Osnovy_vzaimodejstviya_ultrazvuka_s_biologicheskimi_obektami

Смесь таких веществ-антиоксидантов в клетке может привести к сильному тормозящему действию. При этом тормозящий эффект смеси может превосходить сумму эффектов тормозящего действия каждого из компонентов. Данное явление называется синергизмом.

Характер влияния ультразвука на химические реакции зависит от многих факторов: от частоты и интенсивности акустических колебаний, от температуры и давления, от природы и концентрации растворенных газов.

Некоторые реакции лишь ускоряются в ультразвуковом поле, другие же без воздействия ультразвука вообще не происходят.

Реакции, протекающие лишь при ультразвуковом инициировании в гомофазных растворах, представляют особый интерес и могут быть условно разделены на несколько классов.

1.Реакции между газами, парами воды и веществами с высокой упругостью пара в газовой фазе внутри кавитационной полости.

При схлопывании внутри кавитационного пузырька и в малой окрестности вокруг него температура и давление значительно выше критических для растворителя. Следовательно, локально достигаются сверх критические состояния, В таких условиях молекулы как растворителя, так и растворенных веществ, подвергаются термическому распаду с образованием атомов и радикалов. Наиболее детально изучен распад воды с образованием радикалов H и ОН Установлено эффективное разложение четыреххлористого углерода при ультразвуковой обработке.

Менее 10% радикалов Н и ОН, образующихся в кавитационном пузырьке из-за процессов рекомбинации, достигают жидкой фазы. При взаимодействии радикалов (при отсутствии молекул-захватчиков или частиц твердой фазы) образуется Н2О2. Образующийся при рекомбинации радикалов ОН водород пероксид ответственен за большинство реакций окисления, изучавшихся в водных растворах при ультразвуковой обработке. Сюда можно отнести, например, реакции окисления; .

Многие авторы отмечают, что заметному разложению при ультразвуковой обработке подвергаются вещества, летучесть которых несколько выше или сравнима с летучестью растворителя при данной температуре. Тогда внутри кавитационного пузырька давление пара растворенного вещества будет больше или сравнимо с давлением пара растворителя.

Если летучесть вещества значительно меньше летучести растворителя, то воздействие ультразвука может осуществляться только через другие механизмы.

1.Окислительно-восстановительные реакции, которые идут в жидкой фазе между растворенными веществами и образующимися в пузырьках продуктами ультразвукового расщепления молекул воды, газов и проникающих в кавитационную полость веществ с высокой упругостью парой.

2.Цепные реакции в растворе, инициируемые не радикальными продуктами Н и ОН распада молекул НзО, а каким-либо другим веществом, присутствующим в растворе и расщепляющимся в кавитационной полости.

4. Ультразвуковые химические реакции с участием синтетических и биологических полимеров.

Энергетический выход продуктов химических реакций, инициируемых ультразвуком, как правило, невелик. Поэтому на практике эти реакции используют лишь в исключительных случаях: либо когда нет другого способа получения продуктов, либо когда с ценой результата не приходится считаться.

Например, ультразвук нашел применение для инициирования полимеризации используемых в медицине и ветеринарии акрилатных клеев при ультразвуковой «сварке» костей и мягких тканей.

Следует отметить, что при ультразвуковом воздействии интенсификация диффузионных процессов в результате перемешивания жидкости (акустические потоки) может принести к ускорению химических процессов, протекающих в обрабатываемых растворах, однако этот эффект не связан с прямым химическим действием ультразвука,

Механохимические ультразвуковые эффекты и продукты реакций в кавитационных полостях в определенных условиях могут обусловить существенные изменения в биологических средах и должны учитываться при обсуждении механизма биологического действия ультразвука.

Ультразвуковая эрозия - это стойкие механические изменения на поверхности тел, граничащих с кавитирующей жидкостью, является результатом наложения химических, электрических и механических факторов, причем последним, очевидно, принадлежит ос- новная роль.

1.10. УЛЬТРАЗВУКОВОЕ СВЕЧЕНИЕ

Ультразвуковое свечение - это слабое свечение воды и некоторых других жидкостей, помещенных в ультразвуковое ноле. В разное время было выдвинуто более десяти гипотез, в той или иной мере объяснявших экспериментальные данные.

Первая группа гипотез основана на предположении о нагревании содержимого захлопывающегося пузырька до высоких температур. Другая группа гипотез - па представлении о возможности разделения зарядов на стенках пульсирующей полости, что приводит к электрическому пробою, который, как и высокие температуры, может иниции- ровать свечение и химические реакции.

Наряду с ионами и радикалами, долго существующими в среде, где нет веществ, способных с ними реагировать, в кавитационной полости образуются возбужденные молекулы, в том числе H2O*, которые уже спустя 10-9...10-8 с спонтанно возвращаются в исходное состояние, либо выделяя избыточную энергию в виде кванта электромагнитного излучения, либо рассеивают ее в виде теплоты.

В воде, насыщенной воздухом, под действием ультразвука с частотой 880 кГц кавитация начинается при средней интенсивности (SATA) 0,12 Вт/см2 (максимальная интенсивность 0,3...0,5 Вт/см2). При боковом освещении в воде, облучаемой ультразвуком, можно видеть облако пузырьков разных размеров, часть которых уносится из кавитационной зоны акустическими потоками. Практически одновременно с образованием пузырьков возникает ультразвуковое свечение, начинаются химические реакции и регистрируется

шум в широком диапазоне частот, а также ярко выраженная субгармоническая составляющая на частоте 440 кГц.

Увеличение частоты ультразвука приводит к повышению порога кавитации.

Зависимости интенсивности ультразвукового свечения, скорости химических реакций и электропроводности воды от интенсивности ультразвука имеют одинаковый характер, что доказывает их связь с кавитацией и отражает природу процессов, протекающих в пузырь- ках. Зависимость ультразвукового свечения от свойств растворенных в жидкости веществ позволяет использовать его в диагностических целях, например, в тех случаях, когда патологические процессы связаны с выбросом в плазму крови соединений, влияющих па ее свечение, возникающее при кавитации.

1.11. ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКА НА ВОДУ И ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ

Если кубик льда подвергнуть действию ультразвука, льда внутри мутнеет и останется мутным, как бы запомнив результат ультразвукового воздействия.

Жидкая вода «помнит» любое, в том числе и ультразвуковое, воздействие лишь короткое время 10-9...10-12с. Поэтому неправомерно объяснять ультразвуковые эффекты «структурной памятью» поды.

Нетрудно подсчитать, что в этом случае ближайшие молекулы воды соседствуют па поверхности пульсирующего пузырька в течение примерно 10-9с. Следовательно, при кавитации поверхность пузырька не успеет сформироваться, и в этом случае поверхностное натяжение будет отличаться от поверхностного натяжения покоящейся воды.

Очевидно, что если в разных участках поверхности пузырька натяжение окажется различным, то пульсирующий пузырек потеряет сферическую форму и станет источником энергичных микропотоков, способных обусловить ряд биоэффектов.

1.12. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ

В медицинской и ветеринарной практике, в биотехнологии и экспериментальной биологии используется воздействие ультразвуком самых разных параметров на среды с неодинаковыми физико-химическими свойствами. В каждом случае вопрос о возможности возникновения кавитации должен рассматриваться отдельно, так как пороги кавитации и ее активность зависят от параметров ультразвука и свойств среды.

1.12.1. Кавитация в суспензии клеток

При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Обычно появление значительных механических возмущений в жидкостях связано с возникновением в них стабильных и нестабильных газовых пу- зырьков, которые могут образоваться в воде и водных средах, если интенсивность ультразвука превышает порог кавитации.

Гак, клетки одноклеточной водоросли Scandesmus Guadricanda начинают разрушаться при усредненной но пространству интенсивности, равной 0,2.,ДЗ Вт/см2, при частоте 1 МГц, что соответствует порогу кавитации в водных суспензиях с небольшой концентрацией

клеток. Скорость разрушения клеток увеличивается с увеличением интенсивности ультразвука. Число разрушенных в единицу времени клеток пропорционально числу кавитационных событий.

Свечение фотобактерий в суспензии или синтез интерферона лейкоцитами резко подавляется при возникновении ультразвуковой кавитации. Подавление кавитации каким- либо способом обычно защищает клетки от разрушения и даже от более тонких изменений.

Скорость разрушения амебы Actanamoeba castellanii уменьшается, если облучать импульсным ультразвуком клетки, суспендированные в растворе желатина, порог кавитации в котором из-за его большой вязкости значительно выше, чем в воде.

Этим же объясняется снижение скорости ультразвукового разрушения эритроцитов при увеличении их концентрации, вплоть до почти полной остановки гемолиза, если суммарный объем частиц в суспензии достигает 2 %, что соответствует высоким значением эффективной вязкости среды.

Самого факта появления пульсирующих газовых пузырьков в среде еще недостаточно для разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсаций пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазматической мембраны и наличия цитоскелета.

Разрушение лейкоцитов в поле стабильных, пульсирующих с частотой 20 кГц пузырьков начинается при увеличении амплитуды колебаний до 8 мкм, высвобождение гемоглобина из эритроцитов - при 15...20 мкм. Очевидно, что эти эффекты обусловлены воз- никновением достаточно больших гидродинамических усилий вблизи колеблющегося пузырька, нарушающих целостность клеточных мембран.

При высоких частотах ультразвукового воздействия на суспензию клеток механизмы разрушения также имеют механическую природу. Пороговая интенсивность ультразвука, вызывающего гибель клеток, зависит как от частоты ультразвука, так и от типа клеток. Например, порог разрушающего действия ультразвука для клеток одной из популяций элодеи равен 75 мВт/см2 и находится в области 0,65 МГц, а для двух других популяций элодеи гибельная для клеток минимальная интенсивность равна 180 мВт/см2 (5 МГц).

Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение » биотехнологии, в биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ или фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран (см. § 2,4).

1.12.2. Кавитация в тканях под действием низкочастотного ультразвука

В ряде случаев для получения требуемого биологического эффекта используют непрерывный ультразвук довольно большой мощности, с частотой 20…44 кГц, Источником такого ультразвука являются, например, хирургические инструменты, режущая кромка которых вибрирует с ультразвуковой частотой, что существенно об- легчает резание тканей; вибрирующие инструменты для стоматологии и пр. Амплитуды колебания ультразвуковых хирургических инструментов в рабочем режиме достигают весьма больших значений, при которых вероятность возникновения кавитации в тканях весьма велика. Подтверждением этому может служить слабый характерный шум при

иссечении мягких тканей, аэрозоль (туман), образующийся при разрушении папиллом ультразвуковым зондом, ультразвуковое свечение.

1.12.3. Кавитация в тканях под действием высокочастотного ультразвука

Вопрос о кавитации в биологических тканях под действием ультразвука с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05…2 Вт/см2 является предметом многолетней дискуссии. Сложность идентификации кавитации в ткани обусловлена ее относительной непрозрачностью, препятствующей непосредственному наблюдению и затрудняющей применение оптических методов.

Факт протекания кавитационных процессов в данной среде может быть надежно установлен при одновременном появлении, но крайней мере, трех эффектов, сопровождающих кавитацию; характерного шума, ультразвуковых химических реакций или свечения, микропотоков.

Косвенным подтверждением возможного возникновения кавитации в тканях могут служить «дыры», обнаруженные на гистологических препаратах тканей печени и других органов, облученных ультразвуком с частотой 1 МГц и интенсивностью 0,05…2 Вт/см3.

Пороги кавитации для фокусированного ультразвука в тканях не более чем в 1,5-2 раза выше, чем и отстоявшейся водопроводной воде. Гели это соотношение сохраняется и для плоской бегущей волны, то кавитацию в тканях можно ожидать при интенсивности, превышающей 0.6 Вт/см2, так как теоретический порог кавитации в воде около 0,3 Вт/см2.

Основными признаками акустической кавитации в воде и водных средах, насыщенных воздухом, помимо характерного шума можно считать ультразвуковое свечение и синтез Н2О2, H2NO2, H2NO3 а также свободных радикалов и других химически активных частиц. Эти явления наблюдаются в воде и разбавленных водных растворах при интенсивности 0,3 Вт/см2 (SA), а в плазме крови при 0,8 Вт/см2.

Очевидно, что под действием ультразвука химически активные частицы могут образоваться непосредственно в клетке. Это мало отразится на картине ультразвукового повреждения, но может принести к самым неожиданным последствиям - нарушению обменных процессов в клетке, изменению ее наследственного аппарата и т. п.

Пожалуй, только при ультразвуковом воздействии источник свечения - кавитирующий пузырек - может находиться вблизи или внутри самой клетки. Влияние этого излучения, особенно его ультрафиолетовой составляющей, может обусловить, в зависимости от ин- тенсивности и условий облучения, стимуляцию и повышение жизнеспособности клеток, находящихся в угнетенном физиологическом состоянии, торможение деления клеток и их отдаленную гибель, увеличение проницаемости клеточных мембран, конфирмационные изменения и молекуле ДНК, инактивацию некоторых ферментов и другие эффекты.

Измерение интенсивности ультразвукового свечения в оптически плотных животных тканях затруднительно, а идентификация образующихся в ультразвуковом поле частиц химическими или биохимическими методами практически невозможна, что обусловлено их малой концентрацией и высокой химической активностью.

Использование в качестве модели относительно прозрачной ткани клубня картофеля позволяет измерить в ней интенсивность ультразвукового свечения и определить пороги

кавитации, сопровождающейся образованием химически активных частиц и, очевидно, другими, свойственными кавитации, эффектами.

Для определения порога кавитации клубень картофеля нарезают на пластинки толщиной 0,05...0,25 см. Пластинки «притирают» к поверхности излучателя ультразвука, слегка смоченного водой для обеспечения акустического контакта. Свече ние ткани регистрируют с помощью фотоумножит еля (рис. 1.6). Химически активные частицы в тканях при ультразвуковой кавитации определяют по свечению пластинок, пр едварительно вымоченных в течение не скольких часов в растворе люминала. Реакция люминала с пероксидом водорода или OH-радикалами, как известно, сопровождается характерным голубовато-зеленым свечением.

При облучении ткани клубня картофеля непрерывным ультразвуком с частотой 880 кГц свечение возникает при интенсивностях 0.3-0.4Вт/см2 (SA) и усили вается с увеличением интенсивности ультразвука.

Характер зависимости свечения ткани картофеля от интенсивности ультразвука сходен с аналогичной зависимостью для воды и водных растворов. Очевидно, что в обоих случаях ультразвуковое свечение обусловлено кавитацией.

Дополнительным свидетельством этому служит шум в ткани картофеля, регистрируемый с помощью гидрофона на частоте первой субгармоники (табл. 1.4), а также интенсивное свечение, возникающее при ультразвуковом облучении образцов, пропитанных люминолом. Оно обуслов лено взаимодействием люминола с Н2О2 и ОН радикалами, которые образуются при ультразвуковой кавитации. Минимальное значение интен- сивности ультразвука, вызывающее это свечение, также равно 0,3...0,4 Вт/см2.

Сравнение приведенных данных с зависимостью порога возникновения ультразвукового свечения от вязкости рас творов глицерина (рис. 1.7) показывает, что пороги кавитации в ткани и в растворах с вязкостью 0,25 П одного порядка.

Рис. 1.6. Регистрация свечения ткани:

1 -фотоэлектронный умн ожитель;

2 - исследуемая ткань;

3 - источник ультразвука.

Таблица 1.4

Пороги ультразвуковых эффектов

Вязкость цитоплазмы достигает (предположительно) 1 П3. Однако снижению порога кавитации в тканях, как указывалось ность, а также обусловленное внутриклеточными микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого. выше, может способствовать их гетерогенность, а также обусловленное внутриклеточными микротечениями обратимое уменьшение вязкости клеточного содержимого.

Зависимость ультразвукового свечения ткани от ее толщины имеет периодический характер (рис 1.8), что обусловлено возникновением стоячих волн при высотах, кратных половине длины волны.

Исходя из этих данных и зная частоту ультразвуковых колебаний, можно оценить скорость ультразвука в тк ани клубня картофеля. Она оказалась равной 1,6-103 м/с, что, по крайней мере в пределах точности измерения, не противоречит справочным данным.

Рис. 1.7. Зависимость порога кавитации от вязкости (и растворах гл ицерина)

Рис. 1.8. Зависимость интенсивности ультразвукового стечения ткани от ее толщины

Порог кавитации в жидкости заметно повышается при уменьшении облучаемого ультразвуком объема. Аналогичная зависимость, очевидно, существует и в биологических тканях, где порог кавитац ии при фокусировании ультразвука возрастает до значений, превышающих 10 Вт/см2 (см. § 4.2). Столь высокие интенсивности ультразвука вызывают необратимое разрушение ткани в фокальной области.

1.12.4. Кавитация в тканях под действием «диагностического» ультразвука

В последнее время ультр азвуковые методы все более широко применяются в медицине и ветеринарии. При этом со ображения безопасности стимулируют по стоянное снижение интенсивности диагностического ультразвука при разработке новых методов, а для увеличения информативности и разрешающей способности ультразвуковых методов требуется применение коротковолнового (высокочастотного) ультр азвука. Однако с повышением частоты увеличивается поглощение ультразвука тканями, и для визуализации внутренних органон необходим достаточно интенсивный ультразвук, обеспечивающий уверенн ый прием отраженного от глубоколежащих тканей сигнала По- иски компромисса приве ли к использованию в диагностике либо н епрерывного ультразвука относительно низкой частоты (1...2 МГц) и невысокой интенсивности (меньше 0,05 Вт/см2), либо импульсного высокочастотного (до 10 МГц), мощного (до 500 Вт/см2) ультразвука с ко роткой длительностью импульсов (2...5 мкс) и невысокой часто- той их чередования (~1 кГц). Несмотря на высокую интенсивность в импульсе, усредненная по времени и пространству интенсивность в этом случ ае не превышает тысячных долей Вт/см2, Вероятность возникновения кавитации в таких условиях пренебрежимо мала.

1.13. ИЗЛУЧАТЕЛИ УЛ ЬТРАЗВУКА

Существует множество устройств-преобразователей, применяемых для возбуждения ультразвуковых колебани й и воли в газах, жидкостях и твердых те лах. Эти устройства преобразуют тепловую, м еханическую, электрическую или другие виды энергии в энергию ультразвукового поля.

Проще всего получить ультразвук, используя обычную струну. Частота колебаний струны, как известно, зависит от длины и, постепенно укорачивая е е, можно извлекать все более высокие звуки. Струна длиной в 10 см колеблется уже с частотой 25 кГц, находящейся за пределами возможностей человеческого слуха.

Струна в качестве механического преобразователя используется в монохорде - приборе для определения верхнего предела слышимости.

Этим, однако, и ограничивается применение монохорда, поскольку колебания струны обладают слишком малой энергией и быстро затухают.

Наиболее удобными для исследовательских и практических целей в ветеринарии, медицине, экспериментальной биологии и ультразвуковой технологии оказались электроакустические преобразователи, в частности пьезоэлектрические и магнитострикционные. Нашли применение также струйные излучатели - ультразвуковые свистки, преобразующие кинетическую энергию струи газа или жидкости в энергию акустических колебаний. Газоструйные излучатели наиболее эффективны для получения аэрозолей в больших объемах.

Излучатели ультразвука характеризуются мощностью излучения, частотой колебаний, направленностью излучения, коэффициентом полезного действия.

Наибольшее распространение в ультразвуковой медицинской технике получили пьезоэлектрические преобразователи. Позволяя получать акустические колебания в диапазоне частот от нескольких кГц до десятков и сотен МГц, они используются в аппаратах для ультразвуковой терапии, в диагностических приборах, применяемых в медицине и ветеринарии, в устройствах для ультразвуковой стимуляции биотехнологических процессов.

Принцип действия пьезоэлектрических преобразователей основан на эффекте, открытом в 1860 г Пьером и Жолио Кюри, наблюдавшими его у кварца и некоторых других кристаллов.

Если пластинку, определенным образом вырезанную из пьезоэлектрика, подвергнуть деформации, то на ее поверхности появятся электрические заряды. Это явление получило название прямого пьезоэффекта.

При внесении пластинки в электрическое поле она деформируется, и величина деформации линейно зависит от напряженности электрического поля (обратный пьезоэффект). Переменное электрическое поле вызывает периодические деформации в пьезоэлектрике, частота которых равна частоте изменения электрического поля, Ам- плитуда деформации достигает наибольших значений, если частота переменного электрическою поля совпадает с собственной частотой колебаний преобразователя, определяемой его размерами.

Периодические деформации пьезоэлектрического преобразователя и служат источником акустических волн.

В ветеринарии, биотехнологии и экспериментальной биологии наряду с высокочастотным ультразвуком используется и ультразвук низкой частоты, весьма эффективный для решения ряда практических задач.

Ультразвук в диапазоне частот от самых низких и до примерно 100 кГц чаще всего получают, применяя магнитострикционные преобразователи, представляющие собой сердечник с навитой на нею обмоткой. Переменный ток, протекающий по обмотке, создает переменное магнитное поле, преобразующееся в энергию механических коле- баний сердечника. Следует отметить, что этот эффект обратим, т. е. если деформировать

сердечник, то в нем возн икает магнитное поле, которое вызывает в обмотке появление электрического тока.

В зависимости от поставл енной цели магнитострикционные преобр азователи используют в сочетании с теми или иными пассивными элементами - диафрагмами, если необходимо воздействовать на процессы, протекающие в жидкости, или стержневыми кон- центраторами, обеспечивающими увеличение амплитуды колебаний и составляющими основу ультразвуковых хирургических и инструментов.

В медицине и ветеринарии газоструйные излучатели не получили широкого распространения. Они применяются только для получения аэрозолей в больших производственных помещ ениях - па фермах, птицефабриках и пр.

В отличие от магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей газоструйные излучатели генерируют колебания в широком диапазоне частот, в том числе звуковых. Этим существенно ограничивается применение газоструйных аэрозольных генераторов, так как их работа сопровождается сильным шумом.

Газоструйный генератор аэрозоля представляет собой совокупность ультразвукового свистка и пульверизатора (рис. 1.9). Воздушная струя увлекает с собой жидкость из резервуара и вместе с не ю через кольцевой зазор попадает на отраж атель. Часть смеси воздуха с каплями жидкости отражается во внутренний объем. Зде сь давление периодически повышается до критических значений, достаточных для разрыва кольцевой струи. После этого давле ние в резонирующем объеме снова падает ниже критического, и цикл повторяется.

Рис. 1.9. Газоструйный генератор аэрозоля:

1 - подача сжатого воздух а; 2 - отражатель кольцевой струи; 3 - кольцевой сопла

Такой газоструйный излучатель ультразвука обеспечивает дробление захваченной струей воздуха жидкости на кап ли микронных размеров, образующих стаб ильное облако аэрозоля.

1.14. ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА

Обнаружить в жидкости поле ультразвука относительно большой интенсивности достаточно просто по совокупности характерных признаков: появлению па поверхности