فطرت ڈاٹ کام پر جانے کا شکریہ۔ آپ جس براؤزر کا ورژن استعمال کر رہے ہیں اسے محدود CSS سپورٹ حاصل ہے۔ بہترین تجربے کے لیے، ہم تجویز کرتے ہیں کہ براؤزر کا تازہ ترین ورژن استعمال کریں (یا انٹرنیٹ ایکسپلورر میں مطابقت موڈ کو آف کریں)۔ مزید برآں، مسلسل سپورٹ کو یقینی بنانے کے لیے، اس سائٹ میں اسٹائل یا جاوا اسکرپٹ شامل نہیں ہوگا۔
اعضاء اور بافتوں کی حرکت ریڈیو تھراپی کے دوران ایکس رے کی پوزیشننگ میں غلطیوں کا باعث بن سکتی ہے۔ لہذا، ریڈیو تھراپی کی اصلاح کے لیے اعضاء کی نقل و حرکت کی نقل کرنے کے لیے ٹشو کے مساوی مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات والے مواد کی ضرورت ہے۔ تاہم، اس طرح کے مواد کی ترقی ایک چیلنج ہے. الجنیٹ ہائیڈروجلز میں ایکسٹرا سیلولر میٹرکس جیسی خصوصیات ہیں، جو انہیں ٹشو کے مساوی مواد کے طور پر امید افزا بناتی ہیں۔ اس مطالعہ میں، مطلوبہ مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کے ساتھ الگنیٹ ہائیڈروجیل فومس کو سیٹو Ca2+ ریلیز میں ترکیب کیا گیا تھا۔ ہائیڈروجیل فومز حاصل کرنے کے لیے ہوا سے حجم کے تناسب کو احتیاط سے کنٹرول کیا گیا تھا تاکہ متعین مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات ہوں۔ مواد کی میکرو- اور مائکرو مورفولوجی کی خصوصیت کی گئی تھی، اور کمپریشن کے تحت ہائیڈروجیل فومس کے طرز عمل کا مطالعہ کیا گیا تھا۔ ریڈیولاجیکل خصوصیات کا تخمینہ نظریاتی طور پر لگایا گیا تھا اور کمپیوٹیڈ ٹوموگرافی کا استعمال کرتے ہوئے تجرباتی طور پر تصدیق کی گئی تھی۔ یہ مطالعہ ٹشو کے مساوی مواد کی مستقبل کی ترقی پر روشنی ڈالتا ہے جو ریڈیو تھراپی کے دوران تابکاری کی خوراک کو بہتر بنانے اور کوالٹی کنٹرول کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔
تابکاری تھراپی کینسر کا ایک عام علاج ہے۔ اعضاء اور بافتوں کی نقل و حرکت اکثر تابکاری تھراپی کے دوران ایکس رے کی پوزیشننگ میں غلطیوں کا باعث بنتی ہے2، جس کے نتیجے میں ٹیومر کا علاج نہیں کیا جا سکتا اور اردگرد کے صحت مند خلیات کو غیر ضروری تابکاری کی طرف لے جایا جا سکتا ہے۔ ٹیومر کی لوکلائزیشن کی غلطیوں کو کم کرنے کے لیے اعضاء اور بافتوں کی نقل و حرکت کا اندازہ لگانے کی صلاحیت بہت ضروری ہے۔ اس مطالعہ نے پھیپھڑوں پر توجہ مرکوز کی، کیونکہ جب مریض تابکاری تھراپی کے دوران سانس لیتے ہیں تو ان میں نمایاں خرابی اور حرکت ہوتی ہے۔ انسانی پھیپھڑوں کی حرکت 3,4,5 کی تقلید کے لیے مختلف محدود عناصر کے ماڈلز تیار اور لاگو کیے گئے ہیں۔ تاہم، انسانی اعضاء اور بافتوں میں پیچیدہ جیومیٹریز ہوتے ہیں اور یہ انتہائی مریض پر منحصر ہوتے ہیں۔ لہٰذا، بافتوں کے مساوی خصوصیات کے حامل مواد نظریاتی ماڈلز کی توثیق، بہتر طبی علاج کی سہولت اور طبی تعلیم کے مقاصد کے لیے جسمانی ماڈل تیار کرنے کے لیے بہت مفید ہیں۔
پیچیدہ بیرونی اور اندرونی ساختی جیومیٹریوں کو حاصل کرنے کے لیے نرم بافتوں کی نقل کرنے والے مواد کی ترقی نے بہت زیادہ توجہ مبذول کرائی ہے کیونکہ ان کی موروثی مکینیکل عدم مطابقت ہدف کی ایپلی کیشنز 6,7 میں ناکامی کا باعث بن سکتی ہے۔ پھیپھڑوں کے بافتوں کی پیچیدہ بائیو مکینکس کی ماڈلنگ، جو انتہائی نرمی، لچک اور ساختی پورسٹی کو یکجا کرتی ہے، ایسے ماڈلز کی تیاری میں ایک اہم چیلنج پیش کرتی ہے جو انسانی پھیپھڑوں کو درست طریقے سے دوبارہ تیار کرتے ہیں۔ مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کا انضمام اور ملاپ علاج کی مداخلتوں میں پھیپھڑوں کے ماڈلز کی موثر کارکردگی کے لیے اہم ہے۔ اضافی مینوفیکچرنگ مریض کے لیے مخصوص ماڈلز تیار کرنے میں کارگر ثابت ہوئی ہے، جس سے پیچیدہ ڈیزائنوں کی تیز رفتار پروٹو ٹائپنگ کو ممکن بنایا جا سکتا ہے۔ شن وغیرہ۔ 8 نے 3D پرنٹ شدہ ایئر ویز کے ساتھ دوبارہ پیدا کرنے کے قابل، خراب پھیپھڑوں کا ماڈل تیار کیا۔ حسیلار وغیرہ۔ 9 نے ریڈیو تھراپی کے لیے امیج کے معیار کی تشخیص اور پوزیشن کی تصدیق کے طریقوں کے لیے حقیقی مریضوں سے بالکل مماثل ایک فینٹم تیار کیا۔ Hong et al10 نے 3D پرنٹنگ اور سلیکون کاسٹنگ ٹکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے ایک سینے کا CT ماڈل تیار کیا تاکہ پھیپھڑوں کے مختلف گھاووں کی CT کی شدت کو دوبارہ تیار کیا جا سکے تاکہ مقدار کی درستگی کا اندازہ لگایا جا سکے۔ تاہم، یہ پروٹو ٹائپ اکثر ایسے مواد سے بنے ہوتے ہیں جن کی موثر خصوصیات پھیپھڑوں کے ٹشو 11 سے بہت مختلف ہوتی ہیں۔
فی الحال، زیادہ تر پھیپھڑوں کے فینٹم سلیکون یا پولی یوریتھین فوم سے بنے ہیں، جو حقیقی پھیپھڑوں کے parenchyma کی مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات سے مماثل نہیں ہیں۔ 12,13 Alginate hydrogels biocompatible ہیں اور ٹشو انجینئرنگ میں ان کی ٹیون ایبل مکینیکل خصوصیات کی وجہ سے بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے رہے ہیں۔ فینٹم جو پھیپھڑوں کے ٹشو کی لچک اور بھرنے کے ڈھانچے کی درست طریقے سے نقل کرتا ہے ایک تجرباتی چیلنج بنی ہوئی ہے۔
اس مطالعہ میں، یہ فرض کیا گیا تھا کہ پھیپھڑوں کے ٹشو ایک یکساں لچکدار مواد ہے. انسانی پھیپھڑوں کے ٹشو (\(\:\rho\:\)) کی کثافت 1.06 g/cm3 بتائی جاتی ہے، اور پھولے ہوئے پھیپھڑوں کی کثافت 0.26 g/cm315 ہے۔ مختلف تجرباتی طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے پھیپھڑوں کے بافتوں کی ینگز ماڈیولس (MY) قدروں کی ایک وسیع رینج حاصل کی گئی ہے۔ لائ فوک وغیرہ۔ 16 نے یکساں افراط زر کے ساتھ انسانی پھیپھڑوں کے YM کی پیمائش 0.42–6.72 kPa کی ہے۔ گوس وغیرہ۔ 17 نے مقناطیسی گونج elastography کا استعمال کیا اور 2.17 kPa کے YM کی اطلاع دی۔ لیو وغیرہ۔ 18 نے 0.03–57.2 kPa کی براہ راست پیمائش شدہ YM کی اطلاع دی۔ Ilegbusi et al. 19 نے منتخب مریضوں سے حاصل کردہ 4D CT ڈیٹا کی بنیاد پر YM کا 0.1–2.7 kPa ہونے کا تخمینہ لگایا۔
پھیپھڑوں کی ریڈیولاجیکل خصوصیات کے لیے، ایکس رے کے ساتھ پھیپھڑوں کے بافتوں کے تعامل کے رویے کو بیان کرنے کے لیے کئی پیرامیٹرز استعمال کیے جاتے ہیں، بشمول عنصری ساخت، الیکٹران کثافت (\(\:{\rho\:}_{e}\))، موثر ایٹمک نمبر (\(\:{Z}_{eff}\))، مطلب excitation energy:\(i) (\(\:\mu\:/\rho\:\)) اور Hounsfield یونٹ (HU)، جس کا براہ راست تعلق \(\:\mu\:/\rho\:\) سے ہے۔
الیکٹران کی کثافت \(\:{\rho\:}_{e}\) کو فی یونٹ حجم کے الیکٹرانوں کی تعداد کے طور پر بیان کیا جاتا ہے اور اس کا حساب درج ذیل ہے:
جہاں \(\:\rho\:\) g/cm3 میں مواد کی کثافت ہے، \(\:{N}_{A}\) ایوگاڈرو مستقل ہے، \(\:{w}_{i}\) ماس فریکشن ہے، \(\:{Z}_{i}\) جوہری نمبر ہے، اور \(\:{A__i} کا وزن ہے۔
جوہری نمبر براہ راست مواد کے اندر تابکاری کے تعامل کی نوعیت سے متعلق ہے۔ مرکبات اور مرکبات کے لیے جن میں کئی عناصر (مثلاً، کپڑے) ہوں، مؤثر جوہری نمبر \(\:{Z}_{eff}\) کا حساب لگانا چاہیے۔ فارمولہ مورتی وغیرہ نے تجویز کیا تھا۔ 20:
اوسط اتیجیت توانائی \(\:I\) بیان کرتی ہے کہ ہدف کا مواد کتنی آسانی سے گھسنے والے ذرات کی حرکی توانائی کو جذب کر لیتا ہے۔ یہ صرف ہدف کے مواد کی خصوصیات کو بیان کرتا ہے اور اس کا ذرات کی خصوصیات سے کوئی تعلق نہیں ہے۔ \(\:I\) کا حساب بریگ کے اضافی اصول کو لاگو کر کے لگایا جا سکتا ہے:
ماس اٹینیویشن گتانک \(\:\mu\:/\rho\:\) ٹارگٹ میٹریل میں فوٹون کے دخول اور توانائی کے اخراج کو بیان کرتا ہے۔ اس کا حساب درج ذیل فارمولے سے لگایا جا سکتا ہے۔
جہاں \(\:x\) مواد کی موٹائی ہے، \(\:{I}_{0}\) واقعے کی روشنی کی شدت ہے، اور \(\:I\) مواد میں داخل ہونے کے بعد فوٹوون کی شدت ہے۔ \(\:\mu\:/\rho\:\) ڈیٹا براہ راست NIST 12621 سٹینڈرڈز ریفرنس ڈیٹا بیس سے حاصل کیا جا سکتا ہے۔ مرکبات اور مرکبات کے لیے \(\:\mu\:/\rho\:\) اقدار کو حسب ذیل ضابطہ استعمال کرتے ہوئے اخذ کیا جا سکتا ہے:
HU کمپیوٹیڈ ٹوموگرافی (CT) ڈیٹا کی تشریح میں تابکاری کی کثافت کی پیمائش کی ایک معیاری جہت لیس اکائی ہے، جو ناپے ہوئے کشندگی کے گتانک \(\:\mu\:\) سے لکیری طور پر تبدیل ہوتی ہے۔ اس کی تعریف اس طرح کی گئی ہے:
جہاں \(\:{\mu\:}_{water}\) پانی کی کشندگی کا گتانک ہے، اور \(\:{\mu\:}_{air}\) ہوا کی کشندگی کا گتانک ہے۔ لہذا، فارمولہ (6) سے ہم دیکھتے ہیں کہ پانی کی HU قدر 0 ہے، اور ہوا کی HU قدر -1000 ہے۔ انسانی پھیپھڑوں کے لیے HU قدر -600 سے -70022 تک ہوتی ہے۔
متعدد ٹشو مساوی مواد تیار کیے گئے ہیں۔ گریفتھ وغیرہ۔ 23 نے پولیوریتھین (PU) سے بنے انسانی دھڑ کا ایک ٹشو مساوی ماڈل تیار کیا جس میں انسانی پھیپھڑوں سمیت مختلف انسانی اعضاء کے لکیری کشندگی کے گتانکوں کی تقلید کے لیے کیلشیم کاربونیٹ (CaCO3) کے مختلف ارتکاز کو شامل کیا گیا، اور اس ماڈل کا نام گریفتھ رکھا گیا۔ Taylor24 نے لارنس لیورمور نیشنل لیبارٹری (LLNL) کے ذریعہ تیار کردہ پھیپھڑوں کے ٹشو کے برابر ماڈل پیش کیا، جس کا نام LLLL1 ہے۔ Traub et al.25 نے Foamex XRS-272 کا استعمال کرتے ہوئے پھیپھڑوں کے بافتوں کا ایک نیا متبادل تیار کیا جس میں کارکردگی بڑھانے والے کے طور پر 5.25% CaCO3 ہے، جسے ALT2 کا نام دیا گیا۔ جدول 1 اور 2 میں \(\:\rho\:\), \(\:{\rho\:}_{e}\), \(\:{Z}_{eff}\), \(\:I\) اور انسانی پھیپھڑوں (ICRU-44) اور مندرجہ بالا ٹشو کے مساوی ماڈلز کے لیے ماس اٹینیویشن گتانک کا موازنہ دکھایا گیا ہے۔
شاندار ریڈیولاجیکل خصوصیات کے باوجود، تقریباً تمام فینٹم مواد پولی اسٹیرین فوم سے بنے ہیں، جس کا مطلب ہے کہ ان مادوں کی مکینیکل خصوصیات انسانی پھیپھڑوں تک نہیں پہنچ سکتیں۔ پولی یوریتھین فوم کا ینگز ماڈیولس (YM) تقریباً 500 kPa ہے، جو عام انسانی پھیپھڑوں (تقریبا 5-10 kPa) کے مقابلے میں مثالی نہیں ہے۔ اس لیے ضروری ہے کہ ایک نیا مواد تیار کیا جائے جو حقیقی انسانی پھیپھڑوں کی مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کو پورا کر سکے۔
ہائیڈروجلز ٹشو انجینئرنگ میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔ اس کی ساخت اور خصوصیات ایکسٹرا سیلولر میٹرکس (ECM) سے ملتی جلتی ہیں اور آسانی سے ایڈجسٹ ہوتی ہیں۔ اس تحقیق میں، خالص سوڈیم الجنیٹ کو فوم کی تیاری کے لیے بائیو میٹریل کے طور پر چنا گیا تھا۔ الگنیٹ ہائیڈروجیلز بایو کمپیٹیبل ہیں اور ٹشو انجینئرنگ میں ان کی ایڈجسٹ مکینیکل خصوصیات کی وجہ سے بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔ سوڈیم الجنیٹ (C6H7NaO6)n کی بنیادی ساخت اور Ca2+ کی موجودگی اس کی ریڈیولاجیکل خصوصیات کو ضرورت کے مطابق ایڈجسٹ کرنے کی اجازت دیتی ہے۔ ایڈجسٹ میکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کا یہ امتزاج ہمارے مطالعے کے لیے الگنیٹ ہائیڈروجلز کو مثالی بناتا ہے۔ بلاشبہ، الگنیٹ ہائیڈروجلز کی بھی حدود ہوتی ہیں، خاص طور پر مصنوعی سانس کے چکروں کے دوران طویل مدتی استحکام کے لحاظ سے۔ لہذا، ان حدود کو دور کرنے کے لیے مستقبل کے مطالعے میں مزید بہتری کی ضرورت اور توقع ہے۔
اس کام میں، ہم نے انسانی پھیپھڑوں کے بافتوں کی طرح کنٹرول کرنے کے قابل rho اقدار، لچک اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کے ساتھ ایک الگنیٹ ہائیڈروجیل فوم مواد تیار کیا۔ یہ مطالعہ ٹیون ایبل لچکدار اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کے ساتھ ٹشو نما فینٹمس کو گھڑنے کے لیے ایک عمومی حل فراہم کرے گا۔ مادی خصوصیات کو کسی بھی انسانی ٹشو اور عضو کے مطابق آسانی سے بنایا جا سکتا ہے۔
ہائیڈروجیل فوم کے ہدف ہوا سے حجم کے تناسب کا حساب انسانی پھیپھڑوں کی HU رینج (-600 سے -700) کی بنیاد پر کیا گیا تھا۔ یہ فرض کیا گیا تھا کہ جھاگ ہوا اور مصنوعی الجنیٹ ہائیڈروجیل کا ایک سادہ مرکب تھا۔ انفرادی عناصر \(\:\mu\:/\rho\:\) کے ایک سادہ اضافے کے اصول کا استعمال کرتے ہوئے، ہوا کے حجم کا حصہ اور ترکیب شدہ الجنیٹ ہائیڈروجیل کے حجم کے تناسب کا حساب لگایا جا سکتا ہے۔
Alginate hydrogel foams sodium alginate (Part No. W201502)، CaCO3 (حصہ نمبر 795445، MW: 100.09)، اور GDL (حصہ نمبر G4750، MW: 178.14) کا استعمال کرتے ہوئے تیار کیا گیا تھا جو Sigma-Aldrichs Company, St. Lodrich, St. 70% سوڈیم لاریل ایتھر سلفیٹ (SLES 70) معروف ٹریڈنگ ایل ایل سی سے خریدی گئی۔ جھاگ کی تیاری کے عمل میں ڈیونائزڈ پانی کا استعمال کیا گیا تھا۔ سوڈیم الجنیٹ کو مسلسل ہلچل (600 rpm) کے ساتھ کمرے کے درجہ حرارت پر deionized پانی میں تحلیل کیا گیا جب تک کہ ایک یکساں پیلے پارباسی محلول حاصل نہ ہو جائے۔ جی ڈی ایل کے ساتھ مل کر CaCO3 کو جیلیشن شروع کرنے کے لیے Ca2+ ماخذ کے طور پر استعمال کیا گیا تھا۔ SLES 70 کو سرفیکٹنٹ کے طور پر ہائیڈروجیل کے اندر غیر محفوظ ڈھانچہ بنانے کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔ الجنیٹ کا ارتکاز 5% اور Ca2+:-COOH داڑھ کا تناسب 0.18 پر برقرار رکھا گیا۔ غیر جانبدار پی ایچ کو برقرار رکھنے کے لیے فوم کی تیاری کے دوران CaCO3: GDL داڑھ کا تناسب بھی 0.5 پر برقرار رکھا گیا۔ قیمت 26 ہے۔ SLES 70 کے حجم کے لحاظ سے 2% تمام نمونوں میں شامل کیا گیا تھا۔ محلول اور ہوا کے اختلاط کے تناسب کو کنٹرول کرنے کے لیے ایک ڈھکن والا بیکر استعمال کیا جاتا تھا۔ بیکر کا کل حجم 140 ملی لیٹر تھا۔ نظریاتی حساب کے نتائج کی بنیاد پر، مرکب کی مختلف مقداریں (50 ملی لیٹر، 100 ملی لیٹر، 110 ملی لیٹر) ہوا کے ساتھ مکس کرنے کے لیے بیکر میں شامل کی گئیں۔ 50 ملی لیٹر مرکب پر مشتمل نمونہ کافی ہوا کے ساتھ مکس کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا تھا، جبکہ دیگر دو نمونوں میں ہوا کے حجم کا تناسب کنٹرول کیا گیا تھا۔ سب سے پہلے، SLES 70 کو alginate محلول میں شامل کیا گیا اور مکمل طور پر مکس ہونے تک الیکٹرک اسٹرر کے ساتھ ہلایا گیا۔ پھر، CaCO3 سسپنشن کو مکسچر میں شامل کیا گیا اور اس وقت تک مسلسل ہلایا گیا جب تک کہ مکسچر مکمل طور پر مکس نہ ہو جائے، جب اس کا رنگ سفید ہو گیا۔ آخر میں، جیلیشن شروع کرنے کے لیے مکسچر میں GDL محلول شامل کیا گیا، اور پورے عمل میں مکینیکل ہلچل کو برقرار رکھا گیا۔ 50 ملی لیٹر مرکب پر مشتمل نمونے کے لیے، مکینیکل ہلچل اس وقت روک دی گئی جب مرکب کا حجم تبدیل ہونا بند ہو گیا۔ 100 ملی لیٹر اور 110 ملی لیٹر مرکب پر مشتمل نمونوں کے لئے، مکینیکل ہلچل اس وقت بند ہو گئی جب مرکب بیکر میں بھر گیا۔ ہم نے 50 ملی لیٹر اور 100 ملی لیٹر کے درمیان حجم کے ساتھ ہائیڈروجیل فومس تیار کرنے کی بھی کوشش کی۔ تاہم، جھاگ کی ساختی عدم استحکام کا مشاہدہ کیا گیا، کیونکہ یہ ہوا کے مکمل اختلاط کی حالت اور ہوا کے حجم پر قابو پانے کی حالت کے درمیان اتار چڑھاؤ کرتا ہے، جس کے نتیجے میں حجم کا کنٹرول متضاد ہے۔ اس عدم استحکام نے حسابات میں غیر یقینی صورتحال کو متعارف کرایا، اور اس وجہ سے اس حجم کی حد کو اس مطالعے میں شامل نہیں کیا گیا۔
ہائیڈروجیل فوم کی کثافت \(\:\rho\:\) کو ہائیڈروجل فوم کے نمونے کے ماس \(\:m\) اور حجم \(\:V\) کی پیمائش کے ذریعے شمار کیا جاتا ہے۔
Zeiss Axio Observer A1 کیمرے کا استعمال کرتے ہوئے ہائیڈروجیل فوم کی آپٹیکل مائکروسکوپک تصاویر حاصل کی گئیں۔ امیج جے سافٹ ویئر کا استعمال حاصل کردہ تصاویر کی بنیاد پر ایک مخصوص علاقے میں نمونے میں چھیدوں کی تعداد اور سائز کی تقسیم کا حساب لگانے کے لیے کیا گیا تھا۔ تاکنا کی شکل کو سرکلر سمجھا جاتا ہے۔
الجنیٹ ہائیڈروجل فومس کی مکینیکل خصوصیات کا مطالعہ کرنے کے لیے، غیر محوری کمپریشن ٹیسٹ TESTRESOURCES 100 سیریز مشین کا استعمال کرتے ہوئے کیے گئے۔ نمونوں کو مستطیل بلاکس میں کاٹا گیا تھا اور دباؤ اور تناؤ کا حساب لگانے کے لیے بلاک کے طول و عرض کی پیمائش کی گئی تھی۔ کراس ہیڈ کی رفتار 10 ملی میٹر فی منٹ پر سیٹ کی گئی تھی۔ ہر نمونے کے لیے تین نمونوں کی جانچ کی گئی اور نتائج سے اوسط اور معیاری انحراف کا حساب لگایا گیا۔ اس مطالعہ نے الجنیٹ ہائیڈروجل فومز کی کمپریسیو میکانکی خصوصیات پر توجہ مرکوز کی ہے کیونکہ سانس کے چکر کے ایک خاص مرحلے پر پھیپھڑوں کے ٹشو کو دبانے والی قوتوں کا نشانہ بنایا جاتا ہے۔ توسیع پذیری بلاشبہ بہت اہم ہے، خاص طور پر پھیپھڑوں کے ٹشو کے مکمل متحرک رویے کی عکاسی کرنے کے لیے اور اس کی تحقیق مستقبل کے مطالعے میں کی جائے گی۔
تیار کردہ ہائیڈروجیل فوم کے نمونے سیمنز سوماٹم ڈرائیو کے ڈوئل چینل سی ٹی سکینر پر سکین کیے گئے تھے۔ اسکیننگ کے پیرامیٹرز کو اس طرح ترتیب دیا گیا تھا: 40 mAs، 120 kVp اور 1 ملی میٹر سلائس موٹائی۔ نتیجے میں آنے والی DICOM فائلوں کا تجزیہ MicroDicom DICOM Viewer سافٹ ویئر کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا تاکہ ہر نمونے کے 5 کراس سیکشنز کی HU اقدار کا تجزیہ کیا جا سکے۔ CT کے ذریعے حاصل کردہ HU اقدار کا موازنہ نمونوں کے کثافت کے اعداد و شمار کی بنیاد پر نظریاتی حساب سے کیا گیا۔
اس مطالعے کا مقصد انجینئرنگ نرم مواد کے ذریعے انفرادی اعضاء کے ماڈلز اور مصنوعی حیاتیاتی بافتوں کی تشکیل میں انقلاب لانا ہے۔ مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کے ساتھ مواد تیار کرنا جو انسانی پھیپھڑوں کے کام کرنے والے میکانکس سے مماثل ہوں ٹارگٹ ایپلی کیشنز جیسے طبی تربیت، جراحی کی منصوبہ بندی، اور ریڈی ایشن تھراپی کی منصوبہ بندی کو بہتر بنانے کے لیے اہم ہے۔ شکل 1A میں، ہم نے انسانی پھیپھڑوں کے ماڈلز کو گھڑنے کے لیے استعمال کیے جانے والے نرم مواد کی مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کے درمیان فرق کو پلاٹ کیا۔ آج تک، ایسے مواد تیار کیے گئے ہیں جو مطلوبہ ریڈیولاجیکل خصوصیات کو ظاہر کرتے ہیں، لیکن ان کی میکانکی خصوصیات مطلوبہ ضروریات کو پورا نہیں کرتی ہیں۔ پولی یوریتھین فوم اور ربڑ انسانی پھیپھڑوں کے خراب ماڈل بنانے کے لیے سب سے زیادہ استعمال ہونے والے مواد ہیں۔ پولیوریتھین فوم (ینگز ماڈیولس، وائی ایم) کی مکینیکل خصوصیات عام طور پر عام انسانی پھیپھڑوں کے بافتوں سے 10 سے 100 گنا زیادہ ہوتی ہیں۔ وہ مواد جو مطلوبہ مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات دونوں کو ظاہر کرتے ہیں ابھی تک معلوم نہیں ہیں۔
(A) مختلف نرم مواد کی خصوصیات کی منصوبہ بندی کی نمائندگی اور کثافت، ینگز ماڈیولس اور ریڈیولاجیکل خصوصیات (HU میں) کے لحاظ سے انسانی پھیپھڑوں کے ساتھ موازنہ۔ (B) \(\:\mu\:/\rho\:\) alginate ہائیڈروجیل کا ایکس رے ڈفریکشن پیٹرن جس کا ارتکاز 5% اور Ca2+:-COOH داڑھ کا تناسب 0.18 ہے۔ (C) ہائیڈروجیل فومس میں ہوا کے حجم کے تناسب کی حد۔ (D) مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ الگنیٹ ہائیڈروجیل فومس کی اسکیمیٹک نمائندگی۔
5% کے ارتکاز اور Ca2+:-COOH داڑھ کے تناسب کے ساتھ alginate hydrogels کی بنیادی ساخت کا حساب لگایا گیا تھا، اور نتائج جدول 3 میں دکھائے گئے ہیں۔ پچھلے فارمولے (5) میں اضافی اصول کے مطابق، alginate hydrogel کے بڑے پیمانے پر کشیدہ کاری گتانک کو دکھایا گیا ہے:\:\// شکل 1B میں
ہوا اور پانی کے لیے \(\:\mu\:/\rho\:\) اقدار براہ راست NIST 12612 معیارات کے حوالہ ڈیٹا بیس سے حاصل کیے گئے تھے۔ اس طرح، شکل 1C انسانی پھیپھڑوں کے لیے -600 اور -700 کے درمیان HU مساوی اقدار کے ساتھ ہائیڈروجیل فومز میں ہوا کے حجم کا حسابی تناسب دکھاتا ہے۔ نظریاتی حساب سے ہوا کے حجم کا تناسب 1 × 10−3 سے 2 × 101 MeV تک توانائی کی حد میں 60–70% کے اندر مستحکم ہے، جو کہ بہاو مینوفیکچرنگ کے عمل میں ہائیڈروجیل فوم کے اطلاق کے لیے اچھی صلاحیت کی نشاندہی کرتا ہے۔
شکل 1D تیار شدہ الجنیٹ ہائیڈروجل فوم نمونہ دکھاتا ہے۔ تمام نمونے 12.7 ملی میٹر کے کنارے کی لمبائی کے ساتھ کیوب میں کاٹے گئے تھے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ ایک یکساں، تین جہتی طور پر مستحکم ہائیڈروجیل فوم تشکیل دیا گیا تھا۔ ہوا کے حجم کے تناسب سے قطع نظر، ہائیڈروجیل فومز کی ظاہری شکل میں کوئی خاص فرق نہیں دیکھا گیا۔ ہائیڈروجیل فوم کی خود کو برقرار رکھنے والی نوعیت بتاتی ہے کہ ہائیڈروجل کے اندر جو نیٹ ورک تشکیل دیا گیا ہے وہ اتنا مضبوط ہے کہ وہ جھاگ کے وزن کو سہارا دے سکے۔ جھاگ سے پانی کے اخراج کی تھوڑی مقدار کے علاوہ، جھاگ نے کئی ہفتوں تک عارضی استحکام کا بھی مظاہرہ کیا۔
فوم کے نمونے کے بڑے پیمانے اور حجم کی پیمائش کرکے، تیار شدہ ہائیڈروجیل فوم \(\:\rho\:\) کی کثافت کا حساب لگایا گیا، اور نتائج ٹیبل 4 میں دکھائے گئے ہیں۔ نتائج ہوا کے حجم کے تناسب پر \(\:\rho\:\) کا انحصار ظاہر کرتے ہیں۔ جب کافی ہوا کو نمونے کے 50 ملی لیٹر کے ساتھ ملایا جاتا ہے، تو کثافت سب سے کم ہو جاتی ہے اور 0.482 g/cm3 ہوتی ہے۔ جیسے جیسے مخلوط ہوا کی مقدار کم ہوتی ہے، کثافت 0.685 g/cm3 تک بڑھ جاتی ہے۔ 50 ml، 100 ml اور 110 ml کے گروپوں کے درمیان زیادہ سے زیادہ p قدر 0.004 < 0.05 تھی، جو نتائج کی شماریاتی اہمیت کو ظاہر کرتی ہے۔
نظریاتی \(\:\rho\:\) قدر کو بھی کنٹرول شدہ ہوا کے حجم کے تناسب سے شمار کیا جاتا ہے۔ ناپے گئے نتائج ظاہر کرتے ہیں کہ \(\:\rho\:\) نظریاتی قدر سے 0.1 g/cm³ چھوٹا ہے۔ اس فرق کو جیلیشن کے عمل کے دوران ہائیڈروجیل میں پیدا ہونے والے اندرونی دباؤ سے سمجھا جا سکتا ہے، جو سوجن کا باعث بنتا ہے اور اس طرح \(\:\rho\:\) میں کمی کا باعث بنتا ہے۔ اس کی مزید تصدیق تصویر 2 (A، B اور C) میں دکھائی گئی سی ٹی امیجز میں ہائیڈروجیل فوم کے اندر کچھ خلا کے مشاہدے سے ہوئی۔
مختلف ہوا کے حجم کے مواد کے ساتھ ہائیڈروجل فومز کی آپٹیکل مائیکروسکوپی تصاویر (A) 50، (B) 100، اور (C) 110۔ الگنیٹ ہائیڈروجل فوم کے نمونوں میں سیل نمبر اور تاکنا سائز کی تقسیم (D) 50، (E) 100، (F) 110۔
شکل 3 (A, B, C) مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ ہائیڈروجیل فوم کے نمونوں کی آپٹیکل مائکروسکوپ کی تصاویر دکھاتی ہے۔ نتائج ہائیڈروجیل فوم کی نظری ساخت کو ظاہر کرتے ہیں، واضح طور پر مختلف قطروں کے ساتھ چھیدوں کی تصاویر دکھاتے ہیں۔ تاکنا نمبر اور قطر کی تقسیم کا حساب امیج جے کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا۔ ہر نمونے کے لیے چھ تصاویر لی گئیں، ہر تصویر کا سائز 1125.27 μm × 843.96 μm تھا، اور ہر نمونے کے لیے کل تجزیہ شدہ رقبہ 5.7 mm² تھا۔
(A) مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ الگنیٹ ہائیڈروجیل فومز کا کمپریسیو تناؤ کا رویہ۔ (B) ایکسپونیشنل فٹنگ۔ (C) مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ ہائیڈروجیل فومز کا کمپریشن E0۔ (D) مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ الجینیٹ ہائیڈروجیل فومز کا حتمی کمپریسیو تناؤ اور تناؤ۔
شکل 3 (D, E, F) سے پتہ چلتا ہے کہ تاکنا کے سائز کی تقسیم نسبتاً یکساں ہے، جس میں دسیوں مائکرو میٹر سے لے کر تقریباً 500 مائیکرو میٹر تک ہے۔ تاکنا کا سائز بنیادی طور پر یکساں ہوتا ہے، اور ہوا کا حجم کم ہونے پر یہ قدرے کم ہو جاتا ہے۔ ٹیسٹ کے اعداد و شمار کے مطابق، 50 ملی لیٹر کے نمونے کا اوسط pores سائز 192.16 μm ہے، میڈین 184.51 μm ہے، اور فی یونٹ ایریا میں pores کی تعداد 103 ہے۔ 100 ملی لیٹر نمونے کا اوسط pores سائز 156.62 μm ہے، میڈین 151.07 μm ہے، اور فی یونٹ ایریا میں pores کی تعداد 109 ہے؛ 110 ملی لیٹر نمونے کی متعلقہ قدریں بالترتیب 163.07 μm، 150.29 μm اور 115 ہیں۔ اعداد و شمار سے پتہ چلتا ہے کہ بڑے چھیدوں کا اوسط تاکنا سائز کے اعدادوشمار کے نتائج پر زیادہ اثر پڑتا ہے، اور درمیانی تاکنا سائز تاکنا کے سائز کی تبدیلی کے رجحان کی بہتر عکاسی کر سکتا ہے۔ جیسے جیسے نمونے کا حجم 50 ملی لیٹر سے 110 ملی لیٹر تک بڑھتا ہے، چھیدوں کی تعداد بھی بڑھ جاتی ہے۔ درمیانی تاکنا قطر اور تاکنا نمبر کے شماریاتی نتائج کو یکجا کرتے ہوئے، یہ نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے کہ بڑھتے ہوئے حجم کے ساتھ، نمونے کے اندر چھوٹے سائز کے مزید سوراخ بنتے ہیں۔
مکینیکل ٹیسٹ کے اعداد و شمار 4A اور 4D میں دکھائے گئے ہیں۔ شکل 4A مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ تیار شدہ ہائیڈروجیل فومز کے دباؤ والے تناؤ کے رویے کو ظاہر کرتا ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ تمام نمونوں میں یکساں غیر لکیری تناؤ کا رویہ ہے۔ ہر نمونے کے لیے، تناؤ بڑھتے ہوئے تناؤ کے ساتھ تیزی سے بڑھتا ہے۔ ہائیڈروجیل فوم کے کمپریسیو تناؤ کے طرز عمل میں ایک کفایتی وکر لگایا گیا تھا۔ شکل 4B ہائیڈروجیل فوم پر ایک متوقع ماڈل کے طور پر ایکسپونینشل فنکشن کو لاگو کرنے کے بعد نتائج دکھاتا ہے۔
مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ ہائیڈروجیل فومس کے لیے، ان کے کمپریسیو ماڈیولس (E0) کا بھی مطالعہ کیا گیا۔ ہائیڈروجلز کے تجزیہ کی طرح، کمپریسیو ینگز ماڈیولس کی 20٪ ابتدائی تناؤ کی حد میں چھان بین کی گئی۔ کمپریشن ٹیسٹ کے نتائج شکل 4C میں دکھائے گئے ہیں۔ شکل 4C میں نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ جیسے جیسے ہوا کے حجم کا تناسب نمونہ 50 سے نمونہ 110 تک کم ہوتا ہے، الجنیٹ ہائیڈروجیل فوم کا کمپریسیو ینگز ماڈیولس E0 10.86 kPa سے 18 kPa تک بڑھ جاتا ہے۔
اسی طرح، ہائیڈروجیل فومز کے مکمل تناؤ کے منحنی خطوط کے ساتھ ساتھ حتمی کمپریسیو تناؤ اور تناؤ کی قدریں بھی حاصل کی گئیں۔ شکل 4D alginate hydrogel foams کے حتمی کمپریسیو تناؤ اور تناؤ کو ظاہر کرتا ہے۔ ہر ڈیٹا پوائنٹ تین ٹیسٹ کے نتائج کا اوسط ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ گیس کی مقدار میں کمی کے ساتھ حتمی کمپریسیو تناؤ 9.84 kPa سے 17.58 kPa تک بڑھ جاتا ہے۔ حتمی تناؤ تقریباً 38% پر مستحکم رہتا ہے۔
شکل 2 (A، B، اور C) بالترتیب 50، 100، اور 110 کے نمونوں کے مطابق مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ ہائیڈروجیل فومز کی CT تصاویر دکھاتی ہے۔ تصاویر سے پتہ چلتا ہے کہ تشکیل شدہ ہائیڈروجیل جھاگ تقریبا یکساں ہے۔ نمونے 100 اور 110 میں بہت کم خلاء کا مشاہدہ کیا گیا۔ ان خلا کی تشکیل جیلیشن کے عمل کے دوران ہائیڈروجیل میں پیدا ہونے والے اندرونی دباؤ کی وجہ سے ہوسکتی ہے۔ ہم نے ہر نمونے کے 5 کراس سیکشنز کے لیے HU اقدار کا حساب لگایا اور ان کو متعلقہ نظریاتی حساب کے نتائج کے ساتھ جدول 5 میں درج کیا۔
جدول 5 سے پتہ چلتا ہے کہ مختلف ہوا کے حجم کے تناسب والے نمونوں نے مختلف HU قدریں حاصل کیں۔ 50 ml، 100 ml اور 110 ml گروپوں کے درمیان زیادہ سے زیادہ p قدر 0.004 < 0.05 تھی، جو نتائج کی شماریاتی اہمیت کو ظاہر کرتی ہے۔ ٹیسٹ کیے گئے تین نمونوں میں سے، 50 ملی لیٹر مرکب کے نمونے میں انسانی پھیپھڑوں کے قریب ترین ریڈیولاجیکل خصوصیات تھیں۔ جدول 5 کا آخری کالم وہ نتیجہ ہے جو نظری حساب سے حاصل کیا گیا ہے جس کی بنیاد فوم کی قدر کی بنیاد پر ہے \(\:\rho\:\)۔ نظریاتی نتائج کے ساتھ ناپے گئے اعداد و شمار کا موازنہ کرتے ہوئے، یہ معلوم کیا جا سکتا ہے کہ CT سکیننگ کے ذریعے حاصل کردہ HU اقدار عام طور پر نظریاتی نتائج کے قریب ہوتی ہیں، جس کے نتیجے میں شکل 1C میں ہوا کے حجم کے تناسب کے حساب کتاب کے نتائج کی تصدیق ہوتی ہے۔
اس مطالعہ کا بنیادی مقصد انسانی پھیپھڑوں کے مقابلے مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کے ساتھ مواد بنانا ہے۔ یہ مقصد ہائیڈروجیل پر مبنی مواد تیار کرکے حاصل کیا گیا جس میں ٹشو کے مساوی مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات ہیں جو انسانی پھیپھڑوں کے جتنا ممکن ہوسکے قریب ہیں۔ نظریاتی حسابات سے رہنمائی کرتے ہوئے، مختلف ہوا کے حجم کے تناسب کے ساتھ ہائیڈروجل فوم میکانکی طور پر سوڈیم الجنیٹ محلول، CaCO3، GDL اور SLES 70 کو مکس کر کے تیار کیے گئے۔ مورفولوجیکل تجزیہ سے معلوم ہوا کہ ایک یکساں تین جہتی مستحکم ہائیڈروجل فوم تشکیل دیا گیا تھا۔ ہوا کے حجم کے تناسب کو تبدیل کرنے سے، جھاگ کی کثافت اور سوراخ اپنی مرضی سے مختلف ہو سکتے ہیں۔ ہوا کے حجم کے مواد میں اضافے کے ساتھ، سوراخ کا سائز قدرے کم ہو جاتا ہے اور چھیدوں کی تعداد بڑھ جاتی ہے۔ الجنیٹ ہائیڈروجل فومس کی مکینیکل خصوصیات کا تجزیہ کرنے کے لیے کمپریشن ٹیسٹ کیے گئے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ کمپریشن ٹیسٹوں سے حاصل ہونے والا کمپریشن ماڈیولس (E0) انسانی پھیپھڑوں کے لیے مثالی حد میں ہے۔ ہوا کے حجم کا تناسب کم ہونے پر E0 بڑھتا ہے۔ تیار کردہ نمونوں کی ریڈیولاجیکل خصوصیات (HU) کی قدریں نمونوں کے CT ڈیٹا کی بنیاد پر حاصل کی گئیں اور نظریاتی حسابات کے نتائج کے ساتھ موازنہ کی گئیں۔ نتائج سازگار تھے۔ ناپی گئی قدر انسانی پھیپھڑوں کی HU قدر کے بھی قریب ہے۔ نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ مکینیکل اور ریڈیولاجیکل خصوصیات کے مثالی امتزاج کے ساتھ ٹشو کی نقل کرنے والے ہائیڈروجل فوم بنانا ممکن ہے جو انسانی پھیپھڑوں کی خصوصیات کی نقل کرتے ہیں۔
امید افزا نتائج کے باوجود، عالمی اور مقامی دونوں پیمانے پر نظریاتی حسابات اور حقیقی انسانی پھیپھڑوں کی پیشین گوئیوں سے ملنے کے لیے ہوا کے حجم کے تناسب اور پوروسیٹی کو بہتر طریقے سے کنٹرول کرنے کے لیے موجودہ من گھڑت طریقوں کو بہتر بنانے کی ضرورت ہے۔ موجودہ مطالعہ کمپریشن میکانکس کی جانچ تک بھی محدود ہے، جو پریت کے ممکنہ اطلاق کو سانس کے چکر کے کمپریشن مرحلے تک محدود کرتا ہے۔ مستقبل کی تحقیق ٹینسائل ٹیسٹنگ کی تحقیقات کے ساتھ ساتھ مواد کے مجموعی میکانکی استحکام سے فائدہ اٹھائے گی تاکہ متحرک لوڈنگ کے حالات کے تحت ممکنہ ایپلی کیشنز کا اندازہ لگایا جا سکے۔ ان حدود کے باوجود، یہ مطالعہ انسانی پھیپھڑوں کی نقل کرنے والے واحد مواد میں ریڈیولاجیکل اور مکینیکل خصوصیات کو یکجا کرنے کی پہلی کامیاب کوشش کو نشان زد کرتا ہے۔
موجودہ مطالعہ کے دوران تیار کردہ اور/یا تجزیہ کردہ ڈیٹاسیٹس متعلقہ مصنف سے معقول درخواست پر دستیاب ہیں۔ تجربات اور ڈیٹاسیٹ دونوں قابل تولید ہیں۔
گانا، جی، وغیرہ۔ کینسر ریڈی ایشن تھراپی کے لیے نئی نینو ٹیکنالوجیز اور جدید مواد۔ Adv. میٹر 29، 1700996۔ https://doi.org/10.1002/adma.201700996 (2017)۔
مار ڈالو، پی جے، وغیرہ۔ AAPM 76a ٹاسک فورس کی رپورٹ تابکاری آنکولوجی میں سانس کی حرکت کے انتظام پر۔ میڈ. طبیعات 33، 3874–3900۔ https://doi.org/10.1118/1.2349696 (2006)۔
المیا، اے.، موسیلی، جے، اور بروک، کے کے انسانی پھیپھڑوں میں انٹرفیس اور مادی غیر خطوط کی ماڈلنگ۔ طبیعیات اور طب اور حیاتیات 53، 305–317۔ https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/1/022 (2008)۔
وانگ، ایکس، وغیرہ۔ ٹیومر جیسا پھیپھڑوں کے کینسر کا ماڈل جو 3D بائیو پرنٹنگ کے ذریعے تیار کیا گیا ہے۔ 3. بایو ٹیکنالوجی. 8 https://doi.org/10.1007/s13205-018-1519-1 (2018)۔
لی، ایم، وغیرہ۔ ماڈلنگ پھیپھڑوں کی اخترتی: ایک ایسا طریقہ جس میں درست تصویر کے اندراج کی تکنیکوں کو ملایا جاتا ہے اور ینگ کے ماڈیولس تخمینے کو مقامی طور پر مختلف کیا جاتا ہے۔ میڈ. طبیعات 40، 081902۔ https://doi.org/10.1118/1.4812419 (2013)۔
Guimarães، CF et al. زندہ بافتوں کی سختی اور ٹشو انجینئرنگ پر اس کے اثرات۔ نیچر ریویو مواد اور ماحولیات 5, 351–370 (2020)۔