Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Схема облучения образцавнутреннейповерхностихрящевогополукольца. 1 – металлическое кольцо, 2 –образец, 3 – контактор, 4 – сапфировыйнаконечник контактора, 5 – лазер.Рисунок 12. Схема облучения внешнейповерхности хрящевого полукольца. 1 –металлическое кольцо, 2 – образец, 3 –контактор, 4 – сапфировый наконечникконтактора, 5 – лазер.Диаметр лазерного пятна составлял 2,5 мм. Облучение проводили по схеме,приведенной на Рис.13. На поверхности хряща делали 3 ряда точек облучения.45Расстояние между рядами составляло 2 мм, между точками облучения 1 мм.
Облучениеначинали с середины хрящевого полукольца, заканчивали на торцах.Рисунок 13. Схема облучения поверхности хрящевого полукольца. Темные пятнасоответствуют точкам облучения.Параметры лазерного воздействия подбирались, исходя из известного влитературе диапазона режимов для изменения формы хряща носовой перегородки [2].Для предотвращения перегрева поверхности контактором действовали с небольшимдавлением на поверхность для оттока жидкости вглубь ткани.
После каждой точкиоблучения контактор быстро охлаждали до температуры 21⁰С, а поверхностьоблучаемого хряща смачивали физиологическим раствором во избежание потерижидкости. Облучение проводили в двух различных последовательностях: (1) сначаласжатой, затем растянутой поверхности хряща; (2) сначала растянутой, затем сжатойповерхности хряща. Поскольку толщина и структура реберного хряща отличается отхряща носовой перегородки, проводилось варьирование мощности и времени лазерноговоздействия для определения оптимальных режимов. Для определения пороговмощности проводили серию из 5 экспериментов, в которых мощность варьировали от1,5 до 2,2 Вт с шагом 0,1 - 0,2 Вт (Табл.2), сопровождая их последующей фиксациейдостижения стабильной кривизны за 24 ч после воздействия.Таблица 2.
Значения мощности лазерного воздействияРежим облученияИмпульсный, 500/700, 20 с, 1,5 ВтИмпульсный, 500/700, 20 с, 1,7 ВтИмпульсный, 500/700, 20 с, 1,8 ВтИмпульсный, 500/700, 15 с, 2,0 ВтИмпульсный, 500/700, 10 с, 2,2 ВтПороги времени лазерного воздействия определяли в серии из 5 экспериментов,уменьшая время воздействия на 3-5 с для установленных пороговых значений мощности(Табл.3).46Таблица 3. Время лазерного воздействия для заданных значений мощности.Мощность облучения, Вт Время облучения, с1,82,02,2201512106Для каждого режима проводили 3 эксперимента. Для режимов, при которыхнаблюдался выраженный эффект изменения формы, проводили 6 экспериментов. Дляопределения влияния последовательности облучения проводили 6 экспериментов длякаждого режима воздействия.После облучения хрящевой образец помещали в физиологический раствор ификсировали изменение его кривизны до достижения ее стабильного значения спомощью установки с камерой Canon.
Измерения проводили каждую минуту первые 10мин, затем каждые 10 мин в течение первого часа. Конечную кривизну измеряли через24 ч после воздействия.2.1.3. ДСКС внешней и внутренней стороны хрящевой пластины, облученной в режиме 2,2Вт 6 с, срезали слой хряща, содержащий облученную область, диаметром 2,0 мм итолщиной 0,5 мм. Таким же образом вырезали интактный образец из необлученногохряща. Для ДСК-анализа готовили 3 серии образцов: (1) интактный, (2) срез сжатойповерхности облучения, (3) срез растянутой поверхности облучения. Третью частьобразцов всех серий помещали в раствор α-химотрипсина (Sigma), приготовленный израсчета 1 мг на 20 мг хрящевой ткани с добавлением пенициллина (5000 ед. на 1 лраствора) и выдерживали в течение 24 ч при 30°С. Затем образцы промывалифизиологическим раствором.
Перед помещением в ячейку ДСК образцы взвешивалипри комнатной температуре. Затем образцы помещали в герметичные тигли изаписывали для них кривые ДСК на термоанализаторе ТА4000 (Mettler приставка DSC20) при скорости нагрева 10°С/мин в интервале температур 25 - 100°С.После окончания анализа вскрывали тигли и сушили образцы в сушильном шкафу притемпературе 50°С до постоянной массы. Затем образцы вновь взвешивали ирассчитывали величину теплового эффекта на единицу сухой массы образца.472.2. Оптимальные режимы воздействияОсновным компонентом, вносящим вклад в поглощение ИК-излучения с λ = 1,56мкм, является вода.
Эффективный коэффициент поглощения реберного хряща дляданной длины волны µ eff ≈ 14 см-1 [47]. Толщину лазерного прогрева можно оценить какl=1µe ff+ a ⋅ t , где a – коэффициент температуропроводности, t – время воздействия.Для хрящевой ткани температуропроводность определяется водой, поэтому a = 1,7*10-3см2/с. Толщина прогрева за время порядка нескольких секунд составляет ~ 1,5 мм.Поскольку толщина используемых образцов хряща составляет 3 мм, характерраспространения тепла позволяет прогреть до нужной температуры половину толщиныобразца за время порядка нескольких секунд при одностороннем облучении.Двустороннее облучение на данной длине волны позволяет прогреть образец на всютолщину.
Значения мощности лазерного воздействия, при которых был достигнутстабильный результат изменения формы, представлены в Табл.4 [117].Таблица 4. Пороги мощности лазерного воздействияРежим облученияЭффектстабильногоизменения формыИмпульсный, 500/700, 20 сек, 1,5 ВтнетИмпульсный, 500/700, 20 сек, 1,7 Втда, слабыйИмпульсный, 500/700, 20 сек, 1,8 ВтдаИмпульсный, 500/700, 15 сек, 2,0 ВтдаИмпульсный, 500/700, 10 сек, 2,2 ВтдаПри значениях мощности выше 1,7 Вт наблюдался выраженный эффектсохранения новой формы в течение как минимум 24 ч. При более высоких значенияхмощности визуально наблюдались термические повреждения ткани, выражавшиеся впотемнении облученный областей.
Однако использование минимальной пороговоймощности требует больших времен воздействия. Результаты определения временныхпорогов представлены в Табл.5. Как видно из таблицы, радиус стабильной кривизнынаименьший для режима 2,2 Вт 6 с. При этом визуально наблюдались минимальныеизменения в области лазерного пятна.48Таблица 5. Пороги времени лазерного воздействияМощность, Вт1,82,02,220Средний радиускривизны, мм52155512471079639Время, сДля данного режима воздействия исследовали влияние радиуса кривизныхрящевого полукольца в процессе лазерного воздействия на стабильную кривизну новойформы. Результаты представлены в Табл.6.Таблица 6. Влияние кривизны образца в процессе облучения на стабильную кривизнуновой формы (значения радиуса кривизны приведены для внутренней линии хрящевогополукольца).Радиус кривизны во времяоблучения, ммРадиус кривизны через 20 мин послеоблучения, мм10408,5377325,522При более выраженном изгибании хряща в процессе воздействия наблюдаетсяуменьшение кривизны стабильной новой формы хряща.
Таким образом, контролируякривизну в процессе нагрева, можно изготавливать полукольца реберного хрящазаданной кривизны.2.3. Стабильность новой формыПри помещении хрящевого полукольца в физиологический раствор послелазерного воздействия в течение некоторого времени наблюдается «распрямление»хряща до достижения стабильного значения кривизны. Этот процесс в основном связанс восстановлением в хряще количества жидкости, испарившейся за время эксперимента.Равновесие устанавливается за время порядка нескольких минут. На Рис.14 приведенадинамика «распрямления» хрящевого полукольца при воздействии лазерного режима2,2 Вт 6 с. Из показаний термопары следует, что максимальная температураповерхности при этом не превышала 32⁰С.
Можно видеть, что по истечении 20 минрадиус кривизны более существенно не возрастает.49Рисунок 14. Динамика приобретения стабильной кривизны хрящевой пластиной вфизиологическом р-ре за указанное время после лазерного воздействия. Справа представленграфик роста температуры поверхности хряща при лазерном нагреве в режиме 2,2 Вт 6 сек,полученный с помощью термопары на периферии лазерного контактора.
Максимальнаятемпература нагрева поверхности не превышала 32⁰С.Контрольное измерение, проведенное через 24 ч после лазерного воздействия, невыявило изменения стабильного радиуса кривизны. При хранении хрящевых образцовпри температуре - 4⁰С в течение нескольких месяцев (измерения проводились дополугода) стабильная новая форма хряща сохраняется. Таким образом, эффектлазерного изменения формы является стабильным.2.4. Влияние последовательности двустороннего облучения на кривизнуновой формыПо результатам измерений стабильной кривизны для разных серий образцов быловыявлено статистическое различие для всех используемых режимов при двустороннемоблучении хрящевых полуколец в разной последовательности (Табл.7).Таблица 7.
Стабильная кривизна хрящевых полуколец в зависимости отпоследовательности воздействия: Ι воздействие сначала на сжатую, затем на растянутуюповерхность хряща, ΙΙ – обратная последовательность воздействия.РежимПоследовательностьРадиус кривизны, мм1,8 Вт 15 сΙ50±3ΙΙ59±3Ι44±3ΙΙ49±2Ι37±1ΙΙ40±22,0 Вт 12 с2,2 Вт 6 с50Так, в случае воздействия сначала на внутреннюю сжатую поверхность хряща, азатем на внешнюю растянутую конечная стабильная кривизна оказывалась болеевыраженной, чем для обратной последовательности воздействия Таким образом,обнаружен эффект нелинейного термомеханического поведения хрящевой ткани.Возможный механизм данного эффекта может быть связан с различной концентрациейотрицательных зарядов, перераспределение которых происходит при лазерном снятиимеханических напряжений, в сжатой и растянутой области хрящевого полукольца.Физико-химические аспекты данного механизма нуждаются в дальнейшем изучении.Таким образом, при двустороннем облучении хряща в форме полукольца наиболееэффективной для достижения меньшей кривизны оказывается последовательностьоблучения, соответствующая воздействию сначала на сжатую, затем на растянутуюповерхность полукольца.2.5.
Степень денатурации коллагена в облученном хрящеДля определения степени денатурации коллагена использовали метод ДСК.Анализировали хрящи, облученные с двух сторон в режиме 2,2 Вт 6 с, так как данныйрежим демонстрирует наиболее выраженный эффект стабильной кривизны новойформы. Контрольный образец сравнивали с облученными образцами, подвергнутымикак сжатию, так и растяжению. Соответствующие термограммы приведены на Рис.15.Значения соответствующих тепловых эффектов приведены в Табл.8. Наблюдаемыеэффекты лежат в диапазоне 60 - 80 ºС. Их величина как для интактного, так и дляоблученных образцов существенно ниже величины эффекта денатурации коллагена в65±5 Дж/г [75].Рисунок 15.
Кривые ДСК образцов хряща: 1 – сжатая поверхность полукольца, 2 – интактныйконтроль, 3 – растянутая поверхность полукольца.51Следовательно, в анализируемом диапазоне температур денатурации коллагена непроисходит. Возможно, наблюдаемый небольшой эффект связан с тепловымипревращениями менее стабильных минорных коллагенов хряща, локальным плавлениемпротеогликанов, либо с процессом перехода связанной воды в свободное состояние [1].Таблица 8. Результаты ДСК анализа хрящевых образцов.ОбразецТемпература перехода, ºСТепловой эффект,Дж/гИнтактный663±1673±1653±1Облученный (сжатаяповерхность)Облученный(растянутаяповерхность)Значения тепловых эффектов для облученного хряща и контроля оказываются впределах погрешности определения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
