Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

Животные с удовольствием поедают «зеленое молоко» и корма, подвергшиеся дрожжеванию. Клетки дрожжей и одноклеточных водорослей богаты полноценными белками, необходимыми живому организму солями калия, кальция и фосфора, а также витаминами. По составу дрожжи и одноклеточные очень близки к кормам животного происхождения, а по питательности и содержанию витаминов лишь немного уступают рыбной муке.

Для приготовления кормовых добавок из растительного сырья, для дрожжевания кормов и разрушения клеток хлореллы не требуется специального ультразвукового технологического оборудования. Для этой цели успешно используются давно разработанные и выпускаемые промышленностью ультразвуковые ванны различного объема.

Список литературы

1.Абрамов О.В., Акопян В.Б., Зиммелис И.В. и др. Ультразвуковая предпосевная обработка семян ячменя // Вестник с.-х. науки. 1991. № 1.

2.Абрамов О.В., Акопян В.Б., Рыхлецкая О. С. и др. Всхожесть и урожайность томатов в зависимости от обработки семян ультразвуком и парааминобензойной кислотой // Доклады ВАСХНИЛ. 1987. № 8.

3.Акопян В.Б. Физические основы ультразвуковой криобиологии // Доклады 111 национальной школы по криобиологии и лиофилизации. Смолян (Болгария), 1987.

4.Акопян В.Б., Аленичев В.Н., Гаврилов В.К., Рухман А.А. Ультразвуковая интенсификация процессов фильтрования // Ультразвуковые технологические процсссы-2000. Архангельск, 2000,

5.Борисов Ю.А. Гынкина Н.M. Акустическая сушка // Физические основы ультразвуковой технологии. М.: МАДИ, 1970.

6.Деблок И., Лефевр Ф., Нонгайар. Б. и др. Вязкоупругие характеристики сахарного сиропа // Пищевая промышленность. 2003. № 12.

7.Долганова Н.B. Интенсификация биотехнологических процессов комплексного использования сточных вод рыбообрабатывающих предприятий. Астрахань, АГТУ, 1991.

8.Казанцев В.Ф. Расчет ультразвуковых преобразователей для технологических установок. М.: Машиностроение, 1980.

9.Применение ультразвука в промышленности / Под ред. А.И. Маркова. М.: Машиностроение, 1975.

10.Разработка и внедрение высокоэффективного ресурсосберегающего оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевой и перерабатывающей отраслях АПК. Киев: Изд-во технол. ни танищ-й пром., 1991.

11.Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1974.

12.Сенченков И.К. Модальная классификация и проектирование сонотродов для ультразвуковой обработки материалов // Акустический вестник, 1998. № 4.

13.Сенченков И.К., Нестеренко НЛ., Козлов В.И. Ультразвуковая сварка - ресурсосберегающий и экологически чистый способ соединения пластмасс // Экотехнологии и ресурсосбережение. 1999. № 1.

14.Сарвазян А.Н.Сельков Е.Е., Чаликян Т.В. Акустический интерферометр постоянной длины с переходными слоями для прецизионных измерений в малых объемах жидкостей // Акустический журнал. 1988. № 6.

15.Фихте Б.А. Гуревич Г.А. Ультразвуковая дезинтеграция микроорганизмов // Пущино: НЦБИ АН СССР, 1984.

16.Хмелев В.П., Попова О.B. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве. Барнаул: АлтГТУ, 1997.

17.Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. Л.: Машиностроение, 1988.

18.Янсон Х.А.,Дзенис В.В., Татаринов A.M. Ультразвуковое исследование трубчатых костей. Рига: Зинатне, 1990.

6. УЛЬТРАЗВУК В ФАРМАЦИИ

Интенсивное перемешивание жидкостей в ультразвуковом поле, обусловленное акустическими течениями и микропотоками с большими градиентами скоростей > способность ультразвука дробить с помощью ударных волн взвешенные в жидкой среде твердые частицы и капли не растворяющихся в ней жидкостей на мельчайшие фрагменты делают ультразвуковые методы незаменимыми и весьма перспективными в производстве лекарств. Растворение, диспергирование и эмульгирование, экстрагирование и осветление, суспендирование и сушка могут быть значительно ускорены и облегчены при заводском и аптечном изготовлении ряда лекарственных препаратов и некоторых лекарственных форм.

6.1. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЛЕКАРСТВ

Растворение - самый распространенный процесс при изготовлении лекарств. Он прост и истребует больших усилий для приготовления растворов легкорастворимых веществ, но для веществ с пониженной растворимостью оказывается длительным и трудоемким.

Среди многих методов ускорения процесса растворения ультразвуковые занимают особое место.

Скорость растворения тем выше, чем ниже концентрация растворяемого вещества в растворе. Обычно при отсутствии потоков в жидкости у поверхности растворяемого тела устанавливается градиент концентрации. Чем ближе к поверхности, тем выше концентрация и тем медленнее переход новых частиц с поверхности в раствор.

Перемешивание обычными способами ускоряет растворение. Но только ультразвуковые микропотоки способны интенсивно перемешивать топкие слои жидкости у самой поверхности.

Скорость растворения иод действием ультразвука увеличивается еще и в результате кавитационной эрозии и дробления твердых частить. Это значительно увеличивает поверхность контакта между растворителем и растворяемым веществом.

Скорость растворения существенно зависит от интенсивности ультразвука. При низких интенсивностях эффект пренебрежимо мал и резко возрастает при интенсивностях, превышающих порог кавитации. Если раствор далек от насыщения, то при постоянной полости ультразвука количество растворенного в единицу времени вещества практически пропорционально времени воздействия.

Скорость растворения в ультразвуковом поле во многом растворимости лека вещества (табл. 6.1). Чем хуже растворяется вещество в данном растворителе, тем меньше эффективность ультразвуки кого воздействия. Но даже если речь идет о малорастворимых веществах, процесс ускоряется в 2-3 раза. Уменьшается в 5-30 раз и время достижения концентрации насыщения. Это позволяет готовить сильно концентрированные растворы веществ, медленно и мало растворимых в обычных условиях.

Следует, однако, отметить, что концентрация насыщенных водных растворов некоторых веществ, например глюконата кальция и ряда карбонатов, снижается в результате ультразвукового воздействия. Этот эффект слабо изучен и не получил убедительного обоснования. Можно предположить, что данное явление связано с конкуренцией диспергирования и коагуляции.

Таблица 6.1

Ускорение ультразвуком растворения лекарственных веществ

В состав многих лекарственных препаратов в том или ином количестве входят вещества, извлекаемые из растительного или животного сырья. В основе технологии извлечения лекарственных веществ из тканей животных и рас гений лежит экстрагирование, малоэффективный и длительный процесс.

Низкочастотный ультразвук (22...44 кГц) в десятки и сотни раз сокращает время экстракции, например, флавоноидов, феногликозидов, дубильных и других веществ, на 30% повышает выход тартроновой кислоты из капустной мезги, на 20 % - выход инулина из корней лопуха, валерьяновой кислоты из корневищ валерианы, на 10...50 % - других веществ из различного растительного сырья.

Проводя экстракцию тканей животных в ультразвуковом поле, можно быстро и эффективно извлечь адреналин из на/точечной железы, инсулин - из поджелудочной железы, лидазу - из семенников, спленин - из селезенки, цитохром С - из сердечной мышцы крупного рогатою скота, пепсин - из автолизатов свиных желудков, пантокрин - из пантов оленя и целый ряд ферментов, гормонов, витаминов из другого животного сырья.

Биологическая активность лекарства в огромной степени зависит от физико-химического состояния входящих в него веществ. В частности, активность действующего начала в линиментах, суспензиях, эмульсиях существенно меняется в зависимости от степени дисперсности частиц, значительно увеличивающейся при ультразвуковой обработке. Кроме того суспензии и эмульсии после ультразвукового воздействия не расслаиваются и

сохраняют свои свойства значительно дольше, чем эмульсии и суспензии, полученные традиционными способами (табл. 6.2),

Таблица 6.2

Сравнительная устойчивость эмульсий, полученных разными методами

Частицы лекарственного вещества в эмульсиях и суспензиях, раздробленные до весьма малых размеров (0,1...0,5 мкм), приобретают новые качества. Можно, например, приготовить эмульсию рыбьего жира, лишенную специфического запаха и вкуса, С помощью ультразвука были получены и успешно применяются в лечебной практике высокоактивные эмульсии касторового и вазелинового масел, рыбьего жира, нафталиновой нефти, лечебных грязей.

Суспензии - взвеси твердых частиц в жидкости, часто применяющиеся в лечебных целях, также меняют свои свойства под действием ультразвука. Размеры частиц уменьшаются, количество их возрастает, и, следовательно, увеличиваются устойчивость суспензии и общая поверхность частиц, определяющая биодоступность. лекарственного вещества.

Например, средние размеры частиц норсульфазола в суспензии в результате ультразвуковой обработки уменьшаются с 45...120 мкм до 3...10 мкм. При введении такой суспензии в организм время достижения максимальной концентрации препарата в крови сокращается и 2-4 раза. Используют ультразвук и для приготовления лекарственных форм, содержащих бентонитовые глины.

Противогрибковая активность 1- (2-хлорфенил) дифепилметил имидазола, известного как клотримазол или трихопол, многократно возрастает под действием ультразвука (22 кГц; 1,5 Вт; 40 мин).

Седиментационно устойчивая дисперсия клотримазола в воде с ПАВ (лаурил сульфат), введенная в питательную среду с инкубируемыми микроорганизмами Candida albicans, оказалась значительно аффективнее, чем та же композиция, приготовленная без ультразвука. Минимальная цитоцидная концентрация клотримазола в обработанной ультразвуком дисперсии составила 6.10-6 - моль/л., минимальная ингибирующая концен- трация -1,2 • 10-7 моль/л. Эти концентрации па порядок ниже содержания клотримазола в стандартной дисперсии, не обработанной ультразвуком. Иначе творя, для лечения грибкового заболевания (кандидоз) требуется примерно в 10 раз меньше препарата, обработанного ультразвуком, чем полученною по традиционной технологии.

Теоретические кривые роста Candida albicans в питательных средах, содержащих клотримазол (рис. 6.1), построенные по вычисленным кинетическим коэффициентам и экотоксикологическому уравнению, хорошо согласуются с экспериментальными

данными. Не следует, одн ако, забывать, что в ультразвуковом поле, особенно при интенсивностях, превышающих порог кавитации, возможны химич еские превращения лекарственных веществ, способные кардинально изменить их свойства и действие па организм (см. § 1.9).

Протекторами для лекарств в ультразвуковом поле могут служить акцепторы свободных радикалов. Так, 1% аскорбиновой кислоты в растворе предотвращает ультразвуковые химические реакции с участием резорцина, новокаина, производных парааминосалициловой кислоты и других лекарственных веществ. Свойствами сонопротекторов обладаю т также сульфат, бисульфат и метабисуль фит натрия, некоторые антиоксиданты.

Активность ряда веществ, в частности антибиотиков - бензилпениц иллина, стрептомицина, тетрациклина, низина, а также интерферонов - даже увеличивается под действием ультразвука. Возможно, это обусловлено распадом самопроизвольно образующихся в растворе этих веществ димеров, гримеров, тетрамеров. Данные ассоциаты распадаются в ультразвуковом поле до отдельных молек ул, что эквивалентно увеличению концентрации препарата в единице объема или возрастанию активности на единицу его массы.

Рис. 6.1. Экспериментальные точки и теоретические кривые (построены по зкотоксикологическому уравнению), описывающие рост Candida albicans в питательной среде, содержащей гидрозоль клотримазола (моль/л):

6.2. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ АЭРОЗОЛИ

При аэрозольтерапии лекарственное вещество, будучи распылено на мельчайшие частицы и обладая поэтому большой удельной поверхностью, при попадании в органы дыхания воздействует на большую поверхность слизистых оболочек и быстро всасывается в кровь. Аэрозоли широко используются в медицине и ветеринарии для индивидуального и группового лечения респираторных и других заболеваний человека, массовой вакцинации животных и поддержания необходимой влажности в помещениях.

Существует много способов диспергирования жидкостей - гидравлический, механический, пневматический и пр., но наиболее эффективны ультразвуковой и пневмоакустический методы.

Регулируя параметры ультразвука, можно получить частицы аэрозоля самых разных размеров - от 0,03 до 10 мкм в диаметре - и в зависимости от этого обеспечить воздействие на тс или иные отделы дыхательной системы. Чем мельче аэрозольные частицы, тем глубже они проникают в легкие. Следует особо отметить, что при ультразвуковом методе аэрозоль получается практически монодисперсным, т. е. боль- шинство частиц имеет одинаковые размеры.

На частицах тумана при их образовании могут накапливаться электрические заряды, В среднем число положительно и отрицательно заряженных частиц примерно одинаково. Разноименно заряженные частицы притягиваются друг к другу и сливаются в более крупные капли, что снижает монодисперсность аэрозоля и, следовательно, меняет его лечебные свойства. Для предупреждения этого явления аэрозоль иногда заряжают, используя специальное устройство. Одноименный электрический заряд на частицах препятствует их сближению и слиянию в более крупные капли. Следует отмстить, что в ряде случае» положительно и отрицательно заряженные частицы лекарственного аэрозоля обладают разными лечебными свойствами. Например, антибактериальная активность положительно заряженных частиц аэрозоля фурацилина вдвое выше активности частиц, заряженных отрицательно (рис 6.2).

Рис. 6.2. Влияние положительно (+) и отрицательно (-) заряженных частиц аэрозолей физиологического раствора и фурацилина, а также их электронейт ральных (11) смесей на число колоний:

K - число колоний и исходной культуре; 1 - число колоний после воздействия аэрозолем физраствора; 2 - число колоний после воздействия аэрозолем раствора фурацилина

Ультразвуковые методы получения лечебных аэрозолей не лишены недостатков. Они малопригодны для распыления маслянистых жидкостей и вязких растворов. Кроме того, ультразвуковые генераторы аэрозоля относительно малопродуктивны и пригодны либо для индивидуальной терапии, либо для лечения одновременно неск ольких человек или животных в небольшом помещении. Пневмоакустические генераторы способны обеспечить лечебным аэрозолем достаточно большое животноводческое помещение, но в отличие от ультразвуков ых генераторов они создают сильный шум, в связи с чем требуются специальные шумозащитные средства, а это ограничивает их применение.

Ультразвуковые аэрозоли применяют в медицинской и ветеринарной практике так же, как и аэрозоли, полненные л юбым другим путем.

Возможности применения ультразвука в фармации не ограничиваю тся приведенными примерами. Направленное изменение активности и характера дейс твия препаратов, мытье ампул и стерилизация рас творов, производство микродраже и липосомальных форм, а также некоторые другие задачи фармации могут быть решены с помощью ультразвуковых методов,

Список литературы

•Молчанов Г. И. Ультразвук в фармации, М.: Медицина, 1980.

•Горбенко П.П., Адамова И.B., Зильбер Н.А. Реакция дыхательных путей на ингаляции ультразвуковых аэрозолей дистиллированной воды и изотоническ ого раствора хлорида натрия у больных бронх иальной астмой. Пульмонология. 1992, № 1

•Улащик B.C., Чиркин А. А. Ультразвуковая терапия. Минск: Беларусь, 1983.

•Флинн Г. Физика акустической кавитации в жидкости // Физическ ая акустика / Пер. с англ.; Под ред. У, Мэзона. Т. 3. Ч. Б. М.: Мир, 1967.

•Цыбров Г.Е., Ершов Ю.А., Плетнева Т.В. и др. Электрические явления при ультразвуковой аэрозольной обработке биологических тканей // Сообщения АН СССР. 1989. №1.

ЗАКЛЮЧЕИЕ

Исследования механизмов биологического и лечебною действия ультразвука, разработка новых ультразвуковых методик для медицины, экспериментальной биологии, ветеринарии, биотехнологии и других областей народного хозяйства продолжаются.

Высокий коэффициент поглощения ультразвука в воздухе, применение специальных конструкций и материалов для держателем ультразвуковых преобразователей сводят до минимума ультразвуковое воздействие на обслуживающий персонал, однако встречаются индивидуумы с повышенной чувствительностью. Они испытывают дискомфорт при интенсивностях ультразвука, используемых в диагностике, или «чувствуют» ультразвук, держась за рукоятку излучателя. Таких людей немного - два-три человека на каждые 10 тысяч, - но сам факт их существования свидетельствует о возможности влияния ультразвука весьма малых интенсивностей на организм. Не вызывая определенных ощущений во время воздействия, при длительном применении ультразвук низких интенсивностей может вызнать боли в суставах, повышенную утомляемость, изменения в организме, отражающиеся на электроэнцефалограммах в виде нарушения -ритма, и т. д. Все изменения бесследно исчезают, если оператор в течение нескольких дней не имеет контакта с ультразвуковой аппаратурой.

Есть проблемы, к решению которых исследователи еще не приступали, К ним относится выяснение возможности влияния ультразвука на процессы фармакокинетики и фармакогенетики. Что касается первой проблемы, то пока идет только сбор информации о влиянии ультразвука на скорости и пути введения и выведения лекарственных веществ в клетки и ткани. О существовании второй проблемы свидетельствует, по-видимому, лишь один факт - заметное увеличение числа хромосомных аберраций в клетках, подвергнутых ультразвуковому воздействию весьма низких интенсивностей в полиэтиленовых контейнерах (см.§ 5.2), Возможно, не только вещества, выделяющиеся из полиэтилена, но и некоторые соединения, используемые в фармакологии, в комбинации с ультразвуком могут увеличивать число хромосомных аберраций или оказывать другие нежелательные воздействия на организм.

Представляется бесспорным, что дальнейшее исследование механизмов биологического действия ультразвука, разработка новых ультразвуковых методов и оборудования принесут ощутимую пользу практической медицине, ветеринарии, биотехнологии и связанным с ними областям народного хозяйства - растениеводству, кормопроизводству, перерабатывающей промышленности, а также теоретической и экспериментальной медицине.

предметный указатель

Активный транспорт 105,126 Акустическая энергия 44 Акустический импеданс 49 Акустический контакт 21,56 Акустический микроскоп 80 Акустический пограничный слой 23, 107 Акустическое изображение 80 Акустическое поле 9, 14 Акустическое сопротивление 10,19, 21 Акцепторы свободных радикалов 91, 97, 209

Аминокислоты 90,91

Амплитуда звукового давления 12,15, 67

Амплитуда переменного ускорения 11

Амплитуда сдвигового усилия 11

Амплитуда скорости 10

Ампли туда смещения 11

Аналитический эффект 156

Антиген 100,151,199,200

Антиоксидант 32, 209

Антитело 100

Артериографии 57

Аутогемотерапия 140

Ацетабулярия 102

Аэрозоль 37,43,159, 210

бактерицидный эффект 156 Белки 93,172,175,201,203 Бесплодие 144

Биологически активные вещества 182, 202 Биологически активные точки 142,143 Биолюминесценция 99

Биомакромолекулы 90,101

Биополимеры 90

Биосинтез интерферона 192, 194 Биотехнологии 171

Болевая реакция 150

Болезни копыт 162

Визуализации 17,45,46,48,59

Вирусные частицы 118

Внешнее возмущение 110,112

Внешние раздражитель и 103

Внутренние органы 151

Внутриклеточная среда 121

Внутриутробная диагностика 52 Внутриутробная смертность 143 Водородпероксид 29, 30,39,91,120

Водоросли 36,203

Волна

-акустическая

-бегущая 22

-Сдвиговая 64

-стоячая 21

-сферическая 164

Воспалительные явления 148

Воспроизводительные функции 143

Вязкость 11,66, 160, 171, 177

Вязкоупругие свойства 63, 177

Газовлагообмен 188

Гемолиз 36,66,75,76, 134

Гемостатический эффект 156

Гидродинамические излучатели 171

Гидрофон 39,46

Гипертермия 130, 168

Гликоген 24, 92