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O movimento de órgãos e tecidos pode levar a erros no posicionamento dos raios X durante a radioterapia. Portanto, materiais com propriedades mecânicas e radiológicas equivalentes às dos tecidos são necessários para simular o movimento dos órgãos e otimizar a radioterapia. No entanto, o desenvolvimento desses materiais ainda representa um desafio. Hidrogéis de alginato possuem propriedades semelhantes às da matriz extracelular, o que os torna promissores como materiais equivalentes a tecidos. Neste estudo, espumas de hidrogel de alginato com as propriedades mecânicas e radiológicas desejadas foram sintetizadas por meio da liberação in situ de Ca²⁺. A relação ar/volume foi cuidadosamente controlada para obter espumas de hidrogel com propriedades mecânicas e radiológicas definidas. A macro e micromorfologia dos materiais foram caracterizadas e o comportamento das espumas de hidrogel sob compressão foi estudado. As propriedades radiológicas foram estimadas teoricamente e verificadas experimentalmente por meio de tomografia computadorizada. Este estudo contribui para o desenvolvimento futuro de materiais equivalentes a tecidos que podem ser utilizados para a otimização da dose de radiação e o controle de qualidade durante a radioterapia.
A radioterapia é um tratamento comum para o câncer¹. O movimento de órgãos e tecidos frequentemente leva a erros no posicionamento dos raios X durante a radioterapia², o que pode resultar em tratamento insuficiente do tumor e superexposição das células saudáveis ​​circundantes à radiação desnecessária. A capacidade de prever o movimento de órgãos e tecidos é crucial para minimizar erros na localização do tumor. Este estudo focou nos pulmões, uma vez que estes sofrem deformações e movimentos significativos quando os pacientes respiram durante a radioterapia. Vários modelos de elementos finitos foram desenvolvidos e aplicados para simular o movimento dos pulmões humanos³,⁴,⁵. No entanto, os órgãos e tecidos humanos possuem geometrias complexas e são altamente dependentes do paciente. Portanto, materiais com propriedades equivalentes às dos tecidos são muito úteis para o desenvolvimento de modelos físicos que validem modelos teóricos, facilitem o aprimoramento do tratamento médico e sejam utilizados para fins de educação médica.
O desenvolvimento de materiais que mimetizam tecidos moles para alcançar geometrias estruturais externas e internas complexas tem atraído muita atenção, pois suas inconsistências mecânicas inerentes podem levar a falhas em aplicações específicas6,7. A modelagem da biomecânica complexa do tecido pulmonar, que combina extrema maciez, elasticidade e porosidade estrutural, representa um desafio significativo no desenvolvimento de modelos que reproduzam com precisão o pulmão humano. A integração e a correspondência das propriedades mecânicas e radiológicas são cruciais para o desempenho eficaz de modelos pulmonares em intervenções terapêuticas. A manufatura aditiva tem se mostrado eficaz no desenvolvimento de modelos específicos para cada paciente, permitindo a prototipagem rápida de projetos complexos. Shin et al.8 desenvolveram um modelo pulmonar deformável e reproduzível com vias aéreas impressas em 3D. Haselaar et al.9 desenvolveram um fantasma altamente similar a pacientes reais para métodos de avaliação da qualidade da imagem e verificação de posicionamento em radioterapia. Hong et al.10 desenvolveram um modelo de tomografia computadorizada (TC) de tórax utilizando impressão 3D e tecnologia de moldagem em silicone para reproduzir a intensidade da TC de diversas lesões pulmonares e avaliar a precisão da quantificação. No entanto, esses protótipos são frequentemente feitos de materiais cujas propriedades efetivas são muito diferentes das do tecido pulmonar11.
Atualmente, a maioria dos simuladores de pulmão são feitos de silicone ou espuma de poliuretano, que não correspondem às propriedades mecânicas e radiológicas do parênquima pulmonar real.12,13 Os hidrogéis de alginato são biocompatíveis e têm sido amplamente utilizados em engenharia de tecidos devido às suas propriedades mecânicas ajustáveis.14 No entanto, reproduzir a consistência ultramacia, semelhante à espuma, necessária para um simulador de pulmão que imite com precisão a elasticidade e a estrutura de preenchimento do tecido pulmonar continua sendo um desafio experimental.
Neste estudo, assumiu-se que o tecido pulmonar é um material elástico homogêneo. A densidade do tecido pulmonar humano (ρ) é relatada como sendo de 1,06 g/cm³, e a densidade do pulmão inflado é de 0,26 g/cm³. Uma ampla gama de valores do módulo de Young (MY) do tecido pulmonar foi obtida utilizando diferentes métodos experimentais. Lai-Fook et al.¹⁶ mediram o MY do pulmão humano com inflação uniforme, obtendo valores entre 0,42 e 6,72 kPa. Goss et al.¹⁷ utilizaram elastografia por ressonância magnética e relataram um MY de 2,17 kPa. Liu et al.¹⁸ relataram um MY medido diretamente entre 0,03 e 57,2 kPa. Ilegbusi et al.¹⁹ estimaram o MY entre 0,1 e 2,7 kPa com base em dados de tomografia computadorizada 4D obtidos de pacientes selecionados.
Para as propriedades radiológicas do pulmão, vários parâmetros são usados ​​para descrever o comportamento da interação do tecido pulmonar com os raios X, incluindo a composição elementar, a densidade eletrônica (\(\:{\rho\:}_{e}\)), o número atômico efetivo (\(\:{Z}_{eff}\)), a energia média de excitação (\(\:I\)), o coeficiente de atenuação de massa (\(\:\mu\:/\rho\:\)) e a unidade Hounsfield (HU), que está diretamente relacionada a \(\:\mu\:/\rho\:\).
A densidade eletrônica \(\:{\rho\:}_{e}\) é definida como o número de elétrons por unidade de volume e é calculada da seguinte forma:
onde \(\:\rho\:\) é a densidade do material em g/cm3, \(\:{N}_{A}\) é a constante de Avogadro, \(\:{w}_{i}\) é a fração de massa, \(\:{Z}_{i}\) é o número atômico e \(\:{A}_{i}\) é o peso atômico do i-ésimo elemento.
O número atômico está diretamente relacionado à natureza da interação da radiação dentro do material. Para compostos e misturas contendo vários elementos (por exemplo, tecidos), o número atômico efetivo \(\:{Z}_{eff}\) deve ser calculado. A fórmula foi proposta por Murthy et al. 20:
A energia média de excitação \(\:I\) descreve a facilidade com que o material alvo absorve a energia cinética das partículas penetrantes. Ela descreve apenas as propriedades do material alvo e não tem relação com as propriedades das partículas. \(\:I\) pode ser calculada aplicando-se a regra da aditividade de Bragg:
O coeficiente de atenuação de massa \(\:\mu\:/\rho\:\) descreve a penetração e a liberação de energia dos fótons no material alvo. Ele pode ser calculado usando a seguinte fórmula:
Onde \(\:x\) é a espessura do material, \(\:{I}_{0}\) é a intensidade da luz incidente e \(\:I\) é a intensidade do fóton após a penetração no material. Os dados de \(\:\mu\:/\rho\:\) podem ser obtidos diretamente do banco de dados de referência de padrões NIST 12621. Os valores de \(\:\mu\:/\rho\:\) para misturas e compostos podem ser derivados usando a regra da aditividade da seguinte forma:
A Unidade Hounsfield (UH) é uma unidade de medida adimensional padronizada da radiodensidade na interpretação de dados de tomografia computadorizada (TC), que é transformada linearmente a partir do coeficiente de atenuação medido μ. Ela é definida como:
onde \(\:{\mu\:}_{água}\) é o coeficiente de atenuação da água e \(\:{\mu\:}_{ar}\) é o coeficiente de atenuação do ar. Portanto, a partir da fórmula (6), vemos que o valor HU da água é 0 e o valor HU do ar é -1000. O valor HU para os pulmões humanos varia de -600 a -70022.
Diversos materiais equivalentes a tecidos foram desenvolvidos. Griffith et al.²³ desenvolveram um modelo equivalente a tecido do torso humano feito de poliuretano (PU), ao qual foram adicionadas várias concentrações de carbonato de cálcio (CaCO₃) para simular os coeficientes de atenuação linear de vários órgãos humanos, incluindo o pulmão humano; o modelo foi denominado Griffith. Taylor²⁴ apresentou um segundo modelo equivalente a tecido pulmonar desenvolvido pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL), denominado LLLL1. Traub et al.²⁵ desenvolveram um novo substituto de tecido pulmonar utilizando Foamex XRS-272 contendo 5,25% de CaCO₃ como intensificador de desempenho, denominado ALT2. As Tabelas 1 e 2 mostram uma comparação de ρ, ρ_e, Z_eff, I e os coeficientes de atenuação de massa para o pulmão humano (ICRU-44) e os modelos equivalentes a tecidos mencionados acima.
Apesar das excelentes propriedades radiológicas alcançadas, quase todos os materiais utilizados em simuladores pulmonares são feitos de espuma de poliestireno, o que significa que as propriedades mecânicas desses materiais não se aproximam das dos pulmões humanos. O módulo de Young (YM) da espuma de poliuretano é de cerca de 500 kPa, o que está longe do ideal em comparação com os pulmões humanos normais (cerca de 5 a 10 kPa). Portanto, é necessário desenvolver um novo material que possa atender às características mecânicas e radiológicas dos pulmões humanos reais.
Hidrogéis são amplamente utilizados em engenharia de tecidos. Sua estrutura e propriedades são semelhantes à matriz extracelular (MEC) e são facilmente ajustáveis. Neste estudo, o alginato de sódio puro foi escolhido como biomaterial para a preparação de espumas. Hidrogéis de alginato são biocompatíveis e amplamente utilizados em engenharia de tecidos devido às suas propriedades mecânicas ajustáveis. A composição elementar do alginato de sódio (C6H7NaO6)n e a presença de Ca2+ permitem que suas propriedades radiológicas sejam ajustadas conforme necessário. Essa combinação de propriedades mecânicas e radiológicas ajustáveis ​​torna os hidrogéis de alginato ideais para o nosso estudo. Naturalmente, os hidrogéis de alginato também apresentam limitações, principalmente em termos de estabilidade a longo prazo durante ciclos respiratórios simulados. Portanto, melhorias adicionais são necessárias e esperadas em estudos futuros para superar essas limitações.
Neste trabalho, desenvolvemos um material de espuma de hidrogel de alginato com valores de rho controláveis, elasticidade e propriedades radiológicas semelhantes às do tecido pulmonar humano. Este estudo fornecerá uma solução geral para a fabricação de simuladores de tecido com propriedades elásticas e radiológicas ajustáveis. As propriedades do material podem ser facilmente adaptadas a qualquer tecido ou órgão humano.
A proporção ar/volume alvo da espuma de hidrogel foi calculada com base na faixa de HU dos pulmões humanos (-600 a -700). Presumiu-se que a espuma fosse uma mistura simples de ar e hidrogel de alginato sintético. Utilizando uma regra de adição simples dos elementos individuais \(\:\mu\:/\rho\:\), foi possível calcular a fração volumétrica de ar e a proporção volumétrica do hidrogel de alginato sintetizado.
Espumas de hidrogel de alginato foram preparadas utilizando alginato de sódio (nº de peça W201502), CaCO3 (nº de peça 795445, PM: 100,09) e GDL (nº de peça G4750, PM: 178,14), adquiridos da Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO. Lauril éter sulfato de sódio a 70% (SLES 70) foi adquirido da Renowned Trading LLC. Água deionizada foi utilizada no processo de preparação da espuma. O alginato de sódio foi dissolvido em água deionizada à temperatura ambiente, sob agitação constante (600 rpm), até a obtenção de uma solução homogênea amarela translúcida. O CaCO3, em combinação com o GDL, foi utilizado como fonte de Ca2+ para iniciar a gelificação. O SLES 70 foi utilizado como surfactante para formar uma estrutura porosa no interior do hidrogel. A concentração de alginato foi mantida em 5% e a razão molar Ca2+:-COOH foi mantida em 0,18. A proporção molar CaCO3:GDL também foi mantida em 0,5 durante a preparação da espuma para manter um pH neutro. O valor é 26,2% em volume de SLES 70 foi adicionado a todas as amostras. Um béquer com tampa foi usado para controlar a proporção de mistura da solução e do ar. O volume total do béquer era de 140 ml. Com base nos resultados do cálculo teórico, diferentes volumes da mistura (50 ml, 100 ml, 110 ml) foram adicionados ao béquer para mistura com ar. A amostra contendo 50 ml da mistura foi projetada para misturar com ar suficiente, enquanto a proporção de volume de ar nas outras duas amostras foi controlada. Primeiro, o SLES 70 foi adicionado à solução de alginato e agitado com um agitador elétrico até completa homogeneização. Em seguida, a suspensão de CaCO3 foi adicionada à mistura e agitada continuamente até a completa homogeneização, quando sua cor mudou para branco. Finalmente, a solução de GDL foi adicionada à mistura para iniciar a gelificação, e a agitação mecânica foi mantida durante todo o processo. Para a amostra contendo 50 ml da mistura, a agitação mecânica foi interrompida quando o volume da mistura parou de mudar. Para as amostras contendo 100 ml e 110 ml da mistura, a agitação mecânica foi interrompida quando a mistura preencheu o béquer. Também tentamos preparar espumas de hidrogel com um volume entre 50 ml e 100 ml. No entanto, observou-se instabilidade estrutural da espuma, que oscilava entre o estado de completa mistura com ar e o estado de controle do volume de ar, resultando em um controle de volume inconsistente. Essa instabilidade introduziu incerteza nos cálculos e, portanto, essa faixa de volume não foi incluída neste estudo.
A densidade \(\:\rho\:\) de uma espuma de hidrogel é calculada medindo-se a massa \(\:m\) e o volume \(\:V\) de uma amostra de espuma de hidrogel.
Imagens de microscopia óptica de espumas de hidrogel foram obtidas utilizando uma câmera Zeiss Axio Observer A1. O software ImageJ foi utilizado para calcular o número e a distribuição de tamanho dos poros em uma determinada área da amostra, com base nas imagens obtidas. Assume-se que o formato dos poros seja circular.
Para estudar as propriedades mecânicas das espumas de hidrogel de alginato, foram realizados testes de compressão uniaxial utilizando uma máquina TESTRESOURCES série 100. As amostras foram cortadas em blocos retangulares e as dimensões dos blocos foram medidas para calcular as tensões e deformações. A velocidade da travessa foi ajustada para 10 mm/min. Três amostras foram testadas para cada tipo de espuma, e a média e o desvio padrão foram calculados a partir dos resultados. Este estudo focou nas propriedades mecânicas de compressão das espumas de hidrogel de alginato, visto que o tecido pulmonar é submetido a forças compressivas em determinada fase do ciclo respiratório. A extensibilidade é crucial, especialmente para refletir o comportamento dinâmico completo do tecido pulmonar, e será investigada em estudos futuros.
As amostras de espuma de hidrogel preparadas foram escaneadas em um tomógrafo computadorizado de dois canais Siemens SOMATOM Drive. Os parâmetros de escaneamento foram definidos como: 40 mAs, 120 kVp e espessura de corte de 1 mm. Os arquivos DICOM resultantes foram analisados ​​utilizando o software MicroDicom DICOM Viewer para analisar os valores de Unidades Hounsfield (UH) de 5 seções transversais de cada amostra. Os valores de UH obtidos por tomografia computadorizada foram comparados com cálculos teóricos baseados nos dados de densidade das amostras.
O objetivo deste estudo é revolucionar a fabricação de modelos de órgãos individuais e tecidos biológicos artificiais por meio da engenharia de materiais macios. O desenvolvimento de materiais com propriedades mecânicas e radiológicas que correspondam à mecânica de funcionamento dos pulmões humanos é importante para aplicações específicas, como o aprimoramento do treinamento médico, o planejamento cirúrgico e o planejamento da radioterapia. Na Figura 1A, apresentamos a discrepância entre as propriedades mecânicas e radiológicas de materiais macios que podem ser usados ​​na fabricação de modelos de pulmão humano. Até o momento, foram desenvolvidos materiais que exibem as propriedades radiológicas desejadas, mas suas propriedades mecânicas não atendem aos requisitos necessários. Espuma de poliuretano e borracha são os materiais mais utilizados para a fabricação de modelos deformáveis ​​de pulmão humano. As propriedades mecânicas da espuma de poliuretano (módulo de Young, YM) são tipicamente de 10 a 100 vezes maiores do que as do tecido pulmonar humano normal. Materiais que apresentem tanto as propriedades mecânicas quanto as radiológicas desejadas ainda não foram encontrados.
(A) Representação esquemática das propriedades de vários materiais macios e comparação com o pulmão humano em termos de densidade, módulo de Young e propriedades radiológicas (em HU). (B) Padrão de difração de raios X do hidrogel de alginato \(\:\mu\:/\rho\:\) com concentração de 5% e razão molar Ca2+:-COOH de 0,18. (C) Faixa de proporções de volume de ar em espumas de hidrogel. (D) Representação esquemática de espumas de hidrogel de alginato com diferentes proporções de volume de ar.
A composição elementar dos hidrogéis de alginato com uma concentração de 5% e uma razão molar Ca2+:-COOH de 0,18 foi calculada e os resultados são mostrados na Tabela 3. De acordo com a regra de adição na fórmula anterior (5), o coeficiente de atenuação de massa do hidrogel de alginato \(\:\:\mu\:/\rho\:\) é obtido como mostrado na Figura 1B.
Os valores de \(\:\mu\:/\rho\:\) para ar e água foram obtidos diretamente do banco de dados de referência dos padrões NIST 12612. Assim, a Figura 1C mostra as proporções de volume de ar calculadas em espumas de hidrogel com valores equivalentes em HU entre -600 e -700 para o pulmão humano. A proporção de volume de ar calculada teoricamente é estável dentro de 60–70% na faixa de energia de 1 × 10−3 a 2 × 101 MeV, indicando um bom potencial para a aplicação de espuma de hidrogel em processos de fabricação subsequentes.
A Figura 1D mostra a amostra de espuma de hidrogel de alginato preparada. Todas as amostras foram cortadas em cubos com aresta de 12,7 mm. Os resultados mostraram a formação de uma espuma de hidrogel homogênea e tridimensionalmente estável. Independentemente da proporção de ar, não foram observadas diferenças significativas na aparência das espumas de hidrogel. A natureza autossustentável da espuma de hidrogel sugere que a rede formada em seu interior é suficientemente forte para suportar o próprio peso da espuma. Além de uma pequena quantidade de vazamento de água, a espuma também demonstrou estabilidade transitória por várias semanas.
Medindo a massa e o volume da amostra de espuma, calculou-se a densidade da espuma de hidrogel preparada (ρ), cujos resultados são apresentados na Tabela 4. Os resultados mostram a dependência de ρ na proporção volumétrica de ar. Quando se mistura ar suficiente com 50 ml da amostra, a densidade atinge o valor mínimo de 0,482 g/cm³. À medida que a quantidade de ar misturado diminui, a densidade aumenta para 0,685 g/cm³. O valor de p máximo entre os grupos de 50 ml, 100 ml e 110 ml foi de 0,004 < 0,05, indicando a significância estatística dos resultados.
O valor teórico de ρ também foi calculado usando a proporção de volume de ar controlada. Os resultados medidos mostram que ρ é 0,1 g/cm³ menor que o valor teórico. Essa diferença pode ser explicada pela tensão interna gerada no hidrogel durante o processo de gelificação, que causa o inchamento e, consequentemente, leva a uma diminuição de ρ. Isso foi confirmado pela observação de algumas lacunas dentro da espuma de hidrogel nas imagens de tomografia computadorizada mostradas na Figura 2 (A, B e C).
Imagens de microscopia óptica de espumas de hidrogel com diferentes conteúdos de volume de ar (A) 50, (B) 100 e (C) 110. Número de células e distribuição do tamanho dos poros em amostras de espuma de hidrogel de alginato (D) 50, (E) 100 e (F) 110.
A Figura 3 (A, B, C) mostra as imagens de microscopia óptica das amostras de espuma de hidrogel com diferentes proporções de volume de ar. Os resultados demonstram a estrutura óptica da espuma de hidrogel, mostrando claramente as imagens dos poros com diferentes diâmetros. A distribuição do número e diâmetro dos poros foi calculada usando o ImageJ. Seis imagens foram obtidas para cada amostra, cada imagem com dimensões de 1125,27 μm × 843,96 μm, e a área total analisada para cada amostra foi de 5,7 mm².
(A) Comportamento tensão-deformação compressiva de espumas de hidrogel de alginato com diferentes proporções de volume de ar. (B) Ajuste exponencial. (C) Compressão E0 de espumas de hidrogel com diferentes proporções de volume de ar. (D) Tensão e deformação compressivas máximas de espumas de hidrogel de alginato com diferentes proporções de volume de ar.
A Figura 3 (D, E, F) mostra que a distribuição do tamanho dos poros é relativamente uniforme, variando de dezenas de micrômetros a cerca de 500 micrômetros. O tamanho dos poros é basicamente uniforme e diminui ligeiramente com a redução do volume de ar. De acordo com os dados do teste, o tamanho médio dos poros da amostra de 50 ml é de 192,16 μm, a mediana é de 184,51 μm e o número de poros por unidade de área é de 103; o tamanho médio dos poros da amostra de 100 ml é de 156,62 μm, a mediana é de 151,07 μm e o número de poros por unidade de área é de 109; os valores correspondentes da amostra de 110 ml são 163,07 μm, 150,29 μm e 115, respectivamente. Os dados mostram que os poros maiores têm uma influência maior nos resultados estatísticos do tamanho médio dos poros, e o tamanho mediano dos poros reflete melhor a tendência de variação do tamanho dos poros. À medida que o volume da amostra aumenta de 50 ml para 110 ml, o número de poros também aumenta. Combinando os resultados estatísticos do diâmetro mediano dos poros e do número de poros, pode-se concluir que, com o aumento do volume, mais poros de menor tamanho são formados dentro da amostra.
Os dados dos testes mecânicos são mostrados nas Figuras 4A e 4D. A Figura 4A mostra o comportamento tensão-deformação sob compressão das espumas de hidrogel preparadas com diferentes proporções de volume de ar. Os resultados mostram que todas as amostras apresentam comportamento tensão-deformação não linear semelhante. Para cada amostra, a tensão aumenta mais rapidamente com o aumento da deformação. Uma curva exponencial foi ajustada ao comportamento tensão-deformação sob compressão da espuma de hidrogel. A Figura 4B mostra os resultados após a aplicação da função exponencial como um modelo aproximado para a espuma de hidrogel.
Para as espumas de hidrogel com diferentes proporções de volume de ar, seu módulo de compressão (E0) também foi estudado. De forma semelhante à análise dos hidrogéis, o módulo de Young de compressão foi investigado na faixa de 20% de deformação inicial. Os resultados dos testes de compressão são mostrados na Figura 4C. Os resultados na Figura 4C mostram que, à medida que a proporção de volume de ar diminui da amostra 50 para a amostra 110, o módulo de Young de compressão E0 da espuma de hidrogel de alginato aumenta de 10,86 kPa para 18 kPa.
De forma semelhante, foram obtidas as curvas completas de tensão-deformação das espumas de hidrogel, bem como os valores máximos de tensão e deformação à compressão. A Figura 4D mostra a tensão e a deformação à compressão máximas das espumas de hidrogel de alginato. Cada ponto de dados representa a média de três resultados de teste. Os resultados mostram que a tensão à compressão máxima aumenta de 9,84 kPa para 17,58 kPa com a diminuição do teor de gás. A deformação máxima permanece estável em cerca de 38%.
A Figura 2 (A, B e C) mostra as imagens de tomografia computadorizada (TC) das espumas de hidrogel com diferentes proporções de volume de ar, correspondentes às amostras 50, 100 e 110, respectivamente. As imagens mostram que a espuma de hidrogel formada é quase homogênea. Um pequeno número de lacunas foi observado nas amostras 100 e 110. A formação dessas lacunas pode ser atribuída à tensão interna gerada no hidrogel durante o processo de gelificação. Calculamos os valores de Unidades Hounsfield (UH) para 5 seções transversais de cada amostra e os listamos na Tabela 5, juntamente com os resultados dos cálculos teóricos correspondentes.
A Tabela 5 mostra que as amostras com diferentes proporções de volume de ar obtiveram diferentes valores de HU. O valor p máximo entre os grupos de 50 ml, 100 ml e 110 ml foi de 0,004 < 0,05, indicando a significância estatística dos resultados. Entre as três amostras testadas, a amostra com 50 ml de mistura apresentou as propriedades radiológicas mais próximas às dos pulmões humanos. A última coluna da Tabela 5 apresenta o resultado obtido pelo cálculo teórico com base no valor de espuma medido (ρ). Comparando os dados medidos com os resultados teóricos, observa-se que os valores de HU obtidos por tomografia computadorizada são, em geral, próximos aos resultados teóricos, o que, por sua vez, confirma os resultados do cálculo da proporção de volume de ar na Figura 1C.
O principal objetivo deste estudo é criar um material com propriedades mecânicas e radiológicas comparáveis ​​às do pulmão humano. Esse objetivo foi alcançado pelo desenvolvimento de um material à base de hidrogel com propriedades mecânicas e radiológicas personalizadas, equivalentes às do tecido pulmonar humano. Guiadas por cálculos teóricos, espumas de hidrogel com diferentes proporções de volume de ar foram preparadas pela mistura mecânica de solução de alginato de sódio, CaCO3, GDL e SLES 70. A análise morfológica mostrou a formação de uma espuma de hidrogel homogênea, tridimensional e estável. Alterando-se a proporção de volume de ar, a densidade e a porosidade da espuma podem ser variadas conforme a necessidade. Com o aumento do teor de ar, o tamanho dos poros diminui ligeiramente e o número de poros aumenta. Testes de compressão foram realizados para analisar as propriedades mecânicas das espumas de hidrogel de alginato. Os resultados mostraram que o módulo de compressão (E0) obtido nos testes de compressão está na faixa ideal para o pulmão humano. O E0 aumenta à medida que a proporção de volume de ar diminui. Os valores das propriedades radiológicas (HU) das amostras preparadas foram obtidos com base nos dados de tomografia computadorizada (TC) das amostras e comparados com os resultados de cálculos teóricos. Os resultados foram favoráveis. O valor medido também se aproxima do valor de HU dos pulmões humanos. Os resultados mostram que é possível criar espumas de hidrogel que imitam tecidos com uma combinação ideal de propriedades mecânicas e radiológicas que mimetizam as propriedades dos pulmões humanos.
Apesar dos resultados promissores, os métodos de fabricação atuais precisam ser aprimorados para melhor controlar a proporção de volume de ar e a porosidade, de modo a corresponder às previsões dos cálculos teóricos e aos pulmões humanos reais, tanto em escala global quanto local. O presente estudo também se limita a testar a mecânica da compressão, o que restringe a aplicação potencial do fantasma à fase de compressão do ciclo respiratório. Pesquisas futuras se beneficiariam da investigação de testes de tração, bem como da estabilidade mecânica geral do material, para avaliar possíveis aplicações sob condições de carga dinâmica. Apesar dessas limitações, o estudo representa a primeira tentativa bem-sucedida de combinar propriedades radiológicas e mecânicas em um único material que mimetiza o pulmão humano.
Os conjuntos de dados gerados e/ou analisados ​​durante o presente estudo estão disponíveis mediante solicitação razoável ao autor correspondente. Tanto os experimentos quanto os conjuntos de dados são reproduzíveis.
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