Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

где - интенсивность и злучения, т. е. количество энергии, излучаемой с единицы поверхности излучателя;

- акустическое сопроти вление среды.

Стоячие волны в жидкост ях, содержащих взвешенные в них мелкие частицы (например, тушь) водном растворе желатина или капельки масла в водной эмульсии), легко наблюдать невооруженны м глазом. Частицы, в зависимости от их свойств, концентрируются либо в пучностях, либо в узлах стоячей волны, образуя слои, расположенные на расстоянии, равном половине длины полны.

Если при отражении часть энергии ультразвука рассеивается или переходит в среду, составляющую преграду, то амплитуда отраженной волны оказывается меньше, чем амплитуда падающей, и в жидкостях (или биологических тканях, близких по свойствам к жидкостям) сочетаются стоячая и бегущая волны.

В биологических объектах также могут возникать стоячие волны в результате отражения от границ между тканями с различными акустическими свойствами . В реальных условиях образование стоячих вол н можно ожидать при воздействии ультразвуком на ушную раковину, брюшной пресс, мышечные слои, на кровеносные сосуд ы и т. д. Возможно именно за счет стоячих волн эритроциты под действием ультразвук а с частотой 1 МГц и интенсивностью излучения ОД Вт/см2 образуют в кровеносных сосудах лягушки и куриного эмбриона сгустки, расположенные на расстоянии, равном половине длины волны.

Можно показать, что скорость перемещения отдельных эритроцито в как в бегущей, так и в стоячей волне, невелик и и сами по себе не могут обеспечить быс трое сближение эритроцитов и образование агрегатов, тем более что силам, обеспе чивающим взаимное сближение, противодействуют силы отталкивания между одноимен но заряженными клетками. Именно эти силы электростатического отталкивания препятствуют слипанию эритроцитов в нормальны х условиях. Однако поверхностный заряд клеток под действием ультразвука заметно уме ньшается, что способствует образованию а грегатов. Сила взаимо- действия между частицам и в ультразвуковом поле пропорциональн а кубу их линейных размеров, поэтому начав шаяся агрегация идет с возрастающей скор остью. Эти агрегаты, очевидно, будут перемещаться и зону низкого давления и концентр ироваться в узлах стоячей волны, образуя сгустки, что и подтверждается модельными опытами.

В зависимости от того, стоячая или бегущая волна возникает в биологическом объекте, меняется и его реакция на ультразвук. Так, 30 % яиц дрозофилы в гелеобразной среде погибает при 10-мипутном воздействии ультразвука с интенсивностью излучения 3 Вт/см2 и поле бегущей во лны и интенсивностью излучения 1 Вт/см 2 , если создаются условия, способствующие возникновению стоячих волн.

1.5. ИСКАЖЕНИЕ ФОР МЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ

В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Ультразвуковая волна, распространяясь, остается синусоидальной только в том случае, если свойства среды не меняются под влиянием распространяющей ся в ней волны. Такое

условие приближенно выполняется только при весьма низких интенсивностях ультразвука.

Скорость ультразвука и коэффициент его поглощения существенно зависят от температуры. В слое, где температура повышена, возмущение передается быстрее, чем в слое, где температура по нижена, поэтому профиль волны немного искажается.

Ультразвуковая волна, падающая на границу твердого тела и жидкости, возбуждает на поверхности твердого тел а поперечные поверхностные волны. Энергия этих волн локализуется в тонком приповерхностном слое с толщиной, не превышающей две длины волны. Коэффициент зат ухания поверхностных волн значительно в ыше коэффициента поглощения плоских вол н той же частоты в однородных средах. И менно поэтому под действием ультразвука, например, в надкостнице, выделяется много тепла, что при достаточно высокой интенсивности может привести к болевым ощущениям, к отслоению мышечной ткани или другим нежелательным эффектам.

1.6. АКУСТИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ

Ультразвуковая волна, распространяясь в среде, теряет часть своей энергии. Эта энергия частично переходит в теплоту, а частично передается массе вещества в виде механического импульса, что приводит в жидких и газообразных средах к возникновению регулярных течений. Эти течения называются акустическими и легко возникают в неоднородном ультразву ковом ноле или около различных препятствий.

При ультразвуковом воздействии важно учитывать течения в пограничном слое у поверхности препятствий, помещенных в ультразвуковое поле. В последнем случае характерные масштабы акустических потоков определяются толщиной акустического пограничного слоя, где а мплитуда колебания частиц жидкости меняется от 0 у самой по- верхности до 0,63 амплитуды а свободном объеме.

Толщина пограничного слоя h зависит от вязкости и плотности жидкости, а также от

частоты ультразвука. О на намного меньше длины волны ультразвука и рассчитывается по формуле

Например, для биологических жидкостей ( ) при частоте ультразвука 1 МГц толщ ина пограничного стоя составит примерно 4.10-6м (0,004 мм), что

значительно меньше дли ны волны ( = 1,5 мм).

Отношение разности ско ростей на границах слоя к его толщине (градиент скорости) может в биологической среде достигать весьма значительной вели чины. Например, при интенсивности ультразвука 1 Вт/см2 и частоте 1 МГц градиенты скорости 104…105с-1. Этого более чем достаточно для разрыва клеточных мембран, нарушений внутрикле- точной структуры, для деградации вирусов, молекул ДНК, РНК и пр.

Особое внимание привлекают вихри, рождающиеся вблизи пульсирующего газового пузырька. Если этот пузырек находится вдали от границ и в процессе пульсаций не меняет своей формы (остается сф ерическим), вокруг него не могут возникнуть вихревые потоки.

Потоки возникают, если пузырьки находятся вблизи поверхности ж идкости, около твердой стенки или если форма пузырьков периодически изменяется. Такие пузырьки в огромном количестве появляются в жидкости при кавитации.

Предельную скорость течения вблизи колеблющегося у твердой стенки пузырька можно оценить, пользуясь выра жением

где Us ~ радиальная скорость границы пузырька;

а - средний радиус пузырька;

- круговая (циклическая) частота.

В воде, облучаемой ультр азвуком с частотой 1 МГц, средний радиу с пузырька составляет 2 мкм, 4м/с, максимал ьная скорость микропотоков вблизи него равна примерно 1 м/с.

Микропотоки могут возникать и при взаимодействии ультразвуковой волны с микронеоднородностями, имеющими отличную от среды плотность, например, при взаимодействии с органе ллами клеток.

Весьма вероятно, что мно гие биологические эффекты, наблюдаемы е под действием ультразвука, - уменьшени е числа гранул гликогена в клетках, разру шение лизосом, изменения в ультраструктуре мышц, в свойствах клеточных мембран и др. - обусловлены и основном ультразвуковыми микропотоками.

1.7. Коллоидный виброп откнциал в механизме

биологического действия ультразвука

Если ультразвуковая вол на распространяется в однородной среде, например в чистой воде, то все частицы среды колеблются около своих положений ра вновесия с одинаковой амплитудой. Если же в ср еде присутствуют частицы другой природ ы ионы, коллоидные частицы, клетки, - то амплитуда их колебаний будет тем меньше, чем больше масса (и, следовательно, инерция) частицы и чем больше коэффициент трен ия между частицей и средой.

В растворах электролито в или коллоидных растворах, а также в сус пензиях заряженных частиц ври распростране нии ультразвуковой волны амплитуды и фазы колебаний разноименно заряженных частиц могут быть различными, В среде возникает переменный электрический потенциал, который называют вибропотенциалом, или в честь ученого, обнаружившего этот эффект, - потенциалом Дебая.

Вибропотенциал характеризуют отношением переменной разности потенциалов между двумя произвольными точками, расположенными в направлении р аспространения волны к амплитуде скорости. При частотах, превышающих 0,5 МГц, вибро потенциал мало зависит от частоты.

Для растворов хлористого натрия и других 1-иалентиых электролитов вибропотенциал весьма мал и равен 3...10 мкВ . с/см. Более высокие значения наблю даются в полиэлектролитах, а в коллоидных растворах эффект достигав) значения 1...10 мкВ . с/см.

Предполагается, что коллоидный вибропотенциал обусловлен периодическим нарушением структуры двойного электрического слоя вследствие того, что массивная, несущая заряд коллоидная частица обладает значительно большей инерцией, чем окружающие ее легкие п ротивоионы.

Коллоидный вибропотен циал можно оценить по формуле

где с - скорость ультразв ука в среде;

v - амплитуда скорости;

- диэлектрическая прон ицаемость среды;

- электрокинетический потенциал;

m - масса коллоидных частиц в единице объема;

- удельное электрическое сопротивление среды;

- вязкость среды.

Подставляя в эту формулу (при v=10-3 м/c; c=1,4.103 м/с; 50...60 Ф/м для водных растворов) значения, хар актерные для биологических объектов к леток примерно 50 мВ;

- 104 Ом/м; примерно 0,25 Пз), и учитывая, что масса клетки , где средняя плотность клетки d= 1,1 -103 кг/м3, радиус клетки а= 5мкм и клетки занимают

примерно 0,9 объема все й ткани, получают 10мВ. Это значени е сравнимо по величине с мембранными потенциалами клетки (10…50 мВ),

Действие вибропотенциала прекращается сразу после выключения ультразвука. Однако и повышенная проницаемость, и пониженная электропроводность мембран сохраняются в течение 20...30 мин после ультразвукового воздействия. Такое посл едействие может быть обусловлено сдвигами в процессах функционирования клетки, например нарушением метаболизма, при изменении (под влиянием ультразвука) соотноше ния ионов внутри и вне клетки. Время, необходимое для восстановления нормального функционирования клетки, может измерятьс я десятками минут.

1.8. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ

Ультразвуковая кавитация - возникновение в жидкости, облучаемой ультразвуком, пульсирующих и захлопы вающихся пузырьков) заполненных паром} газом или их смесью.

Кавитационные пузырьки в распространяющейся в жидкости ультразвуковой волне возникают и расширяются во время полупериодов разрежения и сжимаются после перехода в область повышенного давления.

В идеальных однородных жидкостях пузырьки могут возникнуть лишь при весьма высоких растягивающих усилиях (отрицательных давлениях), превосходящих прочность жидкости.

Прочность реальных жидкостей довольно низка из-за того, что в них всегда достаточно много зародышей кавитации - микропузырьков газа, пылинок гидрофобных частиц и т. д. Возможно также, что зародыши кавитации непрерывно возникают при прохождении через жидкость космических частиц, а затем снова растворяются. Пузырьки газа с диаметром 10-5 см, по-видимому, могут сколь угодно находиться в иоде, если их поверхность стабилизирована органическими загрязнениями, обычно присутствующими в «чистой» воде.

Кроме того, предполагается, что микропузырьки газа, даже не стабилизированные органикой, в принципе, не могут раствориться из-за особенностей структуры воды в межфазном слое жидкость - газ, ограничивающем пузырек.

Порогом кавитации называется интенсивность ультразвука, ниже которой не наблюдаются кавитационные явления.

Порог кавитации зависит от параметров, характеризующих как ультразвук, так и саму жидкость.

Для воды и водных растворов пороги кавитации возрастают с увеличением частоты ультразвука и уменьшением времени воздействия.

При импульсном ультразвуковом воздействии порог зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06...0,6 мкс. Порог кавитации повышается и при уменьшении объема жидкости, так как, чем меньше объем, тем меньше в нем зародышей кавитации.

Этим, очевидно, и объясняются высокие значения порогов для фокусированного ультразвука. Микронеоднородности в виде пылинок, микроорганизмов, молекул растворенного газа или ионов снижают порог кавитации в жидкой среде.

При интенсивностях ультразвука, не намного превышающих порог кавитации, микропузырьки газа в жидкости пульсируют относительно равновесного радиуса и постепенно увеличиваются в объеме.

При расширении пузырьков-зародышей, попадающих в область пониженною давления, в пузырек испаряется жидкость и диффундирует растворенный в жидкости газ. Если температура жидкости значительно ниже точки кипения, то пузырьки растут главным образом в результате диффузии.

При повышении давления в следующую половину периода колебания пузырек сжимается, направление диффузии меняется, и молекулы диффундируют из пузырька в жидкость. Количество продиффундировавшего газа пропорционально площади поверхности пузырька. Эта площадь в стадии сжатия меньше, чем в стадии расширения. Поэтому количество газа, попадающего в пузырек при расширении, несколько больше количества газа, выходящего из пузырька при его сжатии. Поэтому после каждого цикла сжатия- растяжения в пузырьке остается избыток газа.

Накопление газа а пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией.

Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост зародышей, и при высокой частоте ультразвука они успевают совершить значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резо- нансными размерами (для данной частоты ультразвука) будет максимальной.

Размер резонансной полости в воде для частоты ультразвука в диапазоне 500... 1000 кГц можно рассчитать по формуле

где - резонансный радиус пузырька, мкм;

частота ультразвука, кГц,

Для частот, превышающих 1МГц, значения в связи с возрастающей ролью поверхностного натяжения оказываются несколько выше, чем вычисленные но приведенной формуле.

Так, при частотах 1, 5 и 10 МГц и воде равен 3,6; 0,95 и 0,56 мкм соответственно, в то время как, рассчитывая по формуле, получаем величины, равные 3,0; 0,6 и 0,3 мкм.

Необходимо отметить, что на частотах, превышающих 1 МГц, резонансные эффекты проявляются слабее, чем в диапазоне более низких частот.

Колебательная скорость стенки пузырька, размеры которого близки к резонансному, может намного превышать колебательную скорость частиц в ультразвуковой волне, что позволило назвать кавитационные пузырьки усилителями скорости.

Если ультразвуковое поле неоднородно, то пузырьки не только пульсируют, но и движутся поступательно.

В стоячей волне, например, пузырьки движутся к пучностям давления, если их размеры меньше резонансного, и к узлам давления, если они превышают по размеру резонансные пузырьки. Нередко пузырьки в ультразвуковом поле осциллируют - колеблются около не- которого положения равновесия.

Пульсирующие в течение многих периодов пузырьки называются стабильными полостями, а само явление, связанное с существованием в жидкости таких пузырьков, - стабильной кавитацией.

Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются.

Предполагается, что при захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатический (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до

давления 105 Па (300 атм) и нагревается до температур порядка 8000... 12000 К. Известно, что уже при 2000 К около 0,01 % молекул Н2О внутри пузырька диссоциируют на водородные II и гидроксильные ОН свободные радикалы. Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронновозбужденных состояний молекул H2O*:

При переходе молекул Н2О* из электронновозбужденного состояния в основное высвечивается квант света - происходит сонолюминесценция.

Свободные Н и ОН радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы.

Захлопывающиеся кавитационные пузырьки порождают в жидкости мощные импульсы давления и ударные волны.

Кавитация в жидкости сопровождается различными явлениями:

•характерным шумом во всем диапазоне частот и сильным акустическим сигналом на частоте, равной половине частоты ультразвука, вызвавшего кавитацию;

•ускорением одних химических реакций и инициированием других;

•интенсивными микропотоками и ударными волнами, способными перемешивать слои жидкости и разрушать поверхности граничащих с кавитирующей жидкостью твердых тел;

•ультразвуковым свечением а также различными биологическими эффектами.

Вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций, эрозию поверхностей твердых тел и свечение.

1.9. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Химические реакции в воде, водных и неполных растворах, облучаемых ультразвуком, обнаружены давно. Множество экспериментов позволяет сделать вывод, что химические эффекты ультразвука связаны с кавитацией, хотя имеются данные, что некоторые эффекты механохимической природы, например деполимеризация ДНК в растворе или изменения в свойствах жидких кристаллов, наблюдают при интенсивностях ультразвука, лежащих ниже порога кавитации.

Подъем температуры (-103 К) и давления (-108 Па) при захлопывании кавитационных пузырьков даже в чистой, дегазированной воде инициирует образование внутри пузырьков и в их окрестности свободных водородных Н и гидроксильных ОН радикалов:

Эти радикалы рекомбинируют, возбуждая сонолюминесценцию:

или диффундируют в объем и вступают в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя радикальные химические процессы.

При рекомбинации радикалов ОН образуется пероксид водорода Н2О2:

Хорошо известно, что водородпероксид - активный инициатор окислительно- восстановительных реакций с различными веществами в растворах.

Убедительным доказательством образования свободных радикалов является их регистрация методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и спиновых ловушек (радикал-скавенджеров).

Косвенным доказательством существования свободных радикалов при кавитации является образование водородпероксида.

Накопление водородпероксида при воздействии на растворы ультразвуком наблюдают с помощью подходящего окислительно-восстановительного индикатора, например калий йодида KI, в присутствии катализатора - молибдата аммония;

Концентрацию измеряют спектрофотометрически на длине полны 350 нм (коэффициент экстинкции 25000 л.моль/см). Количество йода равно количеству образовавшегося водородпероксида.

Концентрация водородпероксида пропорциональна времени ультразвукового воздействия, поскольку рекомбинация радикалов ОН является реакцией первого порядка по ОН радикалам. Накопления водородпероксида удобно использовать для ультразвуковой до- зиметрии.

По данным разных авторов, акустико-энергетический (химико-акустический) выход водородпероксида имеет значение порядка 1020 молекул/кДж, т. е. на 1 кДж поглощенной звуковой энергии образуется примерно 10 4 моль Н2О2.

Для оценки интенсивности ультразвука могут быть использованы и другие простые реакции.

Так, скорость образования азотистой HNO2 и азотной HNO3 кислот в воде, насыщенной воздухом, прямо пропорциональна интенсивности ультразвука в диапазоне от 0,6 до 4 Вт/см2. Более сложные реакции, например реакции с биополимерами, непригодны для этой цели, так как зависимости скоростей ультразвуковых химических реакций с участием макромолекул ог интенсивности ультразвука имеют сложный характер.

Образование азотистой HNO2 и азотной НNОз кислот в присутствии растворенного азота весьма существенно при ультразвуковом воздействии на биологические объекты. Эти кислоты и их ангидриды могут активно реагировать с биоорганическими молекулами и оказывать сильное повреждающее действие.

Одним из вероятных механизмов образования кислородсодержащих соединений азота является взаимодействие молекулярного азота N2 с продуктами сонолиза поды.