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장기와 조직의 움직임은 방사선 치료 중 X선 위치 설정에 오차를 유발할 수 있습니다. 따라서 방사선 치료 최적화를 위해서는 장기의 움직임을 모방할 수 있는 조직 등가적인 기계적 및 방사선학적 특성을 지닌 재료가 필요합니다. 그러나 이러한 재료의 개발은 여전히 ​​어려운 과제입니다. 알긴산 하이드로겔은 세포외 기질과 유사한 특성을 지니고 있어 조직 등가 재료로서 유망한 소재입니다. 본 연구에서는 Ca2+ 이온의 현장 방출법을 이용하여 원하는 기계적 및 방사선학적 특성을 지닌 알긴산 하이드로겔 폼을 합성했습니다. 공기 대 부피 비율을 정밀하게 조절하여 원하는 기계적 및 방사선학적 특성을 갖는 하이드로겔 폼을 얻었습니다. 합성된 재료의 거시적 및 미시적 형태를 분석하고, 압축 시 하이드로겔 폼의 거동을 연구했습니다. 방사선학적 특성은 이론적으로 예측하고 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 이용하여 실험적으로 검증했습니다. 본 연구는 방사선 치료 중 방사선량 최적화 및 품질 관리에 활용될 수 있는 조직 등가 재료의 개발에 대한 새로운 가능성을 제시합니다.
방사선 치료는 암 치료에 흔히 사용되는 방법입니다.¹ 장기와 조직의 움직임은 방사선 치료 중 X선 위치 설정에 오류를 유발하는 경우가 많으며,² 이는 종양에 대한 불충분한 치료와 주변 정상 세포에 불필요한 방사선 과다 노출을 초래할 수 있습니다. 장기와 조직의 움직임을 예측하는 것은 종양 위치 설정 오류를 최소화하는 데 매우 중요합니다. 본 연구는 방사선 치료 중 환자의 호흡 과정에서 상당한 변형과 ​​움직임을 보이는 폐에 초점을 맞추었습니다. 다양한 유한 요소 모델이 개발되어 인체 폐의 움직임을 시뮬레이션하는 데 적용되어 왔습니다.^3,4,5 그러나 인체 장기와 조직은 복잡한 기하학적 구조를 가지고 있으며 환자 개개인의 특성에 따라 결과가 크게 달라집니다. 따라서 조직과 유사한 물성을 가진 재료는 이론 모델을 검증하고, 의료 치료를 개선하며, 의학 교육 목적으로 활용하기 위한 물리적 모델 개발에 매우 ​​유용합니다.
복잡한 외부 및 내부 구조적 형상을 구현하기 위한 연조직 모방 재료 개발은 본질적인 기계적 불일치로 인해 목표 응용 분야에서 실패를 초래할 수 있다는 점에서 많은 관심을 받고 있습니다.6,7 극도로 부드럽고 탄력적이며 구조적 다공성을 지닌 폐 조직의 복잡한 생체역학을 모델링하는 것은 인체 폐를 정확하게 재현하는 모델 개발에 있어 상당한 어려움을 야기합니다. 기계적 특성과 방사선학적 특성의 통합 및 조화는 치료적 개입에서 폐 모델의 효과적인 성능에 매우 중요합니다. 적층 제조는 복잡한 설계의 신속한 프로토타이핑을 가능하게 하여 환자 맞춤형 모델 개발에 효과적인 것으로 입증되었습니다. Shin 등8은 3D 프린팅된 기도를 사용하여 재현 가능하고 변형 가능한 폐 모델을 개발했습니다. Haselaar 등9은 방사선 치료의 영상 품질 평가 및 위치 검증 방법을 위해 실제 환자와 매우 유사한 팬텀을 개발했습니다. Hong 등10은 3D 프린팅 및 실리콘 주조 기술을 사용하여 다양한 폐 병변의 CT 강도를 재현하고 정량화 정확도를 평가하는 흉부 CT 모델을 개발했습니다. 그러나 이러한 프로토타입은 종종 폐 조직의 유효 특성과 매우 다른 재료로 만들어집니다.11
현재 대부분의 폐 모형은 실리콘이나 폴리우레탄 폼으로 만들어지는데, 이는 실제 폐 실질의 기계적 및 방사선학적 특성과 일치하지 않습니다.12,13 알긴산 하이드로겔은 생체 적합성이 뛰어나고 조절 가능한 기계적 특성 덕분에 조직 공학 분야에서 널리 사용되고 있습니다.14 그러나 폐 조직의 탄성과 충전 구조를 정확하게 모방하는 폐 모형에 필요한 매우 부드러운 폼 형태의 질감을 재현하는 것은 여전히 ​​실험적인 과제입니다.
본 연구에서는 폐 조직을 균질한 탄성체로 가정했습니다. 인체 폐 조직의 밀도(ρ)는 1.06 g/cm³로 알려져 있으며, 팽창된 폐의 밀도는 0.26 g/cm³입니다.¹⁵ 다양한 실험 방법을 통해 폐 조직의 영률(Young's modulus, YM) 값이 광범위하게 측정되었습니다. Lai-Fook 등¹⁶은 균일하게 팽창된 인체 폐의 YM을 0.42~6.72 kPa로 측정했습니다. Goss 등¹⁷은 자기공명 탄성영상을 이용하여 2.17 kPa의 YM을 보고했습니다. Liu 등¹⁸은 직접 측정한 YM이 0.03~57.2 kPa라고 보고했습니다. Ilegbusi 등¹⁹은 특정 환자로부터 얻은 4D CT 데이터를 기반으로 YM을 0.1~2.7 kPa로 추정했습니다.
폐의 방사선학적 특성을 설명하기 위해, 폐 조직과 X선의 상호작용 양상을 나타내는 여러 매개변수가 사용됩니다. 이러한 매개변수에는 원소 구성, 전자 밀도(\(\:{\rho\:}_{e}\)), 유효 원자 번호(\(\:{Z}_{eff}\)), 평균 여기 에너지(\(\:I\)), 질량 감쇠 계수(\(\:\mu\:/\rho\:\)) 및 \(\:\mu\:/\rho\:\)와 직접적인 관련이 있는 하운스필드 단위(HU)가 포함됩니다.
전자 밀도 \(\:{\rho\:}_{e}\)는 단위 부피당 전자 수로 정의되며 다음과 같이 계산됩니다.
여기서 \(\:\rho\:\)는 물질의 밀도(g/cm3), \(\:{N}_{A}\)는 아보가드로 상수, \(\:{w}_{i}\)는 질량 분율, \(\:{Z}_{i}\)는 원자 번호, \(\:{A}_{i}\)는 i번째 원소의 원자량입니다.
원자 번호는 물질 내 방사선 상호작용의 특성과 직접적인 관련이 있습니다. 여러 원소를 포함하는 화합물 및 혼합물(예: 직물)의 경우 유효 원자 번호 \(\:{Z}_{eff}\)를 계산해야 합니다. 이 공식은 Murthy et al. 20에 의해 제안되었습니다.
평균 여기 에너지 \(\:I\)는 표적 물질이 침투하는 입자의 운동 에너지를 얼마나 쉽게 흡수하는지를 나타냅니다. 이는 표적 물질의 특성만을 나타내며 입자의 특성과는 무관합니다. \(\:I\)는 브래그의 가산성 법칙을 적용하여 계산할 수 있습니다.
질량 감쇠 계수 \(\:\mu\:/\rho\:\)는 표적 물질 내에서 광자의 침투 및 에너지 방출을 나타냅니다. 이 계수는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
여기서 \(\:x\)는 재료의 두께, \(\:{I}_{0}\)는 입사광의 강도, \(\:I\)는 재료를 투과한 후의 광자 강도입니다. \(\:\mu\:/\rho\:\) 데이터는 NIST 12621 표준 참조 데이터베이스에서 직접 얻을 수 있습니다. 혼합물 및 화합물의 \(\:\mu\:/\rho\:\) 값은 다음과 같은 가산성 규칙을 사용하여 도출할 수 있습니다.
HU는 컴퓨터 단층촬영(CT) 데이터 해석에서 방사선 밀도를 측정하는 표준화된 무차원 단위로, 측정된 감쇠 계수 μ를 선형 변환하여 얻습니다. HU는 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 \(\:{\mu\:}_{water}\)는 물의 감쇠 계수이고 \(\:{\mu\:}_{air}\)는 공기의 감쇠 계수입니다. 따라서 공식 (6)에서 물의 HU 값은 0이고 공기의 HU 값은 -1000임을 알 수 있습니다. 사람 폐의 HU 값은 -600에서 -70022까지입니다.
여러 가지 조직 등가 재료가 개발되었습니다. Griffith 등23은 인체 폐를 포함한 다양한 인체 장기의 선형 감쇠 계수를 모사하기 위해 다양한 농도의 탄산칼슘(CaCO3)을 첨가한 폴리우레탄(PU)으로 만든 인체 몸통의 조직 등가 모델을 개발했으며, 이 모델을 Griffith라고 명명했습니다. Taylor24는 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)에서 개발한 두 번째 폐 조직 등가 모델인 LLLL1을 발표했습니다. Traub 등25은 성능 향상제로 5.25%의 CaCO3를 함유한 Foamex XRS-272를 사용한 새로운 폐 조직 대체재를 개발했으며, 이를 ALT2라고 명명했습니다. 표 1과 2는 인체 폐(ICRU-44)와 위의 조직 등가 모델에 대한 ρ, ρe, Zeff, I 및 질량 감쇠 계수를 비교한 것입니다.
우수한 방사선학적 특성에도 불구하고, 거의 모든 팬텀 재료는 폴리스티렌 폼으로 만들어져 있어 인체 폐의 기계적 특성에 근접하지 못합니다. 폴리우레탄 폼의 영률(Young's modulus, YM)은 약 500kPa로, 정상적인 인체 폐(약 5~10kPa)에 비해 이상적인 값과는 거리가 멉니다. 따라서 실제 인체 폐의 기계적 및 방사선학적 특성을 충족하는 새로운 재료를 개발할 필요가 있습니다.
하이드로겔은 조직 공학 분야에서 널리 사용됩니다. 그 구조와 특성은 세포외 기질(ECM)과 유사하며, 조절이 용이합니다. 본 연구에서는 발포체 제조를 위한 생체 재료로 순수 알긴산나트륨을 선택했습니다. 알긴산 하이드로겔은 생체 적합성이 뛰어나고 기계적 특성을 조절할 수 있어 조직 공학 분야에서 널리 사용됩니다. 알긴산나트륨(C6H7NaO6)n의 원소 조성과 Ca2+ 이온의 존재는 필요에 따라 방사선학적 특성을 조절할 수 있게 해줍니다. 이러한 조절 가능한 기계적 및 방사선학적 특성의 조합은 알긴산 하이드로겔을 본 연구에 이상적인 재료로 만듭니다. 물론 알긴산 하이드로겔은 특히 모의 호흡 주기 동안의 장기 안정성 측면에서 한계를 가지고 있습니다. 따라서 이러한 한계를 해결하기 위한 추가적인 개선이 필요하며, 향후 연구에서 기대됩니다.
본 연구에서는 조절 가능한 ρ 값, 탄성 및 인체 폐 조직과 유사한 방사선학적 특성을 갖는 알긴산 하이드로겔 폼 소재를 개발했습니다. 이 연구는 탄성 및 방사선학적 특성을 조절할 수 있는 조직 유사 팬텀 제작을 위한 일반적인 해결책을 제시할 것입니다. 이 소재의 특성은 모든 인체 조직 및 장기에 맞게 쉽게 맞춤화할 수 있습니다.
하이드로겔 폼의 목표 공기 대 부피 비율은 사람 폐의 HU 범위(-600~-700)를 기준으로 계산되었습니다. 폼은 공기와 합성 알긴산 하이드로겔의 단순 혼합물이라고 가정했습니다. 각 요소의 간단한 가산 규칙 \(\:\mu\:/\rho\:\)을 사용하여 공기의 부피 분율과 합성 알긴산 하이드로겔의 부피 비율을 계산할 수 있었습니다.
알긴산 하이드로겔 폼은 Sigma-Aldrich Company(St. Louis, MO)에서 구입한 알긴산나트륨(부품 번호 W201502), 탄산칼슘(CaCO3, 부품 번호 795445, 분자량: 100.09), GDL(부품 번호 G4750, 분자량: 178.14)을 사용하여 제조했습니다. 70% 라우릴 에테르황산나트륨(SLES 70)은 Renowned Trading LLC에서 구입했습니다. 폼 제조 과정에는 탈이온수를 사용했습니다. 알긴산나트륨은 실온에서 탈이온수에 넣고 균일한 노란색 반투명 ​​용액이 될 때까지 600rpm으로 일정하게 교반하면서 용해시켰습니다. CaCO3는 GDL과 함께 겔화를 개시하는 Ca2+ 공급원으로 사용했습니다. SLES 70은 하이드로겔 내부에 다공성 구조를 형성하는 계면활성제로 사용했습니다. 알지네이트 농도는 5%로, Ca2+:-COOH 몰비는 0.18로 유지하였다. 또한, 중성 pH를 유지하기 위해 거품 제조 과정에서 CaCO3:GDL 몰비는 0.5로 유지하였다. 모든 시료에 SLES 70을 부피 기준으로 26.2% 첨가하였다. 용액과 공기의 혼합 비율을 조절하기 위해 뚜껑이 있는 비커를 사용하였다. 비커의 총 부피는 140ml였다. 이론적 계산 결과를 바탕으로, 공기와 혼합하기 위해 비커에 각각 다른 부피(50ml, 100ml, 110ml)의 혼합물을 첨가하였다. 50ml의 혼합물을 넣은 시료는 충분한 공기가 혼합되도록 설계하였고, 나머지 두 시료에서는 공기 부피 비율을 조절하였다. 먼저, 알지네이트 용액에 SLES 70을 첨가하고 전기 교반기로 완전히 혼합될 때까지 교반하였다. 그 후, CaCO3 현탁액을 혼합물에 첨가하고 혼합물의 색이 흰색으로 변할 때까지 계속 교반하였다. 마지막으로, 겔화를 시작하기 위해 GDL 용액을 혼합물에 첨가하고, 전체 과정 동안 기계적 교반을 유지했습니다. 혼합물 50ml를 포함하는 시료의 경우, 혼합물의 부피 변화가 멈췄을 때 기계적 교반을 중단했습니다. 혼합물 100ml와 110ml를 포함하는 시료의 경우, 혼합물이 비커를 가득 채웠을 때 기계적 교반을 중단했습니다. 또한 50ml에서 100ml 사이의 부피를 가진 하이드로겔 폼을 제조하려고 시도했습니다. 그러나 폼의 구조적 불안정성이 관찰되었는데, 이는 공기 혼합이 완전히 이루어진 상태와 공기 부피 조절 상태 사이에서 변동하여 부피 조절이 불균일하게 되는 결과를 초래했습니다. 이러한 불안정성은 계산에 불확실성을 야기했기 때문에 본 연구에서는 해당 부피 범위를 포함하지 않았습니다.
하이드로겔 폼의 밀도 \(\:\rho\:\)는 하이드로겔 폼 시료의 질량 \(\:m\)과 부피 \(\:V\)를 측정하여 계산합니다.
하이드로겔 폼의 광학 현미경 이미지는 Zeiss Axio Observer A1 카메라를 사용하여 얻었습니다. ImageJ 소프트웨어를 이용하여 얻은 이미지를 기반으로 특정 영역에서 시료 내 기공의 개수 및 크기 분포를 계산했습니다. 기공의 형태는 원형으로 가정했습니다.
알지네이트 하이드로겔 폼의 기계적 특성을 연구하기 위해 TESTRESOURCES 100 시리즈 장비를 사용하여 단축 압축 시험을 수행했습니다. 시편을 직사각형 블록으로 절단하고 블록의 치수를 측정하여 응력과 변형률을 계산했습니다. 크로스헤드 속도는 10 mm/min으로 설정했습니다. 각 시료에 대해 세 개의 시편을 시험하고 결과로부터 평균과 표준편차를 계산했습니다. 본 연구는 폐 조직이 호흡 주기의 특정 단계에서 압축력을 받는다는 점을 고려하여 알지네이트 하이드로겔 폼의 압축 기계적 특성에 초점을 맞추었습니다. 물론, 폐 조직의 완전한 동적 거동을 반영하기 위해서는 신축성 또한 매우 중요하며, 이는 향후 연구에서 다룰 예정입니다.
제조된 하이드로겔 폼 샘플을 지멘스 SOMATOM Drive 듀얼 채널 CT 스캐너로 스캔했습니다. 스캔 매개변수는 40 mAs, 120 kVp, 슬라이스 두께 1 mm로 설정했습니다. 생성된 DICOM 파일은 MicroDicom DICOM Viewer 소프트웨어를 사용하여 각 샘플의 5개 단면의 HU 값을 분석했습니다. CT로 얻은 HU 값은 샘플의 밀도 데이터를 기반으로 한 이론적 계산값과 비교했습니다.
본 연구의 목적은 연성 소재 공학을 통해 개별 장기 모델 및 인공 생체 조직 제작 방식을 혁신하는 것입니다. 인체 폐의 작동 역학과 일치하는 기계적 및 방사선학적 특성을 지닌 소재를 개발하는 것은 의료 훈련 개선, 수술 계획 수립, 방사선 치료 계획 수립 등과 같은 특정 응용 분야에 매우 중요합니다. 그림 1A에서는 인체 폐 모델 제작에 사용될 수 있는 연성 소재들의 기계적 및 방사선학적 특성 간의 차이를 나타냈습니다. 현재까지 개발된 소재들은 원하는 방사선학적 특성을 나타내지만, 기계적 특성은 요구 조건을 충족하지 못합니다. 폴리우레탄 폼과 고무는 변형 가능한 인체 폐 모델 제작에 가장 널리 사용되는 소재입니다. 폴리우레탄 폼의 기계적 특성(영률, Young's modulus, YM)은 일반적으로 정상 인체 폐 조직보다 10~100배 높습니다. 원하는 기계적 특성과 방사선학적 특성을 모두 만족하는 소재는 아직 알려져 있지 않습니다.
(A) 다양한 연질 재료의 특성을 나타낸 모식도 및 밀도, 영률, 방사선학적 특성(HU 단위) 측면에서 인체 폐와의 비교. (B) 농도 5%, Ca2+:-COOH 몰비 0.18인 μ/ρ 알지네이트 하이드로겔의 X선 회절 패턴. (C) 하이드로겔 폼 내 공기 부피비 범위. (D) 공기 부피비가 다른 알지네이트 하이드로겔 폼의 모식도.
농도가 5%이고 Ca2+:-COOH 몰비가 0.18인 알지네이트 하이드로겔의 원소 조성을 계산한 결과는 표 3에 나와 있다. 이전 공식(5)의 가산 규칙에 따라 알지네이트 하이드로겔의 질량 감쇠 계수 \(\:\:\mu\:/\rho\:\)는 그림 1B에 나타낸 바와 같이 얻어진다.
공기와 물의 μ/ρ 값은 NIST 12612 표준 참조 데이터베이스에서 직접 얻었습니다. 따라서 그림 1C는 인체 폐의 HU 등가값이 -600에서 -700 사이인 하이드로겔 폼에서 계산된 공기 부피 비율을 보여줍니다. 이론적으로 계산된 공기 부피 비율은 1 × 10⁻³ ~ 2 × 10¹ MeV 에너지 범위에서 60~70%로 안정적이며, 이는 하이드로겔 폼이 후속 제조 공정에 적용될 가능성이 높다는 것을 나타냅니다.
그림 1D는 제조된 알긴산 하이드로겔 폼 샘플을 보여줍니다. 모든 샘플은 변의 길이가 12.7mm인 정육면체로 절단되었습니다. 결과는 균일하고 3차원적으로 안정적인 하이드로겔 폼이 형성되었음을 보여줍니다. 공기 부피 비율에 관계없이 하이드로겔 폼의 외관상 유의미한 차이는 관찰되지 않았습니다. 하이드로겔 폼의 자립적인 특성은 하이드로겔 내부에 형성된 네트워크가 폼 자체의 무게를 지탱할 만큼 충분히 강하다는 것을 시사합니다. 폼에서 소량의 물이 새어 나오는 것을 제외하고는, 폼은 수 주 동안 일시적인 안정성을 유지했습니다.
제조된 하이드로겔 폼의 밀도(ρ)를 계산하기 위해 폼 시료의 질량과 부피를 측정하였고, 그 결과는 표 4에 나타냈다. 결과는 ρ가 공기의 부피 비율에 따라 달라지는 것을 보여준다. 시료 50ml에 충분한 양의 공기를 혼합했을 때 밀도는 0.482g/cm³로 가장 낮았다. 혼합된 공기의 양이 감소함에 따라 밀도는 0.685g/cm³까지 증가했다. 50ml, 100ml, 110ml 그룹 간의 최대 p값은 0.004로 0.05보다 작았으므로 결과는 통계적으로 유의미하다.
이론적인 ρ 값은 제어된 공기 부피 비율을 사용하여 계산되었습니다. 측정 결과는 ρ 값이 이론값보다 0.1 g/cm³ 작다는 것을 보여줍니다. 이러한 차이는 겔화 과정 중 하이드로겔 내부에 발생하는 내부 응력으로 인해 팽윤이 발생하고, 결과적으로 ρ 값이 감소하기 때문으로 설명할 수 있습니다. 이는 그림 2(A, B, C)의 CT 이미지에서 하이드로겔 폼 내부에 일부 틈이 관찰된 것으로 더욱 확인되었습니다.
공기 함량이 각각 (A) 50, (B) 100, (C) 110인 하이드로겔 폼의 광학 현미경 이미지. 알긴산 하이드로겔 폼 샘플의 셀 수 및 기공 크기 분포 (D) 50, (E) 100, (F) 110.
그림 3(A, B, C)은 공기 부피비가 다른 하이드로겔 폼 시료의 광학 현미경 이미지를 보여준다. 결과는 하이드로겔 폼의 광학적 구조를 명확히 보여주며, 다양한 직경의 기공 이미지를 뚜렷하게 나타낸다. 기공 개수 및 직경 분포는 ImageJ를 사용하여 계산하였다. 각 시료에 대해 6장의 이미지를 촬영하였고, 각 이미지의 크기는 1125.27 μm × 843.96 μm였으며, 각 시료의 총 분석 면적은 5.7 mm²였다.
(A) 공기 부피비가 다른 알긴산 하이드로겔 폼의 압축 응력-변형률 거동. (B) 지수 함수 피팅. (C) 공기 부피비가 다른 하이드로겔 폼의 압축 탄성 계수 E0. (D) 공기 부피비가 다른 알긴산 하이드로겔 폼의 최대 압축 응력 및 변형률.
그림 3(D, E, F)은 기공 크기 분포가 수십 마이크로미터에서 약 500 마이크로미터 범위에 걸쳐 비교적 균일함을 보여줍니다. 기공 크기는 기본적으로 균일하며, 공기량이 감소함에 따라 약간 감소합니다. 실험 데이터에 따르면, 50ml 시료의 평균 기공 크기는 192.16μm, 중앙값은 184.51μm, 단위 면적당 기공 수는 103개입니다. 100ml 시료의 평균 기공 크기는 156.62μm, 중앙값은 151.07μm, 단위 면적당 기공 수는 109개입니다. 110ml 시료의 경우, 해당 값은 각각 163.07μm, 150.29μm, 115개입니다. 데이터에 따르면 큰 기공은 평균 기공 크기의 통계 결과에 더 큰 영향을 미치며, 중앙값 기공 크기가 기공 크기의 변화 추세를 더 잘 반영하는 것으로 나타났습니다. 시료 부피가 50ml에서 110ml로 증가함에 따라 기공의 수도 증가했습니다. 중앙값 기공 직경과 기공 개수의 통계 결과를 종합해 보면, 부피가 증가함에 따라 시료 내부에 더 작은 크기의 기공이 더 많이 형성된다는 결론을 내릴 수 있습니다.
기계적 시험 데이터는 그림 4A와 4D에 나타나 있다. 그림 4A는 공기 부피비가 다른 제조된 하이드로겔 폼의 압축 응력-변형률 거동을 보여준다. 결과는 모든 시료가 유사한 비선형 응력-변형률 거동을 나타냄을 보여준다. 각 시료에서 응력은 변형률이 증가함에 따라 더 빠르게 증가한다. 하이드로겔 폼의 압축 응력-변형률 거동에 지수 곡선을 적용하여 근사화하였다. 그림 4B는 지수 함수를 하이드로겔 폼의 근사 모델로 적용한 후의 결과를 보여준다.
공기 부피비가 다른 하이드로겔 폼에 대해 압축 탄성률(E0)도 연구했습니다. 하이드로겔 분석과 유사하게, 압축 영률은 초기 변형률 20% 범위에서 조사했습니다. 압축 시험 결과는 그림 4C에 나타냈습니다. 그림 4C의 결과는 공기 부피비가 시료 50에서 시료 110으로 감소함에 따라 알긴산 하이드로겔 폼의 압축 영률 E0이 10.86 kPa에서 18 kPa로 증가하는 것을 보여줍니다.
마찬가지로, 하이드로겔 폼의 완전한 응력-변형률 곡선과 최대 압축 응력 및 변형률 값을 얻었다. 그림 4D는 알긴산 하이드로겔 폼의 최대 압축 응력과 변형률을 보여준다. 각 데이터 포인트는 세 번의 실험 결과의 평균값이다. 결과에 따르면, 가스 함량이 감소함에 따라 최대 압축 응력은 9.84 kPa에서 17.58 kPa로 증가한다. 최대 변형률은 약 38%로 안정적으로 유지된다.
그림 2(A, B, C)는 각각 시료 50, 100, 110에 해당하는 공기 부피비가 다른 하이드로겔 폼의 CT 이미지를 보여줍니다. 이미지에서 형성된 하이드로겔 폼은 거의 균일한 것을 알 수 있습니다. 시료 100과 110에서는 소수의 틈이 관찰되었습니다. 이러한 틈은 겔화 과정 중 하이드로겔 내부에 발생한 내부 응력 때문일 수 있습니다. 각 시료의 5개 단면에 대한 HU 값을 계산하여 해당 이론 계산 결과와 함께 표 5에 정리했습니다.
표 5는 공기 부피 비율이 다른 시료들이 서로 다른 HU 값을 나타냈음을 보여줍니다. 50ml, 100ml, 110ml 그룹 간의 최대 p값은 0.004로 0.05보다 작아 통계적으로 유의미한 결과임을 알 수 있습니다. 시험한 세 가지 시료 중 50ml 혼합물이 인체 폐의 방사선학적 특성과 가장 유사한 것으로 나타났습니다. 표 5의 마지막 열은 측정된 거품 값 \(\:\rho\:\)를 기반으로 한 이론적 계산 결과입니다. 측정 데이터와 이론적 결과를 비교해 보면 CT 스캔으로 얻은 HU 값이 이론적 결과와 전반적으로 유사함을 알 수 있으며, 이는 그림 1C의 공기 부피 비율 계산 결과를 뒷받침합니다.
본 연구의 주된 목적은 인체 폐와 유사한 기계적 및 방사선학적 특성을 지닌 소재를 개발하는 것입니다. 이를 위해 인체 폐와 최대한 유사한 조직 등가적 기계적 및 방사선학적 특성을 갖는 하이드로겔 기반 소재를 개발했습니다. 이론적 계산을 바탕으로, 알긴산나트륨 용액, 탄산칼슘(CaCO3), 감마글라민 D2(GDL), SLES 70을 기계적으로 혼합하여 공기 부피비가 다른 하이드로겔 폼을 제조했습니다. 형태학적 분석 결과, 균일하고 안정적인 3차원 하이드로겔 폼이 형성되었음을 확인했습니다. 공기 부피비를 조절함으로써 폼의 밀도와 다공성을 자유롭게 변화시킬 수 있었습니다. 공기 부피비가 증가함에 따라 기공 크기는 약간 감소하고 기공 수는 증가했습니다. 알긴산 하이드로겔 폼의 기계적 특성을 분석하기 위해 압축 시험을 수행했습니다. 압축 시험 결과, 압축 탄성 계수(E0)는 인체 폐의 이상적인 범위에 속하는 것으로 나타났습니다. 또한, 공기 부피비가 감소함에 따라 E0는 증가했습니다. 제조된 시료의 방사선학적 특성(HU) 값은 시료의 CT 데이터를 기반으로 얻었으며 이론적 계산 결과와 비교했습니다. 결과는 긍정적이었습니다. 측정값은 인체 폐의 HU 값과도 유사했습니다. 이러한 결과는 인체 폐의 특성을 모방하는 기계적 및 방사선학적 특성의 이상적인 조합을 갖춘 조직 모방 하이드로겔 폼을 제작할 수 있음을 보여줍니다.
고무적인 결과에도 불구하고, 현재의 제작 방법은 공기 부피 비율과 다공성을 더 잘 제어하여 이론적 계산 및 실제 인간 폐의 예측과 전역적 및 국소적 규모 모두에서 일치하도록 개선해야 합니다. 또한 본 연구는 압축 역학 테스트에만 국한되어 있어 팬텀의 잠재적 적용 범위가 호흡 주기의 압축 단계로 제한됩니다. 향후 연구에서는 인장 테스트와 재료의 전반적인 기계적 안정성을 조사하여 동적 하중 조건에서의 잠재적 적용 가능성을 평가하는 것이 유익할 것입니다. 이러한 한계에도 불구하고, 본 연구는 인간 폐를 모방한 단일 재료에서 방사선학적 및 기계적 특성을 성공적으로 결합한 최초의 시도입니다.
본 연구에서 생성 및/또는 분석된 데이터 세트는 합리적인 요청이 있을 경우 해당 저자에게서 제공받을 수 있습니다. 실험 및 데이터 세트 모두 재현 가능합니다.
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