+Касьяненко_предзащита1

1. ФГБОУ ВО «МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА» физический факультет, кафедра медицинской физики. ФНИЦ

ФГБОУ ВО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени
М.В.ЛОМОНОСОВА» физический факультет, кафедра медицинской физики.
ФНИЦ «Кристаллография и Фотоника» РАН, Институт Фотонных Технологий,
лаборатория Биофотоники
Фототермический эффект лазерного воздействия на
электромеханические свойства хряща
ДОКЛАД
по диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Аспирант:
Касьяненко Е.М.
Руководитель:
д.ф.-м. н. Академик Панченко В. Я.
Научные консультанты:
к.ф.-м. н. Омельченко А.И.,
д.ф.-м.н. Баум О.И.
Москва 2021

2. Хрящевая ткань –

разновидность
соединительной ткани с
опорной функцией
В местах нагрузки:
• Суставы
• Межпозвонковые
диски
• Соединение ребер с
грудиной
Каркасные:
• Носовая перегородка
• Гортань
• Трахея
• Ушная раковина
Зрелый гиалиновый хрящ.
2
(Лазерная инженерия хряща /
под ред. Соболя Э.Н., Баскова А.В. и Баграташвили В.Н.)
Каркасные:
• Носовая
перегородка
• Гортань
• Трахея
• Ушная раковина

3. Коррекция патологий хрящевой ткани

• «Мозайкопластика» коленного сустава
• Пластика носовой перегородки
• Трахеопластика с использованием имплантатов
лазеро-модифицированной формы
• Контролируемая регенерация хрящевой ткани
Основано на явлении фототермических изменений
внутренней структуры хряща с помощью
неразрушающего лазерного нагрева
Критерий успешности медицинской операции:
• Выживаемость клеток ткани – уменьшение
длительности и мощности воздействия на ткань
• Отсутствие коробления ткани - завершение
внутренней перестроении ткани и отсутствие
внутренних напряжений после остывания ткани
Аутотрансплантаты - это имплантаты, взятые у самого пациента.
Аллотрансплантаты - это хрящевая ткань, взятая у другого человека.
3
Baum O. I. et al. The new method for treatment of larynx stenosis based on transplantation
of rib cartilage reshaped with 1.56-μm laser radiation //Optical Imaging, Therapeutics, and
Advanced Technology in Head and Neck Surgery and Otolaryngology 2019. – International
Society for Optics and Photonics, 2019. – Т. 10853. – С. 108530G

4. Актуальность:

Несмотря на то, что данные операции по изменению формы или
регенерации хрящевой ткани активно исследуются и совершенствуются,
физико-химические процессы, происходящие в ткани на молекулярном
уровне, и электрофизические характеристики при лазерной
модификации тканевого матрикса изучены недостаточно.
При имплантации хрящевая ткань подвергается тепловому расширению,
что приводит к изменению размера и формы имплантата. Контроль
изменения размера имплантата необходим при планировании
операции. Изучение процессов теплового расширения с учетом
анизотропной структуры ткани позволит оптимизировать режимы
лазерного облучения, приводящие к однородной релаксации
внутренних напряжений при лазерной модификации формы хрящевой
ткани.

5. Цель работы:

Изучение электромеханических свойств хрящевой ткани.
Исследования проводились по следующим направлениям:
• Изучение влияния лазерного воздействия на электромеханические характеристики хрящевой ткани
интактного образца и образца с фотопоглощающими наночастицами, выявление зависимости
электропроводности от температуры и определение электрофизических параметров хрящевой
ткани.
• Исследование изменения размеров образцов хрящевой ткани при охлаждении ниже 0 ºC и
различном нагреве до температуры человеческого тела, а также определение коэффициента
теплового расширения для хрящевой ткани в разных температурных диапазонах.
Задачи:
• Определение абсолютных значений проводимости хрящевой ткани, установление зависимости
изменения электропроводности хрящевой ткани от структурных изменений вызванных
деформацией и лазерной релаксацией напряжений.
• Исследование тепловых свойств хрящевой реберной ткани методом неизотермического анализа
поведения температуры и изменение размеров при Пельтье охлаждении и лазерном нагреве in-vitro
образцов, а также определение термодинамических характеристик: энтальпии фазового перехода
внутритканевой воды и коэффициента теплового расширения при охлаждении и нагреве.
• Введение наночастиц в интактную суставную ткань, анализ кинетики импрегнации и распределения
наночастиц в хрящевой ткани, анализ влияния пропитки наночастиц на фототермический эффект
лазерного воздействия.

6. Структура работы:

Введение
Глава 1 - Литературный обзор
Глава 2 - Пропитка хрящевой ткани фотопоглощающими наночастицами
Глава 3 - Электрические характеристики хрящевой ткани
Глава 4 - Механические свойства хрящевой ткани при заморозке
Заключение
Диссертация содержит 113 страницы текста, включая 57 рисунков, 5
таблиц и библиографию из 104 наименований. В каждой главе
предложена независимая нумерация рисунков, формул и таблиц.
6

7. Глава 2 - Пропитка хрящевой ткани наночастицами

Материалы и методы:
Схема эксперимента:
• наночастицы оксидов бронз произведенные
методом самораспостраняющегося
высокотемпературного синтеза (Югорский
Государственный Университет) : Na0.2TiO2,
K0.33MoO3, K0.2WO3, HMoO0.3
• Пропитка суставной ткани растворами
наночастиц
• биофункциональные наночастицы магнетита
Fe3O4, синтезированы в лаборатории
Биофотоники ИФТ РАН методом осаждения
водного раствора солей FeCl2 и FeCl3, с
добавлением основания в атмосфере
инертного газа при комнатной температуре.
• Нагрев лазерным излучением 1,56мкм
Подготовка растворов НЧ:
Седиментационное разделение по массе частиц,
Центрифугирование, Магнитное разделение
Импрегнация :
Na0.2TiO2 и Fe3O4– Импрегнация под действием
магнитного поля 5 Тл/м в течении 20 минут.
• K0.33MoO3, K0.2WO3,HMoO0.3 - Импрегнация
методом осаждения в течении 60 минут.
• Охлаждение образцов до температуры
ниже 0°С
Эксперимент на высушенных
каплях:

8. Глава 2 - Пропитка хрящевой ткани наночастицами

Результаты:
• Введение НЧ Fe3O4 усиливает общее
фототермическое и термомеханическое
воздействия лазерного излучения на хрящ в
зависимости от концентрации импрегнированного
раствора.
• Пропитка НЧ магнетита уменьшает скорость
остывания в паузах между лазерным
воздействием
• Образцы с HxMoO3 имеют наибольшей скоростью
нагрева до 0°С, далее скорость нагрева
замедляется – агрегация на поверхности образца.
• Образцы импрегнированные НЧ KxMoO3 и NaxTiO2
(имеющие наибольший фототермический эффект
на высушенных каплях) имеют наибольшую
скорость нагрева от 0°С - не абсорбируются на
поверхности, проникают в ткань.
• Образцы с НЧ KxWO3 (наибольший
фототермический эффект на высушенной капли) не
изменяют скорости нагрева в сравнении с
интактным образцом, что свидетельствует о том
что они не проникают в ткань.
Образец без НЧ
Тип образца
1ый нагрев Пауза
Образец с НЧ
2ой нагрев Пауза
3ий нагрев Пауза
Образец без НЧ 2,4
-0,31
1,48
-0,3
1,41
-0,45
Образец с НЧ
-0,07
0,9
-0,19
1,1
-0,17
1,77
Образец
Скорость нагрева при
импульснопериодическом
лазерном нагреве от 10°С до 0°С
Общая скорость нагрева
при лазерном
воздействии
Мгновенная скорость
нагрева в 0°С при
непрерывном лазерном
воздействии
Интактный
2.79±0.05
1.66±0.27
7.68±1.6
KхWO3
2.65±0.05
1.64±0.25
7.35±1.3
NaхTiO2
2.68±0.05
1.9±0.27
8.78±0.87
KхMoO3
3.16±0.05
2.14±0.04
9.18±1.2
HхMoO3
2.65±0.05
1.64±0.25
11.04±0.85

9.

Глава 2 - Пропитка хрящевой ткани наночастицами
Новизна:
• Обнаружено влияние пропитки образцов наночастицами магнетита на электрические свойства
хрящевой ткани
• Обнаружен различный фототермический эффект от введения различных наночастиц
• Установлено, что наночастицы магнетита влияют на скорость остывания образца в паузах между
импульсами
• Защищаемое положение:
Пропитка образцов хрящевой ткани растворами наночастиц в концентрации 10мг/мл по-разному влияет
на конечный фототермический эффект от лазерного воздействия эрбиевым волоконным лазером с
длиной волны 1,56мкм: пропитка ткани растворами наночастиц NaхTiO2 и Fe3O4 увеличивает
температуру нагрева ткани на 15%, а наночастицы KхMoO3 на 30%.
1. Kasianenko E. M., Omelchenko A. I., Sobol E. N. Photothermal effect of laser radiation on the electrical properties of cartilage impregnated with magnetite
nanoparticles //Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. – 2016. – Т. 80. – №. 4. – С. 463-466
2. Касьяненко Е. М., Омельченко А. И. Фототермический эффект лазерного нагрева наночастиц в биологических тканях //Ученые записки физического
факультета Московского университета. – 2019. – №. 2. – С. 1920302-1920302

10. Глава 3 - Электрические характеристики хряща

Материалы и методы:
• Гиалиновый хрящ - свежие ткани
тазобедренного и бедроберцового сустава
бедренной кости 3-х годовалого быка
• Система коаксиальных электродов
• Облучение проводилось эрбиевым
волоконным лазером (λ=1.56 мкм), в
импульсно-периодическом режиме с
заданным числом импульсов в
последовательности и с фиксированной
скважностью
• Преобразователь лазерного излучения,
формирующим кольцевое
распределением интенсивности
излучения на выходе (ИСОИ РАН)
• Для термонапряжений – установка
пьезоэлектрического датчика
• Для охлаждения ткани - элемент Пельтье
TEC1-12705 (Shenzhen HWS TechnologyCo.,
Ltd., Китай) + измерение температуры с
помощью термопары

11.

Глава 3 - Электрические характеристики хряща
Результаты:
• Определена электропроводность
хрящевой ткани
σ = 2.3 ⋅ 10–2 (Ом · см)–1.
• Определена подвижность зарядов в
хрящевой ткани
μ = 0.92 ⋅ 10–2 см2 · В–2 · с–1
• Выявлена немонотонная
Аррениусовская зависимость
электропроводности от температуры