Диссертация (1097617), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Когдатолщина хряща больше глубины поглощения излучения, процесс релаксации идет только вчасти хрящевой пластины и вероятности этого процесса в сжатой и растянутой областяхнеодинаковы. Вероятностный механизм неаддитивного поведения хрящевой ткани прилазерном воздействии [Baum et al., 2011] представлен на Рис. 4.8).123Рис. 4.8. Схема механизма неаддитивного поведения хрящевой пластины. A1, A2 вероятности перехода заряженных элементов на 1-ом этапе облучения для I и II порядков.B1, B2 - вероятности перехода на 2-ом этапе облучения для I и II порядков[Baum et al., 2011].Если рассматривать исходный образец как параллелепипед с равномернымраспределением отрицательных групп по объему, то при изгибе равномерность нарушается,и концентрация отрицательных групп становится выше в сжатой области, по сравнению срастянутой.
Вероятность перехода А1 из сжатой области в центральную область хряща на 1ом этапе Ι порядка облучения (облучение начинается со сжатой стороны) оказывается вышевероятности перехода А2 из центральной области в растянутую на 1-ом этапе ΙΙ порядкаоблучения (облучение начинается с растянутой стороны). На 2-ом этапе Ι порядка переходВ1 осуществляется из центральной области, уже перенасыщенной отрицательнозаряженными группами, в сильно обедненную растянутую область. Вероятность В1оказывается выше вероятности B2 так как при 1-ом порядке заряженные элементыдиффундируют из перенасыщенной (за счет перемещения на 1-ом этапе) области в областьпониженной (за счет растяжения) концентрации, в то время, как при 2-ом порядке процессидет из насыщенной (за счет сжатия) области в малонасыщенную область, но уже незатрагивает обедненную отрицательными группами растянутую часть.Таким образом, получается система четырех неравенств: А1 > А2, А1 > В2, А1 > В1,В1 > А2, решая которые получается следующее соотношение: А1×В1> А2×В2, что иобъясняет механизм наблюдаемой в эксперименте зависимости величины кривизны хряща отпорядка облучения.Эффект нелинейного поведения хрящевой ткани можно наблюдать только еслиглубина лазерного прогрева будет сопоставима с половиной толщины облучаемого образца.124Это связано с тем, что основным компонентом поглощающим ИК-излучение с длиной волны1,56 мкм, является вода, при этом эффективный коэффициент поглощения реберного хрящаµ eff ≈ 14 см-1 [Южаков и др., 2014].
Толщина лазерного прогрева l =1µe ff+ a ⋅ t , где a -коэффициент температуропроводности, t - время воздействия. Для хрящевой тканитемпературопроводность определяется водой, поэтому a = 1,7×10-3 см2/с, и толщина прогреваза время порядка нескольких секунд составляет ~ 1,5 мм. Поскольку толщина исследуемыхобразцов хряща составляет 3 мм (что обусловлено необходимой толщиной имплантатов воперации по закрытию стенки трахеи при стенозе гортани), характер распространения теплапозволяет прогреть до нужной температуры только половину толщины образца приодностороннем облучении. Потребность в двустороннем облучении обусловленанеобходимостью прогревания образца на всю толщину, но с различной вероятностьюпереходов отрицательно заряженных групп протеогликанов, высвобождающихся прилазерном воздействии, что приводит к наблюдаемому нелинейному поведению.4.4.
Лазерно-индуцированное изменение пористой системыТеоретический расчет полей термонапряжений производился на основании модели,представленной в Главе 3, с использованием «оптимального» режима воздействия,подобранного в Главе 4 для реберного хряща: длина волны лазерного излучения 1,56 мкм,мощность 2.2 Вт, импульсно-периодический нагрев в течении 500 мс со скважностью 200 мс,общее время нагрева 6 секунд, от начальной температуры 22° C (средняя комнатнаятемпература при проведении всех экспериментов), эффективный радиус гауссовскогораспределения интенсивности 0.5 мм на выходе из сапфирового индентера.Температурное поле, при нагреве в данном режиме, представлено на Рис.
4.1. Ниже,на Рис. 4.9, представлено изменение разницы угловой и радиальной составляющих тензоратермонапряжений на поверхности облучения в относительных единицах. График отражаетих поведение в плоскости, перпендикулярной распространению лазерного излучения ипроходящей через точку максимальной температуры.Для сопоставления теоретического распределения с экспериментальными данными,готовились образцы реберного хряща, облученные в «оптимальном режиме». Послеоблучения из образцов вырезались препараты, содержащие места лазерного воздействия д ляприготовления срезов.125Рис. 4.9. Разница угловой и радиальной составляющих тензора термонапряжений для случаянагрева ребеного хряща в плоскости, перпендикулярной распространению лазерногоизлучения и проходящей через точку максимальной температуры.Срезы реберного хряща толщиной 50 мкм приготавливались с помощьюкриомикротома Leica CM 1900 при температуре -15°C с использованием замораживающегораствора Jung Tissue Freezing Medium.
АСМ-исследование проводили с помощьюмикроскопа атомных сил NаnoScope (производитель Veeco Instruments, США), типиспользованного кантеливера: Nanosensors ATEC-NC-50. Обработку результатовпроизводили с помощью программы NanoScopeSoftware810. Исследуемые областивыбирались вдоль линии, параллельной плоскости облучения, то есть перпендикулярно осиоблучения. Области располагались на различном от оси облучения расстоянии от 0 до 2400мкм с дистанцией в 200 мкм. В каждой области выбирались 4 близко отстоящих друг отдруга места площадью 1×1мкм и для каждой такой области с помощью математическойобработки в программе NanoScopeSoftware810 строились распределения пор по размерам.Распределения усреднялись, и строились от 0 до 1 в относительных единицах, располагаясьсоответственно своему местоположению относительно от оси лазерного облучения.
(Рис.4.10).126Рис. 4.10. ширина и положение максимума распределения лазерно-индуцированных пор поразмерам в реберном хряще, облученном в режиме изменения формы в зависимости отрасстояния исследуемой области от оси лазерного излучения.Из корреляции между теоретическими данными (Рис.4.9) и данными атомносиловоймикроскопии (Рис.4.10) видно, что ширина и положение максимума распределения лазерноиндуцированных пор по размерам в реберном хряще определяются разницей между угловойи радиальной компонентами тензора термических напряжений, возникающих принеоднородном лазерном нагреве ткани.
Максимальная ширина распределения возникает вместе наибольшей разницы (σθ−σr).127Выводы по результатам главы 4Полученные результаты представляются актуальными с точки зрения медицинскогоприменения: реберный хрящ является перспективным биологическим объектом дляизготовления имплантатов. Сама же данная задача об изготовлении полукольца заданнойформы была инициирована возможностью применения таких имплантатов для закрытиядефектов трахеи (имеющей форму полукольца) в операциях по лечению стеноза гортани.При этом для лучшего приживления и минимизации процесса лизинга послеимплантирования важна степень денатурации коллагена имплантата после лазерногоизменения его формы. В результате проведенного ДСК анализа заметной денатурацииколлагена в хряще, облученном в «оптимальном» режиме не выявлено.Экспериментально было показано, что самый выраженный эффект стабильногоизменения формы, то есть самая большая кривизна образца реберного хряща, принаименьшей визуальной денатурацией наблюдалась при мощности излучения 2.2 Вт идлительности облучения 6 сек для импульснго режима с длительностью имульса 500 мс ипромежутком 200 мс.
Подобранный режим совпадал с найденным теоретически, и былпризнан наиболее эффективным для изменения формы пластин из реберного хряща.Эффект неаддитивного термомеханического поведения хрящевой ткани,заключающийся во влиянии порядка двухстороннего облучения хряща на конечную егоформу, проявляется в условиях, когда суммарная глубина проникновения лазерногоизлучения и глубина проникновения тепла сравнима с половиной толщины хрящевой ткани.Из сравнения между теоретическими данными полей термонапряжений и даннымиатомносиловой микроскопии показано, что ширина и положение максимума распределениялазерно-индуцированных пор по размерам в реберном хряще определяются разницей междуугловой и радиальной компонентами тензора термических напряжений, возникающих принеоднородном лазерном нагреве ткани, при этом положение максимальной шириныраспределения соответствует положению наибольшей разницы (σθ−σr).128Глава 5.
Механизмы лазерно-индуцированной регенерации суставного хрящаЗаболеваниями суставных хрящей страдают более 70% взрослого населения планеты,обуславливая социальную значимость проблемы. Несмотря на интенсивное развитие новыхконсервативных и хирургических методов лечения артритов и артрозов, эта проблема далекаот окончательного решения [Павлова и др., 1988]. Регенерация - восстановление ткани,изначально заложено природой. Это ответ биологической системы на любое повреждающеевоздействие. С возрастом способность к регенерации у хрящей уменьшается. Существующиеразличные методы лечения, в том числе остеоартроза и воспалительных процессов в хрящахне позволяют полностью решить проблему. Поэтому поиск новых подходов лечениятравматических и особенно дегенеративных заболеваний суставов представляетсячрезвычайно актуальным.Данная глава посвящена применению лазерного воздействия умереннойинтенсивности для модификации структуры с целью восстановления гиалинового хрящасуставов.
Представлен способ моделирования травматического повреждения идегенеративных заболеваний (артроза) суставного хряща. Помимо этого обсуждаютсявозможности диагностики (особенно рання диагностики) типа новообразованной ткани прирегенерации биологических тканей, которая может быть проведена с использованиемдиагностических матриц. Рассматриваются возможности увеличения плотностирасположения чувствительных элементов таких диагностических матриц с помощьюлазерного наплавления.5.1. Управляемая регенерация под действием лазерного излученияРанее было установлено, что термомеханическое лазерное воздействие позволяетактивировать процессы регенерации хрящевой ткани межпозвонковых дисков[Баграташвили и др., 2006; Sobol et al., 2007; Sobol et al., 2008a].Биологические клетки суставного хряща нуждаются в нормальном питании ичувствительны к окружающему их полю механических напряжений, их питаниеосуществляется за счет диффузионного перемещения воды и растворенных в нейпитательных веществ.Существуют три типа дефектов хрящевой пластины сустава: дефекты достигающиекости, которые обычно сами зарастают грубой рубцовой тканью (1); поверхностныедефекты, не затрагивающие костную ткань, для которых характерно то, что если их размерменее 3-4 мм, они часто зарастают сами (2); если их размер более 4 мм, они, как правило, не129заживают самостоятельно никогда (3), [Caplan et al., 1997].
Ни одна из существующихтехнологий не восстанавливает большие поверхностные дефекты и блестящую пластинку,покрывающую суставной хрящ для уменьшения трения.Принцип лазерной модификации структуры хряща с целью его регенерациизаключается в том, чтобы создать импульсно-периодическое тепловое поле, не приводящее кденатурации, но достаточное для создания термонапряжений, при релаксации которыхвозникает пористая структура, обеспечивающая массоперенос жидкости и питание клеток.Экспериментальное исследованиеЭксперименты проводились на 7 взрослых (от 2 до 3 лет, массой 50 - 60 кг)минисвиньях Светлогорской популяции (селекция Научного центра биомедицинскихтехнологий РАМН). Работу проводили в несколько этапов.I этап: были выбраны режимы лазерного облучения, обеспечивающиетермомеханическое воздействие на выделенные суставные хрящи без их существенногоповреждения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
