Структурные изменения хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии с длиной волны 1,56 мкм

• Автор: Сошникова, Юлия Михайловна
• Шифр специальности: 02.00.04, 02.00.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 102 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Структура и функции хряща

1.1.1 Коллаген

1.1.2 Протеогликаны

1.1.3 Надмолекулярная организация хряща

1.1.4 Хондроциты

1.1.5 Суставной и реберный хрящ

1.1.5 Дегенеративные заболевания хряща

1.2 Лазерная модификация хрящевой ткани

1.2.1 Изменение формы реберного хряща
1.2.2 Выбор параметров воздействия
1.2.3 Регенерация хрящевой ткани
1.2.4 Проблемы ранней диагностики деградации хряща и локализации лазерного воздействия
1.3 Методы исследования структуры хряща
1.3.1 Микроскопия
1.3.1.1 Световая микроскопия
1.3.1.2 Электронная микроскопия
1.3.1.3 Атомно-силовая микроскопия
1.3.2 Дифференциальная сканирующая калориметрия
1.4 Наночастицы магнетита
1.4.1 Наночастицы в медицине
1.4.2 Синтез и стабилизация
1.4.3 Краткий обзор методов характеризации
1.5 Выводы по результатам обзора литературы
Глава 2. Лазерное изменение формы реберного хряща
2.1 Экспериментальные методы
2.1.1 Лазерное облучение
2.1.2 ДСК
2.2 Оптимальные режимы воздействия
2.3 Стабильность новой формы
2.4 Влияние последовательности облучения на кривизну новой формы
2.5 Степень денатурации коллагена в облученном хряще
2.6 Выводы по результатам Главы
Глава 3. Импрегнация наночастиц магнетита в хрящевую ткань
3.1 Экспериментальные методы
3.1.1 Синтез наночастиц магнетита
3.1.2 ПЭМ и электронная дифракция
3.1.3 ДЛС
3.1.4 АУЦ
3.1.5 Импрегнация наночастиц в хрящ
3.1.6 Оптическая фотометрия
3.2 Характеризация наночастиц магнетита
3.3 Кинетика импрегнации наночастиц магнетита в хрящевую ткань
3.4 Выводы по результатам Главы
Глава 4. Структура хряща при лазерной модификации и импрегнации наночастицами магнетита
4.1 Экспериментальные методы
4.1.1 Отбор и приготовление образцов хряща сустава и ребер
4.1.2 Лазерная модификация суставного и реберного хряща
4.1.3 Импрегнация наночастиц магнетита
4.1.4 Гистология и гистохимия
4.1.5 ПЭМ
4.1.6 АСМ
4.1.7 Измерение пропускания ИК излучения
4.2 Общее описание структуры
4.3 Влияние лазерного облучения
4.3.1 Коллаген и протеогликаны
4.3.2 Хондроциты
4.4 Влияние импрегнации наночастиц магнетита
4.5 Взаимодействие с ИК излучением
4.6 Выводы по результатам Главы VI
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Изучение физико-химических свойств хрящевой ткани при неразрушающем лазерном воздействии, таких как состояние коллагена, протеогликанов и хондроцитов хрящевой структуры, а также определение стабильности полезных лазерно-индуцированных изменений является важнейшей задачей развития методов лазерной терапии хряща. Термин неразрушающее воздействие означает, что при этом не происходит необратимых изменений клеток и матрикса хряща. Неравномерность лазерного- нагрева-.инициирует локальное протекание неравновесных процессов, подлежащих выявлению и изучению. Неразрушающая лазерная модификация хрящевой ткани применяется в медицинских технологиях изменения формы хрящевой ткани [1] и активации клеточной регенерации хряща при лечении болезней спины и суставов [2]. В основе обоих процессов лежит общий принцип направленной доставки тепла в малый объем хрящевой ткани в количестве, достаточном для достижения полезного эффекта при минимальном повреждении элементов структуры ткани. Безопасность воздействия для клеток и компонентов хрящевого матрикса является ключевым критерием оценки эффективности метода лазерной модификации. Локальность лазерного воздействия обеспечивает ряд преимуществ, заключающихся в снижении общей доли возможных повреждений клеток, коллагена и протеогликанов хрящевой структуры. Тем не менее, сохраняют актуальность вопросы контроля поглощения излучения, усиления полезного эффекта воздействия при снижении общей лазерной мощности. В методе лазерной коррекции формы полезным эффектом является релаксация механических напряжений в матриксе хряща, состоящего из коллагена и протеогликанов. Данный метод впервые предложен в 1993 году для коррекции формы носовой перегородки [3]. Впоследствии он также стал применяться в операциях по изменению формы ушной раковины [4]. Реберный хрящ является новым в данной области материалом, перспективным для изготовления биоимплантатов для закрытия дефектов трахеи в операциях по лечению стеноза [5]. К началу настоящей работы какие-либо данные о возможности лазерно-индуцированной релаксации напряжений в реберном хряще полностью отсутствовали. Остается открытым вопрос о возможности эффективного и безопасного лазерного изменения его формы. Возможность управления поглощением лазерного излучения и локализации лазерного воздействия позволит лучше контролировать процесс изменения формы, а также обеспечит безопасность процедуры для клеток и компонентов матрикса.

фибрилл в суставном хряще мышей была выявлена четкая зависимость между количеством деградирующих фибрилл и возрастом животного. Было установлено, что ранние изменения начинаются с деградации отдельных коллагеновых фибрилл и снижения содержания гликозаминогликанов. В более ранних работах, посвященных анализу протеогликановой подсистемы, было установлено, что такие заболевания как остеоартрит, ревматоидный артрит и др. могут быть вызваны утрачиванию гликозаминогликановыми молекулами способности к образованию устойчивых агрегатов [72,73]. Нарушение свойств протеогликанов приводит к большей уязвимости коллагеновой сети для механического поражения и ее деградации.
АСМ изображения хряща носовой перегородки, облученного С02-лазером в режиме изменения формы, позволили установить наличие субмикропор и каналов размером 100 - 400 нм, отличающихся от пор интактного хряща, размер которых варьировался в пределах 20 - 30 нм. [1] (Рис.9).
Рисунок 9. АСМ изображение пор в хряще носовой перегородки [1].
1.3.2. Дифференциальная сканирующая калориметрия.
Физико-химические изменения в хрящевой ткани после лазерного воздействия, в частности, степень денатурации коллагена, могут быть исследованы методом ДСК. Устройство ячейки ДСК позволяет определять тепловой поток, который вычисляется по разности температур в исследуемом образце и образце сравнения в один и тот же момент времени. На Рис. 10 приведена принципиальная схема прибора ДСК [74]. В приборе с помощью термопар измеряется температура симметрично установленных тиглей с исследуемым образцом и образцом сравнения.