Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Локальность лазерного воздействияобеспечивает ряд преимуществ, заключающихся в снижении общей доли возможныхповреждений клеток, коллагена и протеогликанов хрящевой структуры. Тем не менее,сохраняют актуальность вопросы контроля поглощения излучения, усиления полезногоэффекта воздействия при снижении общей лазерной мощности. В методе лазернойкоррекции формы полезным эффектом является релаксация механических напряжений вматриксе хряща, состоящего из коллагена и протеогликанов. Данный метод впервыепредложен в 1993 году для коррекции формы носовой перегородки [3]. Впоследствии онтакже стал применяться в операциях по изменению формы ушной раковины [4].Реберный хрящ является новым в данной области материалом, перспективным дляизготовления биоимплантатов для закрытия дефектов трахеи в операциях по лечениюстеноза [5].
К началу настоящей работы какие-либо данные о возможности лазерноиндуцированной релаксации напряжений в реберном хряще полностью отсутствовали.Остается открытым вопрос о возможности эффективного и безопасного лазерногоизменения его формы. Возможность управления поглощением лазерного излучения илокализации лазерного воздействия позволит лучше контролировать процесс измененияформы, а также обеспечит безопасность процедуры для клеток и компонентов матрикса.4В методе лазерного лечения дегенеративных заболеваний полезный эффектпредставляет собой активацию синтетической активности хондроцитов хряща вповрежденных областях ткани, а также расширение субмикропор хрящевой ткани дляускорения циркуляции жидкости, содержащей питательные вещества.
Подробноизучены аспекты взаимодействия лазерного излучения с суставным хрящом имежпозвонковым диском [2]. Однако решение проблемы локализации лазерноговоздействия в зонах повреждений и снижения возможного негативного влияния насоседние здоровые области ткани представляет актуальную задачу.Одним извозможных решений может быть введение в хрящевую ткань добавок, поглощающихлазерное излучение, какими могут служить биосовместимые наночастицы. Аспектывлияния наночастиц на компоненты хряща до и после его лазерной модификацииподлежат изучению.Объектами исследования в данной работе являются реберный и суставной хрящипри их лазерной модификации, а также импрегнации биосовместимыми наночастицамимагнетита Fe3O4, стабилизированными в крахмальном растворе.
В работе исследовалосьсостояние коллагена, протеогликанов и хондроцитов хрящевой ткани. Отдельныеразделы посвящены вопросам лазерного изменения формы реберного хряща, неизученного ранее, а также синтезу и характеризации наночастиц, используемых висследовании.Цельработысостоялависследованииструктурныхизмененийпринеразрушающей лазерной модификации структуры реберного и суставного хряща наразных уровнях их структурной организации. В работе использовались такие методыисследованияструктуры,какоптическая,просвечивающаяиатомно-силоваямикроскопия (ОМ, ПЭМ, АСМ), гистохимия и гистология, пропускание ИК излучения,дифференциальнаясканирующаякалориметрия(ДСК).Дляхарактеризациибиосовместимых наночастиц и их дисперсий применяли ПЭМ, динамическое лазерноесветорассеяние (ДЛС), аналитическое ультрацентрифугирование (АУЦ).В ходе работы решали следующие основные задачи:1.Определение параметров и условий лазерного воздействия нареберный хрящ, приводящих к стабильному изменению его формы приотсутствии денатурации коллагена.52.Определение состояния коллагена и протеогликановой подсистемы вмодифицированном реберном и суставном хрящах.3.Определение состояния хондроцитов в модифицированном реберноми суставном хрящах.4.Синтезихарактеризациястабильныхдисперсийнаночастицмагнетита с заданным распределением по размерам.5.Проведениеимпрегнациинаночастицвинтактнуюимодифицированную хрящевую ткань сустава и ребер6.Анализ кинетики импрегнации и распределения наночастиц винтактной и модифицированной ткани.7.Исследование влияния наночастиц на коллаген, протеогликаны ихондроциты хрящевой структуры.Научная новизна исследования состоит в том, что в данной работе впервыепроведена ИК лазерная модификация формы реберного хряща с получением стабильнойновой формы и показана безопасность найденных условий воздействия для коллагенахрящевой структуры.
Обнаружен эффект нелинейного термомеханического поведенияхрящевой ткани в зависимости от порядка двустороннего облучения. Впервые длямикроструктурных исследований хрящевой ткани использованы наночастицы ипоказана безопасность наночастиц магнетита для коллагена, протеогликанов ихондроцитов хряща.
Предложен метод импрегнации наночастиц в хрящевую ткань иизученакинетикаимпрегнации.Продемонстрированаспособностьнаночастицизбирательно проникать в субмикродефекты хрящевой структуры. Положения,выносимые на защиту, могут быть сформулированы следующим образом:1. Возможно получить стабильную новую форму реберного хряща без денатурацииколлагена при воздействии лазерного излучения с длиной волны 1,56 мкм.2. Скорость импрегнации и распределение вошедших в хрящевую ткань наночастицмагнетитасосреднимдиаметром50нмхарактеризуютсостояниемикроструктуры хряща.3. Импрегнация наночастиц магнетитапри концентрации до 10 мкг/мл не приводит кдополнительным изменениям структуры коллагена, протеогликанов при лазерномвоздействиис длиной волны 1,56 мкм и не увеличивает степень клеточныхизменений.6Практическая значимость работы состоит в непосредственном примененииметода лазерного изменения формы реберного хряща для изготовления имплантатов вклинических операциях по закрытию дефектов стенки трахеи.
Импрегнация магнитныхнаночастиц в микродефекты хрящевой структуры может быть применена дляуправления поглощением излучения в методах лазерной коррекции формы хряща ирегенерации хряща, а также для проведения ранней диагностики дегенеративныхзаболеванийхряща,благодаряустановленнойспособностинаночастицконцентрироваться в области структурных повреждений.Личный вклад соискателя заключается в проведении экспериментальной работыпо лазерной модификации хрящевой ткани, обработке и анализу ее результатов.Соискателем синтезированы наночастицы магнетита, предложен и осуществлен методих стабилизации на основе анализа литературных данных. Соискателем личнопроводились исследования методами атомно-силовой микроскопии, динамическогосветорассеяния и пропускания ИК излучения, а также подготовлены основныепубликации по данной работе.
Гистологические и гистохимические исследования, АУЦ,ПЭМ, ДСК проводились при непосредственном участии соискателя. Соискателемпроанализированы и обобщены результаты работы, сформулированы выводы изащищаемые положения.Результатыработыдокладывалисьнавсероссийскихимеждународныхконференциях, в частности, на конференциях «Медицинская физика и инновации вмедицине» в 2012, 2013 и 2014 г.
(г. Троицк), «Лазеры и лазерно-информационныетехнологии: фундаментальные проблемы и применения» ILLA-(2014 г., Шатура),междисциплинарном научном форуме Moscow Science Week XII (2014 г., Москва), IVСъезде биофизиков России (2012 г., Нижний Новгород), Ломоносовских чтениях (2013г., Москва), на международной конференции Advanced Laser Technologies (2013 г.,Черногория).
Результаты работы дважды (в 2013 и 2014 г.) отмечены первой премиейКонкурса научных работ молодых ученых и специалистов ИПЛИТ РАН им. В.С.Голубева, а также дипломом первой степени Всероссийского молодежного Самарскогоконкурса-конференции научных работ по оптике и лазерной физике (2014 г.
Самара).Работа поддержана грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований №11-02-92614-КО_а, № 11-08-00574_а, в том числе молодежным грантом № 12-08-31367мол_а под руководством автора работы.7Основные результаты работы изложены в 6 научных статьях, опубликованных врецензируемых ведущих российских и зарубежных журналах в 2011 – 2014 гг., такихкак Lasers in Surgery and Medicine, Journal of Nanoparticle Research, Proceedings of SPIE.Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения и содержит 102страницы текста, включая 48 рисунков, 11 таблиц и библиографию из 121наименований.8Глава 1. Литературный обзор1.1 Структура и функции хрящаХрящевая ткань – частный вид соединительной ткани, выполняющей опорнуюфункцию [6,7].
В организме хрящевые ткани расположены в областях максимальныхстатических и динамических нагрузок: в суставах, между пластинами позвоночника, настыках ребер с грудиной. Хрящи также являются структурными единицами,поддерживающими форму носа, гортани, ушной раковины. Упругие свойства хрящевойткани обеспечивают возможность обратимой деформации без утраты функциональныхсвойств [8].Хрящевая ткань как разновидность соединительной отвечает следующимпризнакам:1.Относительное небольшое содержание клеток по сравнению с другимитканями организма, основной объем приходится на межклеточноепространство.2.Структурнойособенностьюявляетсяналичиеволокнистых(фибриллярных) структур – коллагеновых либо эластических волокон.3.Межклеточное вещество отличается сложностью состава и организации.Наиболее распространенными являются хрящи гиалинового типа (носоваяперегородка, суставной и реберный хрящи, хрящи гортани и трахеи).
Другие типыпредставлены фиброзным (межпозвонковый диск) и эластическим (ушная раковина)хрящом. В данной работе рассматривается хрящ, имеющий структуру гиалинового типа.Гиалиновый хрящ (англ. hyaline – прозрачный, стекловидный) отличаетсягомогенностью основного вещества, в состав которого входит преимущественноколлаген II типа и протеогликаны – высокомолекулярные углеводно-белковыесоединения [7-9]. Клетки хряща – хондроциты – обеспечивают синтез и поддержаниекомпонентов матрикса. Снаружи хрящ покрыт тонким слоем фиброзной ткани –перихондрием, практически везде, кроме стыков хряща и кости, а также случаев, когдахрящ непосредственно расположен под слоем кожи, как для хряща носовой перегородкии ушной раковины.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
