Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Известно, что кровь выполняет очень важные функции в организме. Прежде всего, это транспортная система. Она проходит через весь наш организм, взаимодействует с каждой клеткой. Поэтому качество крови играет первостепенную роль в определении состоянии здоровья человека. Сложно найти причину заболевания, если нет данных анализа крови. Анализ крови -самое распространенное в современной медицине лабораторное исследование, с помощью которого можно определить как общее состояние человека, так и состояние большинства его органов и систем. Также он применятся в случае, когда необходима дополнительная информация для постановки более точного диагноза и назначения лечение. Диагностика крови может проводиться несколько раз, что позволяет оценивать эффективность лечения и изменения состояния пациента.
Одной из основных проблем при разработке методов диагностики крови является взятие пробы для анализа в количестве нескольких миллилитров. Таким образом, существует вероятность пропустить некоторое количество бактерий во всем объеме крови пациента (5-7 л). Достаточно пропустить одну бактериальную клетку из этой пробы, которая способна вызвать и размножить сепсис.
С развитием и внедрением нанобиотехнологий в медицинскую практику, открываются новые горизонты в исследованиях крови как in vivo так и in vitro. Это связано с тем, что современная технология позволяет работать с веществом в микрометровых и даже нанометровых масштабах. Именно такие размеры характерны для основных биологических структур - клеток, их составных частей (органелл) и молекул. Одной из ключевых возможностей наноматериалов применительно к биологии и медицине является то, что они могут легко поглощаться клетками и поэтому могут выступать в роли переносчиков различных молекул, необходимых для лечения и диагностики. Также углеродные нанообъекты имеют свойство адгезии к бактериальным клеткам, а не к клеткам живого организма. Известны работы Гуляева Ю.В. и др., в которых исследуется эффект излучения нанопленками акустических сигналов ультразвукового диапазона.
Поэтому для решения диагностических задач исследования биологических структур целесообразно использовать оптико-акустический метод с применение наноразмерных объектов. Оптоаку етика - область научных знаний, охватывающая эффекты возбуждения звука лазерным импульсом или модулированным по интенсивности световым пучком. Успехи оптоаку стики -во многом заслуга ученых бывшего СССР. Систематические исследования фундаментальных вопросов оптоакустики в нашей стране проводились коллективами под руководством профессоров Л. М. Лямшева и К. А. Наугольных (Акустический институт имени академика Н. Н. Андреева), профессора Ф. В. Бункина (Физический институт имени П. Н. Лебедева),
профессоров С. А. Ахманова и О. В. Руденко (Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова).
«In vivo оптоакустической цитометрией потока крови» называют методику, при которой вследствие оптоакустического эффекта генерируется звуковое поле, регистрируемое ультразвуковым преобразователем. Достоинством оптоакустического метода с использованием наноразмерных объектов является возможность потенциального обнаружения единичной бактерии или раковой клетки в кровотоке, что позволит получить новые качественные и количественные результаты в исследованиях жидких сред организма, в отличие от существующих в настоящее время аналогов. Подобные исследования проводились В. Жаровым и др. (Университет медицинских наук, Арканзас, Литл-Рок).
Таким образом, достоинством оптоакустического метода с использованием наноразмерных объектов является возможность потенциального обнаружения единичной бактерии или раковой клетки в кровотоке, что позволит получить новые качественные и количественные результаты в диагностике жидких сред организма, в отличие от существующих в настоящее время аналогов.
Цели и задачи работы
Целью диссертационной работы является разработка системы лазерной оптоакустической диагностики клеток в кровотоке с использованием наноразмерных объектов, позволяющей получить качественно новые результаты при неивазивном проведении анализа крови в реальном времени.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи диссертационной работы:
Теоретически исследовать процесс лазерного возбуждения акустических сигналов в жидких средах с углеродными нанотрубками (УНТ) и нановолокнами (УНВ).
Разработать модель процесса лазерного возбуждения и рассеяния акустических сигналов в жидких средах в присутствии наночастиц.
Разработать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований лазерного возбуждения и рассеяния оптоакустических сигналов в углеродных нанотрубках.
Разработать модели биологических сред с нанотрубками для проведения экспериментальных исследований.
Экспериментально исследовать процесс лазерного возбуждения и рассеяния акустических импульсов в модельных биологических средах.
Разработать алгоритм и методику диагностики жидких биологических сред оптоакустическим методом с использованием наноразмерных структур
Методики исследования
Эксперименты проводились на базе ЦКП «Лазерный центр» ЮФУ. Достоверность вычислений обеспечивалась статистической значимостью, а также сравнением с результатами, полученными другими методами и средствами. Основные выводы и положения сравнивались с известными результатами и были теоретически обоснованы.
Научная новизна диссертационной работы
Разработана теоретическая модель оптоакустического эффекта в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).
Проведены экспериментальные исследования генерации акустического сигнала ультразвукового диапазона при облучении лазером жидкой суспензии углеродных нанотрубок и нановолокон.
Разработаны принципы построения системы оптоакустической диагностики жидких биологических сред с использованием наноразмерных объектов.
Практическая значимость работы
Разработана методика расчета акустического поля в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).
Разработана методика проведения экспериментальных исследований оптоакустического эффекта в жидкой среде в присутствии наноразмерных объектов (нанотрубок и нановолокон).
2. Разработан алгоритм реализации метода оптоакустической диагностики жидких биологических сред с использованием наноразмерных объектов.
Внедрение результатов работы
Разработанные принципы построения системы и методика анализа биожидкостей были использованы в ООО «Лазерные технологии», г. Таганрог.
Методика возбуждения и регистрации оптоакустического сигнала в модельной биосреде с нанообъектами оформлена в виде лабораторной работы и используется в учебном процессе кафедры ЭГА и МТ ТТИ ЮФУ для студентов специальности 200401 в рамках курсов «Теория биотехнических систем», «Измерительные преобразователи и электроды».
Исследования, проведенные в диссертационной работе, выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, ФЦП ««Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (мероприятие 1.3.2), ГК №14.740.11.0452; поддержаны «Ползуновским грантом», 2009 г. и стипендией Американского акустического общества (ASA), 2010 г.
Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
XXI Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы» (БИОМЕДСИСТЕМЫ-2008), Рязань.
Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Перспективы фундаментальной и прикладной науки в сфере медицинского приборостроения», г. Таганрог, 2009 г.
III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины», г. Ростов-на-Дону, 2009 г.
Ползуновские чтения-2009, г. Барнаул.
Всероссийской конференции «Медицинские информационные системы», г. Таганрог, 2008, 2010 гг.
XXII сессии Российского акустического общества, г. Москва, 2010 г.
8-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века - будущее российской науки», Ростов-на-Дону, 2010 г.
Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2009-2011 гг.
Работа была обсуждена на совместном заседании кафедр электрогидроакустической и медицинской техники (ЭГА и МТ), автоматизированных систем научных исследований и экспериментов (АСНИ и Э), технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры (ТМ и НА), конструирования электронных средств (КЭС) от 22 июня 2011 г.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, среди которых 5 работ в журнале из Перечня ВАК.
Структура и объем диссертации
