Динамика оболочечных и капельных микроструктур при акусто-вибрационном воздействии

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 534.2ИЛЮХИНА Мария АнатольевнаДИНАМИКА ОБОЛОЧЕЧНЫХ И КАПЕЛЬНЫХ МИКРОСТРУКТУРПРИ АКУСТО-ВИБРАЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИСпециальность: 01.04.06 - акустикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА 20101Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент Маков Юрий НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорТвердислов Всеволод Александровичкандидат физико-математических наук,старший научный сотрудникЛевин Вадим МоисеевичВедущая организация:Акустический институтимени академика Н.Н.

АндрееваЗащита диссертации состоится “17” июня 2010 года в 16:00 на заседанииДиссертационного Совета Д.501.001.67 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1 Москва,Ленинские горы, д.1, стр. 2, Физический факультет МГУ, физическаяаудитория им. Р.В.Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физическогофакультетаМосковского государственногоуниверситетаимени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан “17” мая 2010 года.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.67кандидат физ.-мат.

наук, доцентА.Ф. Королев2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследованияНа современном этапе развития медицинской акустики большое значениеприобретают исследования акустических и вибрационных воздействий наоболочечные микрообъекты. К ним в данном случае относятся как более простыесистемыввидеоболочечныхмикропузырьков(контрастныхагентов)икапсулированных газожидкостных структур, так и более сложные капельнооболочечныемоделиживыхклеток;сюдажепризначительнойролиповерхностного натяжения можно отнести активно изучаемую в последнее времясистему «микрокапля на вибрирующей подложке».В данной диссертационной работе изучается деформационная динамикаоболочечных микроструктур при акустическом и вибрационном воздействии сцелью анализа образования и изменения сложных, сферически несимметричныхформ (на основе суперпозиции высших поверхностных мод) указанных объектов,когдалокальныеповерхностныеучасткибольшойкривизнывлияютна«жизненные» процессы (образование локальных дефектов с дальнейшим их«залечиванием» или разрушением мембраны, изменение барьерных функцийоболочки).Актуальность работы в целом определяется общей тенденцией изучения всеболее мелкомасштабных процессов, эффектов и т.п., что в медицинской акустикепроявляется в естественном переходе к отдельной клетке и ее структурам(например, клеточной мембране) как объектам акустического (ударно-волнового,ультразвукового) и вибрационного воздействия1.

В этом же направлениимедицинскую акустику «заставляет» двигаться и появление новых, соразмерныхэритроциту микрообъектов, играющих существенную роль в современныхакустомедицинскихтехнологиях:акустоконтрастныхагентов(оболочечныхмикропузырьков) и капсулированных газожидкостных систем, обеспечивающих«адресную» доставку лекарственных и генных препаратов с кровотоком2.1)Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическимиобъектами.

М.: Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана. 2005. C. 84 – 155.2)Porter T.R. Diagnostic and Therapeutic Utilization of Microbubbles. Acta Cardiol. Sin.2005. V. 21. P. 77 – 88.3Имеющиеся в этой новой области акустики работы по анализу процессаакустического воздействия на оболочечные микросистемы, реально рассматриваятолько оболочечные газовые микропузырьки, в основном продолжают традицииклассической кавитационной теории, когда на основе различных модификацийуравнения Рэлея для схлопывающейся полости в жидкости изучаются радиальныесферически симметричные осцилляции оболочечного микропузырька3.

Реальнаяситуация с данными объектами и процессами требует развития исследований вдвух, порой взаимосвязанных, направлениях. Во-первых, – это исследованиеакустического воздействия на оболочечные микросистемы c болееобщей(сложной) структурой, нежели только микропузырек. Речь идет о микроконтейнерес внутренним жидким шаровым слоем и пузырьком в центре4, а также о капельноймодели живой клетки, заключенной в билипидную мембрану5.

Во-вторых, – этоизучение деформационной динамики оболочечных микросистем более сложной,сферически несимметричной формы, что, в силу появления локальных участковповерхности с большой кривизной, имеет существенное значение для сохраненияили разрушения этих систем. Задачи, определяемые этими двумя новыминаправлениями (обобщениями), рассматриваются в данной диссертационнойработе.Известно, что одним из основных результатов нетеплового акустическоговоздействия на оболочечные микроструктуры (отдельные клетки, микрокапсулы)является изменение проницаемости (сонопорация) и/или разрыв их мембран.

Этотпроцесс обусловлен существованием в оболочке структурных дефектов в областяхдействия значительных локальных натяжений. Появление в мембране такихучастков наиболее вероятно в областях, характеризуемых малым, по сравнению слинейным размером капсулы, радиусом кривизны. В связи с этим анализвозможности разрушения оболочечной системы в процессе акустическоговоздействия связан с необходимостью исследования ее деформационной динамикис учетом возникновения сферически несимметричных колебаний.

Причинами3)Hoff L., Sontum P.C., Hovem J.M. Oscillations of polymeric microbubbles: Effect of theencapsulating shell. J. Acoust. Soc. Am. 2000. V. 107. № 4. P. 2272-22804)Маков Ю.Н. Оболочечные микропузырьки: развитие эхо-контрастных систем вмедицинской акустике, динамические модели с нелинейно-упругими оболочками.Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 4–5. С. 536–545.5)Lim C.T., Zhou E.H., Quek S.T. Mechanical models for living cells – a review.

J. Biomech.2006. V. 39. P.195–216.4возникновения таких режимов движения оболочечных микросистем являютсяпространственная неоднородность акустического поля, влияние дополнительныхфакторов (например, присутствие соседних объектов таких, как схлопывающийсямикропузырек)илиразвитиенеустойчивостиповерхностныхвозмущенийоболочки капсулы.Анализдинамикиразныхоболочечныхмикросистем,моделирующихотдельные клетки и актуальные для медицинских приложений искусственныемикрообъекты (контрастные агенты, микроконтейнеры), позволяет соотноситьпараметры акустической волны с величиной деформаций изменяемой формы такихобъектов.

Эта информация является необходимой для определения режимовозвучивания (т.е. акустического воздействия) с заданным результирующимэффектом: механическим разрушением микрокапсул, клеток или временнымувеличением проницаемости их мембран. При оценке возможности разрываоболочки указанных систем весьма актуальной является задача о разработкедеформационного критерия образования сквозных дефектов в бислойных (в томчисле липидных) мембранах, потенциально приводящих к их деструкции принестационарных деформациях в процессе акустического воздействия. В настоящеевремя в качестве такого критерия выступает величина порогового измененияплощади, экспериментально определенная при квазистатических деформацияхлипидной мембраны6.

Однако до сих пор не исследована связь между признанныммеханизмом разрыва бислойных мембран вследствие появления неустойчивыхлокальныхдефектов7иэкспериментальноустановленнымкритериемихразрушения по величине изменения площади. Как следствие этого, практическиотсутствуют работы по возможности расчета аналогичного деформационногокритерия деструкции бислойных мембран для случая их нестационарныхдеформаций.

В диссертационной работе рассмотрена эта задача; предложен иобоснован новый локальный критерий разрушения клеточных мембран при ихсферическинесимметричныхдеформациях,вызываемыхакустическимивоздействиями.6)Ивенс И., Скейлак Р. Механика и термодинамика биологических мембран. М.: Наука.1982. 304 с.7)Рубин А. Б. Биофизика. М.: Книжный дом «Университет». 1999. Т. 2. С. 29-36.5В последнее время повышенный исследовательский интерес наблюдается вотношении системы «микрокапля на подложке». Эта система эффективна вмедицинской диагностике, проводящейся по структуре следа, оставленного послеиспарения капли биологической жидкости8 (например, сыворотки крови).

Такжеотносительно недавно была выявлена принципиально новая возможностьиспользованиясистемы«микро-,нанокаплянаподложке»вкачествемикрореактора для реализации процесса самосборки наноструктур в процессеиспарения на подложке коллоидной капли с наночастицами9.Вибрационное движение подложки или воздействующие поверхностныеакустические волны (ПАВ) являются инструментом, позволяющим эффективновлиять на процесс испарения капли и образования оставляемого ею следа.Вибрационный метод воздействия на обсуждаемые процессы в микрокапле за счетзначительно более низкого (от десятков герц до первых килогерц) частотногодиапазонапринципиальноэкспериментальныхотличаетсяустройствахПАВотдействияиреализуетсяужеиспользуемыхчерезвгармоническиизменяемую «эффективную силу тяжести».

В настоящее время динамика системы«микрокапля на подложке» при вибрационном воздействии исследована неполно;теоретический анализ осуществлен только для строго полусферических капель10(гипотетическая ситуация). Получаемые в рамках такого подхода результаты недают представления о поведении вибрирующей капли при сильном или слабомсмачивании горизонтальной поверхности. В диссертационной работе решеназадача об изменении формы капли с произвольным углом смачивания навибрирующей подложке.В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы являетсяактуальной для фундаментальных проблем акустики по акусто-вибрационномувоздействию на оболочечные и капельные микросистемы, а также для прикладных8)Тарасевич Ю.Ю.

Механизмы и модели дегидратационной самоорганизациибиологических жидкостей. УФН. 2004. Т. 174. № 7. С. 779-790.9)Андреева Л.В., Новоселова А.С., Лебедев-Степанов П.В., Иванов Д.А., Кошкин А.В.,Петров А.Н., Алфимов М.В. Закономерности кристаллизации растворенных веществ измикрокапли. ЖТФ. 2007. Т. 77. Вып. 2. С. 22-30.10)Lyubimov D.V., Lyubimova N.P., Shklyaev S.V. Behavior of a drop on an oscillating solidplate.