Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Средние значения гидродинамических радиусов частиц в дисперсиях,содержащих 0.1, 0.5 и 1.0 % масс. крахмала, составили 85±1 нм, 48±1 нм и 33±1 нм,соответственно.Рисунок 20. Распределение по гидродинамическому радиусу для водных дисперсий наночастицмагнетита при различных концентрациях крахмала. Т = 25⁰С.Как следует из приведенных данных, стабилизация дисперсии крахмаломприводит к увеличению в общем распределении доли более мелких частиц размером до100 нм, в то же время она не приводит к снижению полидисперсности системы, так как59«хвост» распределения тянется до значений радиусов частиц 1000 нм. Увеличениеконцентрации крахмала, добавленного предварительно в систему, приводит куменьшению их среднего гидродинамического радиуса в конечной дисперсии изначительному сужению распределения.Следует отметить, что метод ДЛС очень чувствителен к частицам большогоразмера, однако, для тех случаев, когда в смеси присутствуют как очень большие, так ичастицы относительно небольшого размера, то у этого метода плохое разрешение поотношению к малым частицам [116].
Распределение будет сдвинуто в сторону большихчастиц, хотя их доля по массе может быть меньше 0.1 % или даже 0.01 % [116]. Поэтомудля характеристики относительно небольших наночастиц использовали метод АУЦ,которыйобладаетбольшейразрешающейспособностью,чемметодДЛС.Предварительно водную смесь частиц центрифугировали, что позволило удалитьнаиболее тяжелую фракцию наночастиц.
Далее с помощью метода скоростнойседиментации было охарактеризовано распределение по размерам фракции малыхнаночастиц.НаРис.21представленыдифференциальныераспределенияпокоэффициентам седиментации c(s) частиц Fe3O4 в крахмальной дисперсии. Значениясредних коэффициентов седиментации в дисперсиях, содержащих 0.1; 0.5 и 1 % масс.крахмала равны соответственно 15, 12.4 и 10.0 S, а средние радиусы Стокса оцененыравными, соответственно, 4.9, 4.8 и 3.7 нм. Хотя средние значения радиусов близки,однаковидно,чтоприувеличенииконцентрациикрахмала,добавленногопредварительно в систему, распределение c(s) становится более узким.Рисунок 21.
Дифференциальные распределения коэффициентов седиментации дляводных дисперсий наночастиц магнетита, синтезированных в присутствии (а) 0,1, (б) 0,5 и (в)1,0 % крахмала (20⁰С, скорость ротора 24 000 об/мин).Стабильность крахмальных дисперсий наночастиц исследовалась методом ДЛС вдиапазоне температур 20 - 70⁰С (Рис.22). Выбор данного температурного диапазонаобусловлен средней температурой нагрева в условиях неразрушающего лазерного60воздействия [1,10].
Как видно из приведенных данных, средний гидродинамическийрадиус частиц в данных условиях изменяется незначительно.Рисунок 22. Динамика изменения размера частиц Fe3O4 в дисперсии, содержащей 0,5 %масс. крахмала, с ростом температуры.Стабильность дисперсий при хранении была также исследована методом ДЛС(Рис.23). По прошествии 7 дней с момента синтеза и хранения дисперсии частиц бездоступа воздуха при комнатной температуре средний гидродинамический радиус частицизменился незначительно и составил 52±1 нм по сравнению с 48±1 нм длясвежесинтезированных частиц.Рисунок 23.
Динамика изменения размера частиц Fe3O4 в дисперсии, содержащей 0,5 %масс. крахмала, при хранении в течение указанного времени после синтеза.3.3. Кинетика импрегнации наночастиц Fe3O4 в хрящевую тканьКинетику импрегнации исследовали, измеряя оптическую плотность срезовхряща вдоль профиля импрегнации наночастиц. Импрегнация наночастиц в хрящевуюткань отвечает решению уравнения диффузии для полуограниченного тела, котороеможет быть представлено следующим образом [120]:61Cx2= exp(−)C04 Dt(1)где С0 и C граничная и текущая концентрации НЧ соответственно, x – координатапрямой, соответствующей профилю импрегнации, D – коэффициент диффузии, t – времяимпрегнации.
Данное решение можно представить в логарифмическом виде:ln(гдеC) = Kx 2C0K =−14 Dt(2)представляетсобойкоэффициентпропорциональностимеждулогарифмическим отношением концентраций и квадратом координаты. Общуюинтенсивность света, поглощенную как наночастицами, так и материалом хряща можнозаписать так:I общ = I 0 − I = I НЧ + I ХР(3)где I0 и I интенсивности падающего и прошедшего света, IНЧ и IХР интенсивности,поглощенные наночастицами и хрящом. IНЧ может быть рассчитана из закона БугераЛамберта-Бера:I 0 − I НЧ = I 0 exp(−cχl )(4)где c – концентрация поглощающих наночастиц, χ – молярный коэффициент экстинции,l – толщина хрящевой пластины. Поскольку в данном эксперименте исследовалисьмалые толщины хрящевых пластин l, чтобы можно было снизить влияние рассеяния, тоcχl<<1, тогда выражение (4) может быть представлено в следующем виде:I 0 − I НЧ = I 0 (1 − cχl )(5)I НЧ = I 0cχl(6)Подставляя (6) в выражение (3) получим:I 0 − I = I 0cχl + I ХР(7)И после нормирования на I0:I 0 − I I ХР−= cχlI0I0(8)Таким образом, концентрация в каждой точке профиля импрегнации зависит отразности между общей интенсивностью поглощенного света и интенсивностью,поглощенной материалом хряща, нормированными на I0.
Измеряя интенсивность62прошедшего света в каждой точке профиля импрегнации, а также для хряща, несодержащего поглощающих наночастицы, можно рассчитать отношение концентраций (C) , связанное с координатой и коэффициентом диффузии выражением (2). В Табл.11C0представлены полученные K и соответствующие им значения коэффициентов диффузииD.Таблица 11. Значения K и D для трех различных типов импрегнации.ОбразецКоэффициент K, см-4КоэффициентдиффузииD, см2/сИнтактный3,00±0,07(3±1) 10-9Облученный3,84±0,08(1,5±0,5)·10-85,09±0,11(1,60±0,65)·10-7Облученный, импрегнацияпроведена с приложениеммагнитного поляМожно видеть, что предварительное лазерное облучение хряща позволяетувеличить скорость диффузии на порядок величины.
Этот результат может бытьобъяснен, исходя из полученных ранее данных о том, что механизм неразрушающеголазерного воздействия на ткань подразумевает образование дополнительных пор иканалов хрящевой структуры [1], что ускоряет диффузию наночастиц. Приложениемагнитного поля в процессе импрегнации, в свою очередь, также увеличивает скоростьдиффузии наночастиц на порядок величины. Следовательно, магнитное поле можетбыть использовано для управления процессом импрегнации наночастиц.3.4. Выводы по результатам Главы 31.Полученыводныеполидисперсныесистемынаночастицмагнетита,стабилизированные крахмалом, со средним размером частиц 85±1 нм, 48±1 нм и 33±1нм.2. Синтез наночастиц в присутствии крахмала позволяет заметно уменьшитьстепень их агломерации и предотвратить окисление.3.
Средний размер и распределение наночастиц в дисперсии зависят отконцентрации стабилизатора: повышение его концентрации в пределах 0,01 – 1 % масс.приводит к сужению распределения и сдвигу среднего размера частиц в меньшуюсторону.634. Дисперсии являются стабильными при хранении в течение как минимум втечение нескольких дней и при повышении температуры до 70⁰С.5. Исследована кинетика импрегнации наночастиц магнетита в хрящевую ткань:коэффициент диффузии наночастиц в интактный хрящ составляет (3±1) 10-9 см2/с.6. Показано, что неразрушающее лазерное воздействие увеличивает скоростьдиффузии на порядок величины.7. Приложение магнитного поля в процессе импрегнации наночастиц воблученный хрящ увеличивает скорость диффузии на 2 порядка величины. Такимобразом, можно управлять процессом импрегнации с помощью магнитного поля.64ГЛАВА 4.
Структура хряща при лазерной модификации и импрегнациинаночастицами магнетита4.1. Экспериментальные методы4.1.1. Отбор и приготовление образцов хряща сустава и реберДля приготовления образцов суставного хряща брали правый и левый бедерныйсустав свиньи.
Суставную сумку вскрывали с помощью скальпеля и срезали верхнийслой суставного хряща толщиной 1,5 мм. Пластину облучали в заданных точка черезоптоволокно (см. п. 4.1.2), так чтобы расстояние между точками облучения составлялоне менее 2,0 мм. Из облученной пластины с помощью цилиндрического резца вырезалиобразцы в виде цилиндров диаметром основания 2,0 мм и толщиной 1,5 мм, такимобразом, что на одном из оснований оказывалась блестящая пластинка, а другоепредставляло собой ровный срез хряща, не покрытого блестящей пластинкой с точнойоблучения в центре. Дальнейшее воздействие (лазерное облучение, импрегнациянаночастиц) проводилось на поверхность среза, не покрытого блестящей пластинкой.Для приготовления образцов реберного хряща брали реберный хрящ свиньи от 5го ребра.
С помощью скальпеля нарезали пластины толщиной 2,0 мм. Пластины состороны среза облучали лазером в заданных точках (см. п. 4.1.2), так что расстояниемежду точками составляло не менее 2,0 мм. Затем с помощью цилиндрического резцанарезали образцы в виде цилиндров диаметром основания 2,0 мм и толщиной 2,0 ммтаким образом, что одно из оснований было покрыто надхрящницей, а другоепредставляло собой ровный срез хряща с точкой облучения в центре. Дальнейшеевоздействие(лазерноеоблучение,импрегнациянаночастиц)проводилосьнаповерхность среза, не покрытого надхрящницей.Общее число образцов составило 48 и 36 для суставного и реберного хряща,соответственно.4.1.2.
Лазерная модификация суставного и реберного хрящаЛазерное облучение проводили эрбиевым волоконным лазером с длиной волны1,56 мкм («ИРЭ –Полюс», модель ЛС-1.56, Россия) воздействуя на поверхностьхрящевого образца через оптоволокно диаметром 600 мкм так, что волокно прилегало кповерхности хряща без давления на нее. Длительность импульса воздействия составляла500 мс при частоте повторения 1,4 Гц. Лазерные параметры были выбраны всоответствии с имеющимися в литературе режимами для регенерации [118] и изменения65формы хряща [1], при которых наблюдалось образование субмикропор в матриксехряща: мощность воздействия составляла 0,7 Вт, время экспозиции 5 с. Контрольтемпературы в процессе воздействия осуществляли с помощью ИК-радиометриитепловизором Testo, установленном установленного под углом 30⁰ по отношению кнаправлению лазерного луча.4.1.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
