Приведем несколько наиболее занимательных и
познавательных на мой взгляд статей из книги: Ультразвуковые процессы и
аппараты в биологии и медицине". Учебное пособие для студентов
специальности 190500, под редакцией профессора В.Н. Лясникова (СГТУ,
Саратов 2005 г. тираж 100 экземпляров), данную книгу можно взять в
городской библиотеке г. Саратова на ул. академика Зарубина и ознакомится
с ней более подробно.
Способность ультразвука разрывать оболочки клеток
нашла применение в биологических исследованиях, например, при
необходимости отделить клетку от ферментов. Ультразвук используется
также для разрушения таких внутриклеточных структур, как митохондрии и
хлоропласта с Целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями
(аналитическая цитология). Другое применение ультразвука в биологии
связано с его способностью вызывать мутации. Исследования, проведенные в
Оксфорде, показали, что ультразвук даже малой интенсивности может
повредить молекулу ДНК. Искусственное целенаправленное создание мутаций
играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество
ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи,
ультрафиолетовые лучи) заключается в том, что с ним чрезвычайно легко
работать [6, 7].
Биологические воздействия ультразвука очень разнообразны и в
значительной степени определяются условиями обработки, которые должны
учитываться в конструкции приборов [6].
Неоднократно обработка ультразвуком производилась в пробирках или
цилиндрических сосудах. Детальные исследования показывают, что дифракция
в стенках сосудов создает очень неоднородное распределение энергии в
объекте, обрабатываемом ультразвуком [1]. При вводе ультразвука снизу
выпуклое дно действует как телескопическая линза: звуковые лучи
собираются на оси. При вводе ультразвука сбоку наблюдается резонанс
системы стекло - столб жидкости, обусловленный взаимодействием
радиальных волн в жидкости и стоячими изгибными волнами в стенках. Кроме
того, распределение энергии и акустической прозрачности изменяется почти
скачкообразно с изменением частоты, причем преимущественно, хотя и не
всегда, в центре остается мертвая зона. Поэтому в практике применяются
сосуды с плоским звукопроводящим дном, предназначаемые исключительно для
осевой обработки ультразвуком, или специальные небольшие ванны.
Первичное действие ультразвука на биологические объекты связано с
воздействием на механическую систему сил, объединенным ультразвуковым
полем. Эти силы распадаются на две группы. Силы, обусловленные линейными
эффектами, меняются во времени с частотой падающего поля. Нелинейные
силы - постоянны или медленно меняются во времени. Линейные силы могут
быть связаны с непосредственным воздействием на клетку вторичных полей,
например, полей газовых пузырьков в жидкости, раскачиваемых падающим
полем.
Если размер пузырька оказывается резонансным по отношению к частоте
падающего ультразвука, то амплитуда вторичных полей в непосредственной
близости от пузырька оказывается значительно больше амплитуды падающей
волны. В этом случае пузырек является своего рода усилителем
акустического поля. Уже при весьма умеренных ультразвуковых колебаниях
амплитуды колебания пузырька оказываются столь интенсивными, что он
теряет устойчивость. Он схлопывается, порождая при этом в ближайшем
микрообъеме ударную волну, значительное повышение температуры и даже
интенсивные химические реакции с образованием свободных радикалов[5].
Пузырьков с резонансными размерами может оказаться немало как внутри,
так и снаружи клетки. Тогда в жидкости развивается явление массового
схлопывания пузырьков, то есть кавитация. Ультразвуковая кавитация
вызывает нарушение в ультразвуковом поле не только таких непрочных
объектов, как биологические ткани и клетки, но и изделий из металлов и
других твердых материалов. Поведение клетки в ультразвуковом поле похоже
на поведение пружинного механизма, колеблющегося в вязкой жидкости.
Характер такого движения зависит от соотношения между упругой
возвращающей силой и силой трения в жидкости. Для большинства клеток
движение, вызванное деформацией их формы, носит характер суперзатухания:
деформированная клетка возвращается к первоначальной форме без
каких-либо колебаний. Естественно, что никаких резонансов при изменении
частоты внешнего поля возникать не должно. Тем не менее, плавный и
широкий максимум амплитуды колебаний клетки в зависимости от частоты
ультразвука должен наблюдаться. Можно назвать его геометрическим
резонансом.
Поскольку в жидкости вблизи клеточной оболочки формируется вязкий слой
(вязкой сдвиговой волны), толщина которого зависит от частоты
ультразвука, в деформированной клетке рассеивается энергия. Амплитуда
колебаний клеточной оболочки максимальна, когда толщина этого слоя
примерно равна размеру клетки. Теория предсказывала, что истинные
размеры клеток, вступающих в резонанс, должны быть велики, а оболочки
очень жесткими. Американский биофизик Дж. Миллер наблюдал колебания
формы у одноклеточной водоросли в ультразвуковом поле, клетка обладала
жесткой клеточной стенкой и была весьма крупной (150 мкм) [1].
Одним из важнейших следствий рассматриваемой теории был вывод о высокой
эффективности воздействия на клетку высокочастотных колебаний
акустических полей колеблющихся пузырьков (а не только постоянных
нелинейных сил). В таких полях значительно искажается форма и сдвигается
напряжение в клетке. В результате нарушается целостность оболочки и
стенок клеточных компонентов, разрушаются внутриклеточные структуры.
Однако ни теоретически, ни экспериментально не удается проследить, как
механические силы и напряжения воздействуют на структуры клетки, к каким
физико-химическим изменениям такие воздействия приводят и как эти
изменения вызывают биологически значимые последствия.
Однако и в докавитационном режиме ультразвуковые поля вызывают
значительные изменения в клетках. Обычно это связывают с воздействием на
клетку нелинейных сил и вызванных ими течений жидкости (так называемых
акустических течений). Такие силы и течения возникают обычно вокруг
колеблющегося в ультразвуковом поле пузырька в его ближайшей
окрестности. Если падающая волна непрерывна, то такие силы и течения
постоянны. Если амплитуда волны медленно меняется во времени, то
нелинейные силы и акустические течения вблизи колеблющегося пузырька
воспринимают его частотную модуляцию. Теоретически обосновано и
достаточно уверенно доказано экспериментально, что нелинейные силы и
акустические течения вблизи колеблющегося пузырька являются мощным
фактором воздействия ультразвука на клетки [10].
Ультразвуковое воздействие изучали на двух основных типах клеток: на
оплодотворенных и неоплодотворенных яйцеклетках и на клетках крови (в
основном эритроцитах). Не требует объяснения важность воздействия
ультразвука на яйцеклетки и на процесс эмбриогенеза начальной стадии.
Ведь ультразвуковую диагностическую и терапевтическую аппаратуру широко
используют в акушерстве и гинекологии. Почти ничего не известно о
характере взаимодействия ультразвука с яйцеклеткой, его последствиях.
Однако почему-то в сознании медиков широко укрепилось представление о
безопасности ультразвукового воздействия. Согласно исследованиям,
которые проводились на яйцеклетках морского ежа и травяной лягушки,
воздействие ультразвука (частота 2 МГц, интенсивность 0,4 - 1,6 Вт/см2)
как в виде непрерывного сигнала, так и в виде серии импульсов, привело,
во-первых, к стойкому отставанию в развитии облученных групп яйцеклеток
по сравнению с контрольной. Во-вторых, появились ранние аномалии
развития, а также аномалии на стадии гаструлы и поздние, оканчивающиеся,
как правило гибелью эмбриона. В третьих, необратимо снижалась
способность яйцеклеток к оплодотворению. Нарушения, по-видимому, связаны
и с перемешиванием содержимого цитоплазмы и с нарушением клеточной
оболочки, поскольку экспериментально наблюдали вызванные ультразвуком
нарушения в системе поддержания мембранного потенциала клетки.
Эксперименты с клетками крови шли по двум направлениям: 1) изучали
давление гемолиза (распада); 2) воздействие на эритроциты ультразвука
умеренной интенсивности (0,05 - 1 Вт/см2) и соответствующие изменения
антигенной активности эритроцитов у человека.
В экспериментах по акустическому гемолизу использовали ультразвуковые
колебания значительной интенсивности, при которой в жидкости образуются
пузырьки, либо стабильные колебания с большой амплитудой газовых
пузырьков (так называемая стабильная кавитация). Оказалось, что
ультразвук умеренной интенсивности меняет антигенную активность
эритроцитов [10].
В поле стоячей волны ультразвука микрочастицы, эритроциты собираются в
ее узлах и пучностях в зависимости от соотношения между акустическими
свойствами частиц и жидкости. Меняя частоту, можно заставить эту систему
узлов и пучностей медленно дрейфовать, а вместе с ней будут дрейфовать
перераспределившиеся частицы, оставляя за собой чистую жидкость. Таким
способом можно выделять клеточные элементы из крови или очищать жидкость
от микрочастиц.
Исследования воздействия ультразвука на вирусы и микробы проводились с
целью их разрушения, а на растения - с целью стимулирования роста [1].
Установлено, что при малых интенсивностях ультразвука происходит
стимулирование роста бактерий и вирусов, а при больших - их разрушение.
Можно определить порог интенсивности ультразвука, ниже которого
разрушения организмов не наступает. Выше порогового значения, которое
определяется, вероятно, наступлением кавитации, происходит разрушение
бактерий и уменьшение их вирулентности. Интенсивность и
продолжительность воздействия ультразвука, требующиеся для полного
уничтожения колоний бактерий, зависят от рода бактерий. При помощи
ультразвука удавалось, например, полностью уничтожить бактерии такого
типа, как стафилококки, вирусы энцефалита и Лисса. При этом разрушение
может быть механическим или химическим (деполяризация белкового вещества
-альбумина) [9].
По данным многочисленных исследований, в поле ультразвуковых волн
подвергаются дезинтеграции грамположительные и грамотрицательные,
аэробные и анаэробные, патогенные и непатогенные бактерии. Чувствительны
к ультразвуковым волнам палочковидные (спороносные и неспоровые),
кокковые и другие формы микроорганизмов, лучистые грибки - антиномицеты,
отдельные виды которых вызывают у человека и животных специфические
заболевания - антиномикоз.
Действию ультразвуковых волн поддаются и светящиеся бактерии (Photobacterium
fischeri), которые в результате озвучивания теряют способность к
люминисценции и не растут в дальнейшем.
Бактерицидному действию ультразвуковых колебаний подвергаются и
микроорганизмы, находящиеся во взвешенном состоянии в молоке и других
биологических жидкостях.
Однако различные бактерии отличаются между собой по своей
чувствительности к действию ультразвуковых волн [8, 9].
Разрушение бактерий и вирусов может происходить без химических добавок и
нагрева, а только под действием ультразвука - при этом образуются
активно иммунизирующие прививочные материалы и действующие антигены.
Эффективность действия ультразвуковых волн на микроорганизмы зависит
определенным образом от концентрации микробных тел, т.е. от количества
клеток в единице объема озвучиваемой жидкости. В более концентрированной
взвеси микробов озвучивание менее эффективно.
Бактерицидное действие ультразвука можно использовать также в
фармацевтике для стерилизации лекарств [10]. Еще более существенное
значение в этой области имеет диспергирующее действие ультразвука.
Тонкое диспергирование веществ может производиться в целях получения
большой стойкости эмульсий, для облегчения усвоения веществ или для
создания возможности инъекции особо трудноизмельчаемых веществ.
Для цели инъекции можно разрушать, например, кристаллы пенициллина,
причем это не оказывает влияния на его действенность. Удается
изготовлять столь тонкие эмульсии, что они становятся пригодными для
внутренних инъекций.
Экстрагирующее воздействие ультразвука благодаря эффекту разрывания
стенок клетки также важно для фармацевтики. Экстрагирование растительных
веществ при помощи ультразвука, например хлорофилла, из дорогих
растительных материалов удается в значительно более высокой степени, чем
при использовании других механических и термических методов.
По вопросам размещения рекламы, ссылок, обмену
ссылками пишите на:
office@matrixplus.ru
p.s.
При копировании материалов и фотографий активная ссылка на сайт обязательна.
