Подвижность ионов. Электрофорез. Виды электрофореза.

Фазы гетерогенной системы придут в движение вследствие взаимодействия с электрическим полем, если к системе приложить постоянную разность потенциалов. Движение частиц дисперсной фазы в электрическом поле по направлению к противоположно заряженному электроду называется электрофорезом. Электрофорез был открыт Ф. Рейссом в 1807 г

Электрофорез это движение взвешенных частиц (пузырьков газа, коллоидных частиц и макромолекул) в жидкости под действием электрического поля. Метод, сочетающий воздействие на организм постоянного тока и введение лекарственных веществ, носит название лечебного электрофореза или ионогальванизации.

Профессор В. Виленский применил постоянный ток в сочетании с лекарственными веществами впервые в России в 1859 году, теоретические обоснования нашли подтверждение в исследованиях физика, невропатолога, психиатра А.Б. Щербака.

Электрофорез получил широкое применение в современной медицине в клинических исследованиях сыворотки крови, желудочного сока, мочи, спинно-мозговой жидкости. Электрофорез применяется в физиотерапии. Обычно применяются два основных метода - макроскопический и микроскопический электрофорез.

Макроскопический электрофорез используются для разделения веществ, находящихся в смеси, и их последующего выделения.

Микроскопический электрофорез используются для изучения подвижности ионов, клеток, частиц в электрическом поле, величины электрокинетического потенциала, а также электрохимических свойств поверхности исследуемых веществ.

Скорость передвижения частиц дисперсной фазы можно найти из уравнения Смолуховского: (1)

где υ - скорость передвижения частиц; ε- диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды; Е – градиент потенциала электрического поля; ζ - электрокинетический потенциал; η -коэффициент вязкости дисперсионной среды.

Мы можем применить уравнение (1) для эритроцитов, лейкоцитов, микроорганизмов и других клеток. Электрофоретическая подвижность белковых молекул и коллоидных частиц зависит от их размера и формы. Коэффициент, зависящий от размера и формы частиц, вводится для расчетов в уравнение (1). Уравнение (1) применяется для вычисления величины электрокинетического потенциала. Для этого необходимо знать напряженность внешнего поля, диэлектрическую проницаемость и коэффициент вязкости среды, а также скорость движения дисперсной фазы. Один из методов электрофореза заключается в следующем. Исследуемую дисперсную систему помещают на дно V - образной трубки и наливают в боковые колена чистый буферный раствор. Между исследуемой жидкостью и буферным раствором должна быть отчетливая граница раздела. Электроды, соединенные с источником постоянного тока, погружаются в каждое колено V- образной трубки. Создаваемое электрическое поле вызывает перемещение дисперсной фазы исследуемого раствора, и граница между дисперсной системой и буферным раствором перемещается. Перемещение границы регистрируется с помощью длиннофокусной оптики. Если исследуемая смесь содержит несколько компонентов, то каждый компонент движется со скоростью, пропорциональной величине ξ потенциала. В результате смесь разделяется на ряд функций. При регистрации сигнала получается кривая, имеющая ряд пиков. Высота пиков служит количественным показателем данных функций. Затем выделяются и исследуются отдельные фракции белков кровяной плазмы. Данный метод распространился после разработки техники этого метода Тизелиусом.

На аппарате Тизелиуса можно получить результаты высокой точности, но это сложный и громоздкий прибор.

 

Микроскопические методы электрофореза используются для изучения электрохимических свойств суспензий различных клеток: эритроцитов, лейкоцитов, бактерий, половых клеток. Суспензии клеток в небольшом количестве помещаются в специальную камеру, заполненную буферным раствором. В эту камеру вводятся также электроды, соединенные с источником постоянного тока. Под действием электрического поля клетки начинают двигаться к противоположно заряженному электроду. Скорость перемещения клеток определяется с помощью микроскопа, снабженного окулярным микрометром.

Важные данные, характеризующие электрохимические свойства биологических поверхностей, получены с помощью методов электрофореза. Живая протоплазматическая поверхность всегда заряжена отрицательно, все биологические поверхности обладают отрицательным электрокинетическим потенциалом. Это установлено на основе многочисленных экспериментов. Не известно ни одного примера положительного потенциала поверхности живого объекта.

Величина ξ- потенциала может иметь различные значения для разных клеток. У человека она составляет примерно 16,3 мВ. Потенциал эритроцитов очень стабильная величина. Например, нет различий в величине ξ- потенциала эритроцитов у людей различных рас и пола. Различий не наблюдаются также между представителями разных групп крови. Электрофоретическая подвижность эритроцитов не изменяется при ряде заболеваний крови, в том числе при многих формах анемий. Электрохимические свойства поверхности эритроцитов отличаются большой стойкостью и постоянством.

Ученые пришли к выводу, что электрокинетический потенциал эритроцитов обусловлен диссоциацией кислотных групп молекул фосфолипидов (кефалина) на поверхности эритроцитов и не связан с процессами адсорбции белков и ионов. Величина электрокинетического потенциала эритроцитов меняется в том случае, если происходит изменение физико-химического состава самой поверхности клетки. Это наблюдается при некоторых заболеваниях, например гемобластозах, лимфосаркоме. Для других форменных элементов крови ξ- потенциал изучен значительно слабее, чем для эритроцитов. Лейкоциты движутся к аноду при электрофорезе, как и эритроциты, но их подвижность примерно в 2 раза ниже подвижности эритроцитов. Электрофоретическая подвижность лейкоцитов весьма близка к подвижности кварцевых частиц. Явление электрофореза наблюдается при миграции лейкоцитов в воспалительные очаги. Электрокинетические явления могут способствовать миграции лейкоцитов. В воспаленных участках происходят процессы разрушения структур и накопления свободных молекул, главным образом органических кислот, что приводит к сдвигу pH в кислую сторону. В результате этих физико-химических изменений пограничный участок между воспаленной и невоспаленной тканью приобретает избыточный положительный потенциал величиной до 100-150 мВ. А так как лейкоциты обладают отрицательным электрокинетическим потенциалом, то они движутся через стенку капилляра в ткань по направлению к положительно заряженному воспаленному участку.

Бактериальные клетки обладают отрицательным ζ потенциалом, который может меняться в очень широких пределах: от нуля до десятков милливольт. Благодаря этим исследованиям большинство бактерий удалось разделить на две группы.

К первой группе принадлежат бактерии, поверхность которых имеет белковую природу. Диссоциация ионогенных групп белковых молекул обусловливает заряд и ζ- потенциал таких клеток. ζ - потенциал этих клеток меняется при изменении pH среды, так как степень диссоциации ионогенных групп зависит от pH.

Ко второй группе относятся бактерии, поверхность которых состоит из полисахаридов. Заряд клеток в данном случае обусловлен адсорбцией ионов из дисперсионной среды полисахаридами поверхности. Электрофоретическая подвижность таких клеток практически не зависит от pH среды. Однако такое деление оказывается довольно условным, т.к. свойства поверхности бактериальных клеток могут изменяться при изменении внешних условий существования. Так, например, ζ потенциал золотистого стафилококка при обычных условиях культивирования остается постоянным при большом изменении pH среды. Если же бактерии культивируются в среде, богатой глюкозой, то наблюдается зависимость ξ- потенциала от величины pH. Эта зависимость появляется вследствие накопления на поверхности клеток групп белковой природы. Таким образом, знание подвижности ионов, применение метода электрофореза является хорошим средством изучения электрохимических свойств биологических поверхностей: способности к ионизации и способности к адсорбции молекул и ионов.

Проводимость электролитов осуществляется за счет ионов, возникающих при растворении и расщеплении молекул веществ. Молекулы распадаются на положительно заряженные ионы - катионы и отрицательно заряженные ионы - анионы. Явление расщепления растворимого вещества на ионы называется электролитической диссоциацией.

Если два электрода погрузить в электролит и подвести к ним напряжение, то под действием электрического поля ионы с отрицательными зарядами (анионы) будут двигаться к аноду, а ионы с положительными зарядами (катионы)- к катоду. Если разность потенциалов на электродах, расположенных на расстоянии L друг от друга, равна φ₁-φ₂ , тогда напряженность электрического поля электролита определяется по формуле E= (φ₁-φ₂)/L

Электрическое поле действует на заряженные частицы с постоянной силой, заставляя их перемещаться к электродам с некоторой постоянной скоростью. Чем больше напряженность, тем быстрее будут перемещаться ионы. Скорость перемещения ионов прямо пропорциональна напряженности электрического поля, υ=υ₀E, где υ₀, - коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью ионов: υ₀ = υ/E

Напряженность электрического поля измеряется в В/м, скорость движения ионов - в м/с. Подвижность ионов определенного вида выражается их скоростью перемещения в растворителе под действием электрического поля и измеряется в

Подвижность различных ионов при одинаковых условиях перемещения зависит от размеров ионов и валентности. Подвижность является величиной характерной для определенного вида ионов. По величине подвижности ионов можно определить вид иона или разделить смесь ионов электролитическим путем.

Лекарственный электрофорез

Лекарственный электрофорез – сочетание воздействия на организм постоянного электрического тока и лекарственного вещества, введенного с его помощью. При этом лечебные эффекты вводимого лекарственного вещества добавляются к механизмам действия постоянного тока. Они зависят от подвижности, способа введения, количества поступающего в организм лекарства и области его введения. Лекарственные вещества в растворе распадаются на ионы и заряженные гидрофильные комплексы. При помещении таких растворов в электрическое поле содержащиеся в них ионы перемещаются по направлению к противоположным электрическим полюсам (электрофорез), проникают в глубь тканей и оказывают лечебное действие. Из прокладки под положительным электродом в ткани организма вводятся ионы металлов (из растворов солей), а также положительно заряженные частицы более сложных веществ; из прокладки под отрицательным электродом – кислотные радикалы, а также отрицательно заряженные частицы сложных соединений.

Проникающая способность ионов лекарственных веществ зависит от их структуры и от степени электролитической диссоциации. Она неодинакова в различных растворителях и определяется их диэлектрической проницаемостью (ε). Растворенные в воде лекарственные вещества имеют большую подвижность в электрическом поле (). Водные растворы глицерина () и этилового спирта () используются для диссоциации нерастворимых в воде веществ. Введение лекарственных веществ в ионизированной форме увеличивает их подвижность и усиливает фармакологический эффект. Усложнение структуры препарата уменьшает его подвижность.

Вводимые лекарственные вещества проникают в эпидермис и накапливаются в верхних слоях дермы, из которой они диффундируют в сосуды микроциркуляторного русла и лимфатические сосуды. Период выведения различных препаратов из кожного «депо» колеблется от 3 ч до 15-20 суток. Это обусловливает продолжительное пребывание лекарственных веществ в организме и их пролонгированное лечебное действие. Количество лекарственного вещества, проникающего в организм путем электрофореза, составляет 5-10 % от используемого лекарства при проведении лечебной процедуры. Повышение концентрации растворов (свыше 5%) для увеличения количества вводимых в организм веществ не улучшает леченый эффект. В этом случае возникают электрофоретические и релаксационные силы торможения, вследствие электростатического взаимодействия ионов (феномен Дебая-Хюккеля). Они тормозят перемещение ионов лекарств в ткани.

Фармакологические эффекты поступающих в организм лекарственных веществ проявляются при введении сильнодействующих препаратов и ионов металлов в малом количестве. Лекарственные средства действуют локально на ткани, находящиеся под электродами. Они способны вызывать выраженные рефлекторные реакции соответствующих органов, усиливать их кровоток и стимулировать регенерацию тканей. Например, ионы йода введенные в организм с помощью электрофореза увеличивают дисперсность соединительной ткани и повышают степень гидрофильности белков:

Ионы лития растворяют литиевые соли мочевой кислоты.

Ионы меди и кобальта активируют метаболизм половых гормонов и участвуют в их синтезе.

Ионы магния и кальция оказывают выраженное гипотензивное действие.

Ионы цинка стимулируют регенерацию и обладают фунгицидным действием.

Некоторые из введенных веществ могут изменять функциональные свойства кожных волокон тактильной и болевой чувствительности. Исходя из этого, совместное воздействие электрического тока и местных анестетиков вызывает уменьшение импульсного потока из болевого очага и создает анальгетический эффект постоянного тока. Такие явления выражены под катодом. Постоянный электрический ток изменяет фармакологическую кинетику и фармакологическую динамику вводимых препаратов. В результате сочетанного действия лечебные эффекты большинства из них (за исключением некоторых антикоагулянтов, ферментных и антигистаминных препаратов) потенцируются. Поступающие в кожу вещества накапливаются локально. Это позволяет создавать значительные концентрации этих веществ в поверхностных зонах поражения. При таком способе введения отсутствуют побочные эффекты перорального и парентерального введения лекарственных веществ. Действие балластных ингредиентов слабо выражено и растворы не требуют стерилизации. Это позволяет использовать их в полевых условиях. Возможно также накопление лекарственных веществ (в частности, антибиотиков) в патологических очагах внутренних органов (внутриорганный электрофорез), цитостатиков и иммуностимуляторов в опухолях (электрохимиотерапия). При этом концентрация лекарств в межэлектродных тканях увеличивается в 1,5 раза.

Суммарное количество прошедшего электричества через ткани не должно превышать 200 кулон. Количество применяемого лекарственного вещества обычно не превышает его разовой дозы для парентерального и перорального введения.

К преимуществам метода лекарственного электрофореза относят:
1. создание кожного депо, в котором лекарственные вещества обнаруживаются от 1 до 3 дней,
2. воздействие непосредственно на патологический очаг,
3. значительное урежение физиологических реакций,
4. безболезненное введение лекарственных веществ.

ПОКАЗАНИЯ К ЛЕКАРСТВЕННОМУ ЭЛЕКТРОФОРЕЗУ
весьма широки – они определяются фармакотерапевтическими свойствами вводимого препарата с обязательным учётом показаний к использованию постоянного тока. На общее действие лекарственного вещества можно рассчитывать главным образом при функциональных вегетативно-сосудистых расстройствах и состояниях, при которых достаточно микродозы лекарственных веществ.
Противопоказания к лекарственному электрофорезу те же, что и к гальванизации, а также индивидуальная непереносимость лекарственных веществ.

Гальванизация

Лечебный метод, при котором используется действие на организм постоянного тока незначительной силы, называется гальванизацией. Это связано со старым названием постоянного тока – гальванический ток. Первичное действие тока на ткани организма связано с движением в тканях ионов электролитов и других заряженных частиц.

При гальванизации наложение металлических электродов непосредственно на кожу недопустимо. Потому что, образующиеся на поверхности электродов продукты электролиза раствора хлористого натрия, содержащегося в тканях, раствор поваренной соли, находящийся в составе пота, обладают прижигающим свойством и вызывают ожоги кожи. Для этого используется достаточно толстая прокладка из гигроскопического материала (из байки, фланели или токопроводящего губчатого материала) толщиной не менее 1 см, размеры которой на 1,5 – 2 см превышают размеры металлической пластинки по всему периметру. Прокладка смачивается водой или слабым солевым раствором. Эта прокладка укладывается на поверхность кожи под электрод. Прокладка с электродом укрепляются и плотно прижимаются к телу в нужном месте при помощи жгутов или эластических бинтов. Прокладки стерилизуются кипячением и используются повторно.

Для подведения постоянного тока к подлежащему воздействию участку тела больного используют электроды соответствующих форм и размеров. Электрод состоит из металлической пластинки или из иного хорошо проводящего ток материала. В качестве материала для электродов применяется свинец луженый оловом. С одной стороны он обладает мягкостью, с другой – он образует самый малоподвижный ион. Потому ионы свинца не участвуют в образовании тока.

Для соединения электродов с клеммами аппарата применяют многожильные изолированные провода.

Длительность процедур, частота проведения и общее число их на курс лечения зависит от характера, стадии и фазы заболевания, общего состояния больного и его индивидуальных особенностей.

Продолжительность гальванизации не превышает 20 – 30 мин. Обычно на курс лечения назначаются 10 – 15 процедур. При необходимости повторный курс гальванизации проводится через один месяц.

Гальванизацию сочетают с высокочастотной магнитотерапией (гальваноиндуктотермия), пелоидотерапией (гальванопелоидотерапия) и акупунктурой (гальваноакупунктура).
ГАЛЬВАНИЗАЦИЯ ПОКАЗАНА при лечении
- травмы и заболевания периферической нервной системы-ПНС (плекситы, радикулиты, моно- и полинейропатии, невралгии и др.),
- травмы и заболевания ЦНС (черепно-мозговые и спиномозговые травмы, расстройства мозгового и спинального кровообращения),
- вегетативная дистония, неврастении и другие невротические состояния,
- заболевания органов пищеварения, протекающие с нарушением моторной и секреторной функции (хронические гастриты, колиты, холециститы, дискинезии желчевыводящих путей, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки),
- гипертоническая и гипотоническая болезнь, стенокардия, атеросклероз в начальных стадиях,
- хронические воспалительные процессы в различных органах и тканях,
- хронические артриты и периартриты травматического, ревматического и обменного происхождения.
ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ для гальванизации:
новообразования, острые воспалительные и гнойные процессы, системные заболевания крови, резко выраженный атеросклероз, гипертоническая болезнь III стадии, лихорадочное состояние, экзема, дерматит, обширные нарушения целостности кожного покрова и расстройства кожной чувствительности в местах наложения электродов, склонность к кровотечениям, беременность, индивидуальная непереносимость гальванического тока.
84. ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ.

Одной из важнейших задач при разработке, промышленном выпуске и эксплуатации электромедицинской аппаратуры является обеспечение полной электробезопасности для обслуживающего персонала и пациентов. Основными предохранительными средствами от действия на организм электрического тока является защитное заземление, зануление. Поражение организма электрическим током может быть в виде электрической травмы или электрического удара.Электрическая травма – это результат внешнего местного действия тока на тело: электрические ожоги, электрометаллизация кожи, знаки тока. Электрические ожоги являются следствием теплового действия тока, проходящего через тело человека, либо происходят под действием электрической дуги, возникающей обычно при коротких замыканиях в установках с напряжением выше 1000 В. Электрометаллизация кожи происходит при внедрении в кожу мельчайших частиц расплавленного под действием тока металла. Электрические знаки тока, являющиеся поражением кожи в виде резко очерченных округлых пятен, возникают в местах входа и выхода тока из тела при плотном контакте с находящимися под напряжением частями тела человека. Электрический удар – возбуждение тканей организма под действием тока, которое сопровождается непроизвольным судорожным сокращением мышц. Электрические удары могут вызывать наиболее тяжелые повреждения, поражая внутренние органы человека: сердце, легкие, центральную нервную систему и др. расстройство сердечной деятельности (нарушение ритма, фибрилляция желудочков сердца), расстройство дыхания, шок, в особо тяжелых случаях приводящие к смертельному исходу может быть в результате электрического удара иметь. Действие электрического тока на организм зависит от большого количества различных факторов, основными из которых являются: величина тока, определяемая приложенным к телу напряжением и сопротивлением тела, вид и частота тока, продолжительность воздействия, путь прохождения тока.

Величина тока является основным параметром, определяющим степень поражения. ощущения тока частотой 50-60 Гц появляются при силе тока 1 мА при сжимании руками электродов, судороги в руках начинаются при увеличении тока до 5-10 мА, при токе 12-15 мА уже трудно оторваться от электродов. При 50-80 мА паралич дыхания наступает, а при 90-100 мА и длительности воздействия 3 секунды и более – паралич сердца. При действии постоянного тока соответствующие реакции могут быть в момент замыкания и размыкания цепи и наступают при его большой величине. Так ощущения постоянного тока появляются при 5-10 мА, затруднение дыхания при 50-80 мА, паралич дыхания – при 90-100 мА.

Электрическое сопротивление тела не является постоянной величиной. На низких частотах оно определяется, в основном, сопротивлением рогового слоя кожи. При неповрежденной сухой коже ее удельное объемное сопротивление составляет около 10 Ohm∙m. При влажной коже ее сопротивление может снижаться в десятки и сотни раз.

Сопротивление кожи является нелинейной величиной, оно зависит от величины и времени приложения напряжения, значительно уменьшаясь после пробоя ее верхнего слоя. Сопротивление кожи уменьшается также с нагревом и увеличением потоотделения, что имеет место при большой площади контакта и значительном контактном давлении. Сопротивление внутренних органов практически не зависит от вышеуказанных факторов и принимается равным 1000 Ом.

время действия тока на организм имеет важнейшее значение для исключения несчастного случая. сила тока увеличивается с уменьшением времени действия, не вызывающая паралича, или фибрилляции сердца.

путь тока в теле человека является важным. случаи поражения, при которых ток проходит через сердце и легкие, т.е. от руки к руке, или от руки к ноге особенно опасны.

случаи поражения электрическим током связаны с касанием металлических частей, находящихся под напряжением питающей сети наиболее часто встречаются. Это могут быть сетевые провода, металлические корпуса изделий, имеющих поврежденную изоляцию и замыкание сети на корпус. Напряжение прикосновения снижается примерно во столько раз, во сколько сопротивление заземления меньше сопротивления тела человека. Сопротивление защитного заземления, применяемого при эксплуатации электромедицинской аппаратуры, не должно быть более 4 Ом. Электромедицинские приборы и аппараты имеют рабочую часть, соединенную с током или касающуюся тела пациента (электроды, излучатели, датчики). электрическая энергия передается тканям тела пациента с помощью рабочей части при применении терапевтических, хирургических электромедицинских аппаратов. биопотенциалы воспринимаются с помощью рабочей части при использовании диагностических электромедицинских приборов. Наличие рабочей части приводит связи пациента с аппаратурой и к повышенной опасности поражения электрическим током. электрический ток используется для лечебного воздействия на организм в некоторых лечебных аппаратах. Неправильная эксплуатация таких аппаратов связана с возможностью передозировок.

Пациент во многих случаях не может реагировать на действие электрического токаю Он может быть парализован, находиться под наркозом. Кожный покров пациента обрабатывается дезинфицирующими и другими растворами и теряет свои защитные свойства. Условия проведения диагностических и лечебных процедур могут быть самыми различными, от кабинета лечебного учреждения, до жилых помещений. Различные условия эксплуатации, накладывают дополнительные требования к электробезопасности аппаратуры.

Основные требования к электробезопасности электромедицинских приборов и аппаратов.

Одно из основных требований электробезопасности - исключить возможность случайного прикосновения к находящимся под напряжением частям. Части, находящиеся под напряжением, не должны становиться доступными после снятия, крышек, задвижек, а также сменных частей. различные способы применяют для защиты от напряжения. Защитное заземление осуществляется с помощью заземляющего устройства, состоящего из заземлителей и заземляющих проводников.

Заземлители подразделяются на естественные и искусственные. металлические конструкции и аппаратура железобетонных конструкций зданий могут быть использованы в качестве естественных заземлителей. Если естественные зеземлители отсутствую, или если их сопротивление превышают 4 Ом, то необходимо устройство искусственных заземлителей. выходная мощность должна быть минимальной. Для исключения электрических травм при использовании приборов с широкими пределами регулирования выходной мощности

В аппаратах для электрохирургии весьма важно правильное наложение пассивного электрода на пациента и надежное соединение его с аппаратом. Как следует из примеров, использование средств автоматики позволяет значительно снизить опасность для пациента, которая может быть вызвана как нарушениями в аппарате, так и небрежным или неправильным действием обслуживающего медперсонала.