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)