Диссертация (Лазерная функциональная модификация хрящевой ткани и тканей глаза), страница 2

Оптические методы регистрации структурных изменений в склере глазапри лазерном воздействии - основа создания контрольных системс обратной связью. .............................................................................................229Выводы по результатам главы 6 ..........................................................................................231Заключение .....................................................................................................................................233Благодарности.................................................................................................................................236Список литературы: .......................................................................................................................2376ВведениеМодификация структуры и свойств биологических тканей под действием лазерногоизлучения является новым, активно развивающимся направлением лазерной биоинженерии илазерной медицины.

Основным критерием перспективности применения лазерныхтехнологий модификации структуры и реконструкции биологических тканей являетсясохранение основных функциональных особенностей облучаемых объектов. Лазерноиндуцированные лечебные эффекты, такие как изменение формы и регенерациябиологической ткани, достигаются в определенном узком диапазоне параметров лазерноговоздействия, выход за пределы которого приводит к потере ее функциональности.

Изучениефизико-химических свойств биологической ткани после неразрушающего лазерноговоздействия, исследование состояния ее подсистем (клетки, матрикс, коллаген,протеогликаны и т.п.) и определение стабильности лазерно-индуцированных измененийнеобходимо для обеспечения эффективности и безопасности лазерной процедуры.Открытое сотрудниками Института Фотонных Технологий Федеральногогосударственного учреждения «Федеральный научно-исследовательский центр«Кристаллография и фотоника» Российской академии наук» (старое название: ИнститутПроблем Лазерных и Информационных Технологий РАН) новое явление - релаксациянапряжений в хрящевой ткани под действием неразрушающего лазерного нагрева - легло воснову нового направления биофизики и биоинженерии - управляемой модификацииструктуры, формы и регенерации хрящевых тканей.

Разработаны фундаментальные основыдля целого семейства новых применений лазеров в медицине: в отоларингологии - длякоррекции формы хрящей перегородки носа, в косметологии - для коррекции формы уха иноса, в спинальной хирургии - для лечения заболеваний позвоночника. Однако, широкоеприменение таких новых технологий в клинике сдерживается недостаточной изученностьюмеханизмов лазерного воздействия на клетки, допустимых параметров лазерноймодификации и отсутствием достаточно надежных контрольных систем, обеспечивающихэффективность и безопасность лазерных медицинских технологий.К началу работ, представленных в данной диссертации, недостаточно былиисследованы и поэтому сохранили свою актуальность не только проблемы оптимизации иконтроля лазерных технологических режимов, применяемых при лазерном измененииформы и структуры реберного хряща и тканей глаза, но, также, проблема стабильностилазерно-модифицированной структуры тканей, неразрывно связанная с физико-химическимсостоянием и функционированием всех подсистем биологической ткани, что представляетособенный интерес для биофизики.

В то же время, от решения проблемы стабильности7лазерно-индуцированных изменений зависит долговременность положительных результатовлазерного воздействия. Поэтому результаты работы актуальны также для биоинженерии.Актуальность построения теоретических моделей лазерно-индуцированныхтемпературных полей, и полей термонапряжений, представленных в работе, обусловленанеобходимостью обоснованных предсказаний, позволяющих значительно сократитьколичество необходимых экспериментов на тканях in vivo для выбора оптимальной дозыоблучения, обеспечивающей достижение желаемого эффекта.

Таким эффектом можетявляться, например, релаксация внутренних напряжений и коррекция формы реберногохряща без его денатурации, стимуляция регенерации гиалинового хряща суставов, илидостижение структурных изменений, приводящих к возникновению пористой структуры всклере глаза, обеспечивающей нормализацию внутриглазного давления.Построение теоретических моделей и последующая верификация результатовчисленного моделирования с помощью экспериментальных данных представляетсянеобходимой в связи с тем, что в каждом конкретном случае воздействия критическими длясохранения функциональности могут быть параметры, которые невозможно или трудноизмерить.Целью данной диссертационной работы являлось выяснение механизмов иоптимизация физических (термических, термомеханических, реологических,перколяционных и оптических) процессов, лежащих в основе лазерной модификации иконтроля при:коррекции формы реберных хрящей и хрящевых трансплантатов,лазерной регенерации хрящей суставов,повышении плотности диагностических матриц,неабляционной коррекции формы роговицы и рефракции глаза,коррекции пористой структуры склеры для нормализации ВГД,лазерном удалении пленок вторичной катаракты.В ходе работы решали следующие основные задачи:1.

Построение теоретических моделей процессов распространения тепла и лазерноиндуцированных полей напряжений с учетом пространственных и временных особенностейлазерного источника тепла применительно к условиям лазерной коррекции формы хрящей8носовой перегородки и реберного хряща, регенерации суставного хряща, модификациигидропроницаемости склеры и рефракции роговицы глаза; а также при лазерномнаплавлении чувствительных элементов диагностических матриц, которые могут бытьиспользованы для определения типа новообразованной ткани при лазерно-индуцированнойрегенерации.2. Теоретическое и экспериментальное определение диапазона оптимальныхпараметров и механизмов лазерного воздействия (а) для стабильного изменения формыреберного хряща с сохранением его «каркасной функции» в отсутствии денатурацииколлагена; (б) для коррекции формы и рефракции роговицы глаза без поврежденияструктуры и ухудшения оптических свойств глаза; (в) для удаления патологических пленоквторичной катаракты глаза.3. Исследование механизмов лазерной регенерации хрящевых тканей суставов.Моделирование условий управляемой лазерной модификации пористой структурыбиополимеров с целью (1) изменения локальной гидравлической проницаемости пористойструктуры склеры глаза и (2) с целью реализации механизма опосредованного воздействияна процессы пролиферации и модификации хрящевых клеток для регенерации суставногохряща.4.

Теоретическое и экспериментальное определение диапазона оптимальныхпараметров и механизмов поверхностного лазерного наплавления трехкомпонентной среды ссохранением функциональности легкоплавкой составляющей для моделирования условийсоздания диагностических матриц.5. Исследование процессов лазерной модификации структуры биологических тканейоптическими методами для эффективного и безопасного применения лазерной коррекцииформы хрящей носовой перегородки и роговицы глаза, а также для лазерной нормализациивнутриглазного давления.Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что впервые проведеналазерная модификация формы реберного хряща с получением стабильной новой формы,модификация структуры суставного хряща, приводящая к восстановлению гиалиновогохряща суставов, формы роговицы с предсказуемым изменением ее рефракции без измененияее коэффициентов поглощения и рассеяния в видимом диапазоне, модификация пористойструктуры склеры, обеспечивающая существенное увеличение гидропроницаемости и9нормализацию ВГД, оптимизирована технология лазерного удаления пленок вторичнойкатаракты.Для всех этих случаев показана безопасность найденных условий лазерноговоздействия и сохранение основных функциональных свойств и структурных особенностейбиологических тканей.Обнаружено нелинейное термомеханическое поведение хрящевой ткани взависимости от последовательности двустороннего облучения при лазерной коррекцииформы реберного хряща, толщина которого больше глубины поглощения излучения.Предложен новый подход лазерного воздействия на процессы дифференцировкидедифференцировки клеток хряща путем модификации структуры околоклеточногоматрикса.

Впервые продемонстрировано образование микропор в непосредственнойблизости от хондроцитов, способствующее доставке к клеткам питательных веществ исигнальных молекул, что запускает механизм пролиферации и дифференцировки клетокгиалинового хряща. Построена двухмерная теоретическая модель образования пор вполимерах, подвергающихся неоднородному лазерному нагреву.Впервые выявлен и исследован механизм стабилизации лазерно-индуцированногопорообразования в суставном и реберном хрящах и в склере глаза, связанный с образованиемгазовых микро пузырьков.Диссертационная работа включает в себя не только экспериментальные исследованияфизико-химических свойств разных типов биологической ткани и их изменений посленеразрушающего лазерного воздействия, но и, основываясь на известных теоретическихподходах, развивает новые модели, описывающие различные конкретные процессылазерного воздействия на конкретный тип биологического объекта.

Теоретические моделипозволили существенно сократить количество in vivo экспериментов и предварительнооценить диапазон оптимальной дозы облучения для достижения желаемого лечебногоэффекта для каждого типа биологической ткани.Так, например, диапазон мощностей, времен облучения и частот повторенияимпульсов для лазерно-индуцированного изменения формы реберного хряща, и диапазонлазерных интенсивностей для увеличения гидропроницаемости тканей глаза были вначаленайдены теоретически, а затем уже подтверждены экспериментально.

Аналогичным образомобласти порообразования и локализации максимальных изменений коллагеновой структурысклеры глаза в результате термомеханического воздействия импульсно-периодическоголазерного излучения были вначале определены на основе построенных теоретических10моделей, а затем уже найдены и исследованы экспериментально с помощью атомно-силовоймикроскопии, комбинированной оптоакустической и ультразвуковой микроскопии имикроскопии структурированного облучения с высоким разрешением.Положения, выносимые на защиту, могут быть сформулированы следующим образом:1.

Механизм регенерации гиалинового хряща суставов при импульсно-периодическомлазерном нагреве на 10-20° C заключается (а) в формировании пор субмикронного размера внепосредственной близости от хрящевых клеток, способствующих доставке к клеткампитательных веществ; (б) в образовании и осцилляциях газовых пузырьков размерами 50-200нм, осуществляющих термомеханическое воздействие на клетки с заданной частотой иамплитудой; (в) в контролируемом увеличении градиентов температуры в глубине ткани,обеспечивающих ускорение массопереноса в околоклеточном пространстве и доставку кклеткам сигнальных молекул.2.

Лазерно-индуцированная релаксация напряжений в реберных хрящах толщиной 2-4мм лежит в основе новой технологии изготовления хрящевых трансплантатов стабильнойформы для отоларингологии.3. Механизм формирования стабильных пор размерами 50-500 нм в склере глазасоставляет основу новой технологии лазерной коррекции внутриглазного давления приоткрытоугольной глаукоме.4.

Ширина и максимум распределения лазерно-индуцированных пор по размерам вхрящевой ткани и склере глаза связаны с разностью между угловой и радиальнойкомпонентами тензора термических напряжений, возникающих при неоднородном лазерномнагреве ткани.5. Неаддитивный эффект термомеханического поведения хрящевой ткани,заключающийся во влиянии последовательности двухстороннего облучения изогнутогохряща на конечную его форму, проявляется в условиях, когда суммарная глубинапроникновения лазерного излучения и глубина распространения тепла при лазерном нагревесравнима с половиной толщины пластины реберного хряща, используемой в технологииизготовления хрящевых имплантатов.6.

Существенную роль в стабилизации лазерно-индуцированной модификацииструктуры хрящей и тканей глаза играют газовые микро-пузырьки размерами 50-200 нм,образующиеся при лазерном нагреве на 10-20° C вследствие температурной зависимости11растворимости газов, тогда как существование таких пузырьков обеспечивается силамиотталкивания положительных ионов кальция, расположенных на поверхности пузырьков.В работе использовались такие теоретические и экспериментальные методы как:1) Методы теории теплопроводности для описания воздействия неразрушающеголазерного излучения на биологические ткани; 2) Методы линейной и нелинейной теорииупругости, термоупругости и пластичности для построения адекватной теоретическоймодели распространения термомеханических напряжений в биологических тканях; 3)Методы численного моделирования для решения задач теплопроводности, упругости ипластичности с учетом их динамического характера, конечных деформаций инепрямоугольных областей интегрирования.Экспериментальные методы: 1) Лазерной модификации тканей с использованиемлазеров с длинами волн 1,56 мкм, 1,45 мкм, 0,83 мкм, 0,81 мкм, 532 нм; 2) ИК-радиометриядля измерения температуры в процессе лазерного воздейтсвия.