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Die Bewegung von Organen und Geweben kann zu Fehlern bei der Positionierung von Röntgenstrahlen während der Strahlentherapie führen. Daher werden Materialien mit gewebeäquivalenten mechanischen und radiologischen Eigenschaften benötigt, um die Organbewegung zur Optimierung der Strahlentherapie nachzubilden. Die Entwicklung solcher Materialien stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. Alginathydrogele weisen ähnliche Eigenschaften wie die extrazelluläre Matrix auf und sind daher vielversprechende gewebeäquivalente Materialien. In dieser Studie wurden Alginathydrogelschäume mit den gewünschten mechanischen und radiologischen Eigenschaften durch In-situ-Ca²⁺-Freisetzung synthetisiert. Das Luft-Volumen-Verhältnis wurde sorgfältig kontrolliert, um Hydrogelschäume mit definierten mechanischen und radiologischen Eigenschaften zu erhalten. Die Makro- und Mikromorphologie der Materialien wurde charakterisiert und das Verhalten der Hydrogelschäume unter Kompression untersucht. Die radiologischen Eigenschaften wurden theoretisch abgeschätzt und experimentell mittels Computertomographie verifiziert. Diese Studie liefert wichtige Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung gewebeäquivalenter Materialien, die zur Optimierung der Strahlendosis und zur Qualitätskontrolle während der Strahlentherapie eingesetzt werden können.
Die Strahlentherapie ist eine gängige Behandlungsmethode bei Krebs¹. Die Bewegung von Organen und Gewebe führt häufig zu Fehlern bei der Positionierung der Röntgenstrahlen während der Strahlentherapie², was eine Unterbehandlung des Tumors und eine Überbestrahlung des umliegenden gesunden Gewebes mit unnötiger Strahlung zur Folge haben kann. Die Fähigkeit, die Bewegung von Organen und Gewebe vorherzusagen, ist entscheidend, um Fehler bei der Tumorlokalisation zu minimieren. Diese Studie konzentrierte sich auf die Lunge, da diese während der Strahlentherapie beim Atmen der Patienten signifikanten Deformationen und Bewegungen unterliegt. Verschiedene Finite-Elemente-Modelle wurden entwickelt und angewendet, um die Bewegung der menschlichen Lunge zu simulieren^3,4,5. Menschliche Organe und Gewebe weisen jedoch komplexe Geometrien auf und sind stark patientenabhängig. Daher sind Materialien mit gewebeäquivalenten Eigenschaften sehr nützlich für die Entwicklung physikalischer Modelle zur Validierung theoretischer Modelle, zur Verbesserung der medizinischen Behandlung und für die medizinische Ausbildung.
Die Entwicklung von Materialien, die Weichgewebe imitieren und komplexe externe und interne Strukturgeometrien ermöglichen, hat aufgrund ihrer inhärenten mechanischen Inkonsistenzen, die zu Fehlfunktionen in den Zielanwendungen führen können^6,7, große Aufmerksamkeit erregt. Die Modellierung der komplexen Biomechanik des Lungengewebes, das extreme Weichheit, Elastizität und strukturelle Porosität vereint, stellt eine erhebliche Herausforderung für die Entwicklung von Modellen dar, die die menschliche Lunge präzise nachbilden. Die Integration und Abstimmung mechanischer und radiologischer Eigenschaften sind entscheidend für die effektive Anwendung von Lungenmodellen in therapeutischen Interventionen. Die additive Fertigung hat sich bei der Entwicklung patientenspezifischer Modelle als effektiv erwiesen und ermöglicht die schnelle Prototypenerstellung komplexer Designs. Shin et al.⁸ entwickelten ein reproduzierbares, verformbares Lungenmodell mit 3D-gedruckten Atemwegen. Haselaar et al.⁹ entwickelten ein Phantom, das realen Patienten sehr ähnlich ist, für die Bildqualitätsbewertung und Positionsverifizierung in der Strahlentherapie. Hong et al.¹⁰ entwickelten ein Thorax-CT-Modell mithilfe von 3D-Druck und Silikongusstechnologie, um die CT-Intensität verschiedener Lungenläsionen zu reproduzieren und die Genauigkeit der Quantifizierung zu bewerten. Allerdings bestehen diese Prototypen häufig aus Materialien, deren effektive Eigenschaften sich stark von denen des Lungengewebes unterscheiden11.
Aktuell bestehen die meisten Lungenphantome aus Silikon- oder Polyurethanschaum, die die mechanischen und radiologischen Eigenschaften des realen Lungengewebes nicht adäquat wiedergeben.^12,13 Alginathydrogele sind biokompatibel und werden aufgrund ihrer einstellbaren mechanischen Eigenschaften häufig im Tissue Engineering eingesetzt.¹⁴ Die Reproduktion der ultraweichen, schaumartigen Konsistenz, die für ein Lungenphantom erforderlich ist, das die Elastizität und Füllungsstruktur des Lungengewebes präzise nachbildet, stellt jedoch weiterhin eine experimentelle Herausforderung dar.
In dieser Studie wurde angenommen, dass Lungengewebe ein homogenes elastisches Material ist. Die Dichte von menschlichem Lungengewebe (ρ) beträgt 1,06 g/cm³, die Dichte der aufgeblähten Lunge 0,26 g/cm³¹⁵. Mit verschiedenen experimentellen Methoden wurden unterschiedliche Werte für den Elastizitätsmodul (Young-Modul, MY) von Lungengewebe ermittelt. Lai-Fook et al.¹⁶ bestimmten den MY der menschlichen Lunge bei gleichmäßiger Aufblähung mit 0,42–6,72 kPa. Goss et al.¹⁷ verwendeten Magnetresonanz-Elastographie und berichteten über einen MY von 2,17 kPa. Liu et al.¹⁸ berichteten über einen direkt gemessenen MY von 0,03–57,2 kPa. Ilegbusi et al.¹⁹ schätzten den MY anhand von 4D-CT-Daten ausgewählter Patienten auf 0,1–2,7 kPa.
Für die radiologischen Eigenschaften der Lunge werden verschiedene Parameter verwendet, um das Wechselwirkungsverhalten des Lungengewebes mit Röntgenstrahlen zu beschreiben. Dazu gehören die elementare Zusammensetzung, die Elektronendichte (\(\:{\rho\:}_{e}\)), die effektive Ordnungszahl (\(\:{Z}_{eff}\)), die mittlere Anregungsenergie (\(\:I\)), der Massenschwächungskoeffizient (\(\:mu\:/\rho\:)) und die Hounsfield-Einheit (HU), die in direktem Zusammenhang mit \(\:mu\:/\rho\:) steht.
Die Elektronendichte \(\:{\rho\:}_{e}\) ist definiert als die Anzahl der Elektronen pro Volumeneinheit und wird wie folgt berechnet:
wobei \(\:rho\:) die Dichte des Materials in g/cm3 ist, \(\:{N}_{A}\) die Avogadro-Konstante, \(\:{w}_{i}\) der Massenanteil, \(\:{Z}_{i}\) die Ordnungszahl und \(\:{A}_{i}\) das Atomgewicht des i-ten Elements.
Die Ordnungszahl steht in direktem Zusammenhang mit der Art der Wechselwirkung von Strahlung im Material. Bei Verbindungen und Gemischen, die mehrere Elemente enthalten (z. B. Textilien), muss die effektive Ordnungszahl \(\:{Z}_{eff}\) berechnet werden. Die Formel wurde von Murthy et al. 20 vorgeschlagen:
Die mittlere Anregungsenergie \(\:I\) beschreibt, wie leicht das Zielmaterial die kinetische Energie der eindringenden Teilchen absorbiert. Sie beschreibt ausschließlich die Eigenschaften des Zielmaterials und steht in keinem Zusammenhang mit den Eigenschaften der Teilchen. \(\:I\) kann mithilfe der Braggschen Additivitätsregel berechnet werden.
Der Massenschwächungskoeffizient \(\:\mu\:/\rho\:\) beschreibt das Eindringen und die Energieabgabe von Photonen im Zielmaterial. Er kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Dabei ist \(\:x\) die Dicke des Materials, \(\:{I}_{0}\) die Intensität des einfallenden Lichts und \(\:I\) die Photonenintensität nach dem Eindringen in das Material. \(\:mu\:/\rho\:)-Daten können direkt aus der NIST 12621 Standards Reference Database entnommen werden. \(\:mu\:/\rho\:)-Werte für Gemische und Verbindungen lassen sich mithilfe der Additivitätsregel wie folgt ableiten:
Hounsfield-Einheiten (HU) sind eine standardisierte, dimensionslose Maßeinheit für die Röntgendichte bei der Interpretation von Computertomographie-Daten (CT). Sie werden linear aus dem gemessenen Schwächungskoeffizienten μ transformiert und sind wie folgt definiert:
Dabei ist \(\:{\mu\:}_{water}\) der Dämpfungskoeffizient von Wasser und \(\:{\mu\:}_{air}\) der Dämpfungskoeffizient von Luft. Aus Formel (6) ergibt sich, dass der HU-Wert von Wasser 0 und der von Luft -1000 beträgt. Der HU-Wert der menschlichen Lunge liegt zwischen -600 und -70022.
Es wurden verschiedene gewebeäquivalente Materialien entwickelt. Griffith et al.²³ entwickelten ein gewebeäquivalentes Modell des menschlichen Torsos aus Polyurethan (PU), dem verschiedene Konzentrationen von Calciumcarbonat (CaCO₃) zugesetzt wurden, um die linearen Schwächungskoeffizienten verschiedener menschlicher Organe, einschließlich der Lunge, zu simulieren. Dieses Modell wurde nach Griffith benannt. Taylor²⁴ präsentierte ein zweites gewebeäquivalentes Lungenmodell, das vom Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entwickelt und LLLL1 genannt wurde. Traub et al.²⁵ entwickelten einen neuen Lungengewebeersatz auf Basis von Foamex XRS-272 mit 5,25 % CaCO₃ als Leistungsverstärker, der ALT2 genannt wurde. Die Tabellen 1 und 2 zeigen einen Vergleich von ρ, ρ_e, Z_eff, I und den Massenschwächungskoeffizienten für die menschliche Lunge (ICRU-44) und die oben genannten gewebeäquivalenten Modelle.
Trotz der erzielten hervorragenden radiologischen Eigenschaften bestehen fast alle Phantommaterialien aus Polystyrolschaum. Dies bedeutet, dass die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien nicht mit denen der menschlichen Lunge vergleichbar sind. Der Elastizitätsmodul (E-Modul) von Polyurethanschaum liegt bei etwa 500 kPa und ist damit weit entfernt von den idealen Werten der menschlichen Lunge (ca. 5–10 kPa). Daher ist die Entwicklung eines neuen Materials erforderlich, das die mechanischen und radiologischen Eigenschaften der menschlichen Lunge nachbildet.
Hydrogele finden breite Anwendung im Tissue Engineering. Ihre Struktur und Eigenschaften ähneln der extrazellulären Matrix (ECM) und lassen sich leicht anpassen. In dieser Studie wurde reines Natriumalginat als Biomaterial für die Herstellung von Schäumen gewählt. Alginathydrogele sind biokompatibel und werden aufgrund ihrer anpassbaren mechanischen Eigenschaften häufig im Tissue Engineering eingesetzt. Die Elementzusammensetzung von Natriumalginat (C₆H₇NaO₆)ₙ und das Vorhandensein von Ca²⁺ ermöglichen die bedarfsgerechte Anpassung seiner radiologischen Eigenschaften. Diese Kombination aus anpassbaren mechanischen und radiologischen Eigenschaften macht Alginathydrogele ideal für unsere Studie. Natürlich weisen Alginathydrogele auch Einschränkungen auf, insbesondere hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität während simulierter Atemzyklen. Daher sind weitere Verbesserungen erforderlich und in zukünftigen Studien zu erwarten, um diese Einschränkungen zu beheben.
In dieser Arbeit haben wir ein Alginat-Hydrogel-Schaummaterial mit kontrollierbaren ρ-Werten, Elastizität und radiologischen Eigenschaften entwickelt, die denen von menschlichem Lungengewebe ähneln. Diese Studie liefert eine allgemeine Lösung für die Herstellung gewebeähnlicher Phantome mit einstellbaren elastischen und radiologischen Eigenschaften. Die Materialeigenschaften lassen sich leicht an jedes menschliche Gewebe und Organ anpassen.
Das angestrebte Luft-Volumen-Verhältnis des Hydrogelschaums wurde anhand des Hounsfield-Bereichs (HU) der menschlichen Lunge (-600 bis -700) berechnet. Es wurde angenommen, dass der Schaum ein einfaches Gemisch aus Luft und synthetischem Alginathydrogel darstellt. Mithilfe einer einfachen Additionsregel für die einzelnen Elemente (μ/ρ) konnten der Volumenanteil der Luft und das Volumenverhältnis des synthetisierten Alginathydrogels berechnet werden.
Alginat-Hydrogelschäume wurden unter Verwendung von Natriumalginat (Art.-Nr. W201502), CaCO₃ (Art.-Nr. 795445, MG: 100,09) und GDL (Art.-Nr. G4750, MG: 178,14), die von Sigma-Aldrich Company, St. Louis, MO, bezogen wurden, hergestellt. 70%iges Natriumlaurylethersulfat (SLES 70) wurde von Renowned Trading LLC bezogen. Für die Schaumherstellung wurde deionisiertes Wasser verwendet. Natriumalginat wurde bei Raumtemperatur unter ständigem Rühren (600 U/min) in deionisiertem Wasser gelöst, bis eine homogene, gelbe, durchscheinende Lösung entstand. CaCO₃ wurde in Kombination mit GDL als Ca²⁺-Quelle zur Einleitung der Gelierung verwendet. SLES 70 diente als Tensid zur Bildung einer porösen Struktur im Hydrogel. Die Alginatkonzentration wurde auf 5 % und das molare Verhältnis von Ca²⁺ zu -COOH auf 0,18 eingestellt. Das molare Verhältnis von CaCO₃ zu GDL wurde während der Schaumherstellung konstant bei 0,5 gehalten, um einen neutralen pH-Wert zu gewährleisten. Der Wert beträgt 26. Allen Proben wurden 2 Vol.-% SLES 70 zugesetzt. Zur Kontrolle des Mischungsverhältnisses von Lösung und Luft wurde ein Becherglas mit Deckel verwendet. Das Gesamtvolumen des Becherglases betrug 140 ml. Basierend auf theoretischen Berechnungen wurden unterschiedliche Volumina der Mischung (50 ml, 100 ml, 110 ml) in das Becherglas gegeben und mit Luft vermischt. Die Probe mit 50 ml der Mischung war so konzipiert, dass sie ausreichend mit Luft vermischt wurde, während das Luftvolumenverhältnis in den beiden anderen Proben kontrolliert wurde. Zunächst wurde SLES 70 zur Alginatlösung gegeben und mit einem elektrischen Rührer gerührt, bis eine vollständige Vermischung erreicht war. Anschließend wurde die CaCO₃-Suspension zugegeben und die Mischung so lange gerührt, bis sie vollständig vermischt war und sich weiß gefärbt hatte. Abschließend wurde die GDL-Lösung zugegeben, um die Gelierung einzuleiten. Während des gesamten Prozesses wurde mechanisch gerührt. Bei der Probe mit 50 ml der Mischung wurde das mechanische Rühren beendet, sobald sich das Volumen der Mischung nicht mehr änderte. Bei den Proben mit 100 ml und 110 ml der Mischung wurde das Rühren beendet, sobald die Mischung das Becherglas vollständig gefüllt hatte. Wir versuchten außerdem, Hydrogelschäume mit einem Volumen zwischen 50 ml und 100 ml herzustellen. Dabei wurde jedoch eine strukturelle Instabilität des Schaums beobachtet, da dieser zwischen vollständiger Luftdurchmischung und kontrolliertem Luftvolumen schwankte, was zu einer uneinheitlichen Volumenkontrolle führte. Diese Instabilität verursachte Unsicherheiten in den Berechnungen, weshalb dieser Volumenbereich in der vorliegenden Studie nicht berücksichtigt wurde.
Die Dichte \(\:rho\:) eines Hydrogelschaums wird durch Messung der Masse \(\:m\) und des Volumens \(\:V\) einer Hydrogelschaumprobe berechnet.
Optische Mikroskopaufnahmen von Hydrogelschäumen wurden mit einer Zeiss Axio Observer A1 Kamera angefertigt. Mithilfe der ImageJ-Software wurden Anzahl und Größenverteilung der Poren in einem bestimmten Bereich der Probe anhand der Aufnahmen berechnet. Die Porenform wird als kreisförmig angenommen.
Zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Alginat-Hydrogelschäume wurden uniaxiale Kompressionsversuche mit einer Prüfmaschine der Serie TESTRESOURCES 100 durchgeführt. Die Proben wurden in rechteckige Blöcke geschnitten, deren Abmessungen zur Berechnung der Spannungen und Dehnungen vermessen wurden. Die Traversengeschwindigkeit betrug 10 mm/min. Für jede Probe wurden drei Proben getestet, und Mittelwert und Standardabweichung wurden aus den Ergebnissen berechnet. Diese Studie konzentrierte sich auf die Kompressionseigenschaften der Alginat-Hydrogelschäume, da das Lungengewebe in einer bestimmten Phase des Atemzyklus Kompressionskräften ausgesetzt ist. Die Dehnbarkeit ist dabei von entscheidender Bedeutung, insbesondere um das gesamte dynamische Verhalten des Lungengewebes abzubilden, und wird Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein.
Die hergestellten Hydrogelschaumproben wurden mit einem Siemens SOMATOM Drive Zweikanal-CT-Scanner gescannt. Die Scanparameter waren: 40 mAs, 120 kVp und 1 mm Schichtdicke. Die resultierenden DICOM-Dateien wurden mit der Software MicroDicom DICOM Viewer analysiert, um die Hounsfield-Einheiten (HU) von fünf Querschnitten jeder Probe zu bestimmen. Die mittels CT ermittelten HU-Werte wurden mit theoretischen Berechnungen auf Basis der Dichtedaten der Proben verglichen.
Ziel dieser Studie ist die Revolutionierung der Herstellung individueller Organmodelle und künstlicher biologischer Gewebe durch die Entwicklung weicher Materialien. Die Entwicklung von Materialien mit mechanischen und radiologischen Eigenschaften, die der Funktionsweise der menschlichen Lunge entsprechen, ist wichtig für gezielte Anwendungen wie die Verbesserung der medizinischen Ausbildung, die Operationsplanung und die Strahlentherapieplanung. In Abbildung 1A ist die Diskrepanz zwischen den mechanischen und radiologischen Eigenschaften weicher Materialien dargestellt, die potenziell zur Herstellung menschlicher Lungenmodelle verwendet werden. Bisher wurden Materialien entwickelt, die zwar die gewünschten radiologischen Eigenschaften aufweisen, deren mechanische Eigenschaften jedoch nicht den Anforderungen entsprechen. Polyurethanschaum und Gummi sind die am häufigsten verwendeten Materialien zur Herstellung verformbarer menschlicher Lungenmodelle. Die mechanischen Eigenschaften von Polyurethanschaum (Elastizitätsmodul, YM) sind typischerweise 10- bis 100-mal höher als die von normalem menschlichem Lungengewebe. Materialien, die sowohl die gewünschten mechanischen als auch die radiologischen Eigenschaften aufweisen, sind bisher nicht bekannt.
(A) Schematische Darstellung der Eigenschaften verschiedener weicher Materialien im Vergleich zur menschlichen Lunge hinsichtlich Dichte, Elastizitätsmodul und radiologischer Eigenschaften (in HU). (B) Röntgenbeugungsdiagramm von μ/ρ-Alginathydrogel mit einer Konzentration von 5 % und einem Ca²⁺:-COOH-Molverhältnis von 0,18. (C) Bereich der Luftvolumenanteile in Hydrogelschäumen. (D) Schematische Darstellung von Alginathydrogelschäumen mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen.
Die Elementzusammensetzung von Alginathydrogelen mit einer Konzentration von 5 % und einem Ca2+:-COOH-Molverhältnis von 0,18 wurde berechnet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Gemäß der Additionsregel in der vorherigen Formel (5) wird der Massenschwächungskoeffizient des Alginathydrogels \(\:\:\mu\:/\rho\:\) wie in Abbildung 1B dargestellt ermittelt.
Die Werte für μ und ρ (mu/rho) für Luft und Wasser wurden direkt der Referenzdatenbank des NIST 12612 entnommen. Abbildung 1C zeigt die berechneten Luftvolumenanteile in Hydrogelschäumen mit HU-Äquivalentwerten zwischen -600 und -700 für die menschliche Lunge. Der theoretisch berechnete Luftvolumenanteil ist im Energiebereich von 1 × 10⁻³ bis 2 × 10¹ MeV innerhalb von 60–70 % stabil, was ein gutes Anwendungspotenzial für Hydrogelschäume in nachgelagerten Fertigungsprozessen nahelegt.
Abbildung 1D zeigt die hergestellte Alginat-Hydrogelschaumprobe. Alle Proben wurden in Würfel mit einer Kantenlänge von 12,7 mm geschnitten. Die Ergebnisse zeigten, dass ein homogener, dreidimensional stabiler Hydrogelschaum entstanden war. Unabhängig vom Luftvolumenanteil wurden keine signifikanten Unterschiede im Erscheinungsbild der Hydrogelschäume beobachtet. Die selbsttragende Eigenschaft des Hydrogelschaums deutet darauf hin, dass das im Hydrogel gebildete Netzwerk stark genug ist, um das Eigengewicht des Schaums zu tragen. Abgesehen von einem geringen Wasserverlust zeigte der Schaum über mehrere Wochen hinweg eine vorübergehende Stabilität.
Durch Messung von Masse und Volumen der Schaumprobe wurde die Dichte des hergestellten Hydrogelschaums ρ berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Sie zeigen die Abhängigkeit von ρ vom Luftvolumenanteil. Bei einer Mischung von 50 ml Probe mit ausreichend Luft ist die Dichte mit 0,482 g/cm³ am niedrigsten. Mit abnehmender Luftmenge steigt die Dichte auf 0,685 g/cm³. Der maximale p-Wert zwischen den Gruppen mit 50 ml, 100 ml und 110 ml beträgt 0,004 < 0,05, was die statistische Signifikanz der Ergebnisse belegt.
Der theoretische Wert von ρ wurde ebenfalls unter Verwendung des kontrollierten Luftvolumenverhältnisses berechnet. Die Messergebnisse zeigen, dass ρ um 0,1 g/cm³ kleiner ist als der theoretische Wert. Diese Differenz lässt sich durch die im Hydrogel während des Gelierungsprozesses entstehenden inneren Spannungen erklären, die zu einer Quellung und somit zu einer Verringerung von ρ führen. Dies wurde durch die Beobachtung von Lücken im Hydrogelschaum in den CT-Bildern in Abbildung 2 (A, B und C) weiter bestätigt.
Lichtmikroskopische Aufnahmen von Hydrogelschäumen mit unterschiedlichem Luftvolumenanteil (A) 50, (B) 100 und (C) 110. Zellzahlen und Porengrößenverteilung in Alginat-Hydrogelschaumproben (D) 50, (E) 100, (F) 110.
Abbildung 3 (A, B, C) zeigt die optischen Mikroskopaufnahmen der Hydrogelschaumproben mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen. Die Ergebnisse verdeutlichen die optische Struktur des Hydrogelschaums und zeigen deutlich die Poren mit unterschiedlichen Durchmessern. Die Verteilung von Porenanzahl und -durchmesser wurde mit ImageJ berechnet. Von jeder Probe wurden sechs Bilder aufgenommen, jedes mit einer Größe von 1125,27 μm × 843,96 μm, und die gesamte analysierte Fläche jeder Probe betrug 5,7 mm².
(A) Druckspannungs-Dehnungsverhalten von Alginat-Hydrogelschäumen mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen. (B) Exponentielle Anpassung. (C) Kompressionsenergie E₀ von Hydrogelschäumen mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen. (D) Maximale Druckspannung und -dehnung von Alginat-Hydrogelschäumen mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen.
Abbildung 3 (D, E, F) zeigt eine relativ gleichmäßige Porengrößenverteilung im Bereich von einigen zehn Mikrometern bis etwa 500 Mikrometern. Die Porengröße ist im Wesentlichen einheitlich und nimmt mit abnehmendem Luftvolumen leicht ab. Den Messdaten zufolge beträgt die mittlere Porengröße der 50-ml-Probe 192,16 μm, der Median 184,51 μm und die Anzahl der Poren pro Flächeneinheit 103. Die mittlere Porengröße der 100-ml-Probe beträgt 156,62 μm, der Median 151,07 μm und die Anzahl der Poren pro Flächeneinheit 109. Die entsprechenden Werte der 110-ml-Probe liegen bei 163,07 μm, 150,29 μm bzw. 115. Die Daten zeigen, dass größere Poren einen größeren Einfluss auf die statistischen Ergebnisse der durchschnittlichen Porengröße haben, während die mittlere Porengröße den Veränderungstrend der Porengröße besser widerspiegelt. Mit zunehmendem Probenvolumen von 50 ml auf 110 ml steigt auch die Anzahl der Poren. Aus den statistischen Ergebnissen des mittleren Porendurchmessers und der Porenanzahl lässt sich schließen, dass mit zunehmendem Volumen mehr kleinere Poren im Probeninneren entstehen.
Die Ergebnisse der mechanischen Prüfungen sind in Abbildung 4A und 4D dargestellt. Abbildung 4A zeigt das Druckspannungs-Dehnungsverhalten der hergestellten Hydrogelschäume mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen. Die Ergebnisse zeigen, dass alle Proben ein ähnliches nichtlineares Spannungs-Dehnungsverhalten aufweisen. Bei jeder Probe steigt die Spannung mit zunehmender Dehnung schneller an. An das Druckspannungs-Dehnungsverhalten des Hydrogelschaums wurde eine Exponentialfunktion angepasst. Abbildung 4B zeigt die Ergebnisse nach Anwendung der Exponentialfunktion als Näherungsmodell für den Hydrogelschaum.
Für die Hydrogelschäume mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen wurde auch ihr Kompressionsmodul (E₀) untersucht. Analog zur Analyse der Hydrogele wurde der Kompressions-Elastizitätsmodul im Bereich einer Anfangsdehnung von 20 % untersucht. Die Ergebnisse der Kompressionsversuche sind in Abbildung 4C dargestellt. Abbildung 4C zeigt, dass der Kompressions-Elastizitätsmodul E₀ des Alginat-Hydrogelschaums mit abnehmendem Luftvolumenanteil von Probe 50 zu Probe 110 von 10,86 kPa auf 18 kPa ansteigt.
Ebenso wurden die vollständigen Spannungs-Dehnungs-Kurven der Hydrogelschäume sowie die maximalen Druckspannungen und -dehnungen ermittelt. Abbildung 4D zeigt die maximalen Druckspannungen und -dehnungen der Alginat-Hydrogelschäume. Jeder Datenpunkt stellt den Mittelwert aus drei Messungen dar. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Druckspannung mit abnehmendem Gasgehalt von 9,84 kPa auf 17,58 kPa ansteigt. Die maximale Dehnung bleibt mit etwa 38 % konstant.
Abbildung 2 (A, B und C) zeigt die CT-Bilder von Hydrogelschäumen mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen, entsprechend den Proben 50, 100 und 110. Die Bilder zeigen, dass der gebildete Hydrogelschaum nahezu homogen ist. In den Proben 100 und 110 wurden vereinzelt Lücken beobachtet. Deren Entstehung ist möglicherweise auf die während des Gelierungsprozesses im Hydrogel erzeugten inneren Spannungen zurückzuführen. Wir berechneten die HU-Werte für jeweils fünf Querschnitte jeder Probe und listeten sie zusammen mit den entsprechenden theoretischen Berechnungsergebnissen in Tabelle 5 auf.
Tabelle 5 zeigt, dass die Proben mit unterschiedlichen Luftvolumenverhältnissen unterschiedliche HU-Werte aufwiesen. Der maximale p-Wert zwischen den Gruppen mit 50 ml, 100 ml und 110 ml betrug 0,004 < 0,05, was die statistische Signifikanz der Ergebnisse belegt. Von den drei untersuchten Proben wies die Probe mit 50 ml Mischung die radiologischen Eigenschaften auf, die denen der menschlichen Lunge am ähnlichsten waren. Die letzte Spalte von Tabelle 5 zeigt das Ergebnis der theoretischen Berechnung auf Basis des gemessenen Schaumwertes ρ. Der Vergleich der Messdaten mit den theoretischen Ergebnissen zeigt, dass die mittels CT-Scan ermittelten HU-Werte im Allgemeinen nahe an den theoretischen Werten liegen, was wiederum die Ergebnisse der Berechnung des Luftvolumenverhältnisses in Abbildung 1C bestätigt.
Das Hauptziel dieser Studie ist die Entwicklung eines Materials mit mechanischen und radiologischen Eigenschaften, die mit denen der menschlichen Lunge vergleichbar sind. Dieses Ziel wurde durch die Entwicklung eines Hydrogel-basierten Materials mit maßgeschneiderten, gewebeäquivalenten mechanischen und radiologischen Eigenschaften erreicht, die denen der menschlichen Lunge so nahe wie möglich kommen. Ausgehend von theoretischen Berechnungen wurden Hydrogelschäume mit unterschiedlichen Luftvolumenanteilen durch mechanisches Mischen von Natriumalginatlösung, CaCO₃, GDL und SLES 70 hergestellt. Die morphologische Analyse zeigte die Bildung eines homogenen, dreidimensional stabilen Hydrogelschaums. Durch Variation des Luftvolumenanteils lassen sich Dichte und Porosität des Schaums gezielt einstellen. Mit zunehmendem Luftvolumenanteil verringert sich die Porengröße leicht, während die Porenanzahl zunimmt. Kompressionsversuche wurden durchgeführt, um die mechanischen Eigenschaften der Alginat-Hydrogelschäume zu analysieren. Die Ergebnisse zeigten, dass der aus den Kompressionsversuchen ermittelte Kompressionsmodul (E₀) im idealen Bereich für die menschliche Lunge liegt. E₀ steigt mit abnehmendem Luftvolumenanteil. Die radiologischen Eigenschaften (Hounsfield-Einheiten, HU) der hergestellten Proben wurden anhand der CT-Daten ermittelt und mit theoretischen Berechnungen verglichen. Die Ergebnisse waren zufriedenstellend. Der gemessene Wert liegt zudem nahe am HU-Wert der menschlichen Lunge. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, gewebeähnliche Hydrogelschäume mit einer idealen Kombination aus mechanischen und radiologischen Eigenschaften herzustellen, die die Eigenschaften der menschlichen Lunge nachahmen.
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse müssen die aktuellen Herstellungsverfahren verbessert werden, um das Luftvolumenverhältnis und die Porosität besser zu kontrollieren und so Vorhersagen aus theoretischen Berechnungen und realen menschlichen Lungen sowohl global als auch lokal abzubilden. Die vorliegende Studie beschränkt sich zudem auf die Untersuchung der Kompressionsmechanik, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten des Phantoms auf die Kompressionsphase des Atemzyklus begrenzt sind. Zukünftige Forschung sollte Zugversuche sowie die allgemeine mechanische Stabilität des Materials untersuchen, um potenzielle Anwendungen unter dynamischen Belastungsbedingungen zu bewerten. Trotz dieser Einschränkungen stellt die Studie den ersten erfolgreichen Versuch dar, radiologische und mechanische Eigenschaften in einem einzigen Material zu vereinen, das die menschliche Lunge nachbildet.
Die im Rahmen dieser Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich. Sowohl die Experimente als auch die Datensätze sind reproduzierbar.
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