Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм (1105752), страница 9
Текст из файла (страница 9)
1.2.4. В рамках данной задачинаночастицы должны отвечать ряду требований: иметь стабильный малый размер,проявлять химическую и термическую стабильность наряду с малой токсичностью, атакжеобеспечиватьнеобходимыйфототермическийэффект.Взаимодействиежелезосодержащих наночастиц с компонентами хрящевой ткани изучено недостаточноподробно. Возможность магнитоуправляемой импрегнации наночастиц в хрящевуюткань была продемонстрирована в ряде пилотных работ [96,97,98]. В частности, былаустановлена возможность наночастиц магнетита проникать и аккумулироваться вдефектах структуры хряща [96,98]. Были использованы коммерческие наночастицымагнетита,модифицированныедекстраном.Однаконаблюдаемаяагломерациянаночастиц представляет серьезную трудность, способную привести к попаданию вповрежденные области хряща слишком больших концентраций магнетита, приводящихк перегреву ткани при лазерном воздействии.
Возможное действие магнетита на клеткии матрикс хряща при лазерном облучении также должно быть исследовано.401.4.2.Синтез и стабилизацияОсновной проблемой магнитных наночастиц является нестабильность ихразмерного распределения за счет образования агломератов. Поэтому разрабатываютсяразличные методы стабилизации [99]. Три принципиальных подхода могут бытьрассмотрены: (1) замедление диффузии наночастиц в среде с большой вязкостью, (2)получение гетерогенных частиц типа «ядро-оболочка», (3) модификация поверхностинаночастицразличнымиагентами.Третийспособпозволяетулучшитьбиосовместимость наночастиц за счет подбора подходящего стабилизатора. Химическийсинтез наночастиц Fe3O4 можно проводить двумя путями: окислением солей железа (II)или соосаждением солей железа (II) и железа (III).
Некоторые авторы предлагают такжепроводить контролируемое восстановление солей железа (III) [100], однако последнийспособ требует применения органических растворителей, загрязняющих продукты.Реакция соосаждения в присутствии основания может быть представлена следующейсхемой:Fe 2 + + 2 Fe 3+ + 8OH − = Fe3O4 + 4 H 2OВариации исходного молярного соотношения реагентов влияют на состав продуктов,размер наночастиц и их магнитные свойства [101]. С возрастанием ионной силыраствораразмеробразующихсячастицпонижается.Параметрыобразующейсядисперсии зависят от многих факторов, таких как pH, начальная концентрация, скоростьперемешивания [102]. Стабилизация наночастиц может проводиться различнымиагентами: низкомолекулярными органическими соединениями [103], биополимерами[104], в том числе полисахаридами [105].
Полисахаридные стабилизаторы за счет своихгидрофильных свойств демонстрируют хорошие результаты по биосовместимости,биоразлагаемости и низкой токсичности. Благодаря высокой молекулярной массе иразветвленности молекул, полисахариды обеспечивают достаточно устойчивый каркас,способный поддерживать стабильность наночастиц в широком диапазоне температур,pH и времен хранения.
Полисахариды как стабилизаторы наночастиц для медицинскихприменений исследованы довольно подробно [106,107]. Альтернативными методамисинтеза и контроля размера наночастиц являются микроэмульсионный синтез [108],термическая деструкция пентакарбонила железа Fe(CO)5 [109], лазерная абляция вжидкости [110], а также синтез наночастиц магнетита некоторыми видами бактерий[111].411.4.3. Краткий обзор методов характеризацииДля биомедицинских применений основное значение имеют такие параметрыдисперсии, как размерное распределение наночастиц и его стабильность при хранении иизменении температуры.
Контролировать данные параметры можно с помощьюдесятков различных методов, которые условно можно разделить на микроскопические испектроскопические.Достаточнополнохарактеризациямагнитныхнаночастицпроведена в работах [101,102,104,106,107,109,112,113]. Данные ПЭМ и СЭМ по размерунаночастиц могут не соответствовать их реальному размеру в дисперсии за счетагломерации, а также взаимодействия с молекулами стабилизатора. Седиментационныеметоды, а также методы, основанные на анализе рассеянного образцом излучения,позволяют оценить средний размер наночастиц в их дисперсии.
Так, методаналитическогоульрацентрифугированияактивноиспользуетсядляанализананоразмерных объектов, таких как белки и полисахариды, в их дисперсиях и растворах[114,115]. При наличии в системе нескольких компонент метод позволят определятьнесколькоконстантотдельности.Методседиментации,основаннахарактеризующихспектроскопическомкаждыйкомпонентопределениипоконстантыседиментации по скорости осаждения молекул в ячейке ульрацентрифуги. Константаседиментации S связана с молекулярной массой исследуемого вещества M по уравнениюСведберга:M=R ⋅T ⋅ S,D(1 − νρ )где R – универсальная газовая постоянная, T – температура, D – коэффициент диффузии,ν – парциальный удельный объем молекулы, ρ – плотность растворителя.
Для крупныхчастиц от 10 нм и более целесообразно использовать метод динамического лазерногосветорассеяния. Он отличается от методов статического светорассеяния тем, чтоучитывает тепловое движение частиц. Метод основан на измерении броуновскогодвижения частиц в системе и сопоставлении его с размером частиц [116]. Размерноераспределение по гидродинамическому радиусу частиц строится на основе анализакорреляционных функций затухания интенсивности сигнала рассеянного системойчастиц излучения со временем. Затухание корреляции интенсивности света, рассеянногочастицами различного размера, происходит за времена в диапазоне от нано- до микро- имиллисекунд.
Время затухания тем больше, чем больше размер частицы и меньше42скорость ее броуновского движения. Размер частицы связан со скоростью ее движения всистеме через соотношение Стокса-Эйнштейна:D=kB ⋅ T,6π ⋅ η ⋅ rгде D – коэффициент диффузии, kB – константа Больцмана, T – температура, η – вязкостьсреды, r – гидродинамический радиус частицы. Устройство ДЛС ячейки позволяеттакже проводить анализ распределения при различной температуре.1.5.
Выводы по результатам обзора литературыПодводя итог анализу литературы, можно сделать следующие выводы:1. В качестве основных объектов, представляющих интерес для структурныхисследований при их лазерной неразрушающей модификации, а также разработкеметодов контроля за поглощением лазерного излучения, можно выделить реберный исуставной хрящ.2.
Для реберного хряща отсутствуют литературные данные по лазерномуизменению его формы. В указанной работе по лазерной модификации реберного хрящапроводилась стабилизация остаточных напряжений, степень которой оказаласьнедостаточна для предсказания конечной формы хряща, что отмечают сами авторы [30].В связи с этим одну из задач настоящей работы можно обозначить как поиск условийбезопасного и стабильного лазерного изменения формы реберного хряща.3. Опубликовано множество работ, где для управления поглощением излучениядлятерапевтическихидиагностическихцелейиспользуютнаночастицы.Применительно к хрящевой ткани данные по использованию наночастиц ограниченыметодиками повышения чувствительности МРТ исследований суставов, доставкилекарств, а также отдельными работами по проведению магнитоуправляемойимпрегнации.
В настоящей работе планируется провести импрегнацию наночастиц винтактную хрящевую ткань и хрящ ранней стадии деградации и выяснить зависимостьраспределения наночастиц от состояния ткани, а также исследовать микроструктурухряща, содержащего наночастицы.4.
Одним из наиболее изученных, безопасных и широко используемых типовнеорганических наночастиц для биомедицинских приложений являются наночастицы наоснове оксидов железа. В настоящей работе планируется использовать наночастицымагнетита для изучения возможности управления поглощением лазерного воздействияна хрящевую ткань в методах лазерной регенерации и изменения формы хряща.435. Основной трудностью при использовании магнитных наночастиц дляимпрегнации в ткань является их агломерация.
Таким образом, в настоящей работепланируется синтез и стабилизация дисперсии наночастиц биосовместимым агентом, атакже контроль стабильности размерного распределения методами микроскопии ирассеяния.6. Влияние наночастиц магнетита на клетки и компоненты матрикса хрящевойткани изучено недостаточно. Таким образом, одну из задач настоящей работы можнообозначить, как определение воздействия наночастиц магнетита на хондроциты,коллаген и протеогликаны хрящевой ткани.44ГЛАВА 2. Лазерное изменение формы реберного хряща2.1.
Экспериментальные методы2.1.1. Лазерное облучениеИспользовали свиной реберный хрящ, взятый от 4 – 7 ребра. Хрящ хранили притемпературе - 4⁰С. Перед экспериментом хрящ размораживали помещением вфизиологический раствор (0,9%-ный р-р NaCl) комнатной температуры. Хирургическимскальпелем отделяли верхний волокнистый слой надхрящницы и из хряща вырезалипрямые пластины длиной 5,5±1,5 см, шириной 1,0±0,5 мм и толщиной 3,0±0,5 мм.Пластины с помощью зажимов закрепляли на металлических кольцах (Рис.11-12) ипроводилиоблучениерастянутойисжатойповерхностихряща,воздействуяинфракрасным лазерным излучением с длиной волны 1,56 мкм через сапфировыйнаконечник контактора эрбиевого волоконного лазера (Arcuo Medical, Inc., Los Altos,CA) в импульсно-периодическом режиме с продолжительностью импульса 500 мс,частотой повторения 1,4 Гц.
Диаметры колец-держателей подбирались таким образом,чтобы кривизна средней линии хрящевого полукольца при облучении внутренней ивнешней поверхности оставалась постоянной. Использовали 4 пары колец дляоблучения внутренней и внешней поверхности диаметром 13 и 10; 11,5 и 8,5; 10 и 7; 8,5и 5,5 мм, соответственно, для разных серий образцов. Контроль температурыповерхности осуществлялся с помощью термопары, встроенной в наконечник лазерногоконтактора и расположенной на его периферии.Рисунок 11.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
