Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные представления о кристаллографических методах в медицине и биологии и механизме структуризации биологических жидкостей (Обзор литературы) 13
1.1. Кристаллографические методы, применяемые в медицине и биологии 13
1.2. Значение кристаллографических методов в диагностике различных заболеваний 23
1.3. Механизм образования фаций в капле биожидкости по методу клиновидной дегидратации 27
1.4. История вопроса о гидродинамических явлениях в высыхающих каплях 32
1.5. Процессы кристаллизации солей в водных растворах белков 35
1.6. Процессы структуризации в высокомолекулярных дисперсных системах 42
1.7. Методические подходы к изучению процессов структуризации
методами морфометрии 48
Глава 2. Материалы и методы
2.1. Характеристика клинического материала и методов обследования 50
2.2. Оптимизация методов использования для диагностики МКБ с использованием диагностикума «ЛИТОС-система» 54
2.2.1. Способ маркировки альбумина для определения его локализации в фации биожидкости 54
2.2.2. Морфометрический метод измерения объема фации биожидкости 55
2.2.3. Способ получения документированного изображения фаций биожидкостей 59
Глава 3. Собственные исследования.
3.1. Опыт использования диагностикума «ЛИТОС-система» в диагностике мочекаменной болезни на курорте «Краинка» 63
3.2. Гидродинамические процессы в капле высыхающей жидкости 63
3.3. Структуризация капли мочи без кампеобразовапия и с камнеобразующей активностью в смеси с белковым реактивом диагностикума «ЛИТОС-система» 66
3.4. Структуризация смесей растворов хлористого натрия различной концентрации и 10% раствора альбумина в капле высыхающей жидкости 73
3.5. Измерение сечения и объема фаций капель мочи без камнеобразования и с камнеобразующей активностью в смеси с белковым реактивом диагностикума «ЛИТОС-система» 77
3.6. Измерение содержания белков в капле сыворотки крови при ее высыхании 78
3.7. Роль муцина в формировании уровня камнеобразующей активности мочи 82
3.8. Изменение показателей уровня камнеобразующей активности мочи у пациентов курорта «Краинка», на фоне приема муколитиков 87
Глава 4. Обсуждение
4.1. Опыт использования диагностикума «ЛИТОС-система» в диагностике мочекаменной болезни 92
4.2. Механизмы гидродинамических процессов в капле высыхающей жидкости 92
4.3. Закономерности структуризации капли мочи с камнеобразованием и в отсутствии камнеобразования в почках в смеси с белковым реактивом диагностикума «ЛИТОС- система» 95
4.4. Закономерности структуризации высыхающих капель смесей 10% раствора альбумина и растворов хлористого натрия различной концентрации 98
4.5. Механизм структуризации фации в капле мочи без камнеобразования в почках в смеси с диагностикумом «ЛИТОС-система» 100
4.6. Закономерности локального распределения структурированного материала в объеме фаций мочи без камнеобразования и с кампеобразованием в смеси с диагностикумом «ЛИТОС-система» 106
4.7. Распределение белковых и минеральных компонентов в фациях смесей мочи и в отсутствии камнеобразования и с кампеобразованием в почках диагностикума «ЛИТОС- система» 106
4.8. Динамика содержания белков в капле сыворотки крови при ее высыхании 110
4.9. Роль муцина в формировании уровня активности камнеобразования мочи 111
4.10. Механизм структуризации фаций мочи с камнеобразованием и без камнеобразования в почках в смеси диагностикумом «ЛИТОС-система» 112
4.11.Механизм образования краевой и центральной зоны в фациях биожидкостей 123
Заключение 128
Выводы 133
Практические рекомендации 134
Литература 135
- Механизм образования фаций в капле биожидкости по методу клиновидной дегидратации
- Морфометрический метод измерения объема фации биожидкости
- Структуризация смесей растворов хлористого натрия различной концентрации и 10% раствора альбумина в капле высыхающей жидкости
- Механизм структуризации фации в капле мочи без камнеобразования в почках в смеси с диагностикумом «ЛИТОС-система»
Введение к работе
Несмотря на большое количество предлагаемых в настоящее время методов исследований биологических субстратов, новые подходы к уже известным методам позволяют увидеть новые горизонты в клинической лабораторной диагностике.
С.Н.Шатохиной и В.Н.Шабалиным [1995], предложен метод клиновидной дегидратации капель биологической жидкости, который позволяет получить сухую пленку - фацию, представляющую собой структурированные и расположенные в определенном порядке выпавшие в осадок минеральные и органические компоненты, растворенные в жидкости. Морфология фаций различных биожидкостей здоровых людей и лиц, страдающих различными заболеваниями, сильно отличаются между собой.
В ходе исследований структуризации капель мочи установлено, что у лиц, страдающих мочекаменной болезнью, при высыхании капель мочи, содержащей белок, происходит кристаллизация камнеобразующих солей в белковой среде - феномен Шатохиной-Шабалина.
В результате научных поисков был разработан диагностикум «ЛИТОС-система», (Приказ МЗ РФ №17 от 21 января 1997г.). Он позволил определять активность процесса камнеобразования в почках как при установленном диагнозе мочекаменной болезни, так и на доклинической стадии заболевания. Диагностикум успешно используется в практике диагностических лабораторий (Зарубина М.А., Ступина Л.И., 2001, Дасаев Л.А., Шилова Е.М., 2003, Шилова Е.М. и соавт. 2004).
По существу, появилось новое научное направление — морфология биологических жидкостей, которое предоставляет медицине и биологии новые возможности в клинической кристаллографии (Шатохина С.Н., 1995, Шабалин В.Н., Шатохина С.Н., 2001). Данной научному направлению были посвящены две Всероссийские научно- практические конференции в 1997 и в 2001 гг. [62,81]. Вместе с тем, описанные закономерности структурирования при использовании метода клиновидной дегидратации охватывают далеко не все биологические жидкости. Трактовка механизмов формирования их фаций основывается в основном на теоретических положениях (С.Н.Шатохина, 1995; С.Н.Шатохина, В.Н. Шабалин, 1997; С.Н.Шатохина, В.Н. Шабалин, 1998(1,2)).
Ряд биологических жидкостей человека имеют близкие значения плотности, содержания белка и их фации имеют похожее морфологическое строение (Семенов, Н.В.,1971; Козинец Г.И. 2000; Шабалин В.Н., Шатохина С.Н., 2001). Это позволяет предположить существование общего механизма формирования этих фаций.
При исследовании высыхающих капель ряд авторов отмечают в них различные гидродинамические явления, однако результаты наблюдений носят достаточно противоречивый характер (A.Zole,1995; R.D.Deegan, 2000).
Показано, что при высыхании капель жидкостей содержащих различные компоненты происходило образование фаций с похожими морфологическими структурами (A.ZoleJ955, J.Conwey et al., 1977; E.Parisse C.Allain, 1977).
Процесс структуризации капель биологических жидкостей представляет собой фазовый переход веществ из растворенного состояния в твердое, с формированием определенных структур — физико-химический процесс, принципы которого являются главенствующими в биологии (Титов В.Н., 2004).
Установление механизмов формирования структуры остатка выпаривания биологических жидкостей, одна из наиболее сложных задач физико-химической гидродинамики, теории массопереноса и фазовых переходов (Чашечкин Ю.Д.,2001), относящихся к приоритетным направлениям фундаментальных исследований РАН («Поиск», 1998). Недостатками исследований морфологии биологических жидкостей является описательный подход и недостаточное использование морфометрических методов.
Для разрешения имеющихся противоречий между результатами различных исследований и теоретическими положениями, являющимися основой метода клиновидной дегидратации, мы решили провести исследования процессов структуризации капель мочи, сыворотки крови, смеси растворов солеи и альбумина с использованием данного лабораторного метода, с целью оптимизации его возможностей и разработки нового методологического подхода к исследованию морфологического анализа биожидкостей, с применением морфометрических методов.
Механизм образования фаций в капле биожидкости по методу клиновидной дегидратации
Метод выветренных налетов был положен в основу способа качественного определения лекарственных препаратов. Микрокристаллические реакции в силу своей более высокой чувствительности нашли свое использование в аналитической химии, в практике судебно-химического анализа, [14,47].
И.Д.Боенко и Б.А.Зенин [1965] показали что, являясь отражением биофизических свойств биологических жидкостей, процесс образования в них кристаллических структур может быть показателем функционального состояния организма при некоторых физиологических и патологических состояниях.
Тезиграфический метод успешно применялся для диагностики различных заболеваний. В.Я. Неретин и В.Я. Кирьяков [1977] считали, что кристаллографический метод диагностики позволяет обнаружить сосудистые, воспалительные, опухолевые заболевания нервной системы.
В работах ряда исследователей [79,106,131] описывается возможность тезиграфического метода исследования в диагностике опухолевого, воспалительного аллергического патологических процессов.
Подтверждается наличие особенностей кристаллообразования методом тезиграфии в диагностике урогенитальных инфекций Г.В.Плаксина и соавт. [2001], в неврологии В.В.Усин [1995]; нефрологии и гематологии -Г.В.Плаксина и соавт. [2004], пульмонологии - Н.Ф.Камакин и соавт. [2004], в моче у онкологических больных, (не связанное с локализацией опухолевого процесса) Александрова Л.М., [1989].
Методические указания Л.А.Мороз, И.Л. Теодор и соавт. [1981], Г.В.Плаксина, Г.В.Римарчук и соавт. [1995] рекомендуют использовать тезиграфические методы как дополнительные диагностические тесты при исследовании спинномозговой жидкости, мочи, мокроты, плевральной и асцитической жидкости, кусочков опухолей, слюны, желчи, ко про фильтратов. Работами Л.В. Савиной [1992,2000] и Л.В. Савиной и соавт.[1987(1),2003] установлено, что фенотипическая адаптация сыворотки крови проявляется возникновением типовых структур, характерных для различных заболеваний и физических факторов воздействия внешней среды. Выявлены маркеры морфотипов сыворотки крови при различных заболеваниях с иммунной патологией, больных сахарным диабетом. Установлена зависимость морфотипов от групповой принадлежности крови человека. Методом кссропротеинографии и кристалл ооптического исследования можно диагностировать гиперлипидемшо, гипериммуноглобулинемшо, сахарный диабет, различные обменные нарушения. Предлагается использование кристаллографического метода в токсикологии [73]. Кристаллографические методы в медицине широко используются в диагностике и контроле результатов лечения различных заболеваний человека. 1.3. Механизм образования фаций в капле биожидкости по методу клиновидной дегидратации В медицинской литературе накоплен большой материал, посвященный исследованию структурирования различных солей и органических веществ из биожидкостей на подложке с целью выявления патологических процессов в организме. Однако эти данные в большинстве своем имеют чисто описательный характер по принципу: заболевание — фотография характерной морфоструктуры, но, как правило отсутствует связь между наличием конкретных структур и биохимическими показателями исследуемой биожидкости. Среди изображений Ф различных биологических жидкостей часто встречаются Ф, имеющие похожую структуру — краевая зона образована белковым компонентом и покрыта радиальными трещинами, а в центральной зоне видны многочисленные мелкие кристаллические структуры. Объяснение причин, приводящих к формированию наблюдаемых структурных образований, часто носит гипотетический характер. Процессы образования морфоструктур в различных кристаллографических методах: тезиграфическом, кристаллооптическом, поляризационной фотометрии, вакуумной ксерогелеграфии, закрытой капли и МКД протекают в различных условиях. МКД не требует сложных технических приспособлений, и условия формирования анализируемых структур протекают в открытой капле в комнатных условиях. Ф ряда биожидкостей человека: мочи, слюны, желудочного сока, желчи, панкреатического сока, слезной жидкости, полученные методом клиновидной дегидратации, характеризуются наличием отчетливых зон -центральной, как правило, покрытой кристаллическими образованиями и краевой, образованной белковыми компонентами в виде узкого кольца [121].(рис.1.12). Данные биожидкости характеризуются рядом общих свойств: плотностью, содержанием белка, плотных веществ [55,107], это предполагает и общий механизм образования их Ф. В.Н. Шабалин, С.Н.Шатохина [2001] дают теоретические объяснения механизмам взаимодействия молекул биологических жидкостей, раскрывающие специфичность этих взаимодействий, детерминированную способность молекул-эффекторов прицельно выявлять объекты-мишени в сложнейшем "хаосе" высоко динамичного молекулярного окружения, формировать с ними особые связи и оказывать на них специфическое воздействие. Основные формы процессов, происходящих в высыхающей капле, описанных В.Н.Шабалиным и С.Н. Шатохиной можно разделить на 2 зо группы: гидродинамические явления и процесс структурирования - переход биожидкости в твердую фазу. С.Н.Шатохина [1995], установила, что при высыхании капли мочи содержащей белок, последний, в образующейся Ф локализуется по периметру краевой зоны, образуя кольцо. У лиц страдающих МКБ в активной стадии, белковая зона покрывается кристаллами (феномен Шатохиной - Шабалина). Причина локализации белка на периферии высыхающей капли мочи в ходе ее структуризации С.Н.Шатохина и В.Н.Шабалин [1997], объясняет тем, что: 1. Испарение жидкости происходит равномерно по всей открытой поверхности капли. 2. При испарении воды происходит неравномерное изменение концентрации растворенных веществ - в периферических (тонких) отделах капли концентрация возрастает более быстрыми темпами по сравнению с центральной (толстой) ее частью. 3. Мощность осмотических сил на два порядка выше онкотических, соли начинают быстро перемещаться к центру капли в сторону зоны с меньшей концентрацией растворенных веществ. В борьбе за оставшуюся воду соли «выдавливают» органические вещества на периферию капли, по существу, отбирают воду у белков и других органических веществ. Авторы назвали этот открытый ими процесс «осмоферезом», (рис.1.13). По мере дальнейшего высыхания воды раствор становится насыщенным и соли, начинают «выдавливать» органические вещества из воды, переводя их в твердую фазу, а сами кристаллизоваться (В.Н.Шабалин, С.Н.Шатохина, 2001)(рис.1.14).
Морфометрический метод измерения объема фации биожидкости
В работу была включена группа, состоящая из 105 пациентов страдающих мочекаменной болезнью, как в качестве основного заболевания, так и сопутствующего. Пациенты проходили стандартное обследование и лечение в соответствии с «Методическими рекомендациями по лечению больных на курорте Краинка» [1978], а так же клиническими рекомендациями [52], на базе ООО Санаторий /курорт/ «Краинка» Тульской области с 2000 по 2005 гг. Диагноз мочекаменной болезни считался установленным, если он фигурировал в санаторно-курортной карте, с которой лечащие прибывали на курорт или устанавливался в процессе ультразвукового исследования почек и мочевыводящих путей при выявлении конкрементов [Клинические рекомендации.2002]. Возраст пациентов колебался от 14 до 84 лет. Среди обследуемых лиц было - было 54 женщины (51,4%), 51 мужчина (48,6%). Средний возраст женщин 52,3 года, мужчин - 57,5 года. Распределение пациентов по полу, возрасту и профилю заболеваний представлено в табл.2.1. В процессе обследования пациентов использовались методы: УЗИ почек, лабораторные исследования унифицированными методами в соответствии с методическими рекомендациями [53,54,78]: общий анализ мочи, анализ мочи по Нечипоренко, клинический анализ крови (с использованием гематологического анализатора «Sistem 190+ ), биохимические исследования на анализаторе «Stat fax»: уровень мочевины, креатинина, глюкозы, мочевой кислоты в сыворотке крови, анализ мочевых камней (Краевский В.Я.,1976). На курорте «Краинка» в плановом порядке с 1998 используется ДЛС, позволяющий оценивать активность процесса камнеобразования в почках. Перечень инструментальных и лабораторных методов представлен в табл. 2.2. Наиболее важными методами в диагностике мочекаменной болезни являются УЗИ почек и исследование мочи с помощью ДЛС. В таблице 2.3 представлен охват указанными методами пациентов, разделенных на группу с диагнозом МКБ установленным по месту жительства, а также группу других болезней мочевыделительной системы и всех остальных заболеваний, у пациентов которой методом УЗИ на курорте был обнаружены конкременты в почках. Контрольная группа составляла 20 человек, 11 женщин и 9 мужчин. В контрольной группе находились лица с заболеваниями костномышечной системы - 7 человек и болезнями органов пищеварения -13 человек. При ультразвуковом исследовании почек МКБ у них выявлено не было. Пациенты контрольной группы были сопоставимы по полу и возрасту с группой пациентов с МКБ. Белок в моче был обнаружен у 6 человек и у 5 из них тест по «ЛИТОС-системе» был положителен. Но в тоже время в 5 случаях положительного теста по ДЛС анализ мочи был в норме. У 44 пациентов (41,9%), диагноз МКБ был установлен впервые на курорте с использованием ДЛС и УЗИ. Следует отметить, что у 38 пациентов (36,2%), с предварительно установленным диагнозом МКБ, проба с ДЛС была отрицательной. Из 44 пациентов, с вновь установленным диагнозом МКБ, проба с ДЛС так же была отрицательна у 12 пациентов (33,4%). Наличие отрицательных проб с ДЛС расценивалось специалистами как отсутствие активного камнеобразования в почках в момент обследования. Всего было проведено 111 УЗИ и 614 лабораторных исследований. В поиске пациентов с МКБ, отработки методов оригинальных исследований было проведено более 1500 анализов с использованием ДЛС. Статистическая обработка результатов исследования проводилась методами вариационной статистики с выделением значимости различий по критерию t Стыодента. Для сравнения однотипных ранговых признаков применялся непараметрический критерий Вилкоксона-Манна - Уитни. Для достоверного сравнения усредненных абсолютных величин, а также относительных показателей в процентах использовался метод непрямых разностей с использованием доверительных интервалов [10].
Для выявления процесса камнеобразования в почках используется метод, предложенный С.Н.Шатохиной и В.Н.Шабалиным, основанный на добавлении в мочу 10% раствора альбумина в соотношении 4:1 и проведении высушивания капли указанной смеси. У здоровых людей альбумин локализуется на периферии капли, образуя по периметру краевую белковую зону. У больных с МКБ альбумин краевой белковой зоны не образует, а камнеобразующие соли кристаллизуются в краевой зоне Ф. Альбумин, в образующейся после высыхания капли пленке - Ф, переходит в гелеобразное состояние. Образованная им пленка бесцветна и прозрачна и ширина ее составляет 0,1 -0,3 мм
Белковое краевое кольцо на краю Ф имеет блестящий беловато-серый цвет, и поскольку ширина его измеряется 0,1-0,4 мм, для визуальной оценки препарата требуется большой навык. Для оптимизации метода нами было предложено маркировать альбумин, входящий в состав белкового компонента ДЛС, добавляя в него краситель метиленовый синий.
Известно свойство метиленового синего адсорбироваться на отрицательно заряженных гелях. Молекулы белка альбумина имеют выраженный отрицательный заряд, значительно больший, чем у других белков крови. Адсорбированный на альбумине метиленовый синий, позволяет по изменению интенсивности голубой окраски определить локализацию молекул альбумина в Ф мочи.
В связи с высокой способность метиленового синего растворяться в воде и давать интенсивную окраску даже при в небольшой концентрации, предлагается следующий способ приготовления препарата: добавка метиленового синего производится в микроскопическом количестве (на кончике тонкой иглы или скрепки), в пробирку с 1 мл 10%раствора альбумина. После растворения красителя, в другую пробирку с альбумином добавляются по каплям окрашенный альбумин до достижения в небесно-голубой цвета («skyblue») по шкале цветовых оттенков, или оттенков 130-140 у.е. при яркости 130-140у.е. в программе Paint.
Структуризация смесей растворов хлористого натрия различной концентрации и 10% раствора альбумина в капле высыхающей жидкости
При исследовании фаций мочи с белковым компонентом ДЛС мы обратили внимание на неравномерное распределение массы сухого вещества в фациях пациентов с отсутствием камнеобразования в почках. Фации мочи в отсутствие белка не имеют выраженного рельефа. Краевая зона фации мочи здорового человека образованная белковым компонентом формирует на периферии отчетливый вал, в то время как центральная зона представляет собой впадину, (рис. 1.2(1,2)). Такую же чашеобразную структуру имеют фации сыворотки крови, смеси альбумина и растворов хлористого натрия, различные коллоидные жидкости [153]. У лиц с выраженным камнеобразованием высота фации мочи с белковым компонентом по всей поверхности кажется одинаковой, (рис. 1.2.3, 1.2.4). Мы провели измерение профиля сечения фаций мочи с добавлением белкового компонента у здоровых лиц и страдающих МКБ и вычислили объем фаций. Подготовка препарата к исследованию и процесс измерения объема проводится в соответствии с методикой изложенной в гл. 2 в разделе 2.2.1. Для измерения были взяты 20 фации мочи здоровых пациентов и 20 страдающих МКБ с активным камнеобразованием. Результаты измерений приведены в табл.3.2. Процесс структурирования в высыхающей капле происходит по концентрическим окружностям, направляясь от периферии к центру. По данными Шабалина В.Н. и Шатохиной С.Н., [2001] в образующихся Ф минеральные компоненты - соли занимают центральную часть, а белки вытесняются ими на периферию. Входе структуризации Ф химический состав концентрационной волны образующей концентрическую структуру отличается от предыдущей и последующей. Данный постулат касается не только сыворотки крови, но и должен распространяться на другие биожидкости также содержащие белок. Отсюда вытекает, что при высыхании капли сыворотки в процессе образования структурированных кольцевых градиентных полей образуемых идентичными молекулами, соотношение остающихся в растворе белковых компонентов, являющихся основными структурообразующими элементами, должно меняться. Мы поставили задачу на примере структуризации сыворотки крови выяснить, как изменяется содержание белковых фракций в жидкой части капли в процессе ее высыхания. Экспериментальная работа проводилась совместно с Н.Н. Дерябиной, врачом КЛД на базе ГУЗ ТО «Тульская областная больница» КДЦ и КДЛ СПбГМУ им. акад. И.П.Павлова Для исследования была взята сыворотка 5 пациентов. Проба «а»: пациентка В. 57 лет, поступила на курорт с диагнозом ревматоидный артрит с функциональной недостаточностью 1 степени (М06.А). Проба «в»: пациентка X. 45 лет, находилась на излечении в отделении нефрологии СПбГМУ по поводу МКБ (N20.0)
Мы помещали капли исследуемых образцов сыворотки, объемом 20 мкл помещали на предметное стекло и проводили высушивание в стандартных условиях. Через каждые 15 минут производили взвешивание капли на электронных весах Mettler чувствительностью 0,0001г.
Одновременно с взвешиванием из параллельного ряда капель, отбирался материал для исследования в нем белковых компонентов. Объем пробы для проведения электрофореза составлял 50 мкл и превышал объем исследуемых капель сыворотки в 2,5 раза, поэтому для взятия пробы на исследование приходилось проводить забор сыворотки из нескольких капель, помещенных в условия исследуемой пробы. Взвешивание и взятие материала для электрофореза проводилось до достижения постоянного веса высыхающей капли. Полученные пробы подвергали электрофоретическому разделению для определения для количественного соотношения в них белковых фракций с помощью диагностического набора «CORMAY GEL PROTEIN 100».
На представленных графиках высыхания капли пациентов «а» и «б», (рис.3.11) видно, что скорость высыхания капли сыворотки почти на всем протяжении 60 - 75 мин постоянная и составляет примерно 14 мкл в час. Структуризация капли сыворотки отмечалась уже через 15 минут после нанесения ее на горизонтальную поверхность, на периферии капли в этот период времени визуально регистрировалось образование студнеобразной структуры в виде широкого кольца. При достижении состояния полного застудневания капли, когда ее масса составляет 6,0 -7,5% от первоначальной, скорость испарения жидкости резко замедляется.
Содержание фракций белков в пробах сыворотки, взятых из высыхающих капель с интервалом в 15 мин., приведены в рис. 3.12.
На протяжении 45 мин соотношение фракций белков в жидкой части сыворотки не изменялось. К 60 минуте отмечалось значительное снижение (на 13-15%) альбумина и небольшое увеличение ряда глобулинов (на 1-2%). В-первых 4-х пробах взятых в период высыхания, видно, что при застудневании сыворотки и образовании широкого краевого кольца первоначальное содержание белковых фракций в ее жидкой части капли практически не изменялось в течение 45 мин, до достижения 29-42% от ее первоначальной массы. В процессе дальнейшего структурирования в 5 и 6 пробах сыворотки на протяжении 30 мин наблюдается снижение альбумина и увеличение глобулиновых фракций. По прошествии 75 мин процесс студнеобразования в капле завершается, и жидкой фракции сыворотки больше нет, в центральной зоне начали формироваться отдельности -локальная область фации ограниченная со всех сторон трещинами.
Механизм структуризации фации в капле мочи без камнеобразования в почках в смеси с диагностикумом «ЛИТОС-система»
Совместно с доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником НИИЯФ МГУ А.В.Гетлингом были изучены выявленные нами гидродинамические процессы, возникающие в капле воды, растворов водных солей, и биожидкости при ее высыхании [39].
Мы считаем, что использование термина «дегидратация» в названии метода МКД является спорным, так как дегидратация это процесс отщепления молекул воды от различных веществ [115]. Для данного процесса больше подходит термин испарение [93].
Многие авторы при наблюдении высыхания капель водных растворов солей и коллоидных жидкостей в условиях комнатной температуры, описывали только образование отдельных потоков растворенных компонентов или растворителей, и при этом циркуляционного движения в этих каплях не отмечали[120,121,137,140,141;142,153]. Наблюдение циркулирующих потоков в форме тора В.Н.Шабалин и С.Н. Шатохина [2001], отмечали только в высыхающей капле сыворотки крови.
Однако развития конвективного движения в капле можно ожидать в широком диапазоне условий. Возникновение конвективной циркуляции зависит от ряда физических факторов, каждый из которых способен вызывать конвективное движение сам по себе.
Мы предлагаем своё обоснование механизмов наблюдаемых гидродинамических процессов, происходящих в высыхающей капле воды, водных растворов солей и биологических жидкостей на горизонтальной поверхности твердой подложки при комнатной температуре.
Во-первых, возникает температурная неоднородность - из-за охлаждения жидкости при испарении с поверхности капли верхние слои оказываются более холодными. Температура будет меняться по горизонтали (с расстоянием от центра), а этого достаточно, чтобы возникло конвективное течение. Таким образом, может возникать обычная тепловая (термогравитационная) конвекция.
Во-вторых, имеется поверхностное натяжение, и его зависимость от температуры сама по себе может вызывать конвекцию (термокапиллярный эффект). По краям капля имеет меньшую толщину и остывает быстрее. Более холодная жидкость имеет более сильное поверхностное натяжение. Следовательно, периферийные части капли будут растягивать центральную часть, вызывая центробежное перетекание жидкости. Дефицит жидкости вблизи вершины капли будет восполняться восходящим течением в центре, а вблизи подложки течение будет центростремительным. Жидкость в восходящем потоке будет более теплой, чем у поверхности, что приведет к дальнейшему уменьшению поверхностного натяжения и усилению циркуляции.
В-третьих, испарение жидкости с поверхности капли водных растворов солей и биологических жидкостей, относящихся также к истинным растворам, приводит к повышению градиента концентрации в ее поверхностных слоях и особенно на периферии. В соответствии с законами диффузии растворенное вещество из области с повышенной концентрацией начинает двигаться к местам с меньшей концентрацией, выравнивая возникшую разницу концентрации, тем самым, вызывая в разных горизонтальных плоскостях перемещение растворенных веществ во взаимно противоположных направлениях - центростремительном и центробежном, образуя конвекцию в виде тора — термодиффузия (термоконцентрационный механизм).
Необходимо отмстить некоторые качественные структурные черты конвективного течения.
Вертикальный размер и радиус капли - сравнимые величины, поэтому для циркуляции в капле типично образование одной конвективной ячейки, заполняющей собою большую часть объема капли. Термокапиллярный механизм (роль которого в данном случае велика из-за малой толщины слоя жидкости), как уже было сказано, способствует возникновению такой циркуляции, при которой в центре ячейки имеется восходящий поток, а в верхней ее части — растекание. Такое же направление циркуляции характерно и для термогравитационной конвекции в обычных жидкостях - таких, у которых вязкость убывает с температурой. Более того, поскольку на периферии капли жидкость охлаждается быстрее, температура должна спадать от центра к краям, и такое распределение также будет вызывать циркуляцию с восходящим потоком в центре. Именно такое направление циркуляции реально наблюдается в исследуемых каплях водных различных растворов.
Быстрое выравнивание температур, повышенная скорость испарения и быстрое вязкое торможение течения в краевой зоне капли, тормозящие конвекционные потоки формируют локальную область с застойными явлениями-застойную краевую зону на периферии капли.
Биологические жидкости, смесь мочи и альбумина из ДЛС, содержат значительное количество белков и минеральных солей, и при высыхании их, наблюдается закономерная локализация белковых и минеральных компонентов в образующихся Ф, [122]. В процессе формирования Ф в капле биожидкости происходят такие же гидродинамические процессы.
Формирование Ф - морфологически различных структур связано с переходом растворенных веществ из жидкой фазы в кристаллическую и коллоидную. В основном этот процесс и происходит в краевой зоне, расположенной на периферии капли. Мы установили, что в каплях воды, а также водных растворах содержащих различные соли и белки, при высыхании происходят гидродинамические процессы, характеризующиеся образованием конвекционных потоков тороидальной формы и застойной краевой зоны. Циркуляционное течение типа тороидального вихря, возникающее в каплях воды и водных растворов, помещенных на горизонтальную подложку и испаряющихся при комнатной температуре, имеет конвективную природу и связано, прежде всего, с термодинамическими явлениями, причем за его возникновение могут быть ответственны различные механизмы. В периферийной части капли образуется зона застоя, характеризующаяся снижением скорости потоков, увеличением интенсивности испарения, выраженностью капиллярных сил. Возникновение такой конвективной циркуляции, и зоны застоя характерно для очень широкого класса ситуаций и наблюдается в каплях воды, водных растворах солей, разнообразных биологических жидкостях. Эти гидродинамические процессы влияют на формирование структур, образующихся после высыхания капель различных жидкостей, содержащих мезоморфные компоненты.
