Электрические свойства тканей

Лабораторная работа № 12

Физические основы электропроводности

Биологических тканей при постоянном токе.

Лечебный электрофорез и гальванизация

Цель: 1.Изучить физические основы применения постоянного электрического тока с лечебной целью.

2.Экспериментально измерить величину подвижности ионов.

3.Изучить устройство и принцип действия аппарата для гальванизации и лечебного электрофореза “Поток-1”.

Литература

1. Ливенцев Н. М. «Курс физики», 1978 г., ч. I, §54; ч. 2, §144, 148.

2. Ремизов А. Н. «Meдицинская и биологическая физика», 1987г., гл. 15, §3, гл. ХУШ, §4.

3. Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. «Медицинская биофизика», 1978 г. гл.9.

Вопросы входного контроля

1. Что такое электрический ток, условия необходимые для его существования?

2. Закон Ома для полной цепи.

3. Закон Джоуля-Ленца.

4. Свойства биологической ткани как электропроводящей среды.

5. Чем объясняется нарушение закона Ома при прохождении постоянного тока через биологическую ткань?

6. С чем связывают первичное действие постоянного тока?

7. Почему у анода и катода возбудимость клетки разная?

8. Каковы меры безопасности при проведении процедуры гальванизации или электрофореза?

Краткая теория

Электрические свойства тканей

Исследования по изучению электропроводности биологической ткани показали, что в отличие от металлов при пропускании постоянного тока через живую биологическую ткань сила тока не остается постоянной во времени, несмотря на то, что напряжение в цепи не изменяется. Ток непрерывно уменьшается, достигая уровня в сотни, а иногда и в тысячи раз меньше начального, т.е. наблюдается отклонение от закона Ома (см. рис.1.)

Для металлического проводника сопротивление электрической цепи является коэффициентом пропорциональности между током I и напряжением U (закон Ома):

U = RI или I = U/R, (1)

где сопротивление R, может быть, представлено формулой .

I,mA

I = U/R = const (металлы)

Iн 1

I = f`(t) (биологическая ткань)

It

0 t,ms

Рис. 1.

Сопоставляя зависимости 1 и 2, представленные на рис.1, следует помнить, что у металлов и биологической ткани разный механизм электропроводности. Если у металлов проводимость электронная, то биологическая ткань - электролит с множеством границ раздела практически непроницаемых для носителей тока – ионов*. Таким образом, изменение силы тока в цепи, содержащей биологическую ткань, может быть связано с электрокинетическими явлениями, происходящими в ней.

* С точки зрения строения биологическая ткань - сложная неоднородная (гетерогенная) структура. Ее гетерогенность обусловлена как наличием биологических мембран, так и сложных белковых образований. Мембраны окружают клетки, клеточные органоиды, образуют эндоплазматическую сеть, т. е. делят весь объем клетки на ограниченные области (компартменты). И если цитоплазма и межклеточная среда, являясь электролитами, обладают относительно низким сопротивлением в силу наличия большого числа обладающих высокой подвижностью свободных носителей заряда (ионов), то мембраны можно считать диэлектриками, так как их сопротивление порядка Rм ~ .

Внешнее электрическое поле, вызывая смещение свободных ионов тканевых электролитов к противоположным по знаку полюсам, приводит к накоплению заряженных частиц у непроницаемых преград - плазматических мембран и у приэлектродной области (электролитическая поляризация) (рис.2). Ориентирующее действие на связанные заряды со стороны электрического поля также вносит определенный вклад в поляризацию среды (электронная, ионная, дипольная и др. поляризации).

В совокупности рассмотренные явления приводят к общей поляризации Р(t) среды под действием внешнего электрического поля, причем в начальный момент времени это происходит за счет тех видов поляризации, которые имеют меньшее время релаксации.

Е0 = 0 Е0 > 0

P(t) = 0 P(t) < 0

д

а) внешнее поле E₀ = 0, Р(t) = 0; b) внешнее поле Е₀ > 0, Р(t) < 0.

Результирующее поле E(t) = E₀ - Р(t).

Рис. 2.

Несложно заметить, что образующееся в тканях внутреннее поляризационное поле Р(t), имея встречное направление по отношению к внешнему Е0, ослабляет его Е(t) < Е₀ (принцип суперпозиции), уменьшая тем самым и силу тока.

Так как ЭДС поляризации P(t) является функцией времени, то закон Ома для живой биологической ткани может быть представлен в следующем виде:

(2)

где:

P(t) - ЭДС поляризации живой биологической ткани, обусловленная ее способностью накапливать электрические заряды при прохождении электрического тока;

U - разность потенциалов создаваемая внешним источником тока;

R - активное сопротивление биологической ткани.

Рассмотренные электрокинетические явления, вследствие изменяющегося ионного соотношения между цитоплазмой и межклеточной средой, неизбежно вызовут изменение порогового потенциала клетки: в области катода (К) он снижается, а в области анода (А) - повышается (см. также рис 3а, б). Это не может не вызвать изменения функционального состояния клеток и отразится на их возбудимости.

t,мс t,мс

- пороговый пот. - пороговый пот.

а) б)

Рис. 3.

а) - мембранный потенциал у катода (уменьшение порога возбудимости - 0);

б) - мембранный потенциал у анода (увеличение порога возбудимости - > 0).

Кроме влияния на возбудимость клеток, изменение плотности ионов у биологических мембран порождает ответную реакцию клеток в виде их активного противодействия нарушению утраченного равновесия, что неизбежно вызовет резкое повышение скорости обменных процессов. Изменится кислотно-щелочное равновесие, водосодержание и др. физико-химические свойства тканей и, в конечном счете, явится ответной реакцией всего организма на действие постоянного тока.

Первичное действие постоянного тока связывают с поляризационными явлениями в биологической ткани.

Эти процессы лежат в основе физиотерапевтического метода – гальванизации. Принято считать, что постоянный ток раздражающими действиями не обладает. Однако, это справедливо лишь при малых плотностях тока до ~ 0,1мА/см².

Возбуждение клетки может возникнуть тогда, когда поляризационные явления на клеточной мембране достигают такого предельного значения, что дальнейшее их повышение приводит к пробою биологической мембраны и гибели клетки.

Гальванизация

Гальванизация - лечебный метод, заключающийся в воздействии на ткани больного постоянным электрическим током напряжением 60 - 80В при плотности тока от 0,03 до предельно допустимой - 0,1 мА /см².*

*(Естественно, что о сколько-нибудь значимом тепловом эффекте, при такой плотности тока говорить не приходится) (дем. закон Джоуля-Ленца).

Лечебный эффект достигается в основном за счет стимуляции обменных процессов вследствие электрокинетических явлений при прохождении постоянного тока. Этот метод лечения может применяться в тех случаях, когда интенсификация обменных процессов может привести к желаемому результату - отеки, нарушения водно-солевого обмена и др. Кроме того, в зависимости от места приложения электродов, воздействие может передаваться рефлекторно по нервным тканям на внутренний орган, в котором происходит изменение обменных процессов или функционального состояния.

Прохождение постоянного тока в цепи, содержащей раствор электролита, сопровождается явлениями, происходящими на поверхности контактных электродов или в растворе их окружающем. Эти явления называются электрохимической поляризацией. К ним относятся: электролиз растворенного вещества; реакции между продуктами электролиза и веществом электрода или растворителя (водой); образование местных пространственных зарядов и т. п. Несложно увидеть, что продукты электролиза, содержащихся в тканях ионов натрия и хлора у отрицательного электрода, в результате вторичных реакций, могут образовать едкую щелочь (NaOH), а у поверхности положительного - соляную кислоту (HCl). Эти вещества обладают прижигающим действием. Поэтому при любых условиях (включая и эксперименты на животных) нельзя при действии постоянным током металлические электроды накладывать непосредственно на поверхность тела!

Чтобы этого избежать, под электрод (между электродом и кожей) обязательно должна помещаться прокладка из ткани, смоченной изотоническим раствором - 0.9% р-р NaCl.

Лечебный электрофорез

Гальванизацию при необходимости совмещают с введением в ткани, при помощи постоянного тока, лекарственных веществ, образующих в растворе ионы.Эта процедура называется лечебным электрофорезом.

Для проведения электрофореза прокладки, помещаемые под электроды, смачивают раствором лекарственного вещества. Из прокладки под положительным электродом вводят в ткани организма положительные ионы металлов и частицы сложных соединений, под отрицательным электродом - кислотные радикалы, отрицательные ионы и частицы сложных соединений.

На рис. 4 показана модель биологической ткани, включающая в себя электропроводные ткани организма, содержащие раствор NaCl, прокладки (П), смоченные раствором CaCl₂ и KJ, и электроды (Э). Стрелками показано движение ионов и накопление их у тканевых перегородок - поляризационные явления.

П Е0 П

Са⁺ Na⁺

Na⁺ J^-

Са⁺ Р(t) J^-

J^-

Сl^- Cl^-

Э_A CaCl₂ KJ Э_K

Ионы, скапливающиеся у мембран

Рис. 4.

- положительно заряженный ион; - отрицательно заряженный ион;

П – прокладка под электрод; Э – электрод; Р(t) – вектор поляризации среды.

У поверхности отрицательного электрода будет происходить нейтрализация ионов калия, затем вторичная реакция с водой, с образованием водорода Н₂ и едкой щелочи КОН, а также переход йода из прокладки через кожу в биологическую ткань и движение его к положительному электроду. Ионы , собирающиеся у поверхности положительного электрода, могут участвовать в образовании НСl, а ионы из прокладки будут уходить в ткань, направляясь к отрицательному электроду.

Время проведения процедуры электрофореза зависит от того, насколько быстро будут ионы проникать в ткань, т.е. от скорости их движения.

Согласно второму закону Ньютона, если бы на ион действовала только сила со стороны электрического поля (Fk=Eq), он двигался бы ускоренно, однако этого не происходит, так как при увеличении скорости растёт и сила сопротивления среды его движению (Fсопр=kn). При равенстве сил Fk и Fсопр, ион будет двигаться равномерно с некоторой установившейся скоростью v0, которая может быть найдена, исходя из равенства Eq=kv₀, откуда:

(3)

т. е. скорость движения будет пропорциональна напряженности электрического поля.

Коэффициент пропорциональности uназывают подвижностью ионов. Из приведенных рассуждений понятно, что такая важная характеристика как подвижность, будет зависеть от свойств среды и иона (например, структуры или вязкости среды, температуры, формы иона, его заряда, величины его сольватной оболочки и др.). Следовательно, при лечебном электрофорезе скорость введения вещества будет неодинаковой при использовании разных лекарственных средств.

Величину подвижности ионов различного типа можно определить экспериментально. Так из формулы (3) видно, что подвижность иона в данной среде численно равна скорости его установившегося движения под действием поля единичной напряженности. При известной напряженности электрического поля, измерив среднюю скорость движения ионов u₀, можно определить их подвижность, пользуясь выражением:

(4)