nature.com इत्यत्र गमनार्थं धन्यवादः। भवान् यत् ब्राउजर् संस्करणं उपयुङ्क्ते तस्य CSS समर्थनं सीमितम् अस्ति । उत्तम-अनुभवाय वयं नवीनतमं ब्राउजर्-संस्करणं (अथवा Internet Explorer मध्ये संगतता-विधिं निष्क्रियं कर्तुं) अनुशंसयामः । तदतिरिक्तं, निरन्तरं समर्थनं सुनिश्चित्य, अस्मिन् स्थले शैल्याः वा जावास्क्रिप्ट् वा न समाविष्टाः भविष्यन्ति ।
अङ्गानाम् ऊतकानाञ्च गतिः रेडियोचिकित्सायाः समये क्ष-किरणस्य स्थितिनिर्धारणे दोषं जनयितुं शक्नोति । अतः रेडियोचिकित्सायाः अनुकूलनार्थं अङ्गगतिस्य अनुकरणार्थं ऊतकसमतुल्ययान्त्रिकविकिरणीयगुणयुक्तानां पदार्थानां आवश्यकता भवति परन्तु एतादृशसामग्रीणां विकासः एकः आव्हानः एव अस्ति । एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् इत्यस्य गुणाः बाह्यकोशिकीयमात्रिकायाः ​​सदृशाः भवन्ति, येन ते ऊतकसमतुल्यसामग्रीरूपेण आशाजनकाः भवन्ति । अस्मिन् अध्ययने वांछितयान्त्रिक-रेडियोलॉजिकल-गुणयुक्तानि एल्गिनेट्-हाइड्रोजेल्-फेनानि स्थाने Ca2+-विमोचनेन संश्लेषितानि आसन् । वायु-आयतन-अनुपातस्य सावधानीपूर्वकं नियन्त्रणं कृत्वा परिभाषित-यान्त्रिक-रेडियोलॉजिकल-गुणैः सह हाइड्रोजेल्-फेनम् प्राप्तम् । सामग्रीनां स्थूल- सूक्ष्म-आकृतिविज्ञानं च लक्षणं कृतम्, संपीडन-अधीन-हाइड्रोजेल्-फेनानां व्यवहारस्य अध्ययनं च कृतम् । रेडियोलॉजिकल गुणानाम् सैद्धान्तिकरूपेण अनुमानं कृत्वा कम्प्यूटर्ड टोमोग्राफी इत्यस्य उपयोगेन प्रयोगात्मकरूपेण सत्यापनम् अभवत् । अस्मिन् अध्ययने ऊतक-समतुल्यसामग्रीणां भविष्यस्य विकासस्य विषये प्रकाशः प्रसारितः भवति, येषां उपयोगः रेडियोचिकित्सायाः समये विकिरणमात्रायाः अनुकूलनार्थं गुणवत्तानियन्त्रणार्थं च कर्तुं शक्यते
विकिरणचिकित्सा कर्करोगस्य सामान्यचिकित्सा अस्ति1. अङ्गानाम् ऊतकानाञ्च गतिः प्रायः विकिरणचिकित्सायाः समये एक्स-किरणस्य स्थितिनिर्धारणे त्रुटिं जनयति2, यस्य परिणामेण अर्बुदस्य न्यूनचिकित्सा भवति तथा च परितः स्वस्थकोशिकानां अनावश्यकविकिरणस्य अधिकसंपर्कः भवितुम् अर्हति अङ्गानाम् ऊतकानाञ्च गतिं पूर्वानुमानं कर्तुं क्षमता ट्यूमरस्थानीयकरणदोषाणां न्यूनीकरणाय महत्त्वपूर्णा अस्ति । अस्मिन् अध्ययने फुफ्फुसेषु केन्द्रितम् आसीत्, यतः विकिरणचिकित्सायाः समये रोगिणः श्वसन्ति तदा तेषां महत्त्वपूर्णविकृतिः, गतिः च भवति । मानवस्य फुफ्फुसानां गतिं अनुकरणार्थं विविधानि परिमिततत्त्वप्रतिमानाः विकसिताः प्रयुक्ताः च सन्ति3,4,5 । परन्तु मानवस्य अङ्गानाम् ऊतकानाञ्च जटिलज्यामितिः भवति, ते अत्यन्तं रोगी-आश्रिताः भवन्ति । अतः सैद्धान्तिकप्रतिमानानाम् प्रमाणीकरणाय, उन्नतचिकित्साचिकित्सायाः सुविधायै, चिकित्साशिक्षायाः प्रयोजनार्थं च भौतिकप्रतिमानविकासाय ऊतकसमतुल्यगुणयुक्ताः सामग्रीः अतीव उपयोगिनो भवन्ति
जटिलबाह्य-आन्तरिक-संरचनात्मक-ज्यामिति-प्राप्त्यर्थं मृदु-ऊतक-अनुकरण-सामग्रीणां विकासेन बहु ध्यानं आकृष्टम् अस्ति यतोहि तेषां निहित-यान्त्रिक-असङ्गतिः लक्ष्य-अनुप्रयोगेषु विफलतां जनयितुं शक्नोति अत्यन्तं मृदुतां, लोचं, संरचनात्मकं छिद्रतां च संयोजयति इति फुफ्फुसस्य ऊतकस्य जटिलजैवयान्त्रिकस्य प्रतिरूपणं मानवस्य फुफ्फुसस्य सटीकं पुनरुत्पादनं कुर्वन्तः प्रतिरूपं विकसितुं महत्त्वपूर्णं चुनौतीं जनयति चिकित्साहस्तक्षेपेषु फुफ्फुसस्य आदर्शानां प्रभावीप्रदर्शनार्थं यांत्रिक-रेडियोलॉजिकल-गुणानां एकीकरणं मेलनं च महत्त्वपूर्णम् अस्ति एडिटिव् निर्माणं रोगी-विशिष्ट-माडल-विकासे प्रभावी सिद्धं जातम्, येन जटिल-डिजाइनस्य द्रुत-प्रोटोटाइपिङ्ग्-करणं सक्षमं भवति । शिन इत्यादि। ८ इत्यनेन 3D-मुद्रितवायुमार्गैः सह पुनरुत्पादनीयं, विकृतं फुफ्फुसप्रतिरूपं विकसितम् । हसेलार इत्यादीनि। ९ इत्यनेन रेडियोचिकित्सायाः कृते प्रतिबिम्बगुणवत्तामूल्यांकनस्य स्थितिसत्यापनपद्धतीनां च कृते वास्तविकरोगिणां सदृशं अत्यन्तं सदृशं प्रेतम् विकसितम् । Hong et al10 इत्यनेन मात्रानिर्धारणस्य सटीकतायां मूल्याङ्कनार्थं विभिन्नानां फेफसक्षतानां CT तीव्रताम् पुनरुत्पादनार्थं 3D मुद्रणस्य सिलिकॉनकास्टिंग् प्रौद्योगिक्याः उपयोगेन वक्षःस्थलस्य CT मॉडलं विकसितम् परन्तु एते आद्यरूपाः प्रायः तादृशैः पदार्थैः निर्मिताः भवन्ति येषां प्रभावी गुणाः फुफ्फुसस्य ऊतकात् बहु भिन्नाः भवन्ति11 ।
सम्प्रति अधिकांशः फुफ्फुसस्य प्रेतः सिलिकोनेन अथवा बहुयुरेथेनफेनेन निर्मितः भवति, ये वास्तविकस्य फुफ्फुसस्य पैरेन्काइमस्य यांत्रिक-रेडियोलॉजिकल-गुणैः सह न मेलति यत् फुफ्फुसस्य ऊतकस्य लोचस्य, पूरणसंरचनायाः च समीचीनतया अनुकरणं करोति, तत् प्रयोगात्मकं आव्हानं वर्तते ।
अस्मिन् अध्ययने फुफ्फुसस्य ऊतकं सजातीयं लोचदारं पदार्थं इति कल्पितम् । मानवस्य फुफ्फुसस्य ऊतकस्य (\(\:\rho\:\)) घनत्वं १.०६ ग्राम/से.मी., तथा च व्याप्तस्य फुफ्फुसस्य घनत्वं ०.२६ ग्राम/से.मी.३१५ इति ज्ञायते । विभिन्नप्रयोगात्मकपद्धतीनां उपयोगेन फुफ्फुसस्य ऊतकस्य यंगस्य मापदण्डस्य (MY) मूल्यानां विस्तृतश्रेणी प्राप्ता अस्ति । लाई-फूक इत्यादि। १६ इत्यनेन एकरूपेण महङ्गेन सह मानवस्य फुफ्फुसस्य YM ०.४२–६.७२ किलोपास्कल इति मापितं । गोस इत्याख्यः । १७ चुम्बकीय अनुनाद इलास्टोग्राफी इत्यस्य उपयोगं कृत्वा २.१७ किलोपास्कलस्य वाईएम इति ज्ञापितवान् । लियू इत्यादि। १८ प्रत्यक्षतया मापितं वाईएम ०.०३–५७.२ किलोपास् इति ज्ञापितवान् । इलेग्बुसी इत्यादि। १९ इत्यनेन चयनितरोगिभ्यः प्राप्तानां 4D CT-आँकडानां आधारेण YM 0.1–2.7 kPa इति अनुमानितम् ।
फुफ्फुसस्य रेडियोलॉजिकलगुणानां कृते एक्स-किरणैः सह फुफ्फुसस्य ऊतकस्य अन्तरक्रियाव्यवहारस्य वर्णनार्थं अनेकाः मापदण्डाः उपयुज्यन्ते, येषु तत्त्वात्मकसंरचना, इलेक्ट्रॉनघनत्वं (\(\:{\rho\:}_{e}\)), प्रभावी परमाणुसङ्ख्या (\(\:{Z}_{eff}\)), औसत उत्तेजनाशक्तिः (\(\:I\)), द्रव्यमानक्षीणीकरणगुणकं च सन्ति (\(\:\mu\:/\rho\:\)) तथा हाउन्सफील्ड-एककं (HU), यत् \(\:\mu\:/\rho\:\) इत्यनेन सह प्रत्यक्षतया सम्बद्धम् अस्ति ।
इलेक्ट्रॉनघनत्वं \(\:{\rho\:}_{e}\) प्रति एककं आयतनं इलेक्ट्रॉनसङ्ख्यारूपेण परिभाषितं भवति, तस्य गणना निम्नलिखितरूपेण भवति ।
यत्र \(\:\rho\:\) g/cm3 मध्ये द्रव्यस्य घनत्वं, \(\:{N}_{A}\) अवोगाड्रो नित्यं, \(\:{w}_{i}\) द्रव्यमानं भागं, \(\:{Z}_{i}\) परमाणुसङ्ख्या, \(\:{A}_{i}\) च i-तत्त्वस्य परमाणुभारः ।
परमाणुसङ्ख्या द्रव्यस्य अन्तः विकिरणपरस्परक्रियायाः प्रकृत्या सह प्रत्यक्षतया सम्बद्धा भवति । अनेकतत्त्वानि (उदा. वस्त्राणि) युक्तानां यौगिकानां मिश्रणानां च कृते प्रभावी परमाणुसङ्ख्या \(\:{Z}_{eff}\) गणनीया । सूत्रं मूर्ति इत्यादिभिः प्रस्तावितं । २०: १.
औसत उत्तेजना ऊर्जा \(\:I\) लक्ष्यपदार्थः भेदककणानां गतिजशक्तिं कियत् सहजतया अवशोषयति इति वर्णयति । लक्ष्यद्रव्यस्य गुणमात्रं वर्णयति, कणगुणैः सह किमपि सम्बन्धः नास्ति । \(\:I\) इत्यस्य गणना ब्रैग् इत्यस्य योजकतानियमं प्रयोजयित्वा कर्तुं शक्यते:
द्रव्यमानक्षीणीकरणगुणकः \(\:\mu\:/\rho\:\) लक्ष्यपदार्थे फोटॉनानां प्रवेशं ऊर्जाविमोचनं च वर्णयति । निम्नलिखितसूत्रस्य उपयोगेन तस्य गणना कर्तुं शक्यते ।
यत्र \(\:x\) पदार्थस्य स्थूलता, \(\:{I}_{0}\) इति आगमनप्रकाशतीव्रता, \(\:I\) च पदार्थे प्रवेशानन्तरं फोटॉनतीव्रता \(\:\mu\:/\rho\:\) आँकडा प्रत्यक्षतया NIST 12621 मानकसन्दर्भदत्तांशकोशात् प्राप्तुं शक्यते । \(\:\mu\:/\rho\:\) मिश्रणानां यौगिकानां च मूल्यानि निम्नलिखितरूपेण योजकतानियमस्य उपयोगेन व्युत्पन्नं कर्तुं शक्यन्ते ।
एचयू कम्प्यूटर्ड टोमोग्राफी (CT) आँकडानां व्याख्यायां रेडियोघनत्वस्य मापनस्य एकः मानकीकृतः आयामहीनः ​​एककः अस्ति, यः मापितस्य क्षीणनगुणकस्य \(\:\mu\:\) रेखीयरूपेण परिवर्तितः भवति इति विवक्षितम्- १.
यत्र \(\:{\mu\:}_{जल}\) जलस्य क्षीणनगुणकं, \(\:{\mu\:}_{वायु}\) वायुस्य क्षीणीकरणगुणकं च । अतः (6) सूत्रात् वयं पश्यामः यत् जलस्य HU मूल्यं 0, वायुस्य HU मूल्यं च -1000 अस्ति । मानवस्य फुफ्फुसानां कृते HU मूल्यं -६०० तः -७००२२ पर्यन्तं भवति ।
अनेकाः ऊतकसमतुल्याः पदार्थाः विकसिताः सन्ति । ग्रिफिथ इत्यादि। २३ इत्यनेन बहुयुरेथेन (PU) इत्यनेन निर्मितस्य मानवधडस्य ऊतकसमतुल्यप्रतिरूपं विकसितम् यस्मिन् मानवस्य फुफ्फुससहितानाम् विभिन्नानां मानवीयानाम् अङ्गानाम् रेखीयक्षीणीकरणगुणकस्य अनुकरणार्थं कैल्शियमकार्बोनेट् (CaCO3) इत्यस्य विविधसान्द्रताः योजिताः, तस्य प्रतिरूपस्य नाम ग्रिफिथ् इति अभवत् Taylor24 इत्यनेन लॉरेन्स लिवरमोर् नेशनल् लैबोरेटरी (LLNL) इत्यनेन विकसितं द्वितीयं फेफस ऊतकसमतुल्यप्रतिरूपं प्रस्तुतम्, यस्य नाम LLLL1 इति । Traub et al.25 इत्यनेन Foamex XRS-272 इत्यस्य उपयोगेन एकं नवीनं फुफ्फुसस्य ऊतकविकल्पं विकसितम् यस्मिन् 5.25% CaCO3 इत्येतत् प्रदर्शनवर्धनरूपेण भवति, यस्य नाम ALT2 इति अभवत् । सारणी 1 तथा 2 \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) तथा मानव फुफ्फुसस्य (ICRU-44) तथा उपर्युक्त ऊतकसमतुल्यप्रतिमानानाम् द्रव्यमानक्षीणीकरणगुणकस्य तुलनां दर्शयति
उत्तमाः रेडियोलॉजिकलगुणाः प्राप्ताः अपि प्रायः सर्वाणि प्रेतसामग्रीणि पॉलीस्टायरीनफेनानि भवन्ति, यस्य अर्थः अस्ति यत् एतेषां पदार्थानां यांत्रिकगुणाः मानवस्य फुफ्फुसानां समीपं गन्तुं न शक्नुवन्ति पॉलीयुरेथेनफेनस्य यंगस्य मापदण्डः (YM) प्रायः ५०० किलोपास्कलः भवति, यत् सामान्यमानवफुफ्फुसानां (प्रायः ५-१० किलोपास्कलस्य) तुलने आदर्शात् दूरम् अस्ति अतः वास्तविकमानवस्य फुफ्फुसानां यांत्रिकं रेडियोलॉजिकललक्षणं च पूरयितुं शक्नोति इति नूतनं पदार्थं विकसितुं आवश्यकम् ।
ऊतक-इञ्जिनीयरिङ्ग-क्षेत्रे हाइड्रोजेल्-इत्यस्य बहुधा उपयोगः भवति । अस्य संरचना गुणाः च बाह्यकोशिकीयमात्रिकायाः ​​(ECM) सदृशाः सन्ति, ते च सहजतया समायोजिताः भवन्ति । अस्मिन् अध्ययने फेनस्य निर्माणार्थं शुद्धं सोडियम-एल्जिनेट् जैवसामग्रीरूपेण चयनितम् । एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् जैवसङ्गताः सन्ति, तेषां समायोज्ययान्त्रिकगुणानां कारणात् ऊतक-इञ्जिनीयरिङ्ग-क्षेत्रे व्यापकरूपेण उपयोगः भवति । सोडियम एल्गिनेट् (C6H7NaO6)n इत्यस्य तत्त्वात्मकसंरचना तथा Ca2+ इत्यस्य उपस्थितिः आवश्यकतानुसारं तस्य रेडियोलॉजिकलगुणानां समायोजनं कर्तुं शक्नोति । समायोज्ययान्त्रिक-रेडियोलॉजिकल-गुणानां एषः संयोजनः अस्माकं अध्ययनार्थं एल्गिनेट्-हाइड्रोजेल्-इत्येतत् आदर्शं करोति । अवश्यं, एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् इत्यस्य अपि सीमाः सन्ति, विशेषतः अनुकरणीयश्वसनचक्रस्य समये दीर्घकालीनस्थिरतायाः दृष्ट्या । अतः एतासां सीमानां निवारणाय भविष्येषु अध्ययनेषु अधिकसुधारस्य आवश्यकता वर्तते, अपेक्षिता च।
अस्मिन् कार्ये वयं मानवस्य फुफ्फुसस्य ऊतकस्य सदृशं नियन्त्रणीयं rho मूल्यं, लोचं, रेडियोलॉजिकलगुणं च युक्तं एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् फेनसामग्री विकसितवन्तः अयं अध्ययनः ट्यूनेबल-लोचना-विकिरणीय-गुणैः सह ऊतक-सदृश-प्रेत-निर्माणार्थं सामान्यं समाधानं प्रदास्यति । भौतिकगुणाः सहजतया कस्यापि मानवस्य ऊतकस्य अङ्गस्य च अनुरूपाः भवितुम् अर्हन्ति ।
हाइड्रोजेल् फेनस्य लक्ष्यवायु-आयतन-अनुपातस्य गणना मानव-फुफ्फुसस्य HU-परिधिस्य (-600 तः -700 पर्यन्तं) आधारेण कृता । फेनः वायुस्य कृत्रिम-एल्जिनेट्-हाइड्रोजेल्-इत्यस्य च सरलं मिश्रणम् इति कल्पितम् । व्यक्तिगततत्त्वानां \(\:\mu\:/\rho\:\) सरलसंयोजननियमस्य उपयोगेन वायुस्य आयतनभागस्य संश्लेषितस्य एल्गिनेट् हाइड्रोजेलस्य आयतनानुपातस्य च गणना कर्तुं शक्यते स्म
सिग्मा-एल्ड्रिच् कम्पनी, सेण्ट् लुईस्, एम.ओ. ७०% सोडियम लॉरिल् ईथर सल्फेट् (SLES 70) इति क्रीतम् आसीत् Renowned Trading LLC इत्यस्मात् । फेननिर्माणप्रक्रियायां विआयनीकृतजलस्य उपयोगः कृतः । सोडियम एल्गिनेटं विआयनीकृतजले कक्षतापमाने नित्यं हलचलं (६०० आरपीएम) यावत् सजातीयं पीतं अर्धपारदर्शकं विलयनं न प्राप्तम् तावत् यावत् विलीनं कृतम् जीडीएल इत्यनेन सह संयोजनेन CaCO3 इत्यस्य उपयोगः Ca2+ स्रोतरूपेण जिलेशनस्य आरम्भार्थं कृतः । हाइड्रोजेल् इत्यस्य अन्तः छिद्रपूर्णसंरचनायाः निर्माणार्थं SLES 70 इत्यस्य उपयोगः पृष्ठसक्रियकरूपेण कृतः । एल्गिनेट् सान्द्रता ५% तथा Ca2+:-COOH मोलर अनुपातः ०.१८ इति स्थापितः । तटस्थं pH निर्वाहयितुम् फेनस्य निर्माणकाले CaCO3:GDL मोलर अनुपातः अपि 0.5 इति स्थापितः । मूल्यं 26. सर्वेषु नमूनासु SLES 70 इत्यस्य आयतनेन 2% योजितम्। द्रावणस्य वायुस्य च मिश्रणानुपातं नियन्त्रयितुं ढक्कनयुक्तं बीकरं प्रयुक्तम् । बीकरस्य कुल आयतनं १४० मि.ली. सैद्धान्तिकगणनापरिणामानां आधारेण वायुना सह मिश्रणार्थं मिश्रणस्य भिन्नानि आयतनानि (५० मिलीलीटर, १०० मिलीलीटर, ११० मिलीलीटर) बीकरमध्ये योजिताः ५० मिलिलीटरं मिश्रणं युक्तं नमूना पर्याप्तवायुना सह मिश्रणं कर्तुं निर्मितम्, अन्ययोः नमूनायोः वायुमात्रानुपातः नियन्त्रितः प्रथमं एल्गिनेट्-विलयने SLES 70 योजयित्वा विद्युत्-हलचल-यंत्रेण पूर्णतया मिश्रितं यावत् हलितम् । ततः, CaCO3 निलम्बनं मिश्रणे योजयित्वा यावत् मिश्रणं सम्पूर्णतया मिश्रितं न भवति तावत् निरन्तरं क्षोभितम्, यदा तस्य वर्णः श्वेतवर्णः अभवत् अन्ते जीडीएल-विलयनं मिश्रणे योजयित्वा जिलेशनं आरभ्य, सम्पूर्णप्रक्रियायां यांत्रिक-हलचलं च निर्वाहितम् । ५० मिलिलीटर मिश्रणयुक्तस्य नमूनायाः कृते यदा मिश्रणस्य आयतनं परिवर्तनं स्थगितम् तदा यांत्रिकं हलचलं स्थगितम् । १०० मिलिलीटर ११० मिलीलीटरं च मिश्रणं युक्तानां नमूनानां कृते यदा मिश्रणं बीकरं पूरयति स्म तदा यांत्रिकं क्षोभं स्थगितम् । वयं ५० मिलिलीटरतः १०० मिलिलीटरपर्यन्तं आयतनयुक्तानि हाइड्रोजेल् फेनानि अपि निर्मातुं प्रयत्नम् अकरोम । परन्तु फेनस्य संरचनात्मका अस्थिरता अवलोकिता, यतः तस्य पूर्णवायुमिश्रणस्य अवस्थायाः वायुमात्रानियन्त्रणस्य च अवस्थायाः मध्ये उतार-चढावः भवति स्म, यस्य परिणामेण आयतननियन्त्रणस्य असङ्गतिः भवति स्म एषा अस्थिरता गणनासु अनिश्चिततां प्रविष्टवती, अतः एषा आयतनपरिधिः अस्मिन् अध्ययने न समाविष्टा ।
हाइड्रोजेलफेनस्य घनत्व \(\:\rho\:\) हाइड्रोजेलफेननमूनायाः द्रव्यमानं \(\:m\) आयतनं \(\:V\) च मापनेन भवति
हाइड्रोजेल् फेनस्य प्रकाशीयसूक्ष्मचित्रं Zeiss Axio Observer A1 कैमरा इत्यस्य उपयोगेन प्राप्तम् । प्राप्तप्रतिमानां आधारेण कस्मिन्चित् क्षेत्रे नमूने छिद्राणां संख्यां आकारवितरणं च गणयितुं ImageJ सॉफ्टवेयरस्य उपयोगः कृतः । छिद्राकारः वृत्ताकारः इति कल्प्यते ।
एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् फेनस्य यांत्रिकगुणानां अध्ययनार्थं TESTRESOURCES 100 श्रृङ्खलायन्त्रस्य उपयोगेन एकअक्षीयसंपीडनपरीक्षाः कृताः नमूनानां आयताकारखण्डेषु कटनं कृत्वा खण्डपरिमाणानां मापनं कृत्वा तनावानां, तनावानां च गणना कृता । क्रॉसहेड् वेगः १० मि.मी./मिनिट् इति निर्धारितः आसीत् । प्रत्येकं नमूनानां कृते त्रीणि नमूनानि परीक्षितानि, परिणामेभ्यः औसतं मानकविचलनं च गणितम् । अस्मिन् अध्ययने एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् फेनस्य संपीडनयान्त्रिकगुणेषु केन्द्रितम् आसीत् यतः श्वसनचक्रस्य निश्चितपदे फुफ्फुसस्य ऊतकं संपीडनबलानाम् अधीनं भवति विस्तारः अवश्यमेव महत्त्वपूर्णः अस्ति, विशेषतः फुफ्फुसस्य ऊतकस्य पूर्णगतिशीलव्यवहारं प्रतिबिम्बयितुं तथा च भविष्ये अध्ययनेषु एतस्य अन्वेषणं भविष्यति।
सज्जीकृतानि हाइड्रोजेल् फेनस्य नमूनानि Siemens SOMATOM Drive द्वय-चैनल-CT scanner इत्यनेन स्कैन् कृताः । स्कैनिङ्ग-मापदण्डाः निम्नलिखितरूपेण निर्धारिताः आसन् : 40 mAs, 120 kVp तथा 1 mm स्लाइस् मोटाई च । प्रत्येकस्य नमूनायाः ५ क्रॉस्-सेक्शन् इत्यस्य HU मूल्यानां विश्लेषणार्थं MicroDicom DICOM Viewer सॉफ्टवेयरस्य उपयोगेन परिणामित DICOM सञ्चिकानां विश्लेषणं कृतम् । सीटी द्वारा प्राप्तानां एचयू मूल्यानां तुलना नमूनानां घनत्वदत्तांशस्य आधारेण सैद्धान्तिकगणनाभिः सह कृता ।
अस्य अध्ययनस्य उद्देश्यं मृदुसामग्रीणां अभियांत्रिकीद्वारा व्यक्तिगतअङ्गप्रतिमानानाम् कृत्रिमजैविक ऊतकानाञ्च निर्माणे क्रान्तिं कर्तुं वर्तते । मानवीय-फुफ्फुसस्य कार्य-यान्त्रिक-सङ्गतिं कृत्वा यांत्रिक-रेडियोलॉजिकल-गुणैः सह सामग्रीनां विकासः चिकित्सा-प्रशिक्षणस्य, शल्यक्रिया-नियोजनस्य, विकिरण-चिकित्सा-नियोजनस्य च उन्नयनम् इत्यादीनां लक्षित-अनुप्रयोगानाम् कृते महत्त्वपूर्णम् अस्ति चित्रे 1A, वयं मानवस्य फुफ्फुसस्य प्रतिरूपस्य निर्माणार्थं कथितरूपेण प्रयुक्तानां मृदुसामग्रीणां यांत्रिक-विकिरणीय-गुणानां मध्ये विसंगतिं प्लॉट् कृतवन्तः अद्यपर्यन्तं इष्टानि रेडियोलॉजिकलगुणानि प्रदर्शयन्ति, परन्तु तेषां यांत्रिकगुणाः इष्टानि आवश्यकतानि न पूरयन्ति विकृतमानवफुफ्फुसप्रतिमाननिर्माणार्थं पॉलीयुरेथेनफेनः रबरः च सर्वाधिकं प्रयुक्ताः पदार्थाः सन्ति । पॉलीयुरेथेन फेनस्य (Young's modulus, YM) यांत्रिकगुणाः सामान्यतया सामान्यमानवस्य फुफ्फुसस्य ऊतकस्य अपेक्षया १० तः १०० गुणाधिकाः भवन्ति ये पदार्थाः इष्टं यांत्रिकं रेडियोलॉजिकलं च गुणं प्रदर्शयन्ति ते अद्यापि न ज्ञायन्ते ।
(A) विभिन्नानां मृदुपदार्थानाम् गुणानाम् योजनाबद्धं प्रतिनिधित्वं तथा च घनत्वस्य, यंगस्य मापदण्डस्य, रेडियोलॉजिकलगुणानां च दृष्ट्या मानवस्य फुफ्फुसस्य सह तुलना (HU मध्ये)। (B) \(\:\mu\:/\rho\:\) एल्गिनेट हाइड्रोजेलस्य क्ष-किरणविवर्तनप्रतिमानं यस्य सान्द्रता 5% भवति तथा च Ca2+:-COOH मोलर अनुपातः 0.18 भवति। (C) हाइड्रोजेलफेनेषु वायुमात्रानुपातस्य परिधिः। (D) भिन्न-भिन्न-वायु-आयतन-अनुपातैः सह एल्गिनेट्-हाइड्रोजेल्-फेनस्य योजनाबद्धं प्रतिनिधित्वम् ।
5% सान्द्रतायाः 0.18 Ca2+:-COOH मोलर अनुपातस्य च एल्गिनेट् हाइड्रोजेलस्य तत्वसंरचना गणिता, तथा च परिणामाः सारणी 3 मध्ये दर्शिताः सन्ति पूर्वसूत्रे (5) योजननियमानुसारं एल्गिनेट हाइड्रोजेलस्य \(\:\:\mu\:/\rho\:\) द्रव्यमानक्षीणीकरणगुणकं चित्रे 1B दर्शितवत् प्राप्तं भवति
वायुजलयोः \(\:\mu\:/\rho\:\) मूल्यानि प्रत्यक्षतया NIST 12612 मानकसन्दर्भदत्तांशकोशात् प्राप्तानि । एवं चित्रे 1C मानवस्य फुफ्फुसस्य कृते -600 तः -700 पर्यन्तं HU समतुल्यमूल्यानां हाइड्रोजेलफेनेषु गणितवायुमात्रानुपातं दर्शयति सैद्धान्तिकरूपेण गणितः वायुमात्रानुपातः १ × १०−३ तः २ × १०१ मेगावाट् पर्यन्तं ऊर्जापरिधिषु ६०–७०% अन्तः स्थिरः भवति, यत् अधःप्रवाहनिर्माणप्रक्रियासु हाइड्रोजेल्फेनस्य प्रयोगस्य उत्तमक्षमताम् सूचयति
चित्रे १D सज्जीकृतं एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् फेनस्य नमूना दर्शितम् अस्ति । सर्वाणि नमूनानि १२.७ मि.मी. परिणामेषु ज्ञातं यत् एकरूपः, त्रिविमरूपेण स्थिरः हाइड्रोजेल् फेनः निर्मितः । वायुमात्रानुपातस्य परवाहं न कृत्वा हाइड्रोजेल् फेनस्य स्वरूपे कोऽपि महत्त्वपूर्णः अन्तरः न दृष्टः । हाइड्रोजेल् फेनस्य स्वयमेव स्थायित्वं सूचयति यत् हाइड्रोजेल् इत्यस्य अन्तः निर्मितं जालं फेनस्य एव भारं समर्थयितुं पर्याप्तं प्रबलं भवति फेनस्य अल्पमात्रायां जलस्य लीकं विहाय फेनस्य कतिपयान् सप्ताहान् यावत् क्षणिकस्थिरतां अपि प्रदर्शितवती ।
फेननमूनायाः द्रव्यमानं आयतनं च मापनेन निर्मितस्य हाइड्रोजेलफेनस्य \(\:\rho\:\) घनत्वस्य गणना कृता, परिणामाः च सारणी 4 मध्ये दर्शिताः सन्ति, परिणामाः वायुस्य आयतन-अनुपातस्य उपरि \(\:\rho\:\) इत्यस्य आश्रयं दर्शयन्ति यदा नमूनायाः ५० मिलिलीटरेन सह पर्याप्तं वायुः मिश्रितः भवति तदा घनत्वं न्यूनतमं भवति, ०.४८२ ग्राम/से.मी. यथा यथा मिश्रितवायुस्य मात्रा न्यूनीभवति तथा तथा घनत्वं ०.६८५ ग्राम/से.मी. ५० मिलीलीटर, १०० मिलीलीटर, ११० मिलीलीटर इत्येतयोः समूहयोः मध्ये अधिकतमं p मूल्यं ०.००४ < ०.०५ आसीत्, यत् परिणामानां सांख्यिकीयमहत्त्वं सूचयति
सैद्धान्तिक \(\:\rho\:\) मूल्यस्य गणना अपि नियन्त्रितवायुमात्रानुपातस्य उपयोगेन भवति । मापितपरिणामाः दर्शयन्ति यत् \(\:\rho\:\) सैद्धान्तिकमूल्यात् 0.1 g/cm3 लघुः अस्ति । एतत् भेदं जिलेशनप्रक्रियायाः समये हाइड्रोजेल् इत्यस्मिन् उत्पद्यमानेन आन्तरिकतनावेन व्याख्यातुं शक्यते, यत् सूजनं जनयति तथा च \(\:\rho\:\) इत्यस्य न्यूनतां जनयति चित्रे २ (क, ख, ग) दर्शितेषु सीटी-चित्रेषु हाइड्रोजेल्-फेनस्य अन्तः केषाञ्चन अन्तरालानाम् अवलोकनेन एतस्य अधिकं पुष्टिः अभवत् ।
विभिन्नवायुआयतनसामग्रीयुक्त हाइड्रोजेलफेनस्य ऑप्टिकलसूक्ष्मदर्शनप्रतिमा (A) 50, (B) 100, तथा (C) 110. एल्गिनेट् हाइड्रोजेलफेननमूनेषु कोशिकासङ्ख्या तथा छिद्र आकारवितरणं (D) 50, (E) 100, (F) 110.
चित्रे ३ (A, B, C) भिन्नवायुमात्रानुपातेन सह हाइड्रोजेल् फेननमूनानां प्रकाशीयसूक्ष्मदर्शिकप्रतिमाः दर्शिताः सन्ति । परिणामेषु हाइड्रोजेल् फेनस्य प्रकाशीयसंरचना दृश्यते, यत्र भिन्नव्यासानां छिद्राणां चित्राणि स्पष्टतया दर्शितानि सन्ति । छिद्रसङ्ख्यायाः व्यासस्य च वितरणस्य गणना ImageJ इत्यस्य उपयोगेन कृता । प्रत्येकस्य नमूनायाः कृते षट् चित्राणि गृहीताः, प्रत्येकस्य चित्रस्य आकारः ११२५.२७ माइक्रोमीटर् × ८४३.९६ माइक्रोमीटर् आसीत्, प्रत्येकस्य नमूनायाः कृते कुलविश्लेषितक्षेत्रं ५.७ मि.मी.२ आसीत्
(A) भिन्न-भिन्न-वायु-आयतन-अनुपातैः सह एल्गिनेट्-हाइड्रोजेल्-फेनस्य संपीडन-तनाव-तनाव-व्यवहारः । (B) घातीय फिटिंग। (C) भिन्न-भिन्न-वायु-आयतन-अनुपातैः सह हाइड्रोजेल्-फेनस्य संपीडनं E0 । (D) भिन्न-भिन्न-वायु-आयतन-अनुपातैः सह एल्गिनेट्-हाइड्रोजेल्-फेनस्य अन्तिम-संपीडन-तनावः, तनावः च ।
चित्रे ३ (D, E, F) दृश्यते यत् छिद्राकारवितरणं तुल्यकालिकरूपेण एकरूपं भवति, यत् दशमाइक्रोमीटर् तः प्रायः ५०० माइक्रोमीटर् यावत् भवति । छिद्रस्य आकारः मूलतः एकरूपः भवति, वायुमात्रायाः न्यूनतायाः कारणेन किञ्चित् न्यूनः भवति । परीक्षणदत्तांशस्य अनुसारं ५० मिलीलीटरस्य नमूनायाः औसतछिद्राकारः १९२.१६ माइक्रोन, मध्यमः १८४.५१ माइक्रोन, प्रति एककक्षेत्रं छिद्रसङ्ख्या १०३ च अस्ति; १०० मिलिलीटर नमूनायाः औसतछिद्राकारः १५६.६२ माइक्रोन, मध्यमः १५१.०७ माइक्रोन, प्रति एककक्षेत्रं छिद्रसङ्ख्या १०९ च भवति; ११० मिलिलीटर नमूनायाः तदनुरूपं मूल्यं क्रमशः १६३.०७ माइक्रोन, १५०.२९ माइक्रोन, ११५ च भवति । दत्तांशैः ज्ञायते यत् बृहत्तर-छिद्राणां औसत-छिद्र-आकारस्य सांख्यिकीय-परिणामेषु अधिकः प्रभावः भवति, तथा च मध्यम-छिद्र-आकारः छिद्र-आकारस्य परिवर्तन-प्रवृत्तिं अधिकतया प्रतिबिम्बयितुं शक्नोति यथा यथा नमूनायाः आयतनं ५० मिलिलीटरतः ११० मिलिलीटरपर्यन्तं वर्धते तथा तथा छिद्राणां संख्या अपि वर्धते । माध्यछिद्रव्यासस्य छिद्रसङ्ख्यायाः च सांख्यिकीयपरिणामानां संयोजनेन निष्कर्षः निकासितुं शक्यते यत् आयतनं वर्धमानेन नमूनायाः अन्तः लघुप्रमाणस्य अधिकाः छिद्राः निर्मीयन्ते
यांत्रिकपरीक्षादत्तांशः चित्रेषु 4A तथा 4D दर्शितः अस्ति । चित्रे ४ क भिन्नवायुआयतनानुपातयुक्तानां निर्मितानाम् हाइड्रोजेल्-फेनानां संपीडन-तनाव-तनावव्यवहारं दर्शयति । परिणामेषु ज्ञायते यत् सर्वेषां नमूनानां अरैखिकतनाव-तनावव्यवहारः समानः अस्ति । प्रत्येकं नमूनायाः कृते तनावः वर्धमानेन सह शीघ्रं वर्धते । हाइड्रोजेल् फेनस्य संपीडन-तनाव-तनावव्यवहारस्य कृते घातीयवक्रं स्थापितं आसीत् । चित्रे ४ ख हाइड्रोजेल् फेने अनुमानितप्रतिरूपरूपेण घातीयकार्यं प्रयोज्य परिणामान् दर्शयति ।
भिन्न-भिन्न-वायु-आयतन-अनुपातयुक्तानां हाइड्रोजेल्-फेनानां कृते तेषां संपीडन-मापदण्डस्य (E0) अपि अध्ययनं कृतम् । हाइड्रोजेल्-विश्लेषणस्य सदृशं २०% प्रारम्भिक-तनावस्य परिधिषु संपीडन-यङ्ग-मापदण्डस्य अन्वेषणं कृतम् । संपीडनपरीक्षाणां परिणामाः चित्रे 4C दर्शिताः सन्ति । चित्रे 4C मध्ये परिणामाः दर्शयन्ति यत् यथा यथा वायुमात्रानुपातः नमूना 50 तः नमूना 110 यावत् न्यूनः भवति तथा तथा एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् फेनस्य संपीडनात्मकः यंगस्य मापदण्डः E0 10.86 किलोपास्कलतः 18 किलोपास्कलपर्यन्तं वर्धते
तथैव हाइड्रोजेल् फेनस्य सम्पूर्णाः तनाव-तनाव-वक्राः, तथैव अन्तिम-संपीडन-तनाव-तनाव-मूल्यानि च प्राप्तानि चित्रे 4D एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् फेनस्य अन्तिमसंपीडनतनावः तनावः च दर्शितः अस्ति । प्रत्येकं दत्तांशबिन्दुः त्रयाणां परीक्षणपरिणामानां औसतं भवति । परिणामेषु ज्ञायते यत् वायुसामग्री न्यूनतया सह अन्तिमः संपीडनतनावः ९.८४ किलोपास्कलतः १७.५८ किलोपास्कलपर्यन्तं वर्धते । अन्तिमः तनावः प्रायः ३८% स्थिरः एव तिष्ठति ।
चित्र 2 (A, B, and C) क्रमशः 50, 100, 110 नमूनानां अनुरूपं भिन्नवायुमात्रानुपातेन सह हाइड्रोजेलफेनस्य सीटीप्रतिमानि दर्शयति चित्रेषु दृश्यते यत् निर्मितः हाइड्रोजेल् फेनः प्रायः एकरूपः अस्ति । नमूनानां १००, ११० च अल्पसंख्याकाः अन्तरालाः अवलोकिताः ।एतेषां अन्तरालानां निर्माणं जिलेशनप्रक्रियायाः कालखण्डे हाइड्रोजेल् इत्यस्मिन् उत्पद्यमानस्य आन्तरिकतनावस्य कारणेन भवितुम् अर्हति वयं प्रत्येकस्य नमूनायाः 5 क्रॉस् सेक्शन् कृते HU मूल्यानां गणनां कृतवन्तः तथा च तत्सम्बद्धसैद्धान्तिकगणनापरिणामानां सह सारणी 5 मध्ये सूचीकृतवन्तः।
सारणी ५ दर्शयति यत् भिन्नवायुआयतनानुपातयुक्तानां नमूनानां भिन्नानि HU मूल्यानि प्राप्तानि । ५० मिलीलीटर, १०० मिलीलीटर, ११० मिलीलीटरसमूहयोः मध्ये अधिकतमं p मूल्यं ०.००४ < ०.०५ आसीत्, यत् परिणामानां सांख्यिकीयमहत्त्वं सूचयति परीक्षितानां त्रयाणां नमूनानां मध्ये ५० मिलिलीटरमिश्रणयुक्तस्य नमूनायाः रेडियोलॉजिकलगुणाः मानवस्य फुफ्फुसानां समीपे एव आसन् । सारणी 5 इत्यस्य अन्तिमः स्तम्भः मापितफेनमूल्येन \(\:\rho\:\) इत्यस्य आधारेण सैद्धान्तिकगणनाद्वारा प्राप्तः परिणामः अस्ति । मापितदत्तांशस्य सैद्धान्तिकपरिणामैः सह तुलनां कृत्वा एतत् ज्ञातुं शक्यते यत् सीटीस्कैनिङ्गद्वारा प्राप्ताः एचयूमूल्यानि सामान्यतया सैद्धान्तिकपरिणामानां समीपे सन्ति, येन क्रमेण चित्रे 1C वायुमात्रानुपातगणनापरिणामानां पुष्टिः भवति
अस्य अध्ययनस्य मुख्यं उद्देश्यं मानवस्य फुफ्फुसानां तुलनीयानां यांत्रिक-किरणोत्सर्गी-गुणानां युक्तां सामग्रीं निर्मातुं वर्तते । एतत् उद्देश्यं मानवस्य फुफ्फुसानां यथासम्भवं समीपस्थं ऊतकसमतुल्ययान्त्रिकविकिरणीयगुणैः सह हाइड्रोजेल्-आधारितसामग्रीविकासेन प्राप्तम् सैद्धान्तिकगणनाभिः मार्गदर्शितरूपेण सोडियम-एल्जिनेट्-विलयनं, CaCO3, GDL, SLES 70 च यांत्रिकरूपेण मिश्रणं कृत्वा भिन्न-भिन्न-वायु-आयतन-अनुपातैः सह हाइड्रोजेल्-फेनम् निर्मितम् ।आकृतिविज्ञान-विश्लेषणेन ज्ञातं यत् सजातीयः त्रि-आयामी स्थिरः हाइड्रोजेल्-फेनः निर्मितः वायुमात्रानुपातं परिवर्त्य फेनस्य घनत्वं, छिद्रता च इच्छानुसारं परिवर्तयितुं शक्यते । वायुमात्रायाः वृद्ध्या छिद्रस्य आकारः किञ्चित् न्यूनः भवति, छिद्राणां संख्या च वर्धते । एल्गिनेट् हाइड्रोजेल् फेनस्य यांत्रिकगुणानां विश्लेषणार्थं संपीडनपरीक्षाः कृताः । परिणामेषु ज्ञातं यत् संपीडनपरीक्षाभ्यः प्राप्तः संपीडनमापदण्डः (E0) मानवस्य फुफ्फुसानां कृते आदर्शपरिधिषु अस्ति । यथा यथा वायुमात्रानुपातः न्यूनः भवति तथा तथा E0 वर्धते । सज्जीकृतनमूनानां रेडियोलॉजिकलगुणानां (HU) मूल्यानि नमूनानां सीटी-आँकडानां आधारेण प्राप्तानि सैद्धान्तिकगणनायाः परिणामैः सह तुलना कृता परिणामाः अनुकूलाः आसन् । मापितं मूल्यं मानवस्य फुफ्फुसस्य HU मूल्यस्य अपि समीपे एव भवति । परिणामानि दर्शयन्ति यत् मानवस्य फुफ्फुसानां गुणानाम् अनुकरणं कुर्वन्तः यांत्रिक-किरणोत्सर्गी-गुणानां आदर्श-संयोजनेन ऊतक-अनुकरणं कुर्वन्तः हाइड्रोजेल्-फेनस्य निर्माणं सम्भवति
आशाजनकपरिणामानां अभावेऽपि वैश्विकस्थानीयपरिमाणयोः सैद्धान्तिकगणनाभ्यः तथा वास्तविकमानवफुफ्फुसेभ्यः भविष्यवाणीभ्यः मेलयितुम् वायुमात्रानुपातं छिद्रतां च उत्तमरीत्या नियन्त्रयितुं वर्तमाननिर्माणविधिषु सुधारस्य आवश्यकता वर्तते वर्तमान अध्ययनं संपीडनयान्त्रिकस्य परीक्षणं यावत् अपि सीमितम् अस्ति, यत् श्वसनचक्रस्य संपीडनचरणं प्रति प्रेतस्य सम्भाव्यप्रयोगं सीमितं करोति गतिशीलभारस्थितौ सम्भाव्यप्रयोगानाम् आकलनाय तन्यपरीक्षणस्य अन्वेषणेन तथा च सामग्रीयाः समग्रयान्त्रिकस्थिरतायाः अन्वेषणेन भविष्ये अनुसन्धानस्य लाभः भविष्यति एतासां सीमानां अभावेऽपि मानवस्य फुफ्फुसस्य अनुकरणं कृत्वा एकस्मिन् पदार्थे रेडियोलॉजिकल-यान्त्रिक-गुणानां संयोजनस्य प्रथमः सफलः प्रयासः अयं अध्ययनः चिह्नितः अस्ति
वर्तमान अध्ययनस्य समये उत्पन्नाः/विश्लेषिताः च दत्तांशसमूहाः उचितानुरोधेन तत्सम्बद्धलेखकात् उपलभ्यन्ते । प्रयोगाः, दत्तांशसमूहाः च पुनः प्रजननीयौ स्तः ।
गीत, जी, इत्यादि। कर्करोगविकिरणचिकित्सायाः कृते नवीननैनोप्रौद्योगिकीः उन्नतसामग्री च। क्रि. मातेर् । 29, 1700996. https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017).
किल, पी जे, इत्यादि। विकिरणकर्क्कटविज्ञाने श्वसनगतिप्रबन्धनविषये एएपीएम ७६ए कार्यदलस्य प्रतिवेदनम्। मेड. भौतिकी. 33, 3874-3900. https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006)।
अल-माया, ए, मोसेले, जे, तथा ब्रॉक, के के मानव फुफ्फुसस्य अन्तरफलकस्य भौतिक-अरैखिकतायाः च प्रतिरूपणं। भौतिकी एवं चिकित्सा एवं जीव विज्ञान 53, 305-317. https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008)।
वांग, एक्स, एट अल। 3D जैवमुद्रणद्वारा उत्पन्नं अर्बुद-सदृशं फुफ्फुस-कर्क्कट-प्रतिरूपम् । 3. जैव प्रौद्योगिकी। 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018)।
ली, एम., इत्यादि। फुफ्फुसविरूपणस्य प्रतिरूपणं : विरूपणीयप्रतिबिम्बपञ्जीकरणप्रविधिनां तथा स्थानिकरूपेण परिवर्तनशीलस्य यंगस्य मापदण्डस्य अनुमानस्य संयोजनं कृत्वा एकः विधिः । मेड. भौतिकी. 40, 081902. https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013).
Guimarães, सीएफ एट अल। जीवित ऊतकस्य कठोरता ऊतकइञ्जिनीयरिङ्गस्य कृते तस्य निहितार्थाः च। प्रकृति समीक्षा सामग्री एवं पर्यावरण 5, 351-370 (2020).