Диссертация (1144795), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Оба режима включены в дальнейший анализ.Формирование кольцевых структур исследовалось на базе модельныхрастворов, включающих два основных компонента биологических жидкостей: растворённый белок и поваренная соль.В опытах проводили видеорегистрацию изображения капли раствора103стандартного размера (начальный радиус составлял 0.2 см), высыхающейнепосредственно на предметном стекле.
Температура и влажность в помещении, значения которых мы контролировали с помощью электронных термометров и психрометров и практически не менялись в течение опыта.Эксперименты проводили с яичным белком, смешанным с дистиллированной водой или с водным раствором поваренной соли в концентрацииC 1, 2, 4, 7, 10, 13 %. Методика включала приготовление белковых растворов, содержащих солевую добавку различной концентрации, отбор проб инанесении их на стеклянную подложку, видеосъемку капли в процессе ее испарения с момента нанесения на предметное стекло до состояния полной дегидратации.
Далее проводился анализ видеозаписей: по каждой концентрации выделяли кадры, соответствующие одинаковой стадии формированиякольцевой системы. Из введенных в компьютер видеоизображений для последующего анализа по каждой концентрации выделяли кадры, соответствующие одинаковой стадии формирования кольцевой системы. На изображениях фации БЖ толщина темных полос, разделяющих отдельные кольца,много меньше ширины кольца, что позволяло выбрать в качестве основногоинформативного масштаб повторения колец λ.Первичным материалом для выделения характерных размеров колецслужила зависимость относительной яркости изображения капли f(x) от радиальной координаты x.2.3.6.
Методы статистической обработки результатовСтатистическую обработку результатов исследования осуществляли спомощью параметрических и непараметрических методов с использованиемкомпьютерной программы Mathematica 11.1, компании Wolfram Research. Всепредставленные случайные величины в основном были распределены понормальному закону с достоверностью не менее 95% (критерии согласияШапиро-Уилка, Колмогорова-Смирнова, гистограммы распределения). При104обработке результатов исследования были определены значения их основныхвероятных характеристик: среднего значения (M), среднего квадратическогоотклонения (σ), ошибки репрезентативности (m), доверительные интервалы,которые согласно функции распределения погрешностей Стьюдента, имелидостоверность не менее 95% при уровне значимости p < 0.05.
Достоверностьразличий между несколькими независимыми группами оценивали с помощью рангового дисперсионного анализа Краскела-Уоллиса. Для сравнениядвух независимых выборок по одному признаку использовали критерийМанна-Уитни. Для выявления различий между несколькими переменными,относящимися к одной выборке, применяли ранговый дисперсионный анализФридмана. Для парных сравнений зависимых групп использовался критерийсуммы рангов Вилкоксона. Оценку взаимосвязи двух переменных проводили с помощью корреляционного анализа по Спирмену.Таким образом, комплексный характер избранного нами подхода к исследованию проблемы дегидратационной самоорганизации БЖ включал всебя биологические, физические и математические группы методов.
Каждыйиз них дополнял друг друга и служил исходной информацией одного длядругого. Сравнительный анализ результатов исследования дал возможностьполучить разносторонние характеристики процессов, происходящих при дегидратации БЖ и МЖ описать формирование образующихся при этом структур, и установить их особенности, связанные с определённым патофизиологическим состоянием организма.105Глава 3.
Клиновидная дегидратация естественныхбиологических и модельных жидкостейВ общем случае биологические жидкости (БЖ) представляют собойводный раствор белков и других органических и неорганических веществ[164]. Белковая составляющая БЖ образована в основном альбуминами иглобулинами, остальные белковые компоненты представлены в относительнонебольших количествах. Молекулы белка в своих структурах несут основнуюинформацию о функциональном состоянии клеток организма.Все компоненты, растворенные в БЖ, связаны между собой прочнымиили слабыми связями в микроагрегаты, различающиеся между собой по количественному и качественному составу.
Для дегидратации капли БЖ помещаются на горизонтальную подложку. В процессе испарения воды микроагрегаты могут перегруппировываться, распадаться или укрупнятся, связываясь между собой. Одновременно они распределяются по площади капли настрого определённые места, в соответствии с их интегральными физикохимическими параметрами, образуя структурированную пленку – «фацию».Структуризация капли БЖ начинается уже с первой минуты испарения капли. На начальных этапах дегидратации, благодаря транспортным потокам иоседанию компонент раствора, на подложке формируются краевая (белковая), затем промежуточная зоны и завершает структуризацию фации центральная зона.Структура фации определяется структурой молекул и микроагрегатов,растворённых в БЖ веществ.
Поскольку состав естественных БЖ представлен широким спектром растворённых веществ в различной концентрации,это затрудняет анализ механизмов самоорганизации, высыхающей капли изаставляет искать возможности такого анализа в модельных жидкостях (МЖ)заданного состава. Биологические жидкости моделировались как растворы,включающие набор макрокомпонент (альбумин, глобулины и соли – NaCl,106KCl и Ca2SO4) и микрокомпонент (более легкие белки и другие соли). В модельных растворах белковая составляющая была представлена в основномсывороточным альбумином человека (САЧ), а также иммуноглобулинами ифибронектином как малыми добавками.Одной из задач наших исследований является оценка влияния отдельных компонент, входящих в БЖ, на протекание процесса клиновидной дегидратации и на образование специфических структур фаций на начальномэтапе.Анализ процесса клиновидной дегидратации был основан на логических и математических расчетах.
При этом возникает необходимость построения моделей процесса, позволяющих количественно оценить отдельные характеристики потоков, формирующих структуру фаций, в процессе дегидратации капель: их форму, размеры, величину температурных изменений поверхностных слоёв капли, векторы общих и локальных потоков, время испарения. Принцип самоорганизации в процессе испарения, по мере потери воды, заставляет капли БЖ и МЖ регулировать свою форму. В результате этогосохраняется состояние сбалансированности между всеми действующими силами, как в целом в системе капли, так и в её локальных областях.
Процессиспарения сопровождается изменением контактного угла (КУ) и перемещением контактной линии (КЛ) [200; 310; 316].Проведенные нами экспериментальные исследования процесса высыхания капель БЖ показали наличие двух режимов клиновидной дегидратации: испарение с фиксированным КУ и с фиксированной границей фаз. Первый режим характерен преимущественно для БЖ с малой концентрациейрастворенных веществ (менее 1%), таких как слюна и слезная жидкость[148].
Второй режим проявляется при высыхании СК, желчи или патологических БЖ, в которых концентрация растворенных веществ в совокупностиможет достигать 13% [148]. Часто оба режима могут протекать вместе ‒ накоротких интервалах времени один режим может сменять другой.107При проведении сравнительных исследований режимов клиновиднойдегидратации в качестве образцов БЖ были взяты СК (относящейся к БЖ свысоким содержанием белка), НС (относящейся к биожидкостям с низкимсодержанием белка), а также модельные жидкости. Образцы СК и НС быливзяты у здоровых людей.Числовое моделирование выполнялось для двух типов МЖ, включающих разные соотношения сывороточного альбумина человека САЧ в 0,9%водном растворе NaCl. МЖ Iмго типа − с концентрацией альбумина cA = 0.10г/100 мл (по своим свойствам являлась аналогом НС) и МЖ II−го типа − сконцентраций САЧ cA = 1.0 г/100 мл (по своим свойствам являлась аналогомСК).
Концентрация растворенных веществ контролировали весовым методом. Эти две МЖ соответствуют БЖ с низким и средним уровнем содержанием белка. Их характеристики представлены в Таблице 3.1.Таблица 3.1 ‒ Физические характеристики биологических и модельныхжидкостейПараметрСКНСМЖ I−го типаМЖ II−го типаНачальная высота капли H0, ммНачальный радиус капли R0, ммH0/R0Начальный объем капли V0, мклНачальный контактный угол θ0,градДинамическая вязкость µ, мПа·сПоверхностное натяжение σ,мН/мПлотность раствора ρ, кг/м3Температура T, °КОтносительная влажность φ, %Давление пара Psat, кПа2.414.150.588.922.164.420.499.122.123.720.577.622.273.840.598.75403031361.9656.820.9663.450.8972.941.0471.491024.2298653.3211009.12298653.013987.048298653.158998.022294652.482В этих МЖ мы изучали поведения КЛ, изменение профиля капли и еётолщины в процессе клиновидной дегидратации.
Для взятого объема капли иначального КУ вычислялся начальный радиус, и высота капли, учитывая, чтоначальная форма капли − сферический сегмент. Предполагается, что междукаплей и подложкой поддерживается постоянная температура. В обоих типах108МЖ (I−го и II−го типа) в процессе испарения определяли динамику объемакапли и КУ.3.1. Испарение и транспорт растворенных компонент в каплемодельных жидкостей с учетом конвекции-диффузииПроцесс высыхания капель МЖ включает несколько последовательныхэтапов: начальный гидродинамический − на нем жидкость представляет собой раствор с низкой концентрацией входящих в ее состав веществ, и последующий – рост концентрации и осаждение растворенных веществ по мередегидратации [70; 148].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
