Terima kasih telah mengunjungi nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan menggunakan versi peramban terbaru (atau menonaktifkan mode kompatibilitas di Internet Explorer). Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, situs ini tidak akan menyertakan gaya atau JavaScript.
Pergerakan organ dan jaringan dapat menyebabkan kesalahan dalam penempatan sinar-X selama radioterapi. Oleh karena itu, diperlukan material dengan sifat mekanik dan radiologis yang setara dengan jaringan untuk meniru pergerakan organ guna mengoptimalkan radioterapi. Namun, pengembangan material tersebut masih menjadi tantangan. Hidrogel alginat memiliki sifat yang mirip dengan matriks ekstraseluler, sehingga menjanjikan sebagai material yang setara dengan jaringan. Dalam studi ini, busa hidrogel alginat dengan sifat mekanik dan radiologis yang diinginkan disintesis melalui pelepasan Ca2+ in situ. Rasio udara terhadap volume dikontrol dengan cermat untuk mendapatkan busa hidrogel dengan sifat mekanik dan radiologis yang telah ditentukan. Makro- dan mikromorfologi material dikarakterisasi, dan perilaku busa hidrogel di bawah kompresi dipelajari. Sifat radiologis diperkirakan secara teoritis dan diverifikasi secara eksperimental menggunakan tomografi terkomputasi. Studi ini memberikan wawasan tentang pengembangan material yang setara dengan jaringan di masa depan yang dapat digunakan untuk optimasi dosis radiasi dan kontrol kualitas selama radioterapi.
Terapi radiasi adalah pengobatan umum untuk kanker1. Pergerakan organ dan jaringan sering menyebabkan kesalahan dalam penempatan sinar-X selama terapi radiasi2, yang dapat mengakibatkan pengobatan tumor yang kurang optimal dan paparan radiasi yang berlebihan pada sel-sel sehat di sekitarnya. Kemampuan untuk memprediksi pergerakan organ dan jaringan sangat penting untuk meminimalkan kesalahan lokalisasi tumor. Studi ini berfokus pada paru-paru, karena mengalami deformasi dan pergerakan yang signifikan ketika pasien bernapas selama terapi radiasi. Berbagai model elemen hingga telah dikembangkan dan diterapkan untuk mensimulasikan gerakan paru-paru manusia3,4,5. Namun, organ dan jaringan manusia memiliki geometri yang kompleks dan sangat bergantung pada pasien. Oleh karena itu, material dengan sifat yang setara dengan jaringan sangat berguna untuk mengembangkan model fisik guna memvalidasi model teoritis, memfasilitasi peningkatan pengobatan medis, dan untuk tujuan pendidikan kedokteran.
Pengembangan material peniru jaringan lunak untuk mencapai geometri struktural eksternal dan internal yang kompleks telah menarik banyak perhatian karena inkonsistensi mekanis inherennya dapat menyebabkan kegagalan dalam aplikasi target6,7. Pemodelan biomekanik kompleks jaringan paru-paru, yang menggabungkan kelembutan ekstrem, elastisitas, dan porositas struktural, menimbulkan tantangan signifikan dalam mengembangkan model yang secara akurat mereproduksi paru-paru manusia. Integrasi dan pencocokan sifat mekanis dan radiologis sangat penting untuk kinerja efektif model paru-paru dalam intervensi terapeutik. Manufaktur aditif telah terbukti efektif dalam mengembangkan model spesifik pasien, memungkinkan pembuatan prototipe cepat dari desain yang kompleks. Shin dkk. 8 mengembangkan model paru-paru yang dapat direproduksi dan dapat berubah bentuk dengan saluran udara yang dicetak 3D. Haselaar dkk. 9 mengembangkan phantom yang sangat mirip dengan pasien sungguhan untuk penilaian kualitas gambar dan metode verifikasi posisi untuk radioterapi. Hong dkk.10 mengembangkan model CT dada menggunakan teknologi pencetakan 3D dan pengecoran silikon untuk mereproduksi intensitas CT dari berbagai lesi paru-paru untuk mengevaluasi akurasi kuantifikasi. Namun, prototipe ini seringkali terbuat dari bahan yang sifat efektifnya sangat berbeda dengan sifat jaringan paru-paru11.
Saat ini, sebagian besar phantom paru-paru terbuat dari silikon atau busa poliuretan, yang tidak sesuai dengan sifat mekanik dan radiologi parenkim paru-paru sebenarnya.12,13 Hidrogel alginat bersifat biokompatibel dan telah banyak digunakan dalam rekayasa jaringan karena sifat mekaniknya yang dapat disesuaikan.14 Namun, mereproduksi konsistensi seperti busa yang sangat lunak yang dibutuhkan untuk phantom paru-paru yang secara akurat meniru elastisitas dan struktur pengisian jaringan paru-paru tetap menjadi tantangan eksperimental.
Dalam penelitian ini, diasumsikan bahwa jaringan paru-paru adalah material elastis homogen. Kepadatan jaringan paru-paru manusia (ρ) dilaporkan sebesar 1,06 g/cm³, dan kepadatan paru-paru yang mengembang adalah 0,26 g/cm³. Rentang nilai modulus Young (YM) jaringan paru-paru yang luas telah diperoleh menggunakan berbagai metode eksperimental. Lai-Fook dkk. 16 mengukur YM paru-paru manusia dengan inflasi seragam sebesar 0,42–6,72 kPa. Goss dkk. 17 menggunakan elastografi resonansi magnetik dan melaporkan YM sebesar 2,17 kPa. Liu dkk. 18 melaporkan YM yang diukur langsung sebesar 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi dkk. 19 memperkirakan YM sebesar 0,1–2,7 kPa berdasarkan data CT 4D yang diperoleh dari pasien terpilih.
Untuk sifat radiologis paru-paru, beberapa parameter digunakan untuk menggambarkan perilaku interaksi jaringan paru-paru dengan sinar-X, termasuk komposisi unsur, kerapatan elektron (\(\:{\rho\:}_{e}\)), nomor atom efektif (\(\:{Z}_{eff}\)), energi eksitasi rata-rata (\(\:I\)), koefisien atenuasi massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) dan satuan Hounsfield (HU), yang berhubungan langsung dengan \(\:\mu\:/\rho\:\).
Kerapatan elektron \(\:{\rho\:}_{e}\) didefinisikan sebagai jumlah elektron per satuan volume dan dihitung sebagai berikut:
dengan \(\:\rho\:\) adalah densitas material dalam g/cm3, \(\:{N}_{A}\) adalah konstanta Avogadro, \(\:{w}_{i}\) adalah fraksi massa, \(\:{Z}_{i}\) adalah nomor atom, dan \(\:{A}_{i}\) adalah berat atom unsur ke-i.
Nomor atom berhubungan langsung dengan sifat interaksi radiasi di dalam material. Untuk senyawa dan campuran yang mengandung beberapa unsur (misalnya, kain), nomor atom efektif \(\:{Z}_{eff}\) harus dihitung. Rumus ini diusulkan oleh Murthy dkk. 20:
Energi eksitasi rata-rata \(\:I\) menggambarkan seberapa mudah material target menyerap energi kinetik partikel yang menembus. Nilai ini hanya menggambarkan sifat-sifat material target dan tidak ada hubungannya dengan sifat-sifat partikel. \(\:I\) dapat dihitung dengan menerapkan aturan aditivitas Bragg:
Koefisien atenuasi massa \(\:\mu\:/\rho\:\) menggambarkan penetrasi dan pelepasan energi foton dalam material target. Koefisien ini dapat dihitung menggunakan rumus berikut:
Di mana \(\:x\) adalah ketebalan material, \(\:{I}_{0}\) adalah intensitas cahaya datang, dan \(\:I\) adalah intensitas foton setelah penetrasi ke dalam material. Data \(\:\mu\:/\rho\:\) dapat diperoleh langsung dari Basis Data Referensi Standar NIST 12621. Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) untuk campuran dan senyawa dapat diturunkan menggunakan aturan aditivitas sebagai berikut:
HU adalah satuan pengukuran tak berdimensi terstandarisasi untuk radiodensitas dalam interpretasi data computed tomography (CT), yang ditransformasikan secara linier dari koefisien atenuasi terukur \(\:\mu\:\). Definisinya adalah:
di mana \(\:{\mu\:}_{air}\) adalah koefisien atenuasi air, dan \(\:{\mu\:}_{udara}\) adalah koefisien atenuasi udara. Oleh karena itu, dari rumus (6) kita melihat bahwa nilai HU air adalah 0, dan nilai HU udara adalah -1000. Nilai HU untuk paru-paru manusia berkisar dari -600 hingga -70022.
Beberapa material setara jaringan telah dikembangkan. Griffith dkk. 23 mengembangkan model setara jaringan tubuh manusia yang terbuat dari poliuretan (PU) yang ditambahkan berbagai konsentrasi kalsium karbonat (CaCO3) untuk mensimulasikan koefisien atenuasi linier berbagai organ manusia termasuk paru-paru manusia, dan model tersebut diberi nama Griffith. Taylor24 menyajikan model setara jaringan paru-paru kedua yang dikembangkan oleh Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), yang diberi nama LLLL1. Traub dkk.25 mengembangkan pengganti jaringan paru-paru baru menggunakan Foamex XRS-272 yang mengandung 5,25% CaCO3 sebagai peningkat kinerja, yang diberi nama ALT2. Tabel 1 dan 2 menunjukkan perbandingan \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) dan koefisien atenuasi massa untuk paru-paru manusia (ICRU-44) dan model setara jaringan di atas.
Meskipun sifat radiologis yang sangat baik telah dicapai, hampir semua material phantom terbuat dari busa polistirena, yang berarti bahwa sifat mekanik material ini tidak dapat mendekati sifat paru-paru manusia. Modulus Young (YM) busa poliuretan sekitar 500 kPa, yang jauh dari ideal dibandingkan dengan paru-paru manusia normal (sekitar 5-10 kPa). Oleh karena itu, perlu dikembangkan material baru yang dapat memenuhi karakteristik mekanik dan radiologis paru-paru manusia yang sebenarnya.
Hidrogel banyak digunakan dalam rekayasa jaringan. Struktur dan sifatnya mirip dengan matriks ekstraseluler (ECM) dan mudah disesuaikan. Dalam penelitian ini, natrium alginat murni dipilih sebagai biomaterial untuk pembuatan busa. Hidrogel alginat bersifat biokompatibel dan banyak digunakan dalam rekayasa jaringan karena sifat mekaniknya yang dapat disesuaikan. Komposisi unsur natrium alginat (C6H7NaO6)n dan keberadaan Ca2+ memungkinkan sifat radiologisnya disesuaikan sesuai kebutuhan. Kombinasi sifat mekanik dan radiologis yang dapat disesuaikan ini menjadikan hidrogel alginat ideal untuk penelitian kami. Tentu saja, hidrogel alginat juga memiliki keterbatasan, terutama dalam hal stabilitas jangka panjang selama siklus pernapasan simulasi. Oleh karena itu, perbaikan lebih lanjut diperlukan dan diharapkan dalam penelitian selanjutnya untuk mengatasi keterbatasan ini.
Dalam penelitian ini, kami mengembangkan material busa hidrogel alginat dengan nilai rho, elastisitas, dan sifat radiologis yang dapat dikontrol, mirip dengan jaringan paru-paru manusia. Studi ini akan memberikan solusi umum untuk pembuatan phantom mirip jaringan dengan sifat elastis dan radiologis yang dapat disesuaikan. Sifat material dapat dengan mudah disesuaikan dengan jaringan dan organ manusia apa pun.
Rasio udara terhadap volume target busa hidrogel dihitung berdasarkan rentang HU paru-paru manusia (-600 hingga -700). Diasumsikan bahwa busa tersebut merupakan campuran sederhana antara udara dan hidrogel alginat sintetis. Dengan menggunakan aturan penjumlahan sederhana dari masing-masing elemen \(\:\mu\:/\rho\:\), fraksi volume udara dan rasio volume hidrogel alginat sintetis dapat dihitung.
Busa hidrogel alginat disiapkan menggunakan natrium alginat (Nomor Bagian W201502), CaCO3 (Nomor Bagian 795445, Berat Molekul: 100,09), dan GDL (Nomor Bagian G4750, Berat Molekul: 178,14) yang dibeli dari Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. 70% Natrium Lauril Eter Sulfat (SLES 70) dibeli dari Renowned Trading LLC. Air deionisasi digunakan dalam proses pembuatan busa. Natrium alginat dilarutkan dalam air deionisasi pada suhu kamar dengan pengadukan konstan (600 rpm) hingga diperoleh larutan transparan kuning yang homogen. CaCO3 dalam kombinasi dengan GDL digunakan sebagai sumber Ca2+ untuk memulai pembentukan gel. SLES 70 digunakan sebagai surfaktan untuk membentuk struktur berpori di dalam hidrogel. Konsentrasi alginat dipertahankan pada 5% dan rasio molar Ca2+:-COOH dipertahankan pada 0,18. Rasio molar CaCO3:GDL juga dipertahankan pada 0,5 selama pembuatan busa untuk menjaga pH netral. Nilainya adalah 26,2%. SLES 70 sebanyak 2% volume ditambahkan ke semua sampel. Sebuah bejana dengan tutup digunakan untuk mengontrol rasio pencampuran larutan dan udara. Volume total bejana adalah 140 ml. Berdasarkan hasil perhitungan teoritis, volume campuran yang berbeda (50 ml, 100 ml, 110 ml) ditambahkan ke dalam bejana untuk dicampur dengan udara. Sampel yang mengandung 50 ml campuran dirancang untuk dicampur dengan udara yang cukup, sedangkan rasio volume udara pada dua sampel lainnya dikontrol. Pertama, SLES 70 ditambahkan ke dalam larutan alginat dan diaduk dengan pengaduk listrik hingga tercampur sempurna. Kemudian, suspensi CaCO3 ditambahkan ke dalam campuran dan diaduk terus menerus hingga campuran tercampur sempurna, ketika warnanya berubah menjadi putih. Terakhir, larutan GDL ditambahkan ke dalam campuran untuk memulai pembentukan gel, dan pengadukan mekanis dipertahankan selama proses berlangsung. Untuk sampel yang mengandung 50 ml campuran, pengadukan mekanis dihentikan ketika volume campuran berhenti berubah. Untuk sampel yang mengandung 100 ml dan 110 ml campuran, pengadukan mekanis dihentikan ketika campuran memenuhi gelas kimia. Kami juga mencoba menyiapkan busa hidrogel dengan volume antara 50 ml dan 100 ml. Namun, ketidakstabilan struktural busa diamati, karena berfluktuasi antara keadaan pencampuran udara sempurna dan keadaan kontrol volume udara, sehingga menghasilkan kontrol volume yang tidak konsisten. Ketidakstabilan ini menimbulkan ketidakpastian dalam perhitungan, dan oleh karena itu rentang volume ini tidak dimasukkan dalam penelitian ini.
Kepadatan \(\:\rho\:\) dari busa hidrogel dihitung dengan mengukur massa \(\:m\) dan volume \(\:V\) dari sampel busa hidrogel.
Gambar mikroskop optik busa hidrogel diperoleh menggunakan kamera Zeiss Axio Observer A1. Perangkat lunak ImageJ digunakan untuk menghitung jumlah dan distribusi ukuran pori dalam sampel di area tertentu berdasarkan gambar yang diperoleh. Bentuk pori diasumsikan melingkar.
Untuk mempelajari sifat mekanik busa hidrogel alginat, uji kompresi uniaksial dilakukan menggunakan mesin seri TESTRESOURCES 100. Sampel dipotong menjadi blok persegi panjang dan dimensi blok diukur untuk menghitung tegangan dan regangan. Kecepatan crosshead diatur pada 10 mm/menit. Tiga sampel diuji untuk setiap sampel dan rata-rata serta deviasi standar dihitung dari hasilnya. Studi ini berfokus pada sifat mekanik kompresi busa hidrogel alginat karena jaringan paru-paru mengalami gaya kompresi pada tahap tertentu dari siklus pernapasan. Ekstensibilitas tentu saja sangat penting, terutama untuk mencerminkan perilaku dinamis penuh dari jaringan paru-paru dan ini akan diselidiki dalam studi selanjutnya.
Sampel busa hidrogel yang telah disiapkan dipindai menggunakan pemindai CT dual-channel Siemens SOMATOM Drive. Parameter pemindaian diatur sebagai berikut: 40 mAs, 120 kVp, dan ketebalan irisan 1 mm. File DICOM yang dihasilkan dianalisis menggunakan perangkat lunak MicroDicom DICOM Viewer untuk menganalisis nilai HU dari 5 penampang setiap sampel. Nilai HU yang diperoleh dari CT dibandingkan dengan perhitungan teoritis berdasarkan data densitas sampel.
Tujuan penelitian ini adalah untuk merevolusi pembuatan model organ individual dan jaringan biologis buatan dengan merekayasa material lunak. Pengembangan material dengan sifat mekanik dan radiologis yang sesuai dengan mekanisme kerja paru-paru manusia sangat penting untuk aplikasi yang ditargetkan seperti peningkatan pelatihan medis, perencanaan bedah, dan perencanaan terapi radiasi. Pada Gambar 1A, kami memplot perbedaan antara sifat mekanik dan radiologis material lunak yang diduga digunakan untuk membuat model paru-paru manusia. Hingga saat ini, material telah dikembangkan yang menunjukkan sifat radiologis yang diinginkan, tetapi sifat mekaniknya tidak memenuhi persyaratan yang diinginkan. Busa poliuretan dan karet adalah material yang paling banyak digunakan untuk membuat model paru-paru manusia yang dapat berubah bentuk. Sifat mekanik busa poliuretan (modulus Young, YM) biasanya 10 hingga 100 kali lebih besar daripada jaringan paru-paru manusia normal. Material yang menunjukkan sifat mekanik dan radiologis yang diinginkan belum diketahui.
(A) Representasi skematis dari sifat-sifat berbagai material lunak dan perbandingannya dengan paru-paru manusia dalam hal densitas, modulus Young, dan sifat radiologis (dalam HU). (B) Pola difraksi sinar-X dari hidrogel alginat \(\:\mu\:/\rho\:\) dengan konsentrasi 5% dan rasio molar Ca2+:-COOH sebesar 0,18. (C) Rentang rasio volume udara dalam busa hidrogel. (D) Representasi skematis dari busa hidrogel alginat dengan rasio volume udara yang berbeda.
Komposisi unsur hidrogel alginat dengan konsentrasi 5% dan rasio molar Ca2+:-COOH sebesar 0,18 dihitung, dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3. Menurut aturan penjumlahan pada rumus sebelumnya (5), koefisien atenuasi massa hidrogel alginat \(\:\:\mu\:/\rho\:\) diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1B.
Nilai \(\:\mu\:/\rho\:\) untuk udara dan air diperoleh langsung dari basis data referensi standar NIST 12612. Dengan demikian, Gambar 1C menunjukkan rasio volume udara yang dihitung dalam busa hidrogel dengan nilai ekuivalen HU antara -600 dan -700 untuk paru-paru manusia. Rasio volume udara yang dihitung secara teoritis stabil dalam kisaran 60–70% pada rentang energi dari 1 × 10−3 hingga 2 × 101 MeV, menunjukkan potensi yang baik untuk penerapan busa hidrogel dalam proses manufaktur hilir.
Gambar 1D menunjukkan sampel busa hidrogel alginat yang telah disiapkan. Semua sampel dipotong menjadi kubus dengan panjang sisi 12,7 mm. Hasilnya menunjukkan bahwa busa hidrogel yang homogen dan stabil secara tiga dimensi telah terbentuk. Terlepas dari rasio volume udara, tidak ada perbedaan signifikan dalam penampilan busa hidrogel yang diamati. Sifat mandiri busa hidrogel menunjukkan bahwa jaringan yang terbentuk di dalam hidrogel cukup kuat untuk menopang berat busa itu sendiri. Selain sedikit kebocoran air dari busa, busa tersebut juga menunjukkan stabilitas sementara selama beberapa minggu.
Dengan mengukur massa dan volume sampel busa, densitas busa hidrogel yang disiapkan \(\:\rho\:\) dihitung, dan hasilnya ditunjukkan pada Tabel 4. Hasil menunjukkan ketergantungan \(\:\rho\:\) pada rasio volume udara. Ketika udara yang cukup dicampur dengan 50 ml sampel, densitas menjadi paling rendah yaitu 0,482 g/cm3. Seiring dengan berkurangnya jumlah udara yang dicampur, densitas meningkat menjadi 0,685 g/cm3. Nilai p maksimum antara kelompok 50 ml, 100 ml, dan 110 ml adalah 0,004 < 0,05, yang menunjukkan signifikansi statistik dari hasil tersebut.
Nilai teoritis \(\:\rho\:\) juga dihitung menggunakan rasio volume udara terkontrol. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa \(\:\rho\:\) 0,1 g/cm³ lebih kecil dari nilai teoritis. Perbedaan ini dapat dijelaskan oleh tegangan internal yang dihasilkan dalam hidrogel selama proses gelasi, yang menyebabkan pembengkakan dan dengan demikian menyebabkan penurunan \(\:\rho\:\). Hal iniさらに dikonfirmasi oleh pengamatan beberapa celah di dalam busa hidrogel pada gambar CT yang ditunjukkan pada Gambar 2 (A, B dan C).
Gambar mikroskop optik busa hidrogel dengan kandungan volume udara yang berbeda (A) 50, (B) 100, dan (C) 110. Jumlah sel dan distribusi ukuran pori pada sampel busa hidrogel alginat (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Gambar 3 (A, B, C) menunjukkan citra mikroskop optik dari sampel busa hidrogel dengan rasio volume udara yang berbeda. Hasilnya menunjukkan struktur optik busa hidrogel, dengan jelas memperlihatkan citra pori-pori dengan diameter yang berbeda. Distribusi jumlah dan diameter pori dihitung menggunakan ImageJ. Enam gambar diambil untuk setiap sampel, setiap gambar berukuran 1125,27 μm × 843,96 μm, dan total area yang dianalisis untuk setiap sampel adalah 5,7 mm².
(A) Perilaku tegangan-regangan tekan busa hidrogel alginat dengan rasio volume udara yang berbeda. (B) Pencocokan eksponensial. (C) Kompresi E0 busa hidrogel dengan rasio volume udara yang berbeda. (D) Tegangan dan regangan tekan maksimum busa hidrogel alginat dengan rasio volume udara yang berbeda.
Gambar 3 (D, E, F) menunjukkan bahwa distribusi ukuran pori relatif seragam, berkisar dari puluhan mikrometer hingga sekitar 500 mikrometer. Ukuran pori pada dasarnya seragam, dan sedikit berkurang seiring dengan penurunan volume udara. Menurut data pengujian, ukuran pori rata-rata sampel 50 ml adalah 192,16 μm, mediannya adalah 184,51 μm, dan jumlah pori per satuan luas adalah 103; ukuran pori rata-rata sampel 100 ml adalah 156,62 μm, mediannya adalah 151,07 μm, dan jumlah pori per satuan luas adalah 109; nilai yang sesuai untuk sampel 110 ml masing-masing adalah 163,07 μm, 150,29 μm, dan 115. Data menunjukkan bahwa pori-pori yang lebih besar memiliki pengaruh yang lebih besar pada hasil statistik ukuran pori rata-rata, dan ukuran pori median dapat lebih baik mencerminkan tren perubahan ukuran pori. Seiring peningkatan volume sampel dari 50 ml menjadi 110 ml, jumlah pori juga meningkat. Dengan menggabungkan hasil statistik diameter pori median dan jumlah pori, dapat disimpulkan bahwa dengan meningkatnya volume, lebih banyak pori berukuran lebih kecil terbentuk di dalam sampel.
Data pengujian mekanik ditunjukkan pada Gambar 4A dan 4D. Gambar 4A menunjukkan perilaku tegangan-regangan tekan dari busa hidrogel yang disiapkan dengan rasio volume udara yang berbeda. Hasilnya menunjukkan bahwa semua sampel memiliki perilaku tegangan-regangan nonlinier yang serupa. Untuk setiap sampel, tegangan meningkat lebih cepat dengan meningkatnya regangan. Kurva eksponensial dipasang pada perilaku tegangan-regangan tekan busa hidrogel. Gambar 4B menunjukkan hasil setelah menerapkan fungsi eksponensial sebagai model perkiraan pada busa hidrogel.
Untuk busa hidrogel dengan rasio volume udara yang berbeda, modulus kompresinya (E0) juga dipelajari. Mirip dengan analisis hidrogel, modulus Young kompresi diselidiki dalam rentang regangan awal 20%. Hasil uji kompresi ditunjukkan pada Gambar 4C. Hasil pada Gambar 4C menunjukkan bahwa seiring penurunan rasio volume udara dari sampel 50 ke sampel 110, modulus Young kompresi E0 dari busa hidrogel alginat meningkat dari 10,86 kPa menjadi 18 kPa.
Demikian pula, kurva tegangan-regangan lengkap dari busa hidrogel, serta nilai tegangan dan regangan tekan maksimum, diperoleh. Gambar 4D menunjukkan tegangan dan regangan tekan maksimum dari busa hidrogel alginat. Setiap titik data merupakan rata-rata dari tiga hasil pengujian. Hasil menunjukkan bahwa tegangan tekan maksimum meningkat dari 9,84 kPa menjadi 17,58 kPa dengan penurunan kandungan gas. Regangan maksimum tetap stabil sekitar 38%.
Gambar 2 (A, B, dan C) menunjukkan citra CT dari busa hidrogel dengan rasio volume udara yang berbeda yang sesuai dengan sampel 50, 100, dan 110. Citra tersebut menunjukkan bahwa busa hidrogel yang terbentuk hampir homogen. Sejumlah kecil celah diamati pada sampel 100 dan 110. Pembentukan celah ini mungkin disebabkan oleh tegangan internal yang dihasilkan dalam hidrogel selama proses gelasi. Kami menghitung nilai HU untuk 5 penampang setiap sampel dan mencantumkannya dalam Tabel 5 bersama dengan hasil perhitungan teoritis yang sesuai.
Tabel 5 menunjukkan bahwa sampel dengan rasio volume udara yang berbeda memperoleh nilai HU yang berbeda. Nilai p maksimum antara kelompok 50 ml, 100 ml, dan 110 ml adalah 0,004 < 0,05, yang menunjukkan signifikansi statistik dari hasilnya. Di antara ketiga sampel yang diuji, sampel dengan campuran 50 ml memiliki sifat radiologis yang paling mendekati paru-paru manusia. Kolom terakhir Tabel 5 adalah hasil yang diperoleh dari perhitungan teoritis berdasarkan nilai busa terukur \(\:\rho\:\). Dengan membandingkan data terukur dengan hasil teoritis, dapat ditemukan bahwa nilai HU yang diperoleh dengan pemindaian CT umumnya mendekati hasil teoritis, yang pada gilirannya mengkonfirmasi hasil perhitungan rasio volume udara pada Gambar 1C.
Tujuan utama penelitian ini adalah untuk menciptakan material dengan sifat mekanik dan radiologis yang sebanding dengan paru-paru manusia. Tujuan ini dicapai dengan mengembangkan material berbasis hidrogel dengan sifat mekanik dan radiologis setara jaringan yang disesuaikan dan sedekat mungkin dengan paru-paru manusia. Berdasarkan perhitungan teoritis, busa hidrogel dengan rasio volume udara yang berbeda disiapkan dengan mencampur secara mekanis larutan natrium alginat, CaCO3, GDL, dan SLES 70. Analisis morfologi menunjukkan bahwa busa hidrogel stabil tiga dimensi yang homogen terbentuk. Dengan mengubah rasio volume udara, kepadatan dan porositas busa dapat divariasikan sesuai keinginan. Dengan peningkatan kandungan volume udara, ukuran pori sedikit berkurang dan jumlah pori meningkat. Uji kompresi dilakukan untuk menganalisis sifat mekanik busa hidrogel alginat. Hasil menunjukkan bahwa modulus kompresi (E0) yang diperoleh dari uji kompresi berada dalam kisaran ideal untuk paru-paru manusia. E0 meningkat seiring dengan penurunan rasio volume udara. Nilai sifat radiologis (HU) dari sampel yang disiapkan diperoleh berdasarkan data CT dari sampel dan dibandingkan dengan hasil perhitungan teoritis. Hasilnya memuaskan. Nilai yang diukur juga mendekati nilai HU paru-paru manusia. Hasil ini menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk membuat busa hidrogel peniru jaringan dengan kombinasi ideal sifat mekanik dan radiologis yang meniru sifat paru-paru manusia.
Meskipun hasilnya menjanjikan, metode fabrikasi saat ini perlu ditingkatkan untuk mengontrol rasio volume udara dan porositas dengan lebih baik agar sesuai dengan prediksi dari perhitungan teoretis dan paru-paru manusia sebenarnya pada skala global dan lokal. Studi saat ini juga terbatas pada pengujian mekanika kompresi, yang membatasi potensi penerapan phantom pada fase kompresi siklus pernapasan. Penelitian selanjutnya akan bermanfaat jika menyelidiki pengujian tarik serta stabilitas mekanik keseluruhan material untuk menilai potensi aplikasi di bawah kondisi pembebanan dinamis. Terlepas dari keterbatasan ini, studi ini menandai upaya sukses pertama untuk menggabungkan sifat radiologis dan mekanik dalam satu material yang meniru paru-paru manusia.
Kumpulan data yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama penelitian ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar. Baik eksperimen maupun kumpulan data dapat direproduksi.
Song, G., dkk. Nanoteknologi baru dan material canggih untuk terapi radiasi kanker. Adv. Mater. 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
Kill, PJ, dkk. Laporan Gugus Tugas AAPM 76a tentang Manajemen Gerakan Pernapasan dalam Onkologi Radiasi. Med. Phys. 33, 3874–3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006).
Al-Maya, A., Moseley, J., dan Brock, KK. Pemodelan antarmuka dan nonlinieritas material pada paru-paru manusia. Fisika dan Kedokteran dan Biologi 53, 305–317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008).
Wang, X., dkk. Model kanker paru-paru mirip tumor yang dihasilkan dengan bioprinting 3D. 3. Bioteknologi. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018).
Lee, M., dkk. Pemodelan deformasi paru-paru: metode yang menggabungkan teknik registrasi citra deformabel dan estimasi modulus Young yang bervariasi secara spasial. Med. Phys. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, CF dkk. Kekakuan jaringan hidup dan implikasinya terhadap rekayasa jaringan. Nature Reviews Materials and Environment 5, 351–370 (2020).