Общая информация

Координаты

Дирекция

Структура

лаборатория биофотоники >>

Международное сотрудничество

История

Личные страницы

Архив

ЛАБОРАТОРИЯ БИОФОТОНИКИ Заведующий: д.ф.-м.н. Эмиль Наумович Соболь   штат / сотрудничество   научные исследования   практические применения   публикации НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Работа ведется при финансовой поддержке РФФИ, ИНТАС и Американского фонда гражданских исследований   В 1992 г. профессор Э.Н.Соболь и его коллеги обнаружили явление пластической деформации хрящевой ткани при тепловом воздействии лазерного излучения умеренной интенсивности. В результате широких междисциплинарных исследований был разработан новый подход, при котором кратковременный перегрев хрящевой ткани до температуры около 70 градусов Цельсия приводит к перестройке внутренних механических напряжений таким образом, что фиксируется новая форма хряща. При правильно выбранных условиях облучения эта конфигурация стабильна во времени   Температура хряща и релаксация напряжений при лазерном нагреве Пластическая деформация хряща in vitro Это открытие привело к разработке нового неразрушающего метода лазеро-индуцированного изменения формы хрящей. Метод позволяет получать их произвольную конфигурацию без деструкции биологической ткани. При быстром нагреве коллагеновая структура матрикса не разрушается, и клетки хряща сохраняют жизнеспособность Изменение формы ушной раковины in vivo Для обеспечения оптимальных условий при воздействии лазерного излучения на хрящ с целью изменения его формы необходимо, чтобы глубина проникновения излучения в ткань была порядка толщины обрабатываемого материала. Основной вклад в величину поглощения хрящевой ткани в ИК-области спектра вносит содержащаяся в ней вода. Поглощение и рассеяние ИК-излучения может существенно изменяться в процессе лазерного нагрева. Это вызвано как микро, так и макроскопическими процессами в биоткани при ее нагреве. К микроскопическим процессам относится, в частности, деаггрегация воды, а также переход "связанной" воды  в "свободное" состояние. Он происходит в хрящевой ткани при температуре около 70оС и сопровождается увеличением подвижности и, возможно, освобождением протеогликанов в матриксе хряща. Макроскопические процессы включают в себя тепло - и массоперенос (воды) из нагретой лазером зоны хряща. Исследована кинетика релаксации напряжений в облучаемых биотканях. Получены зависимости деформаций от напряжений, определены изменения модуля Юнга, измерены характеристики свободных колебаний хрящевых пластинок при лазерном облучении. Показано, что механические свойства хрящей значительно изменяются во время лазерного воздействия и восстанавливаются почти полностью после выдержки облученного хряща в физиологическом растворе при нормальных условиях. Изучены акустические свойства компонент хрящевой ткани. Методами молекулярной гидродинамики и акустики исследованы динамические механические свойства гидратированных мукополисахаридов: растворов хондроитин-сульфата и гиалуроновой кислоты при нагреве в условиях, характерных для лазерно-индуцированного изменения формы хрящей. Обнаружен эффект резкого изменения коэффициента поглощения акустических волн в хрящевой ткани. - до лазерного воздействия - во время лазерного воздействия - после лазерного воздействия Исследована динамика изменения оптических свойств гиалинового хряща при его нагреве лазерным ИК-излучением. Обнаружены и изучены эффекты лазерно-индуцированного просветления (для l=1,56мкм) и затемнения (для l=0,97мкм) хряща, вызванные нагревом и переносом воды, а также изменением матрикса Исследован эффект лазерно-индуцированного изменения поглощательной способности внутритканевой воды. Показано, что эффективный коэффициент поглощения может изменяться под воздействием лазерного излучения, как за счет трансформации линии поглощения воды (в ИК-диапазоне), так и в результате денатурации, при воздействии лазерного излучения. Во всем среднем ИК-диапазоне, за исключением самых сильных полос поглощения, наблюдается обратная корреляция между коэффициентом поглощения и пороговой энергетической дозой лазерного излучения, с которой начинается развитие денатурации в биологической ткани. При исследовании влияния длины волны и интенсивности лазерного излучения на кинетику денатурации биологических тканей дана феноменологическая оценка энергетического порога денатурации хрящевой ткани и кинетических коэффициентов этой реакции в начальной стадии процесса денатурации. Исследованы изменения макроструктуры хрящевого матрикса, измерены размеры зон структурных превращений под действием лазерного излучения различной длины волны и интенсивности, и определены допустимые дозы излучения как in vitro, так и in vivo. Проведены исследования молекулярной структуры хрящевой ткани при воздействии лазерного излучения на молекулярные компоненты хряща - хондроитинсульфат и гиалуроновую кислоту - и живой хрящ. Показано, что нагрев хряща и его компонент приводит к частичной деполимеризации протеогликанов и уменьшению молекулярной массы хондроитин сульфата. Изучены эффекты лазерного воздействия на распределения по массам и конформациям макромолекул - составляющих хрящевого матрикса. Начальная структура Лазер включен Лазер выключен Деполимеризация протеогликанов Исследованы основные закономерности генерирования радикалов в коллагенсодержащих биологических тканях при воздействии лазерного излучения, интенсивность которого ниже порога абляции. С помощью радикальных ловушек экспериментально показано, что при обработке хрящевых тканей ИК лазерным излучением длиной волны 1,56 мкм радикалы не образуются. Получены спектры ЭПР радикалов, образующихся в костных и хрящевых тканях, рыбьей чешуе, коллагене, и хондроитин сульфате под действием УФ лазерного излучения при температуре 77К. Выявлена тонкая структура спектров ЭПР коллагена и хондроитин сульфата. Из экспериментальных данных получены значения предельных энергий активации и предэкспоненциального множителя, позволяющие описывать кинетику гибели радикалов в костных тканях в рамках феноменологической модели, в которой бимолекулярная рекомбинация радикалов характеризуется различными энергиями активации Методами гистологии и оптической когерентной томографии впервые показано, что лазерное излучение с определенными параметрами (длиной волны, плотностью энергии и дозой облучения) способствует росту вновь образованной хрящевой ткани соединительного или гиалинового типа. Полученная новая информация представляет собой основу для более глубокого понимания механизмов долговременной и кратковременной стабильности новой формы хряща, полученной в результате лазерного воздействия Рост гиалинового хряща в зоне лазерного воздействия; микрофотография, x150 При лазерном облучении межпозвонковых дисков кролика in vivo на фоне метаплазии волокнистого хряща в гиалиновый, обнаружены участки развития костной ткани, что свидетельствует об эндохондральном остеогенезе 12 (1) - в области краевого остеофита наблюдается гиалиновый хрящ, переходящий в костную ткань микрофотография, x100. (2) - участок развития костной ткани. Оптическая когерентная томография Теоретическое моделирование Разработаны теоретические модели, позволяющие установить корреляцию между оптическими, механическими и термическими эффектами, с одной стороны, и параметрами лазерного воздействия, с другой, объяснить основные экспериментальные закономерности и предсказать результаты лазерной обработки биоткани; Проведены теоретические исследования кинетики фазовых и структурных изменений, а также процессов тепло - и массопереноса в биологических тканях в неравновесных условиях импульсно-периодического лазерного воздействия. Выполнены расчеты кинетики нагрева хрящевой ткани с учетом объемного поглощения света веществом; Проведено моделирование процессов массопереноса воды при нагреве хрящевой ткани. Моделирование процессов движения воды в хряще проведено с учетом двух механизмов механизмов массопереноса: диффузии и фильтрации по порам. Определены значения коэффициентов и энергии активации диффузии для различных стадий процесса высушивания; Разработана теоретическая модель структурных изменений денатурации хрящевой ткани под действием неразрушающего лазерного излучения. Модель основана на совместном анализе процессов тепло-массопереноса элементов хрящевого матрикса (протеогликанов) в условиях лазерного нагрева и позволяет рассчитать размеры зон структурных изменений для различных условий лазерного воздействия; Созданы теоретические основы анализа и расчета оптических полей в условиях взаимодействия лазерного излучения с анизотропными, неоднородными структурно-упорядоченными средами и оптически активными биомолекулами