేశారు, దీనికి వివిధ సాంద్రతలలో కాల్షియం కార్బోనేట్ (CaCO3) జోడించబడింది, మరియు ఈ నమూనాకు గ్రిఫిత్ అని పేరు పెట్టారు. టేలర్24 లారెన్స్ లివర్‌మోర్ నేషనల్ లాబొరేటరీ (LLNL) అభివృద్ధి చేసిన రెండవ ఊపిరితిత్తుల కణజాల సమాన నమూనాను సమర్పించారు, దీనికి LLLL1 అని పేరు పెట్టారు. ట్రాబ్ మరియు ఇతరులు25 పనితీరును పెంచేదిగా 5.25% CaCO3 కలిగిన ఫోమెక్స్ XRS-272 ను ఉపయోగించి ఒక కొత్త ఊపిరితిత్తుల కణజాల ప్రత్యామ్నాయాన్ని అభివృద్ధి చేశారు, దీనికి ALT2 అని పేరు పెట్టారు. పట్టికలు 1 మరియు 2 మానవ ఊపిరితిత్తులు (ICRU-44) మరియు పైన పేర్కొన్న కణజాల సమాన నమూనాల కోసం \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) మరియు ద్రవ్యరాశి క్షీణత గుణకాల పోలికను చూపుతాయి.
అద్భుతమైన రేడియోలాజికల్ లక్షణాలు సాధించినప్పటికీ, దాదాపు అన్ని ఫాంటమ్ పదార్థాలు పాలీస్టైరిన్ ఫోమ్‌తో తయారు చేయబడతాయి. దీని అర్థం, ఈ పదార్థాల యాంత్రిక లక్షణాలు మానవ ఊపిరితిత్తుల లక్షణాలకు దగ్గరగా కూడా రాలేవు. పాలియురేథేన్ ఫోమ్ యొక్క యంగ్స్ మాడ్యులస్ (YM) సుమారు 500 kPa ఉంటుంది, ఇది సాధారణ మానవ ఊపిరితిత్తులతో (సుమారు 5-10 kPa) పోలిస్తే ఆదర్శప్రాయమైన దానికంటే చాలా తక్కువ. అందువల్ల, నిజమైన మానవ ఊపిరితిత్తుల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను అందుకోగల ఒక కొత్త పదార్థాన్ని అభివృద్ధి చేయడం అవసరం.
హైడ్రోజెల్‌లను టిష్యూ ఇంజనీరింగ్‌లో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు. దీని నిర్మాణం మరియు లక్షణాలు ఎక్స్‌ట్రాసెల్యులార్ మ్యాట్రిక్స్ (ECM)ను పోలి ఉంటాయి మరియు వీటిని సులభంగా సర్దుబాటు చేయవచ్చు. ఈ అధ్యయనంలో, ఫోమ్‌ల తయారీకి బయోమెటీరియల్‌గా స్వచ్ఛమైన సోడియం ఆల్జినేట్‌ను ఎంచుకున్నారు. ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్‌లు బయోకంపాటిబుల్ మరియు వాటి సర్దుబాటు చేయగల యాంత్రిక లక్షణాల కారణంగా టిష్యూ ఇంజనీరింగ్‌లో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడతాయి. సోడియం ఆల్జినేట్ (C6H7NaO6)n యొక్క మూలక కూర్పు మరియు Ca2+ ఉనికి, దాని రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను అవసరమైన విధంగా సర్దుబాటు చేయడానికి అనుమతిస్తాయి. సర్దుబాటు చేయగల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల యొక్క ఈ కలయిక, ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్‌లను మన అధ్యయనానికి ఆదర్శంగా నిలుపుతుంది. అయితే, ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్‌లకు కొన్ని పరిమితులు కూడా ఉన్నాయి, ముఖ్యంగా అనుకరించిన శ్వాస చక్రాల సమయంలో దీర్ఘకాలిక స్థిరత్వం విషయంలో. అందువల్ల, ఈ పరిమితులను అధిగమించడానికి భవిష్యత్ అధ్యయనాలలో మరిన్ని మెరుగుదలలు అవసరం మరియు ఆశించబడుతున్నాయి.
ఈ పరిశోధనలో, మేము మానవ ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క లక్షణాలను పోలిన, నియంత్రించగల రో (rho) విలువలు, స్థితిస్థాపకత మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో కూడిన ఒక ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ పదార్థాన్ని అభివృద్ధి చేశాము. ఈ అధ్యయనం, సర్దుబాటు చేయగల స్థితిస్థాపక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో కణజాలం వంటి ఫాంటమ్‌లను తయారు చేయడానికి ఒక సాధారణ పరిష్కారాన్ని అందిస్తుంది. ఈ పదార్థం యొక్క లక్షణాలను ఏ మానవ కణజాలానికి మరియు అవయవానికి అయినా సులభంగా అనుకూలంగా మార్చుకోవచ్చు.
మానవ ఊపిరితిత్తుల HU పరిధి (-600 నుండి -700) ఆధారంగా హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క లక్షిత గాలి-పరిమాణ నిష్పత్తిని లెక్కించారు. ఈ ఫోమ్ గాలి మరియు సింథటిక్ ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ యొక్క సాధారణ మిశ్రమం అని భావించబడింది. వ్యక్తిగత మూలకాల యొక్క సాధారణ సంకలన నియమం \(\:\mu\:/\rho\:\) ఉపయోగించి, గాలి యొక్క ఘనపరిమాణ భిన్నం మరియు సంశ్లేషణ చేయబడిన ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ యొక్క ఘనపరిమాణ నిష్పత్తిని లెక్కించవచ్చు.
సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్ కంపెనీ, సెయింట్ లూయిస్, MO నుండి కొనుగోలు చేసిన సోడియం ఆల్జినేట్ (పార్ట్ నం. W201502), CaCO3 (పార్ట్ నం. 795445, MW: 100.09), మరియు GDL (పార్ట్ నం. G4750, MW: 178.14) లను ఉపయోగించి ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను తయారు చేశారు. 70% సోడియం లారిల్ ఈథర్ సల్ఫేట్ (SLES 70)ను రెనౌన్డ్ ట్రేడింగ్ LLC నుండి కొనుగోలు చేశారు. ఫోమ్ తయారీ ప్రక్రియలో డీయోనైజ్డ్ నీటిని ఉపయోగించారు. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, ఒకే విధమైన పసుపు రంగు పారదర్శక ద్రావణం వచ్చేవరకు సోడియం ఆల్జినేట్‌ను డీయోనైజ్డ్ నీటిలో నిరంతరంగా కలుపుతూ (600 rpm) కరిగించారు. జెలేషన్‌ను ప్రారంభించడానికి Ca2+ మూలంగా GDLతో కలిపి CaCO3ని ఉపయోగించారు. హైడ్రోజెల్ లోపల సచ్ఛిద్ర నిర్మాణాన్ని ఏర్పరచడానికి SLES 70ని సర్ఫ్యాక్టెంట్‌గా ఉపయోగించారు. ఆల్జినేట్ గాఢతను 5% వద్ద మరియు Ca2+:-COOH మోలార్ నిష్పత్తిని 0.18 వద్ద నిర్వహించారు. ఫోమ్ తయారీ సమయంలో తటస్థ pHని నిర్వహించడానికి CaCO3:GDL మోలార్ నిష్పత్తిని కూడా 0.5 వద్ద ఉంచారు. దీని విలువ 26. అన్ని నమూనాలకు ఘనపరిమాణం ప్రకారం 2% SLES 70ని జోడించారు. ద్రావణం మరియు గాలి యొక్క మిశ్రమానుపాతాన్ని నియంత్రించడానికి మూత ఉన్న ఒక బీకర్‌ను ఉపయోగించారు. బీకర్ మొత్తం ఘనపరిమాణం 140 ml. సైద్ధాంతిక గణన ఫలితాల ఆధారంగా, గాలితో కలపడానికి బీకర్‌లో వివిధ ఘనపరిమాణాల మిశ్రమాన్ని (50 ml, 100 ml, 110 ml) జోడించారు. 50 ml మిశ్రమం ఉన్న నమూనా తగినంత గాలితో కలిసేలా రూపొందించబడింది, అయితే మిగిలిన రెండు నమూనాలలో గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తిని నియంత్రించారు. మొదట, ఆల్జినేట్ ద్రావణానికి SLES 70ని జోడించి, పూర్తిగా కలిసే వరకు ఎలక్ట్రిక్ స్టిరర్‌తో కలియబెట్టారు. తరువాత, మిశ్రమానికి CaCO3 సస్పెన్షన్‌ను జోడించి, మిశ్రమం రంగు తెల్లగా మారే వరకు, అంటే పూర్తిగా కలిసే వరకు నిరంతరం కలియబెట్టారు. చివరగా, జెలేషన్‌ను ప్రారంభించడానికి మిశ్రమానికి GDL ద్రావణాన్ని జోడించారు మరియు ఈ ప్రక్రియ అంతటా యాంత్రికంగా కలియబెట్టడం కొనసాగించారు. 50 ml మిశ్రమం ఉన్న నమూనా విషయంలో, మిశ్రమం యొక్క ఘనపరిమాణం మారడం ఆగిపోయినప్పుడు యాంత్రికంగా కలపడం ఆపబడింది. 100 ml మరియు 110 ml మిశ్రమం ఉన్న నమూనాల విషయంలో, మిశ్రమం బీకర్‌ను నింపినప్పుడు యాంత్రికంగా కలపడం ఆపబడింది. మేము 50 ml మరియు 100 ml మధ్య ఘనపరిమాణంతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను తయారు చేయడానికి కూడా ప్రయత్నించాము. అయితే, ఫోమ్ యొక్క నిర్మాణ అస్థిరత గమనించబడింది, ఎందుకంటే అది గాలి పూర్తిగా కలిసే స్థితికి మరియు గాలి ఘనపరిమాణ నియంత్రణ స్థితికి మధ్య మారుతూ, అస్థిరమైన ఘనపరిమాణ నియంత్రణకు దారితీసింది. ఈ అస్థిరత గణనలలో అనిశ్చితిని కలిగించింది, అందువల్ల ఈ ఘనపరిమాణ పరిధిని ఈ అధ్యయనంలో చేర్చలేదు.
హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనా యొక్క ద్రవ్యరాశి (m) మరియు ఘనపరిమాణం (V) లను కొలవడం ద్వారా దాని సాంద్రత (ρ) ను లెక్కిస్తారు.
జీస్ ఆక్సియో అబ్జర్వర్ A1 కెమెరాను ఉపయోగించి హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపిక్ చిత్రాలు తీయబడ్డాయి. పొందిన చిత్రాల ఆధారంగా, ఒక నిర్దిష్ట ప్రాంతంలోని నమూనాలో రంధ్రాల సంఖ్య మరియు పరిమాణ పంపిణీని లెక్కించడానికి ఇమేజ్‌జె సాఫ్ట్‌వేర్ ఉపయోగించబడింది. రంధ్రం ఆకారం వృత్తాకారంలో ఉంటుందని భావించబడింది.
ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యాంత్రిక లక్షణాలను అధ్యయనం చేయడానికి, టెస్ట్‌రిసోర్సెస్ 100 సిరీస్ యంత్రాన్ని ఉపయోగించి ఏక-అక్ష సంపీడన పరీక్షలు నిర్వహించబడ్డాయి. నమూనాలను దీర్ఘచతురస్రాకార బ్లాక్‌లుగా కత్తిరించి, ప్రతిబలాలను మరియు విరూపణలను లెక్కించడానికి బ్లాక్ కొలతలను తీసుకున్నారు. క్రాస్‌హెడ్ వేగాన్ని నిమిషానికి 10 మి.మీ. వద్ద అమర్చారు. ప్రతి నమూనాకు మూడు నమూనాలను పరీక్షించి, ఫలితాల నుండి సగటు మరియు ప్రామాణిక విచలనాన్ని లెక్కించారు. శ్వాసకోశ చక్రంలోని ఒక నిర్దిష్ట దశలో ఊపిరితిత్తుల కణజాలం సంపీడన బలాలకు లోనవుతుంది కాబట్టి, ఈ అధ్యయనం ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల సంపీడన యాంత్రిక లక్షణాలపై దృష్టి సారించింది. ముఖ్యంగా ఊపిరితిత్తుల కణజాలం యొక్క పూర్తి గతిశీల ప్రవర్తనను ప్రతిబింబించడానికి వ్యాకోచశీలత చాలా కీలకం, మరియు దీనిని భవిష్యత్ అధ్యయనాలలో పరిశోధిస్తారు.
తయారుచేసిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాలను సీమెన్స్ సోమాటోమ్ డ్రైవ్ డ్యూయల్-ఛానల్ CT స్కానర్‌లో స్కాన్ చేశారు. స్కానింగ్ పారామితులను ఈ క్రింది విధంగా సెట్ చేశారు: 40 mAs, 120 kVp మరియు 1 mm స్లైస్ మందం. ఫలితంగా వచ్చిన DICOM ఫైల్‌లను, ప్రతి నమూనా యొక్క 5 క్రాస్-సెక్షన్‌ల HU విలువలను విశ్లేషించడానికి మైక్రోడికామ్ DICOM వ్యూయర్ సాఫ్ట్‌వేర్‌ను ఉపయోగించి విశ్లేషించారు. CT ద్వారా పొందిన HU విలువలను, నమూనాల సాంద్రత డేటా ఆధారంగా చేసిన సైద్ధాంతిక గణనలతో పోల్చారు.
మృదువైన పదార్థాలను ఇంజనీరింగ్ చేయడం ద్వారా వ్యక్తిగత అవయవ నమూనాలు మరియు కృత్రిమ జీవ కణజాలాల తయారీలో విప్లవాత్మక మార్పులు తీసుకురావడమే ఈ అధ్యయనం యొక్క లక్ష్యం. వైద్య శిక్షణను మెరుగుపరచడం, శస్త్రచికిత్స ప్రణాళిక మరియు రేడియేషన్ థెరపీ ప్రణాళిక వంటి నిర్దిష్ట అనువర్తనాల కోసం, మానవ ఊపిరితిత్తుల పనితీరుకు సరిపోయే యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో పదార్థాలను అభివృద్ధి చేయడం చాలా ముఖ్యం. చిత్రం 1Aలో, మానవ ఊపిరితిత్తుల నమూనాలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించే మృదువైన పదార్థాల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల మధ్య వ్యత్యాసాన్ని మేము ప్లాట్ చేసాము. ఇప్పటి వరకు, ఆశించిన రేడియోలాజికల్ లక్షణాలను ప్రదర్శించే పదార్థాలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి, కానీ వాటి యాంత్రిక లక్షణాలు ఆశించిన అవసరాలను తీర్చడం లేదు. రూపాంతరం చెందగల మానవ ఊపిరితిత్తుల నమూనాలను తయారు చేయడానికి పాలియురేథేన్ ఫోమ్ మరియు రబ్బరు అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే పదార్థాలు. పాలియురేథేన్ ఫోమ్ యొక్క యాంత్రిక లక్షణాలు (యంగ్స్ మాడ్యులస్, YM) సాధారణ మానవ ఊపిరితిత్తుల కణజాలం కంటే 10 నుండి 100 రెట్లు ఎక్కువగా ఉంటాయి. ఆశించిన యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలు రెండింటినీ ప్రదర్శించే పదార్థాలు ఇంకా కనుగొనబడలేదు.
(A) వివిధ మృదువైన పదార్థాల లక్షణాల రేఖాచిత్ర ప్రాతినిధ్యం మరియు సాంద్రత, యంగ్ మాడ్యులస్ మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల (HUలో) పరంగా మానవ ఊపిరితిత్తులతో పోలిక. (B) 5% గాఢత మరియు 0.18 Ca2+:-COOH మోలార్ నిష్పత్తి కలిగిన \(\:\mu\:/\rho\:\) ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్ యొక్క ఎక్స్-రే వివర్తన నమూనా. (C) హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లలో గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తుల పరిధి. (D) విభిన్న గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులతో కూడిన ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల రేఖాచిత్ర ప్రాతినిధ్యం.
5% గాఢత మరియు 0.18 Ca2+:-COOH మోలార్ నిష్పత్తి కలిగిన ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్‌ల మూలక కూర్పును లెక్కించారు మరియు ఫలితాలు పట్టిక 3లో చూపబడ్డాయి. మునుపటి ఫార్ములా (5)లోని సంకలన నియమం ప్రకారం, ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్ యొక్క ద్రవ్యరాశి క్షీణత గుణకం \(\:\:\mu\:/\rho\:\) చిత్రం 1Bలో చూపిన విధంగా పొందబడింది.
గాలి మరియు నీటి యొక్క \(\:\mu\:/\rho\:\) విలువలు నేరుగా NIST 12612 ప్రమాణాల రిఫరెన్స్ డేటాబేస్ నుండి పొందబడ్డాయి. అందువల్ల, మానవ ఊపిరితిత్తులకు -600 మరియు -700 మధ్య HU సమానమైన విలువలతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లలో లెక్కించబడిన గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులను చిత్రం 1C చూపిస్తుంది. సిద్ధాంతపరంగా లెక్కించబడిన గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తి 1 × 10−3 నుండి 2 × 101 MeV శక్తి పరిధిలో 60–70% లోపల స్థిరంగా ఉంటుంది, ఇది తదుపరి తయారీ ప్రక్రియలలో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క అనువర్తనానికి మంచి సామర్థ్యాన్ని సూచిస్తుంది.
పటం 1D తయారు చేయబడిన ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాను చూపుతుంది. అన్ని నమూనాలను 12.7 మి.మీ. అంచు పొడవు గల ఘనాలగా కత్తిరించారు. ఫలితాలు ఒక సజాతీయ, త్రిమితీయంగా స్థిరమైన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ ఏర్పడిందని చూపించాయి. గాలి ఘనపరిమాణం నిష్పత్తితో సంబంధం లేకుండా, హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల రూపంలో ఎటువంటి గణనీయమైన తేడాలు గమనించబడలేదు. హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క స్వీయ-నిలకడ స్వభావం, హైడ్రోజెల్ లోపల ఏర్పడిన నెట్‌వర్క్ ఫోమ్ యొక్క బరువును మోయడానికి తగినంత బలంగా ఉందని సూచిస్తుంది. ఫోమ్ నుండి కొద్ది మొత్తంలో నీరు కారడం మినహా, ఈ ఫోమ్ అనేక వారాల పాటు తాత్కాలిక స్థిరత్వాన్ని కూడా ప్రదర్శించింది.
ఫోమ్ నమూనా యొక్క ద్రవ్యరాశి మరియు ఘనపరిమాణాన్ని కొలవడం ద్వారా, తయారు చేయబడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క సాంద్రత \(\:\rho\:\)ను లెక్కించారు మరియు ఫలితాలు పట్టిక 4లో చూపబడ్డాయి. ఈ ఫలితాలు \(\:\rho\:\) గాలి యొక్క ఘనపరిమాణ నిష్పత్తిపై ఆధారపడి ఉంటుందని చూపిస్తున్నాయి. 50 ml నమూనాతో తగినంత గాలిని కలిపినప్పుడు, సాంద్రత అత్యల్పంగా 0.482 g/cm3గా ఉంటుంది. కలిపిన గాలి పరిమాణం తగ్గేకొద్దీ, సాంద్రత 0.685 g/cm3కి పెరుగుతుంది. 50 ml, 100 ml మరియు 110 ml సమూహాల మధ్య గరిష్ట p విలువ 0.004 < 0.05గా ఉంది, ఇది ఫలితాల గణాంక ప్రాముఖ్యతను సూచిస్తుంది.
నియంత్రిత గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తిని ఉపయోగించి సైద్ధాంతిక \(\:\rho\:\) విలువ కూడా లెక్కించబడుతుంది. కొలవబడిన ఫలితాలు \(\:\rho\:\) సైద్ధాంతిక విలువ కంటే 0.1 g/cm³ తక్కువగా ఉందని చూపిస్తున్నాయి. జెలేషన్ ప్రక్రియ సమయంలో హైడ్రోజెల్‌లో ఉత్పన్నమయ్యే అంతర్గత ఒత్తిడి ద్వారా ఈ వ్యత్యాసాన్ని వివరించవచ్చు, ఇది ఉబ్బడానికి కారణమవుతుంది మరియు తద్వారా \(\:\rho\:\)లో తగ్గుదలకు దారితీస్తుంది. చిత్రం 2 (A, B మరియు C)లో చూపిన CT చిత్రాలలో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ లోపల కొన్ని ఖాళీలను గమనించడం ద్వారా ఇది మరింతగా నిర్ధారించబడింది.
వివిధ గాలి పరిమాణాలతో కూడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీ చిత్రాలు (A) 50, (B) 100, మరియు (C) 110. ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాలలో కణాల సంఖ్య మరియు రంధ్రాల పరిమాణ పంపిణీ (D) 50, (E) 100, (F) 110.
పటం 3 (A, B, C) వివిధ గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులతో ఉన్న హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ నమూనాల ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ చిత్రాలను చూపుతుంది. ఈ ఫలితాలు హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క ఆప్టికల్ నిర్మాణాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి, వివిధ వ్యాసాలతో ఉన్న 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 విశ్లేషించబడిన మొత్తం వైశాల్యం 5.7 mm²గా ఉంది.
(A) విభిన్న గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులతో కూడిన ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల సంపీడన ప్రతిబల-వికృతి ప్రవర్తన. (B) ఘాతాంక అమరిక. (C) విభిన్న గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులతో కూడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల సంపీడనం E0. (D) విభిన్న గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులతో కూడిన ఆల్గినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల అంతిమ సంపీడన ప్రతిబలం మరియు వికృతి.
పటం 3 (D, E, F) ప్రకారం, రంధ్రాల పరిమాణ పంపిణీ సాపేక్షంగా ఏకరీతిగా ఉందని, ఇది పదుల మైక్రోమీటర్ల నుండి సుమారు 500 మైక్రోమీటర్ల వరకు ఉంటుందని తెలుస్తుంది. రంధ్రాల పరిమాణం ప్రాథమికంగా ఏకరీతిగా ఉంటుంది మరియు గాలి పరిమాణం తగ్గే కొద్దీ ఇది కొద్దిగా తగ్గుతుంది. పరీక్ష డేటా ప్రకారం, 50 ml నమూనా యొక్క సగటు రంధ్రాల పరిమాణం 192.16 μm, మధ్యస్థం 184.51 μm, మరియు యూనిట్ వైశాల్యానికి రంధ్రాల సంఖ్య 103; 100 ml నమూనా యొక్క సగటు రంధ్రాల పరిమాణం 156.62 μm, మధ్యస్థం 151.07 μm, మరియు యూనిట్ వైశాల్యానికి రంధ్రాల సంఖ్య 109; 110 ml నమూనా యొక్క సంబంధిత విలువలు వరుసగా 163.07 μm, 150.29 μm మరియు 115. సగటు రంధ్రాల పరిమాణం యొక్క గణాంక ఫలితాలపై పెద్ద రంధ్రాలు ఎక్కువ ప్రభావాన్ని చూపుతాయని, మరియు మధ్యస్థ రంధ్రాల పరిమాణం, రంధ్రాల పరిమాణంలోని మార్పు ధోరణిని మరింత మెరుగ్గా ప్రతిబింబిస్తుందని డేటా చూపిస్తుంది. నమూనా పరిమాణం 50 ml నుండి 110 ml కి పెరిగే కొద్దీ, రంధ్రాల సంఖ్య కూడా పెరుగుతుంది. మధ్యస్థ రంధ్రాల వ్యాసం మరియు రంధ్రాల సంఖ్య యొక్క గణాంక ఫలితాలను కలిపి చూస్తే, పరిమాణం పెరిగే కొద్దీ నమూనా లోపల చిన్న పరిమాణంలో మరిన్ని రంధ్రాలు ఏర్పడతాయని నిర్ధారించవచ్చు.
యాంత్రిక పరీక్ష డేటా చిత్రాలు 4A మరియు 4D లలో చూపబడింది. చిత్రం 4A, వివిధ గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులతో తయారు చేయబడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల సంపీడన ప్రతిబల-వికృతి ప్రవర్తనను చూపుతుంది. అన్ని నమూనాలు ఒకే విధమైన అరేఖీయ ప్రతిబల-వికృతి ప్రవర్తనను కలిగి ఉన్నాయని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి. ప్రతి నమూనాలో, వికృతి పెరిగే కొద్దీ ప్రతిబలం వేగంగా పెరుగుతుంది. హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క సంపీడన ప్రతిబల-వికృతి ప్రవర్తనకు ఒక ఘాతాంక వక్రరేఖ అమర్చబడింది. హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌కు ఘాతాంక ప్రమేయాన్ని ఒక ఉజ్జాయింపు నమూనాగా వర్తింపజేసిన తర్వాత వచ్చిన ఫలితాలను చిత్రం 4B చూపుతుంది.
వివిధ గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులు కలిగిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల సంపీడన మాడ్యులస్ (E0) కూడా అధ్యయనం చేయబడింది. హైడ్రోజెల్‌ల విశ్లేషణ మాదిరిగానే, 20% ప్రారంభ స్ట్రెయిన్ పరిధిలో సంపీడన యంగ్స్ మాడ్యులస్ పరిశోధించబడింది. సంపీడన పరీక్షల ఫలితాలు చిత్రం 4Cలో చూపబడ్డాయి. చిత్రం 4Cలోని ఫలితాలు, గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తి నమూనా 50 నుండి నమూనా 110కి తగ్గేకొద్దీ, ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ యొక్క సంపీడన యంగ్స్ మాడ్యులస్ E0 10.86 kPa నుండి 18 kPaకి పెరుగుతుందని చూపిస్తున్నాయి.
అదేవిధంగా, హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క పూర్తి స్ట్రెస్-స్ట్రెయిన్ వక్రరేఖలు, అలాగే అంతిమ సంపీడన ఒత్తిడి మరియు స్ట్రెయిన్ విలువలు పొందబడ్డాయి. పటం 4D ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క అంతిమ సంపీడన ఒత్తిడి మరియు స్ట్రెయిన్‌ను చూపుతుంది. ప్రతి డేటా పాయింట్ మూడు పరీక్ష ఫలితాల సగటు. గ్యాస్ పరిమాణం తగ్గడంతో అంతిమ సంపీడన ఒత్తిడి 9.84 kPa నుండి 17.58 kPa వరకు పెరుగుతుందని ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి. అంతిమ స్ట్రెయిన్ సుమారు 38% వద్ద స్థిరంగా ఉంటుంది.
పటం 2 (A, B, మరియు C) వరుసగా నమూనాలు 50, 100, మరియు 110 లకు సంబంధించిన విభిన్న గాలి ఘనపరిమాణ నిష్పత్తులతో ఉన్న హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యొక్క CT చిత్రాలను చూపుతుంది. ఏర్పడిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ దాదాపు సజాతీయంగా ఉందని ఈ చిత్రాలు చూపిస్తున్నాయి. నమూనాలు 100 మరియు 110 లలో కొద్ది సంఖ్యలో ఖాళీలు గమనించబడ్డాయి. జెలేషన్ ప్రక్రియ సమయంలో హైడ్రోజెల్‌లో ఉత్పన్నమయ్యే అంతర్గత ఒత్తిడి కారణంగా ఈ ఖాళీలు ఏర్పడి ఉండవచ్చు. మేము ప్రతి నమూనా యొక్క 5 క్రాస్ సెక్షన్‌ల కోసం HU విలువలను లెక్కించి, వాటికి సంబంధించిన సైద్ధాంతిక గణన ఫలితాలతో పాటు పట్టిక 5లో జాబితా చేసాము.
వివిధ 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 < 0.05గా ఉంది, ఇది ఫలితాల గణాంక ప్రాముఖ్యతను సూచిస్తుంది. పరీక్షించిన మూడు నమూనాలలో, 50 ml మిశ్రమం కలిగిన నమూనా మానవ ఊపిరితిత్తుల రేడియోలాజికల్ లక్షణాలకు అత్యంత దగ్గరగా ఉంది. పట్టిక 5 యొక్క చివరి నిలువు వరుస, కొలవబడిన ఫోమ్ విలువ \(\:\rho\:\) ఆధారంగా సైద్ధాంతిక గణన ద్వారా పొందిన ఫలితం. కొలవబడిన డేటాను సైద్ధాంతిక ఫలితాలతో పోల్చడం ద్వారా, CT స్కానింగ్ ద్వారా పొందిన HU విలువలు సాధారణంగా సైద్ధాంతిక ఫలితాలకు దగ్గరగా ఉన్నాయని కనుగొనవచ్చు, ఇది ఫిగర్ 1Cలోని గాలి పరిమాణ నిష్పత్తి గణన ఫలితాలను ధృవీకరిస్తుంది.
మానవ ఊపిరితిత్తుల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలతో పోల్చదగిన ఒక పదార్థాన్ని సృష్టించడమే ఈ అధ్యయనం యొక్క ప్రధాన లక్ష్యం. మానవ ఊపిరితిత్తుల యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాలకు వీలైనంత దగ్గరగా ఉండేలా, ప్రత్యేకంగా రూపొందించిన కణజాల-సమాన లక్షణాలతో కూడిన హైడ్రోజెల్ ఆధారిత పదార్థాన్ని అభివృద్ధి చేయడం ద్వారా ఈ లక్ష్యం సాధించబడింది. సైద్ధాంతిక గణనల మార్గదర్శకత్వంలో, సోడియం ఆల్జినేట్ ద్రావణం, CaCO3, GDL మరియు SLES 70 లను యాంత్రికంగా కలపడం ద్వారా వివిధ గాలి పరిమాణ నిష్పత్తులతో హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లు తయారు చేయబడ్డాయి. స్వరూప విశ్లేషణలో ఒక సజాతీయ త్రిమితీయ స్థిరమైన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్ ఏర్పడిందని తేలింది. గాలి పరిమాణ నిష్పత్తిని మార్చడం ద్వారా, ఫోమ్ యొక్క సాంద్రత మరియు పోరసిటీని ఇష్టానుసారంగా మార్చవచ్చు. గాలి పరిమాణం పెరిగేకొద్దీ, రంధ్రాల పరిమాణం కొద్దిగా తగ్గి, రంధ్రాల సంఖ్య పెరుగుతుంది. ఆల్జినేట్ హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌ల యాంత్రిక లక్షణాలను విశ్లేషించడానికి సంపీడన పరీక్షలు నిర్వహించబడ్డాయి. సంపీడన పరీక్షల నుండి పొందిన సంపీడన మాడ్యులస్ (E0) మానవ ఊపిరితిత్తులకు అనువైన పరిధిలో ఉందని ఫలితాలు చూపించాయి. గాలి పరిమాణ నిష్పత్తి తగ్గేకొద్దీ E0 పెరుగుతుంది. తయారుచేసిన నమూనాల రేడియోలాజికల్ లక్షణాల (HU) విలువలను, ఆ నమూనాల CT డేటా ఆధారంగా పొంది, సైద్ధాంతిక గణనల ఫలితాలతో పోల్చడం జరిగింది. ఫలితాలు అనుకూలంగా ఉన్నాయి. కొలవబడిన విలువ మానవ ఊపిరితిత్తుల HU విలువకు కూడా దగ్గరగా ఉంది. మానవ ఊపిరితిత్తుల లక్షణాలను అనుకరించే యాంత్రిక మరియు రేడియోలాజికల్ లక్షణాల ఆదర్శవంతమైన కలయికతో, కణజాలాన్ని పోలిన హైడ్రోజెల్ ఫోమ్‌లను సృష్టించడం సాధ్యమేనని ఈ ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి.
ఆశాజనకమైన ఫలితాలు ఉన్నప్పటికీ, సైద్ధాంతిక గణనల నుండి వచ్చే అంచనాలకు మరియు ప్రపంచ, స్థానిక స్థాయిలలోని నిజమైన మానవ ఊపిరితిత్తులకు సరిపోలేలా గాలి పరిమాణ నిష్పత్తిని మరియు సచ్ఛిద్రతను మెరుగ్గా నియంత్రించడానికి ప్రస్తుత తయారీ పద్ధతులను మెరుగుపరచాల్సిన అవసరం ఉంది. ప్రస్తుత అధ్యయనం సంపీడన యాంత్రిక శాస్త్రాన్ని పరీక్షించడానికి మాత్రమే పరిమితం చేయబడింది, ఇది ఫాంటమ్ యొక్క సంభావ్య అనువర్తనాన్ని శ్వాసకోశ చక్రం యొక్క సంపీడన దశకు పరిమితం చేస్తుంది. డైనమిక్ లోడింగ్ పరిస్థితులలో సంభావ్య అనువర్తనాలను అంచనా వేయడానికి, తన్యత పరీక్షతో పాటు పదార్థం యొక్క మొత్తం యాంత్రిక స్థిరత్వాన్ని పరిశోధించడం భవిష్యత్ పరిశోధనలకు ప్రయోజనకరంగా ఉంటుంది. ఈ పరిమితులు ఉన్నప్పటికీ, మానవ ఊపిరితిత్తులను అనుకరించే ఒకే పదార్థంలో రేడియోలాజికల్ మరియు యాంత్రిక లక్షణాలను మిళితం చేసిన మొదటి విజయవంతమైన ప్రయత్నంగా ఈ అధ్యయనం నిలుస్తుంది.
ప్రస్తుత అధ్యయనంలో రూపొందించబడిన మరియు/లేదా విశ్లేషించబడిన డేటాసెట్‌లు, సహేతుకమైన అభ్యర్థనపై సంబంధిత రచయిత నుండి అందుబాటులో ఉంటాయి. ప్రయోగాలు మరియు డేటాసెట్‌లు రెండూ పునరుత్పత్తి చేయదగినవి.
సాంగ్, జి., మరియు ఇతరులు. క్యాన్సర్ రేడియేషన్ థెరపీ కోసం నూతన నానోటెక్నాలజీలు మరియు అధునాతన పదార్థాలు. అడ్వాన్స్డ్ మెటీరియల్స్ 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
కిల్, పి.జె., మరియు ఇతరులు. రేడియేషన్ ఆంకాలజీలో శ్వాస కదలికల నిర్వహణపై AAPM 76a టాస్క్ ఫోర్స్ నివేదిక. మెడ్. ఫిజ్. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
అల్-మాయా, ఎ., మోస్లీ, జె., మరియు బ్రాక్, కెకె మానవ ఊపిరితిత్తులలో 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 సృష్టించబడిన కణితి లాంటి ఊపిరితిత్తుల క్యాన్సర్ నమూనా. 3. బయోటెక్నాలజీ. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
లీ, ఎం., మరియు ఇతరులు. ఊపిరితిత్తుల వైకల్యాన్ని నమూనా చేయడం: డిఫార్మబుల్ ఇమేజ్ రిజిస్ట్రేషన్ టెక్నిక్‌లు మరియు ప్రాదేశికంగా మారుతున్న యంగ్స్ మాడ్యులస్ అంచనాను కలిపే ఒక పద్ధతి. మెడ్. ఫిజ్. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
గిమారెస్, సిఎఫ్ మరియు ఇతరులు. జీవ కణజాలం యొక్క దృఢత్వం మరియు కణజాల ఇంజనీరింగ్‌పై దాని ప్రభావాలు. నేచర్ రివ్యూస్ మెటీరియల్స్ అండ్ ఎన్విరాన్‌మెంట్ 5, 351–370 (2020).