Автореферат (1097616), страница 7
Текст из файла (страница 7)
6. Динамика изменения максимальной температуры реберного хряща примощности 2,2 Вт. Линия 1 – теоретические данные температуры в точкерасположения термопары; 2 - экспериментальные данные температур,регистрируемых двумя термопарами, совпадающие с линией 1; 3 –теоретические данные изменения максимальной температуры.Далее проводилась серия экспериментов для определения пороговмощности и времени, при которых наблюдается лазерное изменение формыреберного хряща. Для этого было выбрано еще 4 мощности ниже и две вышетеоретически найденных 2.2 Вт и проведена серия экспериментов по изменениюформы пластины реберного хряща (длиной 5,5±1,5 см, шириной 1,0±0,5 мм итолщиной 3,0±0,5 мм), облучаемой с одной стороны.Пластины с помощью зажимов закрепляли на металлических кольцах(Рис.7) и проводили облучение растянутой и сжатой поверхности хряща,воздействуя инфракрасным лазерным излучением с длиной волны 1,56 мкмчерез сапфировый наконечник контактора эрбиевого волоконного лазера (США,28Arcuo Medical, Inc.).
Облучение проводили в двух различныхпоследовательностях: (1) сначала сжатой, затем растянутой поверхности хряща;(2) сначала растянутой, затем сжатой поверхности хряща.Рис. 7. Схема облучения образца реберного хряща с внутренней (а) и с внешней(b) стороны. 1 – образец хряща, 2 – металлические кольца, 3 – наконечникконтактора, с выступающим сапфировым индентером.Воздействие производилось в импульсно-периодическом режиме сдлительностью импульса 500 мс и промежутком 200 мс. Диаметры колецдержателей подбирались таким образом, чтобы кривизна средней линиихрящевого полукольца при облучении внутренней и внешней поверхностиоставалась постоянной (Рис.7). Использовались 4 пары колец для облучениявнутренней и внешней поверхности диаметром 13 и 10; 11,5 и 8,5; 10 и 7; 8,5 и5,5 мм, что соответствовало радиусам средней линии, равным 11,5, 10, 8,5 и 7мм. Контроль температуры поверхности осуществлялся с помощью термопар,встроенных в наконечник лазерного контактора и расположенных на егопериферии.После облучения хрящевой образец помещали в физиологический раствори фиксировали изменение его кривизны до достижения ее стабильногозначения.
Измерения проводили каждую минуту первые 20 мин, затем каждые10 мин в течение первого часа и каждые 30 минут в течение последующих 11часов. Конечную кривизну измеряли через 24 часа после воздействия.На основе полученных данных были выбраны три мощности, для которыхэкспериментально были найдены временные пороги возникновения лазерногоизменения формы при импульсном режиме. Режим, найденный теоретическибыл признан наиболее эффективным для проведения дальнейшихэкспериментов.Для найденного режима воздействия, выбранного для всей последующейработы по изменению формы реберного хряща в качестве «оптимального»,исследовали влияние радиуса кривизны хрящевого полукольца в процесселазерного воздействия на стабильную кривизну новой формы.При более сильном изгибе хрящевой пластины в процессе лазерноговоздействия наблюдается уменьшение кривизны ее стабильной новой формы.Показано, что контроль кривизны хрящевой пластины в процессе лазерного29воздействия позволяет изготавливать полукольца реберного хряща заданнойкривизны.
Показано, что по истечении 20 мин после лазерного облученияфиксированной новой формы, радиус кривизны пластины стабилизируется. Врезультате проведенного ДСК анализа заметной денатурации коллагена вхряще, облученном в режиме 2,2 Вт 6 сек, не выявлено. Таким образом, данныйрежим может быть использован для неразрушающей лазерной модификацииреберного хряща.
Результат лазерного облучения представлен на Рис.8.Рис.8. Хрящевая пластина, лежащая на боку (ось облучения лежит в плоскостирисунка) пластина а – до облучения, b – после облучения.Найденные результаты представляется очень актуальным с точки зрениямедицинского применения: реберный хрящ является перспективнымбиологическим объектом для изготовления биоимплантатов. Сама же даннаязадача об изготовлении полукольца заданной формы инициированавозможностью применения подобных имплантов для закрытия дефектов трахеи(имеющей форму кольца) в операциях по лечению стеноза гортани.4.2 Эффект лазерно-индуцированного неаддитивноготермомеханического поведения хрящевой ткани.Экспериментально обнаружен эффект, названный «неаддитивнымтермомеханическим поведением хрящевой ткани». Заключается он в том, чтопри двустороннем облучении изогнутого хряща наиболее эффективной длядостижения большей кривизны оказывается последовательность облучения,соответствующая воздействию сначала на сжатую, затем на растянутуюповерхность полукольца.Эффект неаддитивного поведения хрящевой ткани можно наблюдатьтолько если глубина лазерного прогрева будет сопоставима с половинойтолщины облучаемого образца.
Для более тонких хрящей разницанезначительна. Механизм этого эффекта основан на различной динамикеперемещения заряженных элементов системы протеогликанов при лазерномвоздействии на изогнутую пластину хряща с двух сторон в различном порядке.В Главе 5 рассматриваются механизмы лазерно-индуцированнойрегенерации суставного хряща.305.1 Управляемая регенерация под действием лазерного излучения.Регенерация - восстановление ткани, изначально заложено природой. Этоответ биологической системы на любое повреждающее воздействие.
Свозрастом способность к регенерации у хрящей уменьшается. Существующиеразличные методы лечения, в том числе остеоартроза и воспалительныхпроцессов в хрящах не позволяют полностью решить проблему. Заболеваниямисуставных хрящей страдают более 70% взрослого населения планеты. Несмотряна интенсивное развитие новых консервативных и хирургических методовлечения артритов и артрозов, эта социальная проблема далека отокончательного решения.Ранее было установлено, что термомеханическое лазерное воздействиепозволяет активировать процессы регенерации хрящевой тканимежпозвонковых дисков.Даная глава посвящена применению лазерного воздействия умереннойинтенсивности (нагрев на 10-20° C) для модификации структуры с цельювосстановления гиалинового хряща суставов.Биологические клетки суставного хряща нуждаются в нормальномпитании и чувствительны к окружающему их полю механических напряжений,их питание осуществляется за счет диффузионного перемещения воды ирастворенных в ней питательных веществ.Существуют три типа дефектов хрящевой пластины сустава: (1) До кости– сами зарастают грубой рубцовой тканью; (2) Поверхностные (незатрагивающие костную ткань): менее 3-4 мм зарастают сами; (3) Большиеповерхностные (не затрагивающие костную ткань): более 4 мм – не заживаютсамостоятельно никогда.
Ни одна из существующих технологий невосстанавливает большие поверхностные дефекты и блестящую пластинкусустава.Принцип лазерной модификации с целью регенерации: создатьимпульсно-периодическое тепловое поле, не приводящее к денатурации, нодостаточное для создания термонапряжений, при релаксации которых возникаетпористая структура, обеспечивающая массоперенос жидкости и питание клеток.Физические механизмы регенерации:Влиять на последовательность дифференцировки и дедифференцировкиклеток можно создавая поры, увеличивая массоперенос сигнальных молекул,увеличивая концентрацию кислорода и увеличивая напряжения. Запустить этипроцессы можно тремя путями:(1) Микропоры в хрящевом матриксе увеличивают гидропроницаемостьматрикса, и обеспечивают «дыхание» хондроцитов и поступление к клеткампитательных веществ.(2) Температурные градиенты увеличивают массоперенос вмежклеточном матриксе и обеспечивают транспорт сигнальных молекул,запускающих процессы дифференцировки клеток; (3) Лазерно-индуцированные31газовые пузыри колеблются под действием импульсно-периодическоголазерного излучения, их динамические осцилляции с определенной частотой иамплитудой активируют пролиферацию и синтетическую активностьхондроцитов (известно что механическое воздействие на клетки с частотойпримерно 1 Гц активирует клетки).Процессы дифференцировки и дедифференцировки клетокПроцесс регенерации связан с естественными механизмами развития итрансформации клеток, начиная со стволовых клеток до хондроцитов разноготипа (Рис.9).
Эти процессы частично обратимы и управляются сигнальнымимолекулами и механическими факторами.Основная идея состоит в том, что процессы дифференцировки идедифференцировки клеток могут контролироваться воздействием лазерногоизлучения на клетки путем модификации околоклеточного матрикса.Рис.9. 1. Процессы дифференцировки и дедифференцировки клеток: 1 –мезенхимальные стволовые клетки; 2 – пре-хондроциты; 3 – незрелыехондроциты (хондробласты); 4 – многоядерные клоны – новые молодые клетки,растущие в одной оболочке; 5 – гипертрофированные хондроциты; 6 –хондроциты фиброзного хряща; 7 – хондроциты гиалинового хряща; 8 – путьдифференцировки; 9 – путь дедифференцировки; 10 – дополнительные путиклеточной дифференцировки.В экспериментальной части:(I) Проводилось моделирование первичного травматическогоповреждения (поверхностного более 4 мм) и вторичного дефекта,моделирующего дегенеративные заболевания (артроза) суставного хряща.Ускорение формирования экспериментальной модели артроза было обеспеченоблагодаря механической нестабильности сустава, получаемой путемдополнительного (во время операции) надсекания мениска в области егопереднего рога.
Эксперименты проводились на 20 взрослых (от 2 до 3 лет,массой 50 – 60 кг) минисвиньях Светлогорской популяции (селекция Научногоцентра биомедицинских технологий РАМН).32(II) Для лечения созданных дефектов хрящевой пластины применялосьнеабляционное лазерное воздействие с длиной волны 1.56мкм и 1.45мкм.Нагревание было экспериментально промоделировано в лабораторных условияхна выделенных суставных хрящах и составляло 50° С.(а)Рис.10. Первичные дефекты всуставном хряще.
Нижний –через два месяца после лазерногооблучения практически заросновой тканью. Верхний –контроль (необлученныйдефект) сохранил размеры.(б)Рис.11. Первичный (1) и вторичный (2)дефекты суставного хряща.(а) Через два месяца после моделированиязаболевания.(б) Через два месяца после лазерногооблучения.В результате экспериментов было показано, что лазерно-индуцированнаярегенерация хряща гиалинового типа через два месяца приводит кзначительному восстановлению хрящевой пластины сустава (Рис 10, 11 иТаблица 1).Таблица 1. Лазерное воздействие на первичный и вторичный дефекты.Лазерное облучение λ=1,56 мкмПервичный дефект: Регенерациягиалинового хряща, которыйсодержит типичные хондроциты слакунами и большое количествокислых ГАГ в матриксе.Вторичный дефект: Регенерациягиалинового хряща в глубокомполнослойном дефекте. Частичноевосстановление блестящейпластинки.33Восстановление блестящейпластинки.Окраска толуидиновым синим, × 200.Лазерное облучение λ=1,45 мкмПервичный дефект: Регенерациягиалинового хряща с большимколичеством типичные хондроцитовс лакунами и отдельнымимногоклеточными клонами.Восстановление архитектоникиколлагена матрикса и блестящейпластинки.Вторичный дефект: В оченьглубоком дефекте наблюдаетсярегенерация гиалинового хряща ифиброзно-гиалинового хряща.Частичное восстановлениеблестящей пластинки.Окраска гематоксилином и эозином,× 100.Окраска по Ван-Гизону на коллаген, ×400В результате исследований было показано, что основные тканевыемишени лазерного воздействия на хрящ: (1) Резидентные (местные) и костномозговые стволовые клетки: лазер вызывает стимуляцию пролиферации,дифференцировки, миграции, усиление синтеза специализированного матрикса;(2) Резидентные зрелые клетки (хондроциты): лазер вызывает активациюсинтеза специализированного матрикса; и, возможно, частичнуюдедифференцировку (возвращает способность к делению); (3) Матрикс: лазервызывает физико-химическую модификацию матрикса и создает «идеальное»микроокружение для клеток (запуск реакций пролиферации, миграции,дифференцировки, дедифференцировки, синтеза нового матрикса).Схематическое изображение процесса управляемой регенерации поддействием лазерного излучения, включающая основные тканевые мишени,механизмы и результаты лазерного воздействия приведено на Рис.12.34Рис.12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
