Отзыв официального оппонента, д.ф.-м.н. Д.А.Зимнякова (Лазерная функциональная модификация хрящевой ткани и тканей глаза)

ОТЗЫВ официального оппонента Зпмнякова Дмитрия Александровича о диссертационной работе Баум Ольги Игоревны «Механизмы модификации хрящевой ткани н тканей глаза под действием лазерного пзлученияв на соискание ученой степени доктора физико- математических паук по специальностям 03.01.02- биофизика, 03.01,08 — бионнженерпя Актуалыгость темы диссертационной работы Важным критерием перспективности применения лазерных методов для модификации сгруктуры и свойств биологических тканей является сохранение основных функциональных особенностей облучаемых объектов.

К началу работ, представленных в данной диссертации, нерешенными оставались проблемы оптимизации и контроля лазерных технологических режимов, применяемых при лазерном изменении формы и лазерной модификации структуры хрящей и тканей глаза, а также проблема стабильности модифицированной структуры тканей. Как правило, стабильность биологического объекта после лазерной модификации определяется его физико-химическим состоянием, что является объектом исследования биофизики.

Одновременно с этим от решения проблемы стабильности лазерно-индуцированного физико-химического состояния объекта зависит долговременность положительных результатов лазерного воздействия, что определяет важность решаемых в диссертации задач для биоинженерии, Поэтому работа, направленная на выяснение механизмов физических процессов, лежащих в основе лазерной модификации и контроля при лазерном воздействии с целью изменения формы и регенерации тканей безусловно является актуальной.

Научная новизна диссертационной работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: 1) впервые проведена лазерная модификация формы ребериого хряща с получением стабильной ионой формы; 2) исследованы механизмы модификации структуры суставного хряща, приводящей к восстановлению гиалинового хряща суставов; 3) впервые осуществлена модификация формы роговицы с предсказуемым изменением ее рефракции без изменения ее коэффициентов поглощения и рассеяния в видимом диапазоне; 4) впервые осуществлена модификация пористой структуры склеры глаза, лежащая в Основе принципиально н~в~й технологии нормали~анин внугриглазного давления при лечении глаукомы; 5) проведена оптимизация технологии лазерного удаления пленок вторичной катаракты, что позволяет существенно уменьшить вероятность осложнений, сопровождающих традиционную Операцию в офтальмологии, Практическая значимость работы Для ряда лазерньзх медицинских технологий в работе определены условия зффективного н безопасного лазерного воздействия, Гзри которых медицинский зффект достигается без утраты основных функциональных свойств и структурных особенностей биологических тканей, что обуславливает практическую значимость работы.

Прикладной характер полученных результатов в биомеднцннских технологиях не оставляет сомнений, так как они позволили разработать основы для принципиально новых лазерных технОПОГий для ОфтальмОПОГии, ОртОпедии и Отоларингологии, в частности, метод лазерного создания пористой системы в склере глаза для снижения внутрнГлазиОГО давления уже начал применяться при лечении ГлаукОмы в клинике.

Структура н основное содержание диссертационной работы Диссертация состоит из введения, б глав, заключения с выводами и списка литературы, В первой главе представлен литературный обзор и рассматривается явление релаксации напряжений в хрящевой ткани прн неразрупщющем лазерном нагреве. рассматривается термомеханическое воздействие на хрящевую ткань. обсузкдазотся фазовые переходы и химические процессы при лазерном облучении н параметры лазерного облучения. Описывазотся основные объекты исследования: реберный и суставной хрящи, а также ткани глаза.

Обсуждаются современные методы морфофункционального анализа исследуемых бнотканей. Показано, что к началу работы иад диссертацией были разработаны фундаментальные основы целого ряда новь|х применений лазеров в медицине: в отоларингологии - для коррекции формы хрящей перегородки носа, в косметологии - для коррекции формы уха и носа, в спииальной хирургии - для лечения заболеваний позвоночника, Однако широкое клиническое применение подобных технологий сдерживалось недостаточной изученностью механизмов взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями, неопределенностью в части выбора допустимых параметров лазерного воздействия н отсутствием достаточно надежных контрольных систем, обеспечивающих эффективность и безопасность лазерных медицинских технологий.

В конце главы на основе проведенного анализа обосновывается актуальность н практическая значимость диссертационных исследований. Глава 2 посвящена разработке теоретической модели расчета температурных полей при лазерном воздействии на биоткани. Показано, что иидуцированные лазерным излучением лечебные эффекты достигается в определенных достаточно узких интервалах параметров лазерного воздействия и определяюгся длиной волны, мощностью лазерного излучения, временными режимами воздействия и диаметром пятна излучения.

Выход за пределы этих интервалов ведет к потере эффективности и может привести к нежелательным побочным эффектам. Расчеты по разработанной модели проводились для реализованной на практике и уже применяемой в клинике контрольной системы с обратной связью для управления процессом лазерного воздействия коррекции формы хрящей носа. Эта система пе позволяет непосредственно измерять важнейшие параметры: максимальную температуру в глубине хряща готвечаюшую за эффективность операции) и температуру в центре пятна на поверхности (отвечающую за безопасность операции).

Возможно только измерение температуры с помощью термопары„расположенной на периферии лазерного пятна в точке, не имеющей непосредственного контакга с облучаемыми тканями. Был проведен теоретический анализ процессов теплопереноса в биологических тканях с учетом особенностей лазерного источника тепла, Найдены зависимости температуры от времени в точках, играющих решающую роль при лазерном облучении биологических ткизей, что позволило подобрать диапазоны лазерного воздействия для исследуемых образцов: реберного и суставного хрящей„роговицы и скверы, а также трехкомпонентных модельных сред на подложках. С помощью разработанной теоретической модели удалось осуществлять контроль температурных полей в глубине облучаемых объектов; кроме того, была обеспечена возможность надежной калибровки контрольной системы.

Глава 3 посвящена исследованиям термомеханических процессов в биотканях при лазерном воздействии. При облучении биологических тканей лазерным излучением, для которого характерны пространственная и временная неоднородности, в результате распространения температурного поля происходит неоднородное расширение„приводящее к возникновению термических напряжений и к деформации ткани, сопровождающейся изменением ее реологических свойств. В результате изменения объема и действия силового поля, возникают термоупругие напряжения, моделированнк1 которых и посвящена данная глава.

В начале главы рассматривается теоретическое моделирование поля термонапряжений в биологическом объекте при поверхностном и объемном лазерном облучении. На основе полученной теоретической модели показано, как изменяются поля термических напряжений при управлении температурным полем посредством введения биофункпиональных наночастиц, Рассмотрены особенности взаимодействия лазерного излучения с биологической тканью при ее модификации контрастирующими добавками.

Представлена модель„ позволяющая рассмотреть поведение лазерно- индуцированного давления при воздействии импульсно-периодического лазерного излучения на биологические ткани в широком диапазоне длительностей лазерных импульсов. И, наконец, рассмотрена теоретическая модель образования пористой системы при лазерном воздействии, согласующаяся с экспериментальными результатами, полученными для суставного хряща. В четвертой главе обсуждается проблема минимизации остаточных напряжений в изогнутом имплантате без потери его функциональности. С точки зрения медицинского применения данная задача представляется весьма актуальной.

Экспериментально показано, что наиболее выраженный эффект стабильного изменения формы ~достижение максимальной кривизны образца ребер ного хряща) при наименьшей денатурации хрящевой ткани наблюдался при мощности излучения 2,2 Вт и длительности облучения б с (при импульсном режиме с длительностью импульса 500 мс и интервалом между импульсами, равным 200 мс). Такой режим облучения практически совпал с режимом, определенным теоретически, и был признан наиболее эффективным для изменения формы пластин из реберного хряща.

Из сравнения результатов моделирования полей термических напряжений л данных атомно-силовой микроскопии установлено, что ширина и модальное значение распределения лазерно-индуцированных пор по размерам в ребе рном хряще определяются разницей между угловой и радиальной компонентами тел зора термических напряжений, возиикаюших при неоднородном лазерном нагреве ткани. Глава 5 посвящена проблемам лазерной терапии суставных хрягцсй.