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रेडियोथेरेपी के दौरान अंगों और ऊतकों की गति के कारण एक्स-रे की स्थिति निर्धारण में त्रुटियाँ हो सकती हैं। इसलिए, रेडियोथेरेपी को अनुकूलित करने के लिए अंगों की गति की नकल करने हेतु ऊतक-समतुल्य यांत्रिक और रेडियोलॉजिकल गुणों वाले पदार्थों की आवश्यकता है। हालांकि, ऐसे पदार्थों का विकास अभी भी एक चुनौती बना हुआ है। एल्जिनेट हाइड्रोजेल में बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स के समान गुण होते हैं, जो उन्हें ऊतक-समतुल्य पदार्थों के रूप में आशाजनक बनाते हैं। इस अध्ययन में, वांछित यांत्रिक और रेडियोलॉजिकल गुणों वाले एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम को इन सीटू Ca2+ रिलीज द्वारा संश्लेषित किया गया। परिभाषित यांत्रिक और रेडियोलॉजिकल गुणों वाले हाइड्रोजेल फोम प्राप्त करने के लिए वायु-से-आयतन अनुपात को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया गया। पदार्थों की स्थूल और सूक्ष्म आकारिकी का लक्षण वर्णन किया गया और संपीड़न के तहत हाइड्रोजेल फोम के व्यवहार का अध्ययन किया गया। रेडियोलॉजिकल गुणों का सैद्धांतिक रूप से अनुमान लगाया गया और कम्प्यूटेड टोमोग्राफी का उपयोग करके प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया गया। यह अध्ययन ऊतक-समतुल्य पदार्थों के भविष्य के विकास पर प्रकाश डालता है जिनका उपयोग रेडियोथेरेपी के दौरान विकिरण खुराक अनुकूलन और गुणवत्ता नियंत्रण के लिए किया जा सकता है।
विकिरण चिकित्सा कैंसर का एक सामान्य उपचार है।1 अंगों और ऊतकों की गति के कारण विकिरण चिकित्सा के दौरान एक्स-रे की स्थिति निर्धारण में अक्सर त्रुटियां हो जाती हैं,2 जिसके परिणामस्वरूप ट्यूमर का अपर्याप्त उपचार और आसपास की स्वस्थ कोशिकाओं का अनावश्यक विकिरण के संपर्क में आना हो सकता है। ट्यूमर के स्थान निर्धारण में होने वाली त्रुटियों को कम करने के लिए अंगों और ऊतकों की गति का पूर्वानुमान लगाना अत्यंत महत्वपूर्ण है। इस अध्ययन में फेफड़ों पर ध्यान केंद्रित किया गया है, क्योंकि विकिरण चिकित्सा के दौरान सांस लेने पर उनमें महत्वपूर्ण विकृतियां और गति होती हैं। मानव फेफड़ों की गति का अनुकरण करने के लिए विभिन्न परिमित तत्व मॉडल विकसित और लागू किए गए हैं।3,4,5 हालांकि, मानव अंगों और ऊतकों की ज्यामिति जटिल होती है और वे रोगी पर अत्यधिक निर्भर होते हैं। इसलिए, ऊतक-समतुल्य गुणों वाली सामग्री सैद्धांतिक मॉडलों को मान्य करने, बेहतर चिकित्सा उपचार को सुगम बनाने और चिकित्सा शिक्षा के उद्देश्यों के लिए भौतिक मॉडल विकसित करने में बहुत उपयोगी होती हैं।
जटिल बाहरी और आंतरिक संरचनात्मक ज्यामितियों को प्राप्त करने के लिए कोमल ऊतक-अनुरूप सामग्री के विकास ने बहुत ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि उनकी अंतर्निहित यांत्रिक असंगतताएं लक्षित अनुप्रयोगों में विफलताओं का कारण बन सकती हैं6,7। फेफड़े के ऊतक की जटिल जैवयांत्रिकी का मॉडलिंग, जो अत्यधिक कोमलता, लोच और संरचनात्मक सरंध्रता को जोड़ती है, मानव फेफड़े को सटीक रूप से पुन: उत्पन्न करने वाले मॉडल विकसित करने में एक महत्वपूर्ण चुनौती पेश करती है। चिकित्सीय हस्तक्षेपों में फेफड़े के मॉडलों के प्रभावी प्रदर्शन के लिए यांत्रिक और रेडियोलॉजिकल गुणों का एकीकरण और मिलान महत्वपूर्ण है। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग रोगी-विशिष्ट मॉडल विकसित करने में प्रभावी साबित हुई है, जिससे जटिल डिज़ाइनों का तीव्र प्रोटोटाइपिंग संभव हो पाता है। शिन एट अल. 8 ने 3डी-मुद्रित वायुमार्गों के साथ एक पुनरुत्पादित, विकृत फेफड़े का मॉडल विकसित किया। हसेलर एट अल. 9 ने रेडियोथेरेपी के लिए छवि गुणवत्ता मूल्यांकन और स्थिति सत्यापन विधियों के लिए वास्तविक रोगियों के समान एक फैंटम विकसित किया। हांग एट अल10 ने मात्रात्मकता की सटीकता का मूल्यांकन करने के लिए विभिन्न फेफड़े के घावों की सीटी तीव्रता को पुन: उत्पन्न करने के लिए 3डी प्रिंटिंग और सिलिकॉन कास्टिंग तकनीक का उपयोग करके एक छाती सीटी मॉडल विकसित किया। हालाँकि, ये प्रोटोटाइप अक्सर ऐसी सामग्रियों से बने होते हैं जिनके प्रभावी गुण फेफड़ों के ऊतकों से बहुत अलग होते हैं11।
वर्तमान में, अधिकांश फेफड़े के फैंटम सिलिकॉन या पॉलीयूरेथेन फोम से बने होते हैं, जो वास्तविक फेफड़े के पैरेन्काइमा के यांत्रिक और रेडियोलॉजिकल गुणों से मेल नहीं खाते हैं।12,13 एल्जिनेट हाइड्रोजेल जैव-संगत होते हैं और अपने समायोज्य यांत्रिक गुणों के कारण ऊतक इंजीनियरिंग में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।14 हालांकि, फेफड़े के ऊतक की लोच और भरने की संरचना की सटीक नकल करने वाले फेफड़े के फैंटम के लिए आवश्यक अति-नरम, फोम जैसी स्थिरता को पुन: उत्पन्न करना एक प्रयोगात्मक चुनौती बनी हुई है।
इस अध्ययन में, यह माना गया कि फेफड़े का ऊतक एक समरूप प्रत्यास्थ पदार्थ है। मानव फेफड़े के ऊतक का घनत्व (ρ) 1.06 ग्राम/सेमी³ बताया गया है, और फुलाए हुए फेफड़े का घनत्व 0.26 ग्राम/सेमी³¹⁵ है। विभिन्न प्रायोगिक विधियों का उपयोग करके फेफड़े के ऊतक के यंग मापांक (MY) मानों की एक विस्तृत श्रृंखला प्राप्त की गई है। लाई-फूक एट अल.¹⁶ ने एकसमान फुलावट वाले मानव फेफड़े के YM को 0.42–6.72 kPa मापा। गॉस एट अल.¹⁷ ने चुंबकीय अनुनाद इलास्टोग्राफी का उपयोग किया और 2.17 kPa का YM बताया। लियू एट अल.¹⁸ ने सीधे मापा गया YM 0.03–57.2 kPa बताया। इलेगबुसी एट अल.¹⁹ ने चयनित रोगियों से प्राप्त 4D CT डेटा के आधार पर YM को 0.1–2.7 kPa अनुमानित किया।
फेफड़े के रेडियोलॉजिकल गुणों के लिए, फेफड़े के ऊतक के एक्स-रे के साथ अंतःक्रिया व्यवहार का वर्णन करने के लिए कई मापदंडों का उपयोग किया जाता है, जिसमें मौलिक संरचना, इलेक्ट्रॉन घनत्व (\(\:{\rho\:}_{e}\)), प्रभावी परमाणु संख्या (\(\:{Z}_{eff}\)), औसत उत्तेजना ऊर्जा (\(\:I\)), द्रव्यमान क्षीणन गुणांक (\(\:\mu\:/\rho\:\)) और हाउन्सफील्ड इकाई (HU) शामिल हैं, जो सीधे \(\:\mu\:/\rho\:\) से संबंधित है।
इलेक्ट्रॉन घनत्व \(\:{\rho\:}_{e}\) को प्रति इकाई आयतन में इलेक्ट्रॉनों की संख्या के रूप में परिभाषित किया जाता है और इसकी गणना निम्न प्रकार से की जाती है:
जहां \(\:\rho\:\) पदार्थ का घनत्व ग्राम/सेमी³ में है, \(\:{N}_{A}\) एवोगैड्रो स्थिरांक है, \(\:{w}_{i}\) द्रव्यमान अंश है, \(\:{Z}_{i}\) परमाणु संख्या है, और \(\:{A}_{i}\) i-वें तत्व का परमाणु भार है।
परमाणु क्रमांक पदार्थ के भीतर विकिरण अंतःक्रिया की प्रकृति से सीधे संबंधित है। कई तत्वों वाले यौगिकों और मिश्रणों (जैसे, कपड़े) के लिए, प्रभावी परमाणु क्रमांक \(\:{Z}_{eff}\) की गणना की जानी चाहिए। यह सूत्र मूर्ति एट अल. 20 द्वारा प्रस्तावित किया गया था।
औसत उत्तेजना ऊर्जा (I) यह दर्शाती है कि लक्ष्य पदार्थ प्रवेश करने वाले कणों की गतिज ऊर्जा को कितनी आसानी से अवशोषित करता है। यह केवल लक्ष्य पदार्थ के गुणों का वर्णन करती है और कणों के गुणों से इसका कोई संबंध नहीं है। ब्रैग के योगात्मक नियम का उपयोग करके I की गणना की जा सकती है।
द्रव्यमान क्षीणन गुणांक (μ/ρ) लक्ष्य पदार्थ में फोटॉनों के प्रवेश और ऊर्जा उत्सर्जन का वर्णन करता है। इसे निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके गणना की जा सकती है:
जहां \(\:x\) पदार्थ की मोटाई है, \(\:{I}_{0}\) आपतित प्रकाश की तीव्रता है, और \(\:I\) पदार्थ में प्रवेश करने के बाद फोटॉन की तीव्रता है। \(\:\mu\:/\rho\:\) डेटा सीधे NIST 12621 मानक संदर्भ डेटाबेस से प्राप्त किया जा सकता है। मिश्रणों और यौगिकों के लिए \(\:\mu\:/\rho\:\) मानों को योगात्मकता नियम का उपयोग करके निम्नानुसार प्राप्त किया जा सकता है:
HU, कंप्यूटेड टोमोग्राफी (CT) डेटा की व्याख्या में रेडियोडेंसिटी की मानकीकृत आयामहीन माप इकाई है, जिसे मापे गए क्षीणन गुणांक (μ) से रैखिक रूप से रूपांतरित किया जाता है। इसे इस प्रकार परिभाषित किया गया है:
जहां \(\:{\mu\:}_{water}\) जल का क्षीणन गुणांक है, और \(\:{\mu\:}_{air}\) वायु का क्षीणन गुणांक है। अतः, सूत्र (6) से हम देखते हैं कि जल का HU मान 0 है, और वायु का HU मान -1000 है। मानव फेफड़ों के लिए HU मान -600 से -70022 तक होता है।
कई ऊतक समतुल्य सामग्रियां विकसित की गई हैं। ग्रिफ़िथ एट अल. 23 ने पॉलीयूरेथेन (PU) से बने मानव धड़ के ऊतक समतुल्य मॉडल को विकसित किया, जिसमें कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) की विभिन्न सांद्रताएँ मिलाकर मानव फेफड़े सहित विभिन्न मानव अंगों के रैखिक क्षीणन गुणांकों का अनुकरण किया गया, और इस मॉडल का नाम ग्रिफ़िथ रखा गया। टेलर24 ने लॉरेंस लिवरमोर नेशनल लेबोरेटरी (LLNL) द्वारा विकसित एक दूसरा फेफड़ा ऊतक समतुल्य मॉडल प्रस्तुत किया, जिसका नाम LLLL1 रखा गया। ट्राउब एट अल.25 ने 5.25% CaCO3 युक्त फोमेक्स XRS-272 का उपयोग करके एक नया फेफड़ा ऊतक विकल्प विकसित किया, जिसे प्रदर्शन वर्धक के रूप में उपयोग किया गया, और इसका नाम ALT2 रखा गया। सारणी 1 और 2 मानव फेफड़े (ICRU-44) और उपरोक्त ऊतक समतुल्य मॉडलों के लिए ρ, ρe, Zeff, I और द्रव्यमान क्षीणन गुणांकों की तुलना दर्शाती हैं।
उत्कृष्ट विकिरणीय गुणों के बावजूद, लगभग सभी कृत्रिम पदार्थ पॉलीस्टायरीन फोम से बने होते हैं, जिसका अर्थ है कि इन पदार्थों के यांत्रिक गुण मानव फेफड़ों के गुणों के बराबर नहीं हो सकते। पॉलीयुरेथेन फोम का यंग मापांक (YM) लगभग 500 kPa है, जो सामान्य मानव फेफड़ों (लगभग 5-10 kPa) की तुलना में आदर्श से बहुत दूर है। इसलिए, एक ऐसे नए पदार्थ का विकास करना आवश्यक है जो वास्तविक मानव फेफड़ों के यांत्रिक और विकिरणीय गुणों को पूरा कर सके।
हाइड्रोजेल का व्यापक रूप से ऊतक इंजीनियरिंग में उपयोग किया जाता है। इसकी संरचना और गुण बाह्यकोशिकीय मैट्रिक्स (ईसीएम) के समान होते हैं और इन्हें आसानी से समायोजित किया जा सकता है। इस अध्ययन में, फोम तैयार करने के लिए शुद्ध सोडियम एल्जिनेट को जैव सामग्री के रूप में चुना गया। एल्जिनेट हाइड्रोजेल जैव-संगत होते हैं और अपने समायोज्य यांत्रिक गुणों के कारण ऊतक इंजीनियरिंग में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। सोडियम एल्जिनेट (C6H7NaO6)n की मौलिक संरचना और Ca2+ की उपस्थिति इसके विकिरण संबंधी गुणों को आवश्यकतानुसार समायोजित करने की अनुमति देती है। समायोज्य यांत्रिक और विकिरण संबंधी गुणों का यह संयोजन एल्जिनेट हाइड्रोजेल को हमारे अध्ययन के लिए आदर्श बनाता है। बेशक, एल्जिनेट हाइड्रोजेल की कुछ सीमाएँ भी हैं, विशेष रूप से कृत्रिम श्वसन चक्रों के दौरान दीर्घकालिक स्थिरता के संदर्भ में। इसलिए, इन सीमाओं को दूर करने के लिए भविष्य के अध्ययनों में और सुधार की आवश्यकता है और इसकी अपेक्षा की जाती है।
इस शोध में, हमने मानव फेफड़े के ऊतक के समान नियंत्रणीय rho मान, प्रत्यास्थता और विकिरणीय गुणों वाला एक एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम पदार्थ विकसित किया है। यह अध्ययन समायोज्य प्रत्यास्थता और विकिरणीय गुणों वाले ऊतक-जैसे फैंटम के निर्माण के लिए एक सामान्य समाधान प्रदान करेगा। इस पदार्थ के गुणों को किसी भी मानव ऊतक और अंग के अनुरूप आसानी से ढाला जा सकता है।
मानव फेफड़ों की HU सीमा (-600 से -700) के आधार पर हाइड्रोजेल फोम के लक्षित वायु-से-आयतन अनुपात की गणना की गई। यह माना गया कि फोम वायु और संश्लेषित एल्जिनेट हाइड्रोजेल का एक साधारण मिश्रण है। व्यक्तिगत तत्वों के सरल योग नियम (μ/ρ) का उपयोग करके, वायु का आयतन अंश और संश्लेषित एल्जिनेट हाइड्रोजेल का आयतन अनुपात ज्ञात किया जा सकता है।
सिग्मा-एल्ड्रिच कंपनी, सेंट लुइस, एमओ से खरीदे गए सोडियम एल्जिनेट (पार्ट नंबर W201502), CaCO3 (पार्ट नंबर 795445, आणविक भार: 100.09) और GDL (पार्ट नंबर G4750, आणविक भार: 178.14) का उपयोग करके एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम तैयार किए गए। 70% सोडियम लॉरिल ईथर सल्फेट (SLES 70) रेनॉन्ड ट्रेडिंग एलएलसी से खरीदा गया था। फोम तैयार करने की प्रक्रिया में विआयनीकृत जल का उपयोग किया गया था। सोडियम एल्जिनेट को कमरे के तापमान पर लगातार हिलाते हुए (600 आरपीएम) विआयनीकृत जल में तब तक घोला गया जब तक कि एक समरूप पीला पारदर्शी घोल प्राप्त नहीं हो गया। जेल निर्माण शुरू करने के लिए Ca2+ स्रोत के रूप में GDL के साथ CaCO3 का उपयोग किया गया था। हाइड्रोजेल के अंदर छिद्रपूर्ण संरचना बनाने के लिए सर्फेक्टेंट के रूप में SLES 70 का उपयोग किया गया था। एल्जिनेट की सांद्रता 5% और Ca²⁺:-COOH मोलर अनुपात 0.18 पर स्थिर रखा गया। फोम तैयार करते समय तटस्थ pH बनाए रखने के लिए CaCO₃:GDL मोलर अनुपात भी 0.5 पर स्थिर रखा गया। सभी नमूनों में आयतन के अनुसार 26.2% SLES 70 मिलाया गया। घोल और हवा के मिश्रण अनुपात को नियंत्रित करने के लिए ढक्कन वाले बीकर का उपयोग किया गया। बीकर का कुल आयतन 140 मिलीलीटर था। सैद्धांतिक गणना परिणामों के आधार पर, मिश्रण की अलग-अलग मात्रा (50 मिलीलीटर, 100 मिलीलीटर, 110 मिलीलीटर) को बीकर में हवा के साथ मिलाने के लिए डाला गया। 50 मिलीलीटर मिश्रण वाले नमूने को पर्याप्त हवा के साथ मिलाने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जबकि अन्य दो नमूनों में हवा के आयतन अनुपात को नियंत्रित किया गया था। सबसे पहले, SLES 70 को एल्जिनेट घोल में मिलाया गया और पूरी तरह से मिल जाने तक इलेक्ट्रिक स्टिरर से हिलाया गया। इसके बाद, CaCO3 सस्पेंशन को मिश्रण में मिलाया गया और तब तक लगातार हिलाया गया जब तक कि मिश्रण पूरी तरह से मिल न जाए और उसका रंग सफेद न हो जाए। अंत में, जेल बनने की प्रक्रिया शुरू करने के लिए मिश्रण में GDL घोल मिलाया गया और पूरी प्रक्रिया के दौरान यांत्रिक रूप से हिलाते रहे। 50 मिलीलीटर मिश्रण वाले नमूने के लिए, मिश्रण की मात्रा में परिवर्तन रुक जाने पर यांत्रिक रूप से हिलाना बंद कर दिया गया। 100 मिलीलीटर और 110 मिलीलीटर मिश्रण वाले नमूनों के लिए, मिश्रण के बीकर में भर जाने पर यांत्रिक रूप से हिलाना बंद कर दिया गया। हमने 50 मिलीलीटर और 100 मिलीलीटर के बीच की मात्रा वाले हाइड्रोजेल फोम बनाने का भी प्रयास किया। हालांकि, फोम की संरचनात्मक अस्थिरता देखी गई, क्योंकि यह पूरी तरह से हवा के मिश्रण की स्थिति और हवा की मात्रा के नियंत्रण की स्थिति के बीच उतार-चढ़ाव करता रहा, जिसके परिणामस्वरूप मात्रा का नियंत्रण असंगत रहा। इस अस्थिरता ने गणनाओं में अनिश्चितता पैदा कर दी, और इसलिए इस मात्रा सीमा को इस अध्ययन में शामिल नहीं किया गया।
हाइड्रोजेल फोम के घनत्व (ρ) की गणना हाइड्रोजेल फोम के नमूने के द्रव्यमान (m) और आयतन (V) को मापकर की जाती है।
हाइड्रोजेल फोम की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपिक छवियां ज़ाइस एक्सियो ऑब्जर्वर ए1 कैमरे का उपयोग करके प्राप्त की गईं। प्राप्त छवियों के आधार पर, एक निश्चित क्षेत्र में नमूने के छिद्रों की संख्या और आकार वितरण की गणना करने के लिए इमेजजे सॉफ़्टवेयर का उपयोग किया गया। छिद्रों का आकार वृत्ताकार माना गया है।
एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम के यांत्रिक गुणों का अध्ययन करने के लिए, टेस्ट रिसोर्सेज 100 सीरीज मशीन का उपयोग करके एकअक्षीय संपीड़न परीक्षण किए गए। नमूनों को आयताकार ब्लॉकों में काटा गया और ब्लॉक के आयामों को मापकर तनाव और विकृति की गणना की गई। क्रॉसहेड की गति 10 मिमी/मिनट निर्धारित की गई थी। प्रत्येक नमूने के लिए तीन नमूनों का परीक्षण किया गया और परिणामों से माध्य और मानक विचलन की गणना की गई। यह अध्ययन एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम के संपीडन यांत्रिक गुणों पर केंद्रित था, क्योंकि श्वसन चक्र के एक निश्चित चरण में फेफड़े के ऊतक संपीडन बलों के अधीन होते हैं। विस्तारशीलता निश्चित रूप से महत्वपूर्ण है, विशेष रूप से फेफड़े के ऊतक के पूर्ण गतिशील व्यवहार को दर्शाने के लिए, और भविष्य के अध्ययनों में इसकी जांच की जाएगी।
तैयार किए गए हाइड्रोजेल फोम के नमूनों को सीमेंस सोमाटोम ड्राइव डुअल-चैनल सीटी स्कैनर पर स्कैन किया गया। स्कैनिंग पैरामीटर इस प्रकार सेट किए गए: 40 mAs, 120 kVp और 1 mm स्लाइस मोटाई। परिणामी DICOM फ़ाइलों का विश्लेषण माइक्रोडीकॉम DICOM व्यूअर सॉफ़्टवेयर का उपयोग करके प्रत्येक नमूने के 5 क्रॉस-सेक्शन के HU मानों का विश्लेषण करने के लिए किया गया। सीटी द्वारा प्राप्त HU मानों की तुलना नमूनों के घनत्व डेटा पर आधारित सैद्धांतिक गणनाओं से की गई।
इस अध्ययन का उद्देश्य कोमल पदार्थों के निर्माण द्वारा व्यक्तिगत अंग मॉडल और कृत्रिम जैविक ऊतकों के निर्माण में क्रांतिकारी बदलाव लाना है। मानव फेफड़ों की कार्यप्रणाली से मेल खाने वाले यांत्रिक और विकिरणीय गुणों वाले पदार्थों का विकास चिकित्सा प्रशिक्षण, शल्य चिकित्सा योजना और विकिरण चिकित्सा योजना जैसे लक्षित अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है। चित्र 1A में, हमने मानव फेफड़ों के मॉडल बनाने के लिए संभावित रूप से उपयोग किए जाने वाले कोमल पदार्थों के यांत्रिक और विकिरणीय गुणों के बीच अंतर को दर्शाया है। आज तक, ऐसे पदार्थ विकसित किए गए हैं जो वांछित विकिरणीय गुण प्रदर्शित करते हैं, लेकिन उनके यांत्रिक गुण वांछित आवश्यकताओं को पूरा नहीं करते हैं। पॉलीयुरेथेन फोम और रबर विकृत मानव फेफड़ों के मॉडल बनाने के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले पदार्थ हैं। पॉलीयुरेथेन फोम के यांत्रिक गुण (यंग मापांक, YM) आमतौर पर सामान्य मानव फेफड़ों के ऊतकों की तुलना में 10 से 100 गुना अधिक होते हैं। ऐसे पदार्थ जो वांछित यांत्रिक और विकिरणीय दोनों गुण प्रदर्शित करते हैं, अभी तक ज्ञात नहीं हैं।
(A) विभिन्न नरम पदार्थों के गुणों का योजनाबद्ध निरूपण और घनत्व, यंग मापांक और विकिरण गुणों (HU में) के संदर्भ में मानव फेफड़े के साथ तुलना। (B) 5% सांद्रता और 0.18 के Ca²⁺:-COOH मोलर अनुपात वाले μ/ρ एल्जिनेट हाइड्रोजेल का एक्स-रे विवर्तन पैटर्न। (C) हाइड्रोजेल फोम में वायु आयतन अनुपात की सीमा। (D) विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम का योजनाबद्ध निरूपण।
5% सांद्रता और 0.18 के Ca2+:-COOH मोलर अनुपात वाले एल्जिनेट हाइड्रोजेल की मौलिक संरचना की गणना की गई, और परिणाम तालिका 3 में दिखाए गए हैं। पिछले सूत्र (5) में योग नियम के अनुसार, एल्जिनेट हाइड्रोजेल का द्रव्यमान क्षीणन गुणांक \(\:\:\mu\:/\rho\:\) चित्र 1B में दिखाए अनुसार प्राप्त किया गया है।
वायु और जल के लिए μ/ρ मान सीधे NIST 12612 मानक संदर्भ डेटाबेस से प्राप्त किए गए थे। इस प्रकार, चित्र 1C मानव फेफड़े के लिए -600 और -700 के बीच HU समतुल्य मानों वाले हाइड्रोजेल फोम में परिकलित वायु आयतन अनुपात को दर्शाता है। सैद्धांतिक रूप से परिकलित वायु आयतन अनुपात 1 × 10⁻³ से 2 × 10¹ MeV की ऊर्जा सीमा में 60-70% के भीतर स्थिर रहता है, जो अनुगामी विनिर्माण प्रक्रियाओं में हाइड्रोजेल फोम के अनुप्रयोग के लिए अच्छी क्षमता का संकेत देता है।
चित्र 1D में तैयार किए गए एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम का नमूना दिखाया गया है। सभी नमूनों को 12.7 मिमी भुजा लंबाई वाले घनों में काटा गया था। परिणामों से पता चला कि एक समरूप, त्रि-आयामी रूप से स्थिर हाइड्रोजेल फोम का निर्माण हुआ। वायु आयतन अनुपात के बावजूद, हाइड्रोजेल फोम की दिखावट में कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं देखा गया। हाइड्रोजेल फोम की स्व-संरक्षण प्रकृति से पता चलता है कि हाइड्रोजेल के भीतर बना नेटवर्क फोम के वजन को सहारा देने के लिए पर्याप्त मजबूत है। फोम से थोड़ी मात्रा में पानी के रिसाव के अलावा, फोम ने कई हफ्तों तक क्षणिक स्थिरता भी प्रदर्शित की।
फोम के नमूने के द्रव्यमान और आयतन को मापकर, तैयार किए गए हाइड्रोजेल फोम का घनत्व (ρ) ज्ञात किया गया, और परिणाम तालिका 4 में दर्शाए गए हैं। परिणाम वायु के आयतन अनुपात पर ρ की निर्भरता दर्शाते हैं। जब नमूने के 50 मिलीलीटर में पर्याप्त वायु मिलाई जाती है, तो घनत्व सबसे कम होकर 0.482 ग्राम/सेमी³ हो जाता है। जैसे-जैसे मिश्रित वायु की मात्रा घटती है, घनत्व बढ़कर 0.685 ग्राम/सेमी³ हो जाता है। 50 मिलीलीटर, 100 मिलीलीटर और 110 मिलीलीटर के समूहों के बीच अधिकतम p मान 0.004 < 0.05 था, जो परिणामों की सांख्यिकीय सार्थकता को दर्शाता है।
नियंत्रित वायु आयतन अनुपात का उपयोग करके सैद्धांतिक ρ मान की गणना भी की गई। मापे गए परिणामों से पता चलता है कि ρ सैद्धांतिक मान से 0.1 g/cm³ कम है। इस अंतर का कारण जेल निर्माण प्रक्रिया के दौरान हाइड्रोजेल में उत्पन्न आंतरिक तनाव है, जिससे सूजन होती है और परिणामस्वरूप ρ मान में कमी आती है। चित्र 2 (A, B और C) में दिखाए गए CT चित्रों में हाइड्रोजेल फोम के अंदर कुछ अंतरालों के अवलोकन से इसकी पुष्टि हुई।
विभिन्न वायु आयतन सामग्री (A) 50, (B) 100, और (C) 110 वाले हाइड्रोजेल फोम की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी छवियां। एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम नमूनों में कोशिका संख्या और छिद्र आकार वितरण (D) 50, (E) 100, (F) 110।
चित्र 3 (A, B, C) में विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले हाइड्रोजेल फोम नमूनों की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवियां दिखाई गई हैं। परिणाम हाइड्रोजेल फोम की ऑप्टिकल संरचना को दर्शाते हैं, जिसमें विभिन्न व्यास वाले छिद्रों की छवियां स्पष्ट रूप से दिखाई देती हैं। छिद्रों की संख्या और व्यास का वितरण ImageJ का उपयोग करके गणना किया गया था। प्रत्येक नमूने के लिए छह छवियां ली गईं, प्रत्येक छवि का आकार 1125.27 μm × 843.96 μm था, और प्रत्येक नमूने के लिए कुल विश्लेषित क्षेत्र 5.7 mm² था।
(A) विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम का संपीडन तनाव-विकृति व्यवहार। (B) घातीय फिटिंग। (C) विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले हाइड्रोजेल फोम का संपीडन E0। (D) विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम का अंतिम संपीडन तनाव और विकृति।
चित्र 3 (D, E, F) दर्शाता है कि छिद्र आकार का वितरण अपेक्षाकृत एकसमान है, जो कुछ माइक्रोमीटर से लेकर लगभग 500 माइक्रोमीटर तक है। छिद्र का आकार मूलतः एकसमान है, और वायु की मात्रा घटने पर यह थोड़ा कम हो जाता है। परीक्षण आंकड़ों के अनुसार, 50 मिलीलीटर नमूने का औसत छिद्र आकार 192.16 माइक्रोमीटर, माध्यिका 184.51 माइक्रोमीटर और प्रति इकाई क्षेत्रफल में छिद्रों की संख्या 103 है; 100 मिलीलीटर नमूने का औसत छिद्र आकार 156.62 माइक्रोमीटर, माध्यिका 151.07 माइक्रोमीटर और प्रति इकाई क्षेत्रफल में छिद्रों की संख्या 109 है; 110 मिलीलीटर नमूने के लिए संबंधित मान क्रमशः 163.07 माइक्रोमीटर, 150.29 माइक्रोमीटर और 115 हैं। आंकड़ों से पता चलता है कि बड़े छिद्रों का औसत छिद्र आकार के सांख्यिकीय परिणामों पर अधिक प्रभाव पड़ता है, और माध्यिका छिद्र आकार छिद्र आकार के परिवर्तन की प्रवृत्ति को बेहतर ढंग से दर्शाता है। नमूने का आयतन 50 मिलीलीटर से 110 मिलीलीटर तक बढ़ने पर छिद्रों की संख्या भी बढ़ती है। माध्यिका छिद्र व्यास और छिद्रों की संख्या के सांख्यिकीय परिणामों को मिलाकर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि आयतन बढ़ने के साथ, नमूने के भीतर छोटे आकार के अधिक छिद्र बनते हैं।
यांत्रिक परीक्षण के आंकड़े चित्र 4A और 4D में दर्शाए गए हैं। चित्र 4A में विभिन्न वायु आयतन अनुपातों वाले तैयार हाइड्रोजेल फोम के संपीडन तनाव-विकृति व्यवहार को दर्शाया गया है। परिणामों से पता चलता है कि सभी नमूनों में समान अरैखिक तनाव-विकृति व्यवहार है। प्रत्येक नमूने के लिए, विकृति बढ़ने के साथ तनाव तेजी से बढ़ता है। हाइड्रोजेल फोम के संपीडन तनाव-विकृति व्यवहार पर एक घातीय वक्र को फिट किया गया था। चित्र 4B में हाइड्रोजेल फोम पर घातीय फलन को एक अनुमानित मॉडल के रूप में लागू करने के बाद के परिणाम दर्शाए गए हैं।
विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले हाइड्रोजेल फोम के लिए, उनके संपीडन मापांक (E0) का भी अध्ययन किया गया। हाइड्रोजेल के विश्लेषण के समान, संपीडन यंग मापांक का अध्ययन 20% प्रारंभिक विकृति की सीमा में किया गया। संपीडन परीक्षण के परिणाम चित्र 4C में दर्शाए गए हैं। चित्र 4C के परिणाम दर्शाते हैं कि जैसे-जैसे वायु आयतन अनुपात नमूना 50 से नमूना 110 तक घटता है, एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम का संपीडन यंग मापांक E0 10.86 kPa से बढ़कर 18 kPa हो जाता है।
इसी प्रकार, हाइड्रोजेल फोम के संपूर्ण तनाव-विकृति वक्र, साथ ही साथ अंतिम संपीडन तनाव और विकृति मान प्राप्त किए गए। चित्र 4D में एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम के अंतिम संपीडन तनाव और विकृति को दर्शाया गया है। प्रत्येक डेटा बिंदु तीन परीक्षण परिणामों का औसत है। परिणामों से पता चलता है कि गैस की मात्रा कम होने पर अंतिम संपीडन तनाव 9.84 kPa से बढ़कर 17.58 kPa हो जाता है। अंतिम विकृति लगभग 38% पर स्थिर रहती है।
चित्र 2 (A, B और C) क्रमशः नमूने 50, 100 और 110 के अनुरूप विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले हाइड्रोजेल फोम की CT छवियां दर्शाते हैं। छवियों से पता चलता है कि निर्मित हाइड्रोजेल फोम लगभग समरूप है। नमूने 100 और 110 में कुछ अंतराल देखे गए। इन अंतरालों का निर्माण जेल निर्माण प्रक्रिया के दौरान हाइड्रोजेल में उत्पन्न आंतरिक तनाव के कारण हो सकता है। हमने प्रत्येक नमूने के 5 अनुप्रस्थ काटों के लिए HU मानों की गणना की और उन्हें संबंधित सैद्धांतिक गणना परिणामों के साथ तालिका 5 में सूचीबद्ध किया।
तालिका 5 दर्शाती है कि विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले नमूनों के HU मान भिन्न-भिन्न थे। 50 मिली, 100 मिली और 110 मिली समूहों के बीच अधिकतम p मान 0.004 < 0.05 था, जो परिणामों की सांख्यिकीय सार्थकता को दर्शाता है। परीक्षण किए गए तीन नमूनों में से, 50 मिली मिश्रण वाले नमूने के रेडियोलॉजिकल गुण मानव फेफड़ों के गुणों के सबसे निकट थे। तालिका 5 का अंतिम स्तंभ मापे गए फोम मान (rho) पर आधारित सैद्धांतिक गणना द्वारा प्राप्त परिणाम है। मापे गए आंकड़ों की सैद्धांतिक परिणामों से तुलना करने पर, यह पाया जा सकता है कि CT स्कैनिंग द्वारा प्राप्त HU मान आमतौर पर सैद्धांतिक परिणामों के निकट होते हैं, जो बदले में चित्र 1C में वायु आयतन अनुपात गणना परिणामों की पुष्टि करता है।
इस अध्ययन का मुख्य उद्देश्य मानव फेफड़ों के समान यांत्रिक और विकिरणीय गुणों वाला पदार्थ बनाना है। यह उद्देश्य हाइड्रोजेल आधारित पदार्थ विकसित करके प्राप्त किया गया, जिसके ऊतक-समतुल्य यांत्रिक और विकिरणीय गुण मानव फेफड़ों के गुणों के यथासंभव निकट हैं। सैद्धांतिक गणनाओं के मार्गदर्शन में, सोडियम एल्जिनेट विलयन, CaCO3, GDL और SLES 70 को यांत्रिक रूप से मिलाकर विभिन्न वायु आयतन अनुपात वाले हाइड्रोजेल फोम तैयार किए गए। आकारिकी विश्लेषण से पता चला कि एक समरूप त्रि-आयामी स्थिर हाइड्रोजेल फोम का निर्माण हुआ। वायु आयतन अनुपात को बदलकर फोम के घनत्व और सरंध्रता को इच्छानुसार बदला जा सकता है। वायु आयतन की मात्रा बढ़ने पर छिद्रों का आकार थोड़ा कम हो जाता है और छिद्रों की संख्या बढ़ जाती है। एल्जिनेट हाइड्रोजेल फोम के यांत्रिक गुणों का विश्लेषण करने के लिए संपीडन परीक्षण किए गए। परिणामों से पता चला कि संपीडन परीक्षणों से प्राप्त संपीडन मापांक (E0) मानव फेफड़ों के लिए आदर्श सीमा में है। वायु आयतन अनुपात घटने पर E0 बढ़ता है। तैयार किए गए नमूनों के रेडियोलॉजिकल गुणों (HU) के मान नमूनों के CT डेटा के आधार पर प्राप्त किए गए और सैद्धांतिक गणनाओं के परिणामों से तुलना की गई। परिणाम अनुकूल रहे। मापा गया मान मानव फेफड़ों के HU मान के भी निकट है। परिणाम दर्शाते हैं कि यांत्रिक और रेडियोलॉजिकल गुणों के आदर्श संयोजन वाले ऊतक-अनुकरणकारी हाइड्रोजेल फोम बनाना संभव है जो मानव फेफड़ों के गुणों की नकल करते हैं।
आशाजनक परिणामों के बावजूद, वैश्विक और स्थानीय दोनों स्तरों पर सैद्धांतिक गणनाओं और वास्तविक मानव फेफड़ों से प्राप्त अनुमानों से मेल खाने के लिए वायु आयतन अनुपात और सरंध्रता को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने हेतु वर्तमान निर्माण विधियों में सुधार की आवश्यकता है। वर्तमान अध्ययन केवल संपीड़न यांत्रिकी के परीक्षण तक ही सीमित है, जो श्वसन चक्र के संपीड़न चरण में फैंटम के संभावित अनुप्रयोग को सीमित करता है। भविष्य के शोध में तन्यता परीक्षण के साथ-साथ सामग्री की समग्र यांत्रिक स्थिरता की जांच से गतिशील भारण स्थितियों के तहत संभावित अनुप्रयोगों का आकलन करने में लाभ होगा। इन सीमाओं के बावजूद, यह अध्ययन मानव फेफड़े की नकल करने वाली एक ही सामग्री में रेडियोलॉजिकल और यांत्रिक गुणों को संयोजित करने का पहला सफल प्रयास है।
वर्तमान अध्ययन के दौरान उत्पन्न और/या विश्लेषण किए गए डेटासेट उचित अनुरोध पर संबंधित लेखक से प्राप्त किए जा सकते हैं। प्रयोग और डेटासेट दोनों ही पुनरुत्पादनीय हैं।
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