Фототермический эффект лазерного воздействия на электромеханические свойства хряща

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