Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

Размер наблюдаемых частицлежит в диапазоне 5 – 100 нм. Отдельные агломераты частиц достигают размера 150 –200 нм. Следовательно можно заключить, что лазерное облучение приводит красширению субмикропористой системы хрящевой ткани, что способствует увеличениюее проницаемости для наночастиц.

Подобные изменения микроструктуры, связанные со84снижениемсодержанияпротеогликановинарушениемтонкойорганизацииколлагеновых фибрилл, соответствуют ранним стадиям деградации хрящевой ткани[20]. Таким образом, размер и концентрация импрегнированных наночастиц даютинформацию о состоянии микроструктуры хряща и могут служить индикатором степенидеградации ткани.Рисунок 44. Электронные микрофотографии неокрашенных срезов реберного хряща,наночастицы отмечены черными стрелками, на вставках приведены фотографии отдельныхнаночастиц, внизу соответствующие распределения по размеру: (А) – облученный хрящ, размерчастиц 5 – 100 нм, отдельные агломераты частиц до 200 нм (распределение по 250 частицам).(Б) – интактный хрящ, размер частиц 5 – 15 нм, небольшая концентрация частиц(распределение по 100 частицам).Анализ окрашенных уранилацетатом срезов хрящевой ткани сустава и ребер,выявляетследующиеособенности:повышеннаяконцентрациянаночастиц,импрегнированных в облученный хрящ, наблюдается в областях территориальногоматрикса (Рис.45), хотя частицы наблюдаются также в межклеточном матриксе.85Рисунок45.Электронныемикрофотографииоблученногосуставногохряща,импрегнированного наночастицами, окраска уранилацетат: (А) - Две клетки с пикнотическимиядрами и обширными лакунами.

Клетки занимают периферийное положение в лакуне. Внижней клетке уплотнение и разрушение цитоплазмы. Наибольшее количество агломератовчастиц размером 150 – 230 нм расположено на границе лакуны и матрикса (отмеченыстрелками). Территориальный матрикс более электронно-плотный, чем окружающеепространство. (Б) - территориальный матрикс, состоящий из коллагеновых фибрилл ипротеогликанов, содержит агломераты частиц размером до 200 нм (отмечены стрелками).Так, в суставном хряще сферические наночастицы размером 10 – 30 нм и ихагломераты размером 150 – 230 нм, содержащие до 15 – 20 частиц наблюдаются награнице пространства клетки и территориального матрикса Территориальный матрикссуставного хряща с наночастицами оказывается более электронно-плотным, чемокружающее пространство, а также более электронно-плотным, чем наблюдалось дляобразцов облученного хряща без наночастиц, как, например, на Рис.37а.Размер наблюдаемых частиц и их агломератов в облученном реберном хрящеварьируется в пределах 5 – 150 нм.

Частицы преимущественно наблюдаются втерриториальном матриксе (Рис.46). Таким образом, наночастицы, импрегнированные воблученный хрящ, преимущественно концентрируются в областях, подвергшихсямаксимальным изменениям в ходе лазерного воздействия – на границе клеток итерриториального матрикса. Данное наблюдение также свидетельствует в пользу того,что в территориальном матриксе при лазерном воздействии происходит частичнаядеструкция вещества протеогликанов и минорных коллагенов и увеличиваетсясвободный объем (субмикропоры), куда могут проникнуть наночастицы и сформироватьагломераты.

Максимальный размер агломератов (до 250 нм) лежит в пределах,соответствующих среднему размеру молекулы протеогликана [16,17,19,71].86Рисунок 46. Электронная микрофотография облученного реберного хряща, импрегнированногонаночастицами магнетита, окраска уранилацетат. Частицы и их агломераты размером до 200 нмв территориальном матриксе.Таким образом, импрегнация наночастиц в исследуемой концентрации неприводит к дополнительным изменениями структуры хондроцитов и матрикса хрящевойткани. Основным фактором, влияющим на степень структурных изменений, судя повсему, является термо-механический эффект лазерного воздействия. Локализация иагломерациянаночастицвтерриториальномматриксеоблученногохрящасвидетельствует о наличии в данной области свободного объема, который могобразоваться в результате термической деструкции протеогликанов и минорныхколлагенов при лазерном воздействии.4.4.

Взаимодействие с ИК излучениемКоэффициент поглощения наночастиц магнетита в области ближнего ИК внесколько раз превышает поглощение хрящевой ткани в данной области спектра. Такимобразом, импрегнация наночастиц может служить инструментом для управленияпоглощением лазерного излучения и локализации термомеханического воздействия,вызывающего полезный эффект, в областях ткани, содержащих дефекты структуры. НаРис.47 приведена динамика прошедшего лазерного ИК излучения (λ=1,56 мкм) черезобразцы реберного хряща толщиной 1 мм, содержащие наночастицы магнетита посравнению с контролем без наночастиц.87Рисунок 47. Динамика прошедшего ИК лазерного излучения с λ = 1,56 мкм черезобразцы реберного хряща толщиной 1 мм. (1) – хрящ без наночастиц, (2) – хрящ,импрегнированный наночастицами Fe3O4.Можно видеть, что поглощение излучения тканью с наночастицами возрастаетболее чем в 3 раза, что приводит к падению интенсивности прошедшего ИК. При этом,согласно данным ИК радиометрии, температура поверхности при воздействии лазерногоизлучения для хряща, импрегнированного наночастицами по сравнению с контролем, несодержащим наночастиц, возрастает на несколько градусов при длительном нагреве(более 10 сек) и практически не изменяется за время нагрева в течение несколькихсекунд (Рис.48).Рисунок 48.

Динамика максимальной температуры поверхности реберного хряща привоздействии лазерного излучения с λ = 1,56 мкм. (1) – хрящ без наночастиц, (2) – хрящ,импрегнированный наночастицами Fe3O4.Таким образом, температура, необходимая для достижения полезного эффекта,при введении наночастиц магнетита может быть достигнута при использовании88меньшей мощности лазерного воздействия. Поскольку, как было продемонстрировано,наночастицы преимущественно входят в участки ткани, содержащие поврежденияразличной степени, введение наночастиц является перспективным для осуществленияселективного лазерного воздействия на поврежденную ткань при снижении возможногонегативного действия на соседние неповрежденные области хряща.4.4.

Выводы по результатам Главы 41. В выбранном режиме модификации изменения структуры, вызванные лазернымвоздействием, происходят локально в области, прилежащей к облученной поверхности,не затрагивая средний и более удаленные слои хрящевой ткани. Область структурныхявляется диффузной и не имеет четких границ.2. Клеточные изменения заключаются в увеличении числа клеток с пикнозом,рексисом и лизисом ядер, а также наличии бесклеточных областей.3.

Изменения структуры матрикса заключаются в снижении содержания кислыхгликозаминогликановинарушенииструктурыколлагенанауровнеегомикроорганизации (границ фибрилл и их периодичности). Общее содержание коллагенав облученном хряще не изменяется.4. Основные лазерно-индуцированные изменения структуры матрикса дляисследуемых лазерных параметров происходят в территориальном матриксе ипроявляются в увеличении его электронной прозрачности, образовании сферическихпустот, напоминающих газовые пузырьки, а также концентрировании на границе клетоки территориального матрикса импрегнированных наночастиц.5.

Импрегнация наночастиц магнетита в исследуемой концентрации не вызываетдополнительных изменений клеток и матрикса хряща. Основной причиной структурныхизменений является термо-механический эффект лазерного воздействия.6. Размер и концентрация импрегнированных наночастиц зависят от состояниямикроструктуры хрящевой ткани и наличия дефектов: наночастицы преимущественновходят в дефекты хряща. Таким образом, наночастицы могут быть использованы длядиагностики состояния микроструктуры хряща на ранних стадиях его деградации.7.

Наночастицы магнетита позволяют управлять поглощением ИК-излученияхрящевой тканью, повышая интенсивность поглощения и скорость нагрева, что можетбыть использовано для селективного воздействия на поврежденные области хряща приснижении общей мощности лазерного воздействия.89ВЫВОДЫ1.Определены оптимальные лазерные режимы для стабильного и безопасногоизменения формы реберного хряща, при которых не происходит денатурации коллагена.2.Обнаружен новый эффект нелинейного термомеханического поведенияхрящевой ткани в процессе лазерного изменения его формы. При облучении сначаласжатой, затем растянутой стороны хрящевой пластины конечный радиус кривизныимплантата оказывается меньше, чем при обратном порядке облучения.3.Получены стабильные к нагреву до 70⁰С и окислению водные дисперсиинаночастиц магнетита с распределением шириной от 5 до 150 нм и максимумомзначения гидродинамического радиуса 50 нм.

Показано, что на ширину распределениянаночастиц можно влиять, изменяя концентрацию стабилизатора.4.Исследована кинетика импрегнации наночастиц магнетита в хрящевуюткань. Скорость диффузии наночастиц возрастает на порядок величины при наличиидефектов структуры и на два порядка при приложении магнитного поля.5.Концентрация и размер наночастиц, импрегнированных в хрящевую ткань,зависят от размера пор и наличия дефектов структуры. При лазерном воздействии втерапевтическомрежимепроисходитрасширениесубмикропор,повышающеепроницаемость ткани для наночастиц и их агломератов размером до 250 – 300 нм.6.Импрегнация наночастиц магнетита в малых концентрациях не вызываетизменений компонентов хряща: хондроцитов, коллагена и протеогликанов.

Характеристики

Список файлов диссертации