Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Для облученного хряща наличие эффекта,идентичногоконтрольномуобразцу,свидетельствуетоботсутствиизаметныхтермических повреждений его коллагеновой структуры в процессе лазерноговоздействия.Обработка хряща α-химотрипсином приводит к ферментативному расщеплениюпротеогликанов, стабилизирующих коллагеновый каркас хряща в процессе нагрева.Таким образом, тепловые превращения коллагена становятся более вероятными, аразница между контролем и облученным образцом более выраженной. Потеря сухоймассы хряща после обработки составляет около 40%. Термограммы образцов,обработанных α-химотрипсином, приведены на Рис.16.
Соответствующие температурыи тепловые эффекты приведены в Табл.9.Рисунок 16. Кривые ДСК образцов хряща, обработанных α-химотрипсином: 1 – сжатаяповерхность полукольца, 2 – интактный контроль, 3 – растянутая поверхность полукольца.52Таблица 9. Результаты ДСК анализа хрящевых образцов после обработки αхимотрипсином.ОбразецТемпература перехода, ºСТепловой эффект, Дж/гИнтактный627±3637±3624±2Облученный (сжатаяповерхность)Облученный(растянутаяповерхность)Значения тепловых эффектов увеличились незначительно и составляют многоменьше величины эффекта денатурации коллагена. Небольшое снижение температурпереходов по сравнению с необработанными ферментом образцами связано соснижением термической стабильности хрящевого матрикса.
Тепловые эффекты дляконтроля и облученного хряща, взятого со сжатой поверхности полукольца, неразличаются. Наблюдается небольшое снижение значения теплового эффекта дляоблученногохряща,взятогосрастянутойповерхностихряща.Этоможетсвидетельствовать о наличии в данной области незначительных термическихповреждений при лазерном воздействии, которых не наблюдается при воздействии насжатую поверхность.В результате проведенного ДСК анализа заметной денатурации коллагена вхряще, облученном в режиме 2,2 Вт 6 с, не выявлено. Следовательно, данный режимможет быть использован для неразрушающей лазерной модификации реберного хряща.2.6. Выводы по результатам Главы 21. Определены параметры лазерного воздействия на реберный хрящ, приводящиек стабильному изменению его формы.2. Степень деформации хряща в процессе лазерного воздействия влияет наконечную стабильную кривизну новой формы.3.
Обнаружен эффект нелинейного термомеханического поведения реберногохряща в процессе изменения его формы: облучение сперва сжатой, затем растянутойповерхности хрящевого полукольца приводит к более выраженному эффекту новойформы, чем обратная последовательность облучения.534. Показано, что в процессе лазерного изменения формы не происходит заметнойденатурации коллагена в хряще.54ГЛАВА 3. Импрегнация наночастиц магнетита в хрящевую ткань3.1.
Экспериментальные методы3.1.1. Синтез наночастиц магнетитаИспользовали реактивы марки «ч.д.а»: тетрагидрат хлорида железа II FeCl2·4H2O,гексагидрат хлорида железа III FeCl3·6H2O, 25%-ный водный раствор аммиака,картофельный крахмал. 0; 0,1; 0,5 или 1,0 г крахмала растворяли при нагревании в 50 млдистиллированной воды, затем р-р крахмала смешивали с 50 мл водного р-ра,содержащего 0,02 М хлорида железа II и 0,04 М хлорида железа III. Через смесь втечение 10 – 15 мин пропускали аргон.
Затем при перемешивании к смеси по каплямдобавляли 13,5%-ный р-р аммиака до появления устойчивой черной окраски. КонечныйpH составлял 12. По окончании добавления аммиака смесь перемешивали в течение 15мин и оставляли на 1 ч в инертной атмосфере. Затем осадок магнетита промывалидистиллированной водой и высушивали в инертной атмосфере при комнатнойтемпературе. Для исследования свойств и импрегнации в хрящевую ткань готовилидисперсии наночастиц в дистиллированной воде различных концентраций: 10 мкг/мл, 2мг/мл, 5 мг/мл.3.1.2.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и электроннаядифракцияИсследование структуры наночастиц магнетита проводили на электронноммикроскопе JEOL JEM-2000 FXII (JEOL Ltd., Japan) при величине ускоряющегонапряжения 200 кВ, высушивая каплю дисперсии наночастиц при комнатнойтемпературе на ультратонком полимерном слое в центре медной подложки диаметром 3мм.3.1.3. Динамическое лазерное светорассеяние (ДЛС)Готовили водную дисперсию наночастиц магнетита концентрацией 2 мг/мл,которую перед анализом разбавляли в 10, 50 и 100 раз. Анализ проводили на фотометрелазерного светорассеяния Zetasizer Nano ZS (Malvern, Great Britain), снабженном He-Neлазером (λ = 633 нм, мощность 4 мВт). Суспензию наночастиц помещали в стекляннуюкювету цилиндрической формы с плотно закрывающейся крышкой и предварительнопрогревали в течение 5 минут при заданной температуре.
Измерения проводили подфиксированномугломрассеяния90°.Рассеянныйсветпринималсякросскорреляционной системой счёта фотонов, позволяющей измерять размеры частиц55от 0.5 нм до 5 мкм. Накопление корреляционной функции интенсивности рассеянногосвета производилось автоматически каждые 60 секунд при измерении при постояннойтемпературе. Корреляционные функции анализировали с помощью программы DynaLS(Alango, Израиль), позволяющей рассчитать значения гидродинамических радиусов (Rh)частиц, присутствующих в растворе, и индексов полидисперсности (PIs).3.1.4.
Аналитическое ультрацентрифугирование (АУЦ)Данному анализу подвергали фракцию наночастиц размером менее 10 нм.Крупные частицы предварительно отделяли центрифугированием их дисперсии (2мг/мл) в течение 15 мин при 5 000 об/мин. Седиментационные экспериментыпроводились при 20°C с помощью аналитической ультрацентрифуги Spinco (Beckman),модель Е, оборудованной абсорбционной оптикой, фотоэлектронным счетчиком,монохроматором и компьютерной системой. Использовали ротор An-F Ti с четырьмяотсеками и 12 миллиметровые двухсекторные ячейки. Скорость ротора составляла 24000 об/мин.
Седиментационные профили были получены измерением поглощения при307 нм. Сканирование всех ячеек производили одновременно. Временной интервалмежду сканированиями составлял 2,5 мин. Коэффициенты седиментации рассчитывалииз распределения дифференциальных седиментационных коеффициентов [c(s) от s] припомощи программы SEDFIT. Средние седиментационные коэффициенты образцовопределялись интегрированием распределений c(s).3.1.5. Импрегнация наночастиц в хрящПластины суставного и реберного хряща толщиной 1,5 – 2,0 мм и диаметром 3,0мм фиксировали на дне цилиндических кювет, которые заполняли водной дисперсиейнаночастиц магнетита, стабилизированной 0,5% масс.
крахмала, концентрации 2 мг/мл.Импрегнация наночастиц осуществлялась диффузией из водной дисперсии в течение 75ч. Исследовали три типа образцов: (1) интактный; (2) модифицированный эрбиевымволоконным лазером (λ=1,56 мкм, LSC, Arcuo Medical Inc.) через волокно диаметром600 мкм в режиме, при котором наблюдалось образование субмикропор в хряще [118]:мощность лазера 0,7 Вт, время воздействия 5 с при длительности импульса 500 мс,частоте повторения 1,4 Гц; (3) модифицированный лазером с приложением постоянногомагнитного поля в 2000 Гаусс в процессе импрегнации наночастиц.
Всего проводили 6экспериментов для каждого типа образцов серии (1), (2) и (3) (3 для суставного и 3 для56реберного хряща). Через 20 мин хрящи извлекали из кювет и промывали вфизиологическом р-ре в течение 5 мин.3.1.6. Оптическая фотометрияПосле импрегнации наночастиц образцы серии (1) – (3) из п.3.1.5 разрезалипоперек, так чтобы для облученных образцов поверхность среза соответствовала центупятна облучения и демонстрировала сечение профиля импрегнации.
Толщинаполученных срезов составляла 0,5 мм. Срезы помещали в ячейку для оптическихисследований (Рис.17). Образцы, помещенные в прозрачный слайд, освещали белымсветом,сгенерированнымдиоднымисточником.Оптическаяплотностьхрящаопределялась по изменению интенсивности прошедшего света вдоль направления отповерхности импрегнации к периферии, которая фиксировалась камерой высокогоразрешения Sony DCR-TRV40E и измерялась в графическом редакторе.Рисунок 17.
Экспериментальная схема определения оптической плотности хрящевыхобразцов. 1 – диодный источник света, 2 – линза, 3 – образец хряща, 4 – прозрачный слайд, 5 –камера, 6 – система обработки.Коэффициенты диффузии наночастиц в хрящевую ткань рассчитывались наоснове решения уравнения диффузии для полуограниченного тела [116].3.2. Характеризация наночастиц магнетитаАнализ ПЭМ позволил оценить форму и размеры наночастиц, а такжеподтвердить их кристаллическое строение. На Рис.18 представлены электронныефотографии частиц магнетита, полученные для нестабилизированных (Рис.18а) истабилизированных крахмалом наночастиц (Рис.18б).
Справа от ПЭМ изображенийприведены соответствующие электронные дифрактограммы и размерные распределениянаночастиц.57Рисунок 18. ПЭМ изображения (а) нестабилизированных и (б) стабилизированныхкрахмалом (0,5%) наночастиц Fe3O4. Справа приведены электронные дифрактограммысоответствующих образцов и диаграммы распределения по диаметру.Нестабилизированные наночастицы имеют размер 6 – 20 нм с максимумом около7 нм, однако образуют устойчивые агломераты размером более 100 нм. Степеньагломерации стабилизированных наночастиц заметно меньше. Частицы имеют размер 310 нм. Максимум их распределения составляет 6 нм. Наблюдаемые агломераты частицимеют размер до 100 нм.
Межплоскостные расстояния, рассчитанные из электронныхдифрактограмм, приведены в Табл.10.Таблица 10. Данные электронной дифракциистабилизированных крахмалом наночастиц Fe3O4.длянестабилизированныхиd, A (нестаб. Fe3O4)d, A (стаб. крахмалом Fe3O4)h k l4,83304,75491 1 13,3807 (маггемит)1 1 62,94542,89982 2 02,51082,48053 1 12,07552,04254 0 01,69871,67114 2 21,59601,57165 1 11,46641,44184 4 0На электронной дифрактограмме нестабилизированных наночастиц присутствуютрефлексы маггемита Fe2O3 (рефлекс d=3,3807), в то время как для стабилизованныхнаночастиц наблюдаются только рефлексы магнетита.
Таким образом, введениекрахмала в процессе синтеза замедляет окисление магнетита.58ДЛС анализ водных дисперсий наночастиц Fe3O4 проводили для изучения ихразмерного распределения с учетом агломерации и возможных взаимодействий смолекуламикрахмала[119].НаРис.19представленораспределениенестабилизированных частиц. Из полученного распределения видно, что их воднаядисперсия представляет собой полидисперсную систему, значения гидродинамическихрадиусов частиц в которой лежат в диапазоне 150 - 850 нм со средним значением <Rh> =330 ± 10 нм.Рисунок 19. Распределение частиц Fe3O4 в нестабилизированной водной дисперсии.Данные ДЛС дисперсий частиц Fe3O4, стабилизированных крахмалом, приведенына Рис.20.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
