Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Строение, свойства и методы исследования биотканей, в том числе жировой ткани 17
1.1. Основные оптические свойства биотканей 17
1.2. Методы исследования оптических свойств биотканей 28
1.3. Строение и физико-химические свойства жировой ткани 37
1.4. Оптические свойства жировой ткани 42
1.5. Изменения агрегатного состояния и оптических свойств жировой ткани при нагревании и охлаждении 53
1.6. Влияние магнитного поля на структуру липидов 68
Заключение к главе 1 71
Глава 2. Экспериментальное исследование изменений оптического пропускания жировой ткани in-vitro под влиянием температуры 74
Основные результаты главы 2 86
Глава 3. Теоретическое исследование изменений оптического пропусканияжировой ткани под влиянием температуры 87
3.1. Распространение света в коже и подкожном жире (однородная, изотропная, нетермочувствительная, однофазная среда) 87
3.2. Оптическая модель жировой ткани как термочувствительной гетерофазной среды 95
Основные результаты главы 3 105
Глава 4. Экспериментальное исследование изменений спектральных и флуоресцентных свойств жировой ткани in-vitro под влиянием температуры 106
4.1. Изменения спектров поглощения жировой ткани под влиянием температуры 106
4.2. Изменения флуоресцентных свойств жировой ткани под влиянием температуры и времени хранения 118
4.3. Метод детектирования жировой ткани 124
Основные результаты главы 4 127
Глава 5. Экспериментальное исследование изменений поляризационных свойств жировой ткани in-vitro под влиянием температуры 129
51. Измерение угла поворота плоскости поляризации образца жировой ткани in-vitro 129
5.2. Измерение степени поляризации света, прошедшего образец жировой ткани 132
5.3. Исследование оптических текстур 137
Основные результаты главы 5 141
Глава 6. Исследование воздействия внешнего магнитного поля на жировую ткань и ее модель 142
6.1. Исследование воздействия внешнего магнитного поля на температуру жировой ткани in-vitro 142
6.2. Исследование воздействия внешнего переменного магнитного поля на раствор фосфолипида 147
6.3. Метод свето-магнитного воздействия на жировую ткань 153
Основные результаты главы 6 155
Заключение 156
Библиографический список использованной литературы
- Строение и физико-химические свойства жировой ткани
- Оптическая модель жировой ткани как термочувствительной гетерофазной среды
- Изменения флуоресцентных свойств жировой ткани под влиянием температуры и времени хранения
- Измерение степени поляризации света, прошедшего образец жировой ткани
Введение к работе
Актуальность работы
Современное общество, по мере своего развития, сталкивается с различными социальными проблемами. Одной из таких проблем можно считать проблему ожирения [1]. По последним оценкам Всемирной Организации Здравоохранения первые три места по количеству заболевания ожирением в мире занимают США, Германия и Франция, на четвертом месте в этом списке стоит Россия [2]. По самым скромным оценкам в России ожирение имеется у 20 процентов людей [3]. Ожирение опасно не только тем, что создает эмоциональные и социальные проблемы тучных людей, но, оно также представляет огромную угрозу для их здоровья, увеличивая риск сердечно-сосудистых и ишемических заболеваний.
В настоящее время ведутся активные поиски новых технологий, позволяющих селективно разрушать жировую ткань. Известны методы селективного нагрева подкожной жировой ткани оптическим, в том числе лазерным, излучением [4]. В ряде случаев, оптический нагрев активизирует кровообращение и биологические рецепторы, в зону воздействия привлекаются макрофаги, которые разрушают жировые клетки, а продукты разрушения уносятся вместе с лимфой [5]. Создание новых лазерных источников стимулирует интерес к исследованию взаимосвязей между параметрами лазерного излучения и оптическими свойствами жировой ткани. Особый интерес представляет исследование термоиндуцированных изменений оптических свойств жировой ткани. Большинство публикаций в этой области посвящено чистым природным или синтетическим жирам, например, интралипиду [б]. Однако свойства отдельных липидов, в частности, жирных кислот, существенно меняются при добавлении других липидов, а естественная жировая ткань как раз и представляет собой сложную многокомпонентную биологическую систему, содержащую различные липиды, воду и белок [7]. При изменении температуры естественной жировой ткани могут происходить полиморфные превращения липидов [8] и, следовательно, изменения структуры жировой ткани, что должно оказывать дополнительное влияние на изменения ее оптических характеристик, к числу которых следует отнести пропускание, поглощение и испускание фотонов [9]. Многообразие компонентов естественной жировой ткани позволяет ожидать особые, специфические только для нее термоиндуцированные изменения оптических свойств. Информация об
этих изменениях позволит существенно повысить селективность и эффективность разрабатываемых для разрушения и контроля состояния жировой ткани оптических, в том числе лазерных, приборов. Таким образом, теоретическое и экспериментальное исследование термоиндуцированных изменений оптических свойств жировой ткани является достаточно актуальным.
Оптические явления и методы широко применяются в аналитических целях и для контроля состояния объекта в самых различных областях науки и техники. По виду спектров поглощения и флуоресценции, их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать кинетику протекающих в нем физических и химических процессов. Анализ рассеяния света (особенно мутными средами), позволяет определить характеристические параметры исследуемого вещества (структуру и размер элементов его структуры).
Настоящая работа направлена на изучение и объяснение зависимости основных оптических характеристик (пропускания, поглощения, интенсивности флуоресценции) жировой ткани от абсолютного значения ее температуры. Для решения этой задачи, на основании обобщения известных литературных данных, была смоделирована структура естественной жировой ткани, а задание тепловых и оптических свойств ее основных компонентов позволило предложить новую оптическую модель термочувствительной гетерофазной среды (жировой ткани). Для того чтобы понять, при какой температуре происходят полиморфные превращения в жировой ткани были исследованы спектры поглощения жировой ткани в видимом и -ИК диапазонах. Структурные изменения в жировой ткани под влиянием температуры были изучены с помощью поляризационной и флуоресцентной микроскопии. Ряд экспериментов был посвящен изучению влияния магнитного поля на жировую ткань.
Цель и задачи работы Цель исследования: Исследование термоиндуцированных изменений оптических свойств жировой ткани трансиллюминапионным, спектральным и флуоресцентным методами.
При выполнении диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:
Создать оптическую модель термочувствительной гетерофазной среды (жировой ткани).
Экспериментально исследовать термоиндуцировашше изменения оптического пропускания и поглощения жировой ткани in-vitro в видимой и ИК областях спектра электромагнитных волн.
Экспериментально исследовать термоиндуцированные изменения флуоресцентных свойств жировой ткани in-vitro.
Разработать метод неразрушающего контроля состояния жировой ткани.
Научная новизна работы:
Впервые экспериментально установлено, что в диапазоне температур +26 -5-+42 С, интенсивность диффузной компоненты прошедшего через слой жировой ткани in-vitro видимого света уменьшается, а интенсивность коллимированной компоненты — возрастает.
Впервые установлено, что в ИК спектрах поглощения образца жировой ткани in-vitro, при температурах выше +26 С отсутствуют крутильные колебания гаСНг, которые характерны только для кристаллического состояния углеводородных цепей триглиперидов в сс-полиморфном состоянии и наблюдаются в области 7,60 + 8,33 мкм, при температурах в диапазоне +5 + +26 С.
Впервые в ИК спектрах поглощения образца жировой ткани in-vitro, при температурах в диапазоне +26 + +42 С, обнаружена полоса поглощения с максимумом 11,98 мкм, характерная для ^-модификации триглицеридов.
Впервые в ИК спектрах поглощения образца жировой ткани in-vitro, обнаружено, что отношение интенсивностей полос поглощения асимметричного и симметричного колебания метиленових групп СН2 растет при увеличении температуры в диапазоне +5 + +42 С, а при увеличении температуры в диапазоне +42 + +45 С — не изменяется.
Впервые одновременно с нагревом или охлаждением измерены спектры флуоресценции жировой ткани человека in-vitro. Произведено соотнесение максимумов полос спектра флуоресценции образца жировой ткани с максимумами полос спектров флуоресценции известных химических соединений. Обнаружено,
что спектр флуоресценции образца жировой ткани человека имеет ранее не наблюдаемый максимум на длине волны 590±5нм.
Впервые экспериментально установлено, что интенсивность максимума флуоресценции жировой ткани in-vitro на длине волны 510±5 нм зависит от времени, прошедшего с момента экстракции жировой ткани из организма.
Впервые предложен метод детектирования жировой ткани, основанный на регистрации интенсивности флуоресценции жировой ткани, на длине волны 590±5 нм.
Впервые, в рамках предложенной оптической модели термочувствительной
гетерофазной среды, показано, что при изменении коэффициента рассеяния
і'' ' ' _і
твердой фазы от 6,7 до 200 мм интенсивность прошедшего среду оптического
сигнала уменьшается в б раз.
На защиту выносятся следующие научные положения в результаты:
Разработанная оптическая модель термочувствительной гетерофазной среды позволяет на примере жировой ткани in-vitro объяснить, наблюдаемую экспериментально, зависимость интенсивности проходящего через гетерофазную среду (жировую ткань) видимого света от температуры при фиксированной толщине образца.
В диапазоне температур от +5 до +42 С интенсивность прошедшего через гетерофазную среду видимого света линейно зависит от соотношения объемов жидкой и твердой фаз в среде.
Термоиндуцированные полиморфные превращения жировой ткани проявляются в ИК спектрах поглощения жировой ткани на длинах волн 7,60 + 8,33 мкм и 11,98мкм.
Жировая ткань in-vitro обладает тепловым гистерезисом интенсивности флуоресценции в диапазоне температур +4 -s- +36 С. При охлаждении скорость изменения максимума интенсивности флуоресценции на длине волны 510 нм составляет порядка 0,01 (С)-1» при нагревании — 0,02 (С)"1.
Теоретическая и практическая ценность работы
Модели и результаты исследований, представленные в настоящей диссертационной работе, могут быте использованы в различных областях лазерной
физики, техники и медицины при описании процессов взаимодействия света с гетерогенными средами и при выборе параметров лазерного излучения в медицинских приборах.
Предложены оригинальные устройство и метод для детектирования жировой ткани. Метод предназначен для диагностики жировой ткани в труднодоступных местах (при общей хирургии, лшюсакции, косметологии и т.д.).
Материалы диссертационной работы также используются при разработке приборов и методик в рамках международного гранта CRDF № RUB1-570-SA-04.
Рекомендации, изложенные в настоящей работе, использованы при создании опытных образцов лазерного медицинского оборудования на предприятиях: «ЗАО Лазерный Центр ИТМО» (Россия) и «Palomar Medical Inc.» (США).
Личный вклад автора. Все представленные экспериментальные исследования и теоретические расчеты проведены при личном участии автора. Все положения, которые составляют суть диссертации, были сформулированы и решены самостоятельно.
Апробация работы
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались и получили положительную оценку на следующих научных конференциях: Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, Россия, 2001 г.); «7-th International Symposium on Laser Metrology Applied to Science, Industry and Everyday Life (LM-2002)» (Новосибирск, Россия, 2002 г.); «Saratov Fall Meeting'2002 International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics» (Саратов, Россия, 2002 г.); «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, Россия, 2002г.); «Saratov Fall Meeting'2003 International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics» (Саратов, Россия, 2003); «I конференция молодых ученых университета СПбГУИТМО» (Санкт-Петербург, Россия, 2004); «NATO Advanced Study Institute in Biophotonics» (Оттава, Канада, 2004); «XXXIV научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, посвященная 100-летию первого выпуска специалистов вуза» (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.); «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.); «ICONO/LAT International Conference on Laser, Applications, and Technologies» (Санкт-Петербург, Россия, 2005
г.); «Saratov Fall Meeting*2005 Laser Physics & Biophysics» (Саратов, Россия, 2005 г., интерент-приглавденный доклад); «Conference on Sensors and Photonics for Applications in Industry, Life Sciences, and Communications, Optics East» (Бостон, США, 2005 г.); «Актуальные проблемы физики, технологий и инновационного развития» (Томск, Россия, 2005 г., приглашенный доклад - Диплом II степени); «ІП Межвузовская конференция молодых ученых, сессия научных' школ, КМУ» (Санкт-Петербург, Россия, 2006 г.); «12th Conference on Laser Optics» (Санкт-Петербург, Россия, 2006 г.); «5th European Symposium on Biomedical Engineering» (Патрас, Греция, 2006 г.); «Saratov Fall Meeting'2006 Laser Physics & Biophysics» (Саратов, Россия, 2006 г.); «XXXVI научная и учебно-методическая конференция профессорско-преподавательского и научного состава состава ГОУВПО СПбТУ ИТМО» (Санкт-Петербург, Россия, 2007 г.).
Результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах.
Структура и объем работы
Строение и физико-химические свойства жировой ткани
Оптика (греч. optike - наука о зрительных восприятиях, от optos - видимый, зримый) — это раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества.
Основными процессами при взаимодействии света с биотканью являются преломление (как частный случай - отражение), поглощение и рассеяние света [12]. Количество отраженного, поглощенного и рассеянного света зависит от длины волны падающего света, а также от типа ткани. Важной величиной, характеризующей вещество при данной температуре и для данной длины волны, является показатель преломления, который можно измерить с высокой точностью.
Для изотропной среды показатель преломления является комплексной величиной [13]: где п - вещественный показатель преломления, к - вещественный показатель затухания. В литературе [14] принято считать, что жировая ткань относится к изотропным непроводящим средам. В таком случае для нее показатель преломления будет вещественной величиной. Абсолютный показатель преломления света п — это отношение скорости света в вакууме с к скорости прохождения света в среде 9 [13]: п=С. (2) На практике определяют так называемый относительный показатель пре п2 ломления п = — = пп, т. е. отношение скорости света в одной среде к скорости прохождения света в другой среде. Согласно закону преломления света, относительный показатель преломления света равен отношению синуса угла падения а к синусу угла преломления /?:
Показатель преломления зависит от природы вещества, температуры, длины волны падающего света, концентрации (для растворов) и давления (для газов) [15]. С увеличением температуры показатель преломления уменьшается, поэтому для определения показателя преломления при постоянной температуре рефрактометры снабжены устройствами для термостатирования образца [16]. Каждое вещество в твердом или растворенном состоянии состоит из определенных часгиц (молекул, ионов). В основе рефрактометрического метода исследования лежит формула Лорентц-Лоренца [13, 16], связывающая показатель преломления п изотропного вещества с числом молекул п в единице объема и поляризуемостью у молекул
Формула позволяет находить у по измерениям показателя преломления вещества п. Из нее следует, что для данного химического вещества и для света с заданной длиной волны выполняется соотношение [16]: где р - плотность вещества, пропорциональная концентрации молекул С. Величина г называется удельной рефракцией. Таким образом, удельная рефракция вещества не должна зависеть от его плотности. Нередко удельная рефракция остается практически постоянной даже при изменении агрегатного состояния вещества. Опыт показывает также, что удельную рефракцию смеси веществ можно вычислить, если известны рефракции г , г ,... ее отдельных компонентов и их процентное содержание С,, С2,... в смеси [16]:
Это значит, что оптическое поведение молекул каждого компонента практически не зависит от присутствия других компонентов. Существует эмпирическое правило, согласно которому рефракцию сложного химического соединения можно вычислить, складывая рефракции составляющих его элементов [16]. Чтобы исследоват ь зависимость показателя преломления я от состава вещества, необходимо использовать величину, зависящую исключительно от природы вещества. Такой величиной является атомная и молекулярная рефракция. Атомная рефракция RA представляет произведение удельной рефракции г данного элемента на его атомную массу тй [13]:
В формуле ттл - молекулярная масса. Молекулярная рефракция не зависит ни от температуры, ни от давления, ни от агрегатного состояния вещества. Опыт показывает, что во многих случаях молекулярная рефракция обладает свойством аддитивности, т. е. для сложного вещества она равна сумме атомных рефракций элементов, входящих в состав вещества [16]: RM=q,Rl+q2R2+...qnRn, (9) где qv q2...q„ - числа атомов элементов, входящих в состав молекулы. Аддитивность молекулярной рефракции означает, что взаимодействие отдельных атомов с полем световой волны в первом приближении не зависит от других атомов, входящих в состав той же молекулы. Нарушение аддитивности позволяет судить о взаимном влиянии атомов друг на друга и, следовательно, делать заключение о строении молекул [16].
Если среды, через которые проходит свет, однородные и изотропные и обладают нулевой проводимостью, то они совершенно прозрачны. Исходя из этого, можно положить магнитные проницаемости ц., = и.2= 1 [13]. Пусть 7 - амплитуда электрического вектора поля падающей волны. Будем считать ее комплексной величиной с фазой, равной постоянной части аргумента волновой функции. Аналогично, Ти R - комплексные амплитуды прошедшей и отраженной волны. Согласно формулам Френеля, компоненты отраженной и прошедшей волн можно выразить через компоненты падающей волны. Для нормального падения света, т. е. когда а = /? = 0 [13]:
Биологические ткани являются оптически неоднородными поглощающими средами со средним показателем преломления большим, чем у воздуха [12]. На границе раздела биообъект - воздух часть излучения отражается (френелевское отражение), а остальная часть проникает в биологическую ткань [12].
При многократном рассеянии и поглощении лазерный пучок уширяется и затухает при распространении в биологической ткани. Объемное рассеяние является причиной распространения значительной доли излучения в обратном направлении (обратное рассеяние) [12]. Клеточные мембраны, ядра и органеллы являются основными рассеивателями для многих биологических тканей [12, 17]. Поглощенный свет преобразуется в тепло, переизлучается в виде флуоресценции, а также тратится на фотобиохимические реакции [12, 18]. Спектр поглощения определяется типом доминирующих поглощающих центров и содержанием воды в биологической ткани. Характер фотовоздействия лазерного излучения на биологическую ткань определяется ее составом и коэффициентом поглощения на длинах волн облучения. Таким образом, оптические свойства биологической ткани определяются ее структурой и состоянием [12]: физиологическим состоянием, уровнем гидратации, гомогенностью, видовой вариантностью, характером измерений in-vivo - in-vitro и др. Ослабление лазерного пучка в биологической ткани проходит по экспоненциальному закону. Интенсивность коллимированного излучения оценивается по закону Бугера-Ламберта-Беера [12]
Оптическая модель жировой ткани как термочувствительной гетерофазной среды
Моно- и диглицериды обладают заметным оптическим вращением [62]. Обнаружено, что ошическая активность стереизомерных глицеридов не исчезает при гидрировании, хранении в течение шести-семи лет в нормальных условиях и нагревании до 170 "С при исключении ацильной миграции и окисления. Однако оптическая активность теряется после рандомизации, что доказывает расположение центра асимметрии в остатке глицерина этих триглицеридов. Обнаружены высокие величины оптического вращения в дельфиньем жире и в масле растений из семейства Euphorbiaceae. Заметную оптическую активность обнаружили и в триглицеридах жира свиньи {cp)D = +1,6 и {cp)D = -1,3 [62].
Поляризационные свойства ЖТ остаются до сих пор плохо изученными [45]. В основном исследования проводятся на фантоме ЖТ — водной суспензии интралипида 20% [63-65]. Диаметр микросфер интралипида составляет от 25 до 675 нм, при этом средний диаметр — 97 нм. Коэффициент рассеяния такой суспензии равен 47,98 см", параметр анизотропии рассеяния — 0,73 [66, 67]. Рис. 10 [66] показывает, как меняется степень поляризации света при прохождении через кювету с раствором интралипида 20% в воде. Видно, что циркулярно поляризованный свет (рис. 10(2)) проходит через раствор интралипида практически не изменяясь, в то время как линейно поляризованный свет (рис. 10(1)) изменяется, т. е. деполяризуется. Р, 01 мед 0 1
Оптические свойства кожи определяются в основном дермой, поскольку ее толщина составяет 95% толщины кожи человека, а коэффициент рассеяния сопоставим по величине с коэффициентом рассеяния эпидермиса [68]. При этом в окне прозрачности кожи (600- 1400 нм) коэффициенты поглощения дермы и эпидермиса более чем на порядок меньше соответствующих коэффициентов рассеяния [68]. Поглощение меланина является определяющим для эпидермиса (рис. 11 [69, 70]). Заметим, что в диапазоне длин волн от 300 нм до 1100 нм кривая поглощения эпидермиса с меланином лежит выше кривой меланина, которая, в свою очередь, лежит выше кривой поглощения эпидермиса без меланина.
Оптическая плотность кожи зависит также от количества меланина в базаль-ном слое, что в свою очередь, зависит от многих факторов, основным из которых является тип кожи. Для кожи европейца (II тип кожи) типичное значение оптической плотности эпидермиса для длины волны о = 700нм равно 0,035 [70].
Спектр поглощения дермы кожи человека представлен на рис. 12 [70]. В окне прозрачности кожи (600- 1400 нм) коэффициент поглощения дермы имеет значение от 0,01 до 0,1 мм"
Коэффициент поглощения базального слоя //а(Ш прямо пропорционален коэффициенту поглощения эпидермиса juiin и оптической плотности базального слоя D [70]: A.6a,=/ a,M+ .. Из этой зависимости следует, что с увеличением длины волны падающего излучения фактор анизотропии рассеяния кожи экспоненциально увеличивается. В первом приближении считается, что коэффициенты рассеяния эпидермиса и дермы одинаковы и равны 10 см"1 для Х0 = 700 нм. Зависимость коэффициента рассеяния кожи от длины волны может быть описана следующим выражением [70]:
Под структурой животного жира понимают форму, размеры, распределение и взаимосвязь элементов, из которых она слагается [70]. Твердость, пластичность и другие механические характеристики животного жира определяются его структурой. Невооруженным глазом и при небольшом увеличении можно наблюдать макроструктуру, а с помощью светового и электронного микроскопов — микро- и ульстраструктуру жировых клеток. На рис. 13 [72] представлены две фотографии тонких срезов ЖТ человека, выполненные под электронным микроскопом при изменении температуры ЖТ. На фотографиях хорошо видны основные сіруктурньїе элементы ткани, которыми являются неповрежденные жировые клетки, межклеточное пространство и коллагеновые фибриллы. Жировые клетки
Представления о структуре жировых клеток тесно связаны с теоретическими воззрениями о жирообразовании. Существует упрощенное представление о структуре жира как о системе, представляющей собой дисперсию воды в бесструктурном животном жире [71]. Имеется и более сложное представление — как о системе с непрерывной жировой фазой. Исследования показали наличие в структуре жира непрерывных жировой и водной фаз. Многофазность — это наличие в веществе компонентов в твердом и жидком состоянии. Фазой называют совокупность всех гомогенных частиц системы, одинаковых во всех точках по составу и по всем химическим и физическим свойствам и отграниченных от других частей некоторой видимой поверхностью (поверхность раздела) [73].
На рис. 14 [71] представлена модель жира, предложенная известным австралийским ученым Н. Кингом. Согласно этой модели, в непрерывной жировой среде из жидкой фракции молочного жира (5) с мелкими кристаллами твердого жира (3) распределены неразрушенные жировые шарики с периферийным слоем высокоплавкой группы триглицеридов в кристаллическом состоянии (1), скопления из кристаллов молочного жира овальной формы (2) и капли влаги (4).
Рис. 14. Модель жира по Н.Кингу [71]: 1 - жировой шарик с периферийным слоем высокоплавкой группы триглицеридов в кристаллическом состоянии, 2 - жировой шарик, образованный кристаллическим жиром, 3 -мелкие кристаллы твердого жира, 4 - капля влаги, 5 - жидкая фаза молочного жира.
По характеру связей между дисперсными частицами, мицеллами или микрокристалликами, дисперсные системы подразделяются на кристаллизационные и коагуляционные [71]. Кристаллизационные структуры образованы прочными химическими связями. Поэтому они обладают упруго- или эластично-хрупкими свойствами. Кристаллизационные связи — это контакты непосредственно между кристаллами жира, образованные прочными химическими связями [71]. Типичные коагуляционные дисперсные системы имеют достаточно тиксотропные сіруктурьі с выраженной ползучестью (медленная непрерывная пластическая деформация под воздействием постоянной нагрузки). В таких системах структурообразующие частицы не контактируют между собой непосредственно, а отделены друг от друга тончайшими прослойками дисперсной среды. Тиксотропные связи — это контакты между кристаллическими частицами и другими структурными элементами через прослойки жидкого жира. В образовании этих связей участвуют более слабые силы Ван-дер-Ваальса [71]. Жировая ткань, по всей видимости, согласно имеющейся терминологии, должна быть промежуточного коагуляционно-кристаллизационного типа с преобладанием коагуля-ционных элементов и при обязательном наличии кристаллизационных.
К важнейшим физическим характеристикам животного жира относятся температура плавления и температура отвердевания [71]. По определению, под температурой плавления вещества подразумевают интервал температуры между началом плавления — появлением первой капли жидкости и концом плавления — полным переходом вещества в жидкое состояние [15]. Для животного жира — это температура, при которой высокоплавкая фракция жира полностью переходит в жидкое состояние [71]. Температурой затвердевания называют наиболее высокую, остающуюся в течение короткого времени постоянной температуру во время перехода вещества из жидкого состояния в твердое состояние [15]. Температура полного отвердевания животного жира — это температура, при которой кристаллизуется самая легкоплавкая фракция жира [71].
Кристаллизация, т. е. процесс образования зародышей и рост кристаллов животного жира определяет его микро- и макросвойства, включая структуру, физические свойства, в том числе консистенцию [71]. Превращение одной фазы в другую, по теории Г. Таммана [71], начинается не во всем объеме фазы, а в оп 57 ределенных точках, называемых центрами образования новой фазы (зародышами) или центрами кристаллизации, причем скорость образования новой фазы может быть разнообразной. Скорость кристаллизации слагается из скорости образования зародышей и скорости отложения вещества на уже образовавшемся зародыше. Последнюю скорость называют линейной скоростью кристаллизации. Г. Тамман показал [71], что скорость кристаллизации с понижением температуры вначале растет, затем в некотором интервале температур остается постоянной, после чего падает.
В зависимости от взаимного расположения кривой скорости кристаллизации и кривой изменения числа центров кристаллизации, переохлажденный расплав может или закристаллизоваться, или перейти в стеклообразное состояние [71]. Так, если максимум скорости образования зародышей попадает в область, при которой линейная скорость кристаллизации мала, то жидкость можно легко переохладить и даже получить вещество в аморфном состоянии. При малой скорости образования зародышей вещество легко получить в виде более или менее крупных кристаллов, напротив, при большом значении этой скорости структура затвердевшего вещества получается мелкокристаллической.
Дж. В. Гиббс [71] дал определение метастабильному состоянию системы как одному из возможных ее состояний, не соответствующему минимуму свободной энергии. Он показал, что при образовании кристаллического зародыша определенного радиуса внутри жидкого расплава изменение свободной энергии системы ДЕ подчиняется уравнению [71]: где V - объем зародыша, р - плотность зародыша, ттл - молекулярная масса, у2 - химический потенциал новой фазы, \j/, - химический потенциал исходной фазы, и - поверхностное натяжение на границе фаз, s - поверхность зародыша. Из уравнения следует, что АЕ 0, когда (\/2 -у,) 0 и образование новой фазы исключается, поскольку система находится при температурах, превышающих температуру фазового перехода. Если исходная фаза оказывается пе 58 реохлажденной, то (\/2 -\)/1) 0 и функция ДЕ в зависимости от радиуса зародыша сначала достигает максимума, а затем резко уменьшается. В этих условиях образование новой фазы зависит от преодоления некоторого потенциального барьера АЕ.
Высокая вязкость расплава животного жира, громоздкость триглицеридных молекул затрудняют образование зародышей и рост кристаллических образований. Как следствие этих причин выступает значительная способность жира к переохлаждению. Степень переохлаждения AT определяется соотношением [71]: АТ = Т11Л-Ткр, где Т„л - температура плавления жира, Ткр - температура начала кристаллизации. В условиях покоя AT составляет +15 ч- +20 С, а при перемешивании липидов величина степени переохлаждения уменьшается [71].
Среди явлений, происходящих при кристаллизации жира, необходимо отметить способность входящих в его состав триглицеридов к полиморфным превращениям. Полиморфизм — это явление, характеризующее способность некоторых химических соединений существовать в нескольких кристаллических модификациях, называемых полиморфными формами [71].
Химические свойства жиров в основном определяются химическими свойствами их глицеридов [10]. На рис. 15 (а) представлена химическая формула образования глицеридов. В реакции участвуют сложные эфиры глицерина и высших одноатомных карбоновых кислот. В результате такого взаимодействия образуется молекула глицерида и три молекулы воды [33, 34, 42]. Общее название глицеридов — триглицериды или триацилглицерины, где ацил — остаток кар-боновой кислоты -C(0)R.
Изменения флуоресцентных свойств жировой ткани под влиянием температуры и времени хранения
Видно, что интенсивность проходящего через кожу излучения уменьшается с увеличением глубины кожи после прохождения эпидермиса. В эпидермисе же, наоборот, происходит усиление света. Этот процесс объясняется тем, что в этом слое биоткани происходит сложение практически еще не ослабленного эпидермисом падающего излучения излучением, обратно рассеянным более глубокими слоями кожи. На границе с жиром интенсивность света снижается по отношению к интенсивности падающего на эпидермис света (r = 0, z = z0) примерно в 8 раз.
В первом приближении для расчета распространения света в жировом слое мы использовали модель, в которой ЖТ представляла собой изотропный гомогенный слой, толщиной 1 мм. Оптические параметры слоя ЖТ в рамках этой модели постоянны и равны, указанным параметрам в табл. 7. Результат моделирования представлен на рис. 32. В экспериментах в диапазонах температур +5 - +50 "С мы наблюдали лишь 54% ослабления падающего потока (см. рис. 24). Таким образом, модель однородного жирового слоя с постоянными параметрами не может быть использована для корректного описания распространения света в ЖТ.
Зависимости нормированной интенсивности от радиуса г при прохождении светом образца жира толщиной 1 мм: 1 - падающее излучение; 2 - после прохождения верхней границы (воздух - жир); 3 - после прохождения нижней границы (жир - воздух).
Жировая ткань может быть представлена как жировая долька, являющаяся суперпозицией жировых клеток. Все жировые клетки одинаковы и состоят из одного вещества (одной фазы). В однофазной модели жировая долька разбивалась на элементарные кубики (см. рис. 33). Оптические свойства для вещества внутри элементарного кубика соответствовали свойствам жира, представленным в работах [12, 45, 53] (см. табл. 7). Распространение света в предложенной автором настоящей диссертации однофазной модели образца жировой ткани моделировалось с помощью метода Монте-Карло, в компьютерной программе TracePro (General Raytracing). В программе задавалась экспериментальная схема для исследования углового распределения прошедшего через образец жировой ткани света, совпадающая с экспериментальной схемой, описанной во вто 93 рой главе. Она также содержала источник лазерного излучения, систему «апертура - жировая ткань - апертура» и приемное устройство (см. рис. 23, 34).
Схема, используемая в численном эксперименте для исследования углового распределения оптического сигнала в однофазной модели жировой ікани (программа ТгасеРго).
На рис.35 представлены сравнительные графики экспериментально полученного углового распределения светового сигнала с длиной волны 632,8 нм, прошедшего слой жировой ткани in-vitro, толщиной порядка 1 мм, для температуры +26 С и рассчитанного в рамках модели однофазной среды с коэффициентом рассеяния, равным 6,7 мм"1. Расчетная кривая основная линия, s - общая площадь кривой, а0 - центр пика (град), wos - ширина пика на половине высоты. Рис. 35 показывает, что экспериментальное и теоретическое угловые распределения отличаются друг от друга. Так, в эксперименте интенсивность уменьшается в «е» раз для углов порядка 25 градусов, в то время как теория дает подобный результат только для углов порядка 40 градусов. Данное несоответствие стимулировало автора настоящей диссертационной работы к созданию оптической модели ЖТ как термочувствительной гетерофазной среды. 3.2. Оптическая модель жировой ткани как термочувствительной гетерофазной среды
Как и раньше (см. 3.1), жировая ткань представляет собой суперпозицию жировых долек и элементарных кубиков (жировых клеток). Однако в модели гетерофазной среды каждый кубик содержит жировой шарик, а остальное пространство внутри кубика занимает вода (см. рис. 36). В свою очередь, жировой шарик содержит жидкую и кристаллическую фазы, поэтому модель является термочувствительной.
На рис. 37 (а-в) представлены возможные в модели состояния жировой клетки. На рис. 37 (а) жировой шарик в кубике полностью кристаллизован. Эта модель соответстует случаю, когда жировая ткань охлаждена до +5 С. Коэффициент рассеяния такого шарика мы обозначили д к. На рис. 37 (в) жировой шарик в кубике полностью жидкий. Физически, этот случай можно представить, когда нейтральный жир в жировой клетке человека находится в жидком (расплавленном) состоянии, но не вытекает из липидной вакуоли благодаря цитоплазмати-ческому ободку и, в какой-то степени, гидрофобному отношению липидов к внутриклеточному пространству (воде). Мы приняли, что эта модель соответ-свует случаю, когда жировая ткань нагрета свыше +40 С. Коэффициент рассеяния такого шарика мы обозначили /лъж. Теперь обратимся к промежуточному случаю (рис. 37 (б)), который соответствует температуре в диапазоне +5 С Т +40 С. Этот случай соответствует модели, когда жировой шарик будет содержать жидкий жир с периферическим слоем жира, находящегося в кристаллическом состоянии. Диаметр шарика с жидким шаром d зависит от соотношения объемов твердой (кристаллической) и жидкой фаз в ЖТ, которое мы определим позже. Для этой модели значение коэффициента рассеяния жидкого жира jus ж будет отличаться от значения коэффициента рассеяния кристаллического жира JLISK. В расчетах в программе ТгасеРго мы использовали следующие значения: jusyK = 16 мм"1, juSK = 200 мм"1 (см. табл. 8).
Оптическая модель жировой клетки как термочувствительной гетерофазной среды: а) при +5 С, б) при +26 С, в) при +40 С. На рисунке jus ж - коэффициент рассеяния жидкого жира, jus к - коэффициент рассеяния кристаллического (твердого) жира.
При изменении температуры жировой ткани будет меняться ее внутренняя структура и внешний вид [71]. В данной модели ЖТ представлена как полидисперсная, многофазная и многокомпонентная система переменного состава. Полидисперсность ее обусловлена тем, что твердая фаза жира и водная фаза находятся в виде несвязанных частиц, размеры которых меняются в определенных пределах [71]. Многофазность — это наличие в жировой ткани компонентов в твердом и жидком состоянии [71]. Твердая фаза жира представлена смешанными кристаллами жира, жидкая фаза состоит из жидких фракций жира.
Оптические параметры образца жировой ткани брались из литературы (см. табл.8), кроме параметра /4кЖ, который был получен путем подбора в про-[рамме ТгасеРго. Критерием окончания подбора было совпадение максимальных значений интенсивностей прошедшего слой ЖТ оптического сигнала в реальном и численном эксперименте в крайних точках — при температуре +5 С, когда вся жировая клетка состоит из твердой (кристаллической) фазы, и при температуре +40 С, когда жировая клетка содержит только жидкую фазу жира.
Измерение степени поляризации света, прошедшего образец жировой ткани
В экспериментах использовалась подкожная ЖТ свиньи. Образцы ткани использовались в течение суток со дня изъятия. ЖТ транспортировалась к экспериментальной установке в закрытой кювете при температуре порядка +25 С. Для каждого измерения от жировой ткани скальпелем отделялся фрагмент массой 38±1 мг. Образец размещался на предметном стекле толщиной 1,33±0,01 мм и вместе с ним устанавливался внутри соленоида (см. рис. 70-71). Внутри соленоида создавалось однородное модулированное по частоте магнитное поле с частотой импульсов 2,5 Гц и напряженностью 0,7 мТл. Для создания магнитных импульсов использовался генератор магнитных импульсов («АДМТ-МАГНИИМПУЛЬС», Россия). Температура образца регистрировалась с помощью игольчатой термопары («Physitemp. NJ 07013», USA, медь-константант), которая размещалась непосредственно внутри образца. Время воздействия магнитного поля на образец жировой ткани составляло 30 мин. Температура образца регистрировалась каждые 5 мин. Всего было исследовано 10 образцов. Статистическая обработка данных производилась в предположении нормальности распределения Стьюдента.
Схема крепления образца в соленоиде (разрез): 1 - образец жировой ткани, 2 - предметное стекло, 3 - пластмассовая подставка, 4 - термопара.
В первую очередь мы измерили изменение температуры жировой ткани in-vitro, помещенной внутри соленоида, под влиянием импульсного магнитного поля за 30 мин (рис. 72 (1), ДТМ жт). Затем мы провели исследование изменения температуры воздуха внутри соленоида на том месте, где находился образец ЖТ в предыдущем измерении. Для этого мы убрали из экспериментальной схемы образец ЖТ, а на его месте закрепили термопару. В результате проведенного измерения, мы построили на рис. 72 кривую 2 (ДТМ в). Нагревание воздуха внутри соленоида, на наш взгляд, могло быть вызвано за счет переноса тепла от нагретых обмоток соленоида при включении тока внутри соленоида. Кривая 3 на рис. 72 является результатом вычитания значений кривой 1 и значений кривой 2: AT = АТМ ял - АТМ в. Кривая 3 на рисунке показывает, как измененяется температура образца жировой ткани внутри соленоида за 30 мин. Видно, что за 30 мин температура образца ЖТ увеличивается примерно на 0,4 С. . Изменение температуры жировой ткани in-vitro под влиянием магнитного поля (измерение термопарой): 1 - изменение температуры ЖТ свиньи при включенном магнитном поле (ДТМ жт), 2 - изменение температуры воздуха внутри соленоида при включенном магнитном поле (ДТМ в), 3 ДТ = ДГ
Мы полагаем, что наблюдаемый экспериментально нагрев образца жировой ткани во внешнем импульсно-периодическом магнитном поле может быть вызван двумя причинами: первая - переориентацией кристалликов триглицеридов под действием магнитного поля (см. 1.6) [59], вторая - токами Фуко [120].
Часть магнитной энергии идет на ориентацию кристаллов триглицерида. Данное предположение базируется на том, что домены диамагнитных анизотропных молекул могут быть ориентированы во внешнем магнишом поле [59].
Хотя живые системы содержат в основном диамагнитные молекулы, которые слабо взаимодействуют с постоянным магнитным полем, большие магнитные поля могут ориентировать молекулы с диамагнитной анизотропией до достижения равновесной ориентации, соответствующей минимуму свободной энергии [59, 122]: где А%а - анизотропия магнитной восприимчивости, п - директор, описывающий локальную ориентацию длинных осей молекул. Таким образом, вследствие суммирования диамагнитной анизотропии молекул внутри ансамбля, наименьшей энергией будет обладать конфигурация молекул, в которой оптическая ось микрокристалла параллельна полю (см. рис. 73).
Ориентация кристалла триглецирида до и после действия магнитного поля. Можно предположить, что в переменном магнитном поле кристаллы будут вращаться в зависимости от изменения полярности поля. При правильном выборе частоты магнитного поля может даже произойти разрыв молекулярных связей кристалов. Магнитные импульсы, проникая вглубь образца жировой ткани, заставляют все большее число ее молекул колебаться, что приводит к увеличению температуры всей жировой ткани. Это является следствием суммирования диамагнитной анизотропии молекул внутри ансамбля. В результате, общая анизотропия магнитной восприимчивости и энергия магнитного взаимодействия возрастают. Температура системы увеличивается. Предполагается, чго глубина проникновения магнитных импульсов невелика, верхний слой биоткани нагревается сильнее, а нагрев более глубоких слоев происходит за счёт теплопередачи.
Последнее утверждение было проверено численно. С помощью компьютерной программы FemLab произведено моделирование процесса нагрева жировой клетки шаровидной формы (аналог жировой капли) размером 100 мкм, находящейся в водной среде, с помощью внешнего поля с энергией 0,001 Вт в течение 30 минут.
В расчетах решалось дифференциальное уравнение теплопроводности. Мы предполагали, чю энергия магнитного поля полностью преобразуется в тепло [123]: плотность энергии излучения Данное уравнение пока \М ) зывает изменение энергии вещества в элементарном объеме. Это изменение определяется количеством теплоты, накопленной за счет теплопроводности, и ко-личесгвом теплоты, выделившейся в элементарном объеме за счет внутренних источников тепла [123]. Результат расчета проиллюстрирован на рис. 74.
Расчеты показали, что при начальной температуре жировой клетки, равной +37 С, благодаря градиенту температуры внутри клетки и снаружи, ее «сердцевина» нагревается сильнее, чем оболочка. Так, при воздействии магнитного поля с энергией 0,001 Вт в течение 30 минут «сердцевина» жировой клетки нагревается на 5 С, а оболочка клетки — на 2 С.
Исследование воздействия внешнего переменного магнитного поля на раствор фосфолипида В эксперименте использовался водный раствор фосфолипида («Наш лецитин», Россия). Образец, представляющий собой каплю фосфолипида в воде, помещался в соленоид экспериментальной установки, описанной в 6.1. За поведением капли фосфолипида наблюдали с помощью микроскопа (Биолам, «ЛОМО», Россия) в проходящем свете при скрещенных линейных поляризаторах. Наблюдаемые картины фиксировались видеокамерой (Mintron-color-CCD-camera, USA), а затем передавались в PC/AT. Внешний вид образца до воздействия магнитного поля представлен на рис. 75 (а-в).
Эксперименты показали, что при воздействии магнитного поля напряженностью 0,7 мТл на раствор фосфолипида, помещенный между двумя покровными стеклами, во-первых, наблюдается движение липиднои вакуоли вдоль линий магнитного поля (рис. 75 (б)), во-вторых, происходит изменение формы липиднои вакуоли — она вытягивается вдоль линий магнитного поля (рис. 75 (в)). Таким образом, обнаружена избирательная ориентация липидных доменов с диамагнитной анизотропией в плоскости, параллельной магнитному полю.
