Биологическое действие ионизирующих излучений.

Под действием ионизирующих излучений происходят химические реакции, которые называют радиолизом.

 

Рассмотрим радиолиз воды.

Н₂О → Н₂О* (возбужденная молекула воды)

Н₂О → Н₂О⁺ +е ^- .

Н₂О⁺ + Н₂О → Н₃О⁺ + ОН

 

При взаимодействии ионизирующего излучения с водой образуются молекулы, ионы, радикалы – высокоактивные частицы

Н₂О⁺ +е ^- → Н₂О^-

Н₂О^- → ОН ^- +

 

Взаимодействие молекул органического вещества (RH) с ионизирующим излучением:

..

RH → RH^* → R + H

RH → RH⁺ + е ^-

RH⁺ → R+H⁺

В результате радиолиза образуются высокоактивные частицы в химическом плане, что приводит к разрушению мембран, клеток.

 

Процесс лучевого поражения биологических объектов.

 

Процесс лучевого поражения имеет ряд особенностей:

1. Значительные биологические нарушения вызываются ничтожно малыми дозами поглощенной энергии.

2. Ионизационные излучения действуют не только на сам объект, но и на последующие поколение вследствие наследственности.

3. Характерен скрытый период временного благополучия

(действие биологического излучения развивается во времени:

1 фаза – фаза первичных нарушений

2 фаза – фаза мнимого благополучия

3 фаза – фаза лучевой болезни).

 

В радиобиологических исследованиях часто используют понятие дозы, при которой в течении 30 суток гибнет большая часть (50%) организма, LD = 50/30.

 

животное	LD 50/30, бэр
собака
обезьяна
мышь	500-665
человек	600-700
лягушка
черепаха
тритон
змея	8000-20000

 

4. Наиболее уязвимой функцией клеток является способность к делению.

5. Ионизирующее излучение в большей степени действует на ткани, чем на соседние клетки.

6. На зависимость интенсивности поражения от дозы облучения влияют внешние факторы (температура, влияние кислорода).

Чем выше температура после облучения, тем больше поражается биологический объект. Реакции поражения протекает с высокой энергией активации. Количество образуемых частиц от температуры не зависит; концентрация О₂ во время облучения влияет на поражение, а после – нет.

Способы защиты от облучения:

- необходимо принять вещества, являющиеся ингибиторами реакций, (сера, сахара) – антиоксиданты.

Глава 12. Действие ультразвука на биологические ткани. Его применение в медицине

Характеристики и получение ультразвука

 

Ультразвук – механические колебания среды, частота которых ниже 20 кГц

 

Получение ультразвука:

1. Обратный пьезоэлектрический эффект (при наложении переменного электрического поля к пластинкам кварца они начинают менять свои размеры)

2. Магнитно-стрикционный эффект (некоторые материалы, (железо, никель) изменяют свои размеры под воздействием магнитного поля).

Действие ультразвука. Применение в биологии и медицине

Плотность потока энергии (вектор Умова), переносим ультразвуком; пропорционален квадрату частоты:

Вт/м²

ρ – плотность среды

А – амплитуда колебаний

ω – круговая частота

- скорость распространения волны

Действие ультразвука на биологические объекты можно условно свести к трем видам:

1) Механическое воздействие (при ультразвуковых колебаниях во время растяжения среды могут возникнуть разрывы сплошности – кавитация; при схлопывании пустот возникает ударная волна, которая приводит к разрушению рядом находящихся объектов).

Кавитация происходит при > 1 Вт/м².

2) Химическое действие (в результате кавитации выделяется много энергии, происходят химические реакции с образованием высокоактивных частиц (радикалов, ионов), которые затем, воздействуя на биологические ткани, разрушают их).

3) Тепловое воздействие (применяют в терапевтических целях, как прогревание).

Применение в медицине:

· для исследования мягких тканей;

· сваривание и резание костных тканей;

· разрушение опухолей мозга;

· стерилизаторы;

· измеряется скорость кровотока (с помощью эффекта Доплера).

Глава 13. Биомеханика опорно-двигательного аппарата человека

Механические свойства биологических тканей

Тело человека – композиционный материал, основа которого скелет, окруженный мягкими тканями. Сами кости также являются композиционным материалом.

Костная ткань.

2/3 массы кости занимает гидроксилопатит: 3Са₃(РО₄)₂ · Са(ОН)₂ + коллаген.

Механическая плотность костной ткани ρ = 2400 кг/см³.

Е = 10 ГПа.

σ_в = 150 МПа (предел прочности).

ОА – упругая деформация

АВ – процесс ползучести

ВС – упругая деформация при снятии нагрузки

СД – обратная ползучесть

Кожа.

Состоит из коллагена (75% сухой массы) и 4% эластина (по свойствам похож на резину), а также жира и соединительной ткани.

Эластин растягивается на 200-300%, коллаген на 10%.

Материал	Модуль упругости, МПа	Предел прочности, МПа
Коллаген	10-100
Эластин	0,1-0,6

Мышцы.

В основном состоят из молекул миозина и актина.

Мышцы делят на:

- поперечно-полосатые;

- гладкие.

Гладкие мышцы образуют полые органы.

 

 

σ скелетная мышца

 

гладкие мышцы

Скелетная мышца и сердечная мышца

являются поперечно-полосатыми.

ε

§ 13.2. Моделирование механических свойств биологических объектов

Известен элемент, моделирующий упругие и пластичные свойства, - это пружина.

σ

 

 

- закон Гука.

В качестве модели вязкого тела используют поршень, передвигающегося в цилиндре.

 

σ

 

 

- закон вязкого сопротивления

µ - коэффициент дин. вязкости.

Деформацию, сочетающую вязкость и упругость, характерные для полимеров и биологических тканей, называют вязко-упругой.

 

1. Модель Максвелла (заключается в том, что 2 элемента соединяются последовательно) (соответствуют гладкие мышцы).

 

Продифференцируем уравнение (1):

ε = ε_упр + ε_вязк, (3) + (4):

1 случай:

Пусть σ = σ₀ = const

Из (5) →

Интегрируем с начальными условиями:

при t = 0

2 случай:

Если ε = ε₀ = const (напряжения будут релаксироваться)

НУ: при t = 0 σ₀ = ε₀Е

Тогда lnC = lnσ₀

2. Модель Фойгта (параллельное соединение).

В этом случае складываются не усилия, а перемещения.

σ = σ_упр + σ_вяз (10)

Пусть σ = σ₀ = const

Используя (1), (2) и (10):

ГУ: Пусть при t = 0, ε = 0.

Отсюда или

ε

σ₀/Е

ε₁

 

t₁ t

σ

 

 

σ₀

 

 

t

 

Из (13) при t = t₁:

В соответствии с (11):

При t = t₁, ε = ε₁, тогда

→

или

3. Смешанная модель.

При движении постоянной нагрузки:

ε

 

B

 

 

A

C

 

O D

t

 

ОА – упругая деформация пружины 1; АВ – вязко-упругая деформация двух параллельных соединенных пружин.

В точке В σ = 0.

σ

 

 

σ₀

 

t

ВС – упругая деформация пружины 1.

СД – релаксация напряжений.