2.Електричні властивості біологічних систем.
Кров, цитоплазма та різні тканинні рідини – це розчини електролітів. Наприклад, у плазмі крові міститься 0,32% кухонної солі. Можна було б стверджувати, що такі системи містять багато вільних іонів і завдяки цьому мають велику питому електропровідність. Проте результати досліджень свідчать, що опір цитоплазми, живих клітин і деяких тканин великий. Це можна пояснити тим, що на електричні параметри клітин впливають властивості їхніх мембран (діелектрик). Властивості ж тканин зумовлені властивостями не лише електролітів, а й інших речовин, які входять до складу тканини: жирів, вуглеводів, інших органічних речовин з властивостями діелектриків та напівпровідників. З цієї причини електропровідність різних тканин суттєво відрізняється. Найкраще проводить струм спинномозкова рідина, кров, лімфа, дещо гірше — м'язи, печінка, серцевий м'яз, легенева тканина, найгірше — жирова, кісткова тканини та шкіра (табл. 1).
У таблиці наведені середні значення питомого опору,а реальні можуть бути дещо більшими або меншими. Наприклад, питомий опір вологої шкіри менший, ніж сухої.
|
Таблиця 8.1 Питомий опір деяких біологічних систем
Біологічна система
|
ρ
Ом∙м
|
Біологічна система
|
ρ
Ом∙м
|
Спинномозкова рідина
|
5,5∙10-1
|
Жирова тканина
|
50
|
Сироватка крові
|
7,1∙10-1
|
Суха шкіра
|
102
|
М'язова тканина
|
2,0
|
Кістка без окістя
|
106
|
Печінка
|
10
|
Еритроцити
|
106
|
Нервова тканина
|
25
|
—
|
—
|
Складними є електричні властивості клітин. Питомий опір цитоплазми перебуває в межах від 0,1 до 300 Ом∙м (для більшості клітин ссавців — приблизно 1...3 Ом-м).
Клітинна мембрана — це діелектрик, питомий опір якого в різних клітинах коливається в межах від Ї03 до 10і Ом ∙м.
Електропровідність клітин і тканин при постійному струмі
Якщо прикласти електроди до тіла, то струм проходить через шкіру, жирову, м'язову тканини, через кровоносні та лімфатичні судини, вибираючи ті ділянки, де менший опір (кровоносні судини, лімфатичні судини, міжклітинна рідина, волокна нервових стовбурів тощо). Тому під час досліджень не можна говорити про опір однієї тканини.
Великий вплив на проходження струму через живі об'єкти мають поляризаційні процеси.
Позитивно та негативно заряджені іони, рухаючись в електричному полі в протилежних напрямах, накопичуються біля клітинних мембран (рис. 1).
Рис.1 Поляризація клітинної мембрани: М – мембрана; Я – ядро
Клітинна мембрана має діелектричні властивості, тому така система протилежних за знаком зарядів, розділених діелектриком, нагадує своєрідний конденсатор, ємність якого дорівнює:
С = ∆q/∆ϕ ,
де ∆q - заряд на поверхні мембрани; ∆ϕ — різниця потенціалів між протилежними поверхнями мембрани.
Діелектричні властивості біологічних об'єктів визначаються структурними компонен-тами та явищами поляризації.
Якщо до живої тканини прикласти сталу різницю потенціалів, то виявляється, що сила струму зменшується в часі, хоча напруга не змінюється. Сила струму зменшується в сотні разів і через деякий час встановлюється на сталому рівні. Це пов'язано з виникненням електрорушійної сили поляризації під час проходження постійного струму через біологічну систему. Ця електрорушійна сила є функцією часу і зменшує прикладену напругу. Закон Ома для біологічних систем записують так:
І= ,
де  е.р.с. поляризації.
Рис. 8.2. Характер зміни струму за відсутності поляризації (а) та під час проходження через живу тканину (б)
 пов'язана з ємнісними, діелектричними властивостями живих об'єктів, зумовленими явищами поляризації.
ВИДИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
Зміщення зв'язаних зарядів під впливом електричного поля і виникнення внаслідок цього різниці потенціалів називають поляризацією.
Відомі декілька видів поляризації. Речовини, молекули яких мають симетричну структуру, тобто за відсутності зовнішнього поля центри "тяжіння" позитивних та негативних зарядів збігаються і дипольний момент молекули Р дорівнює нулю, є неполярними діелектриками. Під впливом зовнішнього електричного поля заряди таких неполярних молекул зміщуються в протилежні боки і молекула набуває дипольного моменту, тобто індукується дипольний момент внаслідок деформації електронних орбіт. Така поляризація називається електронною або деформаційною.
Другу групу діелектриків становлять речовини, молекули яких мають асиметричну будову, тобто центри "тяжіння" позитивних і негативних зарядів не збігаються. Молекули таких діелектриків називають дипольними. За відсутності зовнішнього поля дипольні моменти полярних молекул внаслідок теплового руху орієнтовані в просторі хаотично. Якщо ж такий діелектрик розмістити в зовнішньому полі, то сили поля орієнтують диполі вздовж поля. Така поляризація діелектриків називається орієнтаційною або дипольною.
Третій вид поляризації — іонна поляризація діелектриків. Іонна поляризація властива речовинам, молекули яких мають іонну будову (NаСl, КСl). Якщо кристал розмістити в електричному полі, то відбувається деяка деформація кристалічної гратки або відносне зміщення підграток, що і зумовлює виникнення дипольних моментів.
Макроструктурна поляризація виникає під дією електричного поля за наявності шарів з різною електропровідністю. Під впливом поля вільні іони рухаються у провідному шарі до його межі. Далі їх рух неможливий через іншу електропровідність сусіднього шару. Внаслідок цього провідне середовище набуває дипольного моменту. Наприклад, цитоплазма клітини має малий опір через високу концентрацію вільних іонів, а мембрана — великий опір (мала проникність для іонів). Макроструктурна поляризація відіграє основну роль у біологічних об'єктах, тому діелектрична проникність тканин набуває великих значень.
Усі названі вище види поляризації властиві біологічним об'єктам. Під впливом електричного поля у тканинах виникає протилежно спрямоване поле, яке послаблює зовнішнє поле та створює великий питомий опір тканин струмові.
Ступінь поляризації характеризується діелектричною проникністю є, яка вказує на послаблення електричного поля в речовині порівняно з вакуумом:
ε=
де Е0 — напруженість однорідного поля у вакуумі; Е — напруженість поля в речовині.
Гальванізація, електрофорез
Невеликі струми виявляють терапевтичну дію. Метод лікування невеликим постійним струмом називають гальванізацією.
Залежно від місця прикладання електродів подразнення передається нервовими кітинами зі шкіри в той чи інший орган, у якому під дією струму відбуваються зміни обмінних та функціональних властивостей. Внаслідок швидкої реакції на подразнення в шкірі та внутрішніх органах рефлекторно розширюються капіляри, змінюється проникність клітинних мембран. Електроліз, що відбувається в клітинах і тканинах, зумовлює виникнення нових речовин з іншою фізіологічною активністю.
Тепловий ефект гальванізації дуже незначний, тому що використовують струми з густиною не більш ніж 0,5 мА/см2.
Первинна дія електричного струму на тканини організму пов'язана з рухом іонів електролітів та інших заряджених частинок. Рухливість цих частинок різна, тому відбувається їх перерозподіл. Також частинки можуть затримуватись біля напівпроникних перегородок у тканинах. Внаслідок цього змінюється концентрація іонів у різних елементах тканин. У цьому полягає первинна дія електричного струму на тканини організму.
З лікувальною метою використовують імпульсні струми, які спричиняють скорочення м'язів, наприклад, у післяопераційний період для відновлення їхньої функціональної активності.
У клінічній практиці використовують ще один електрофорез метод лікування постійним струмом — лікувальний електрофорез. Цей метод полягає у введенні за допомогою струму лікарських речовин в живий організм через шкіру або слизові оболонки. Дія струму поєднується з дією введених лікарських речовин.
Проникність шкіри невелика, тому що пори в ній заповнені повітрям, а стінки мають електричний заряд. Якщо шкіра потрапляє в електричне поле, то рідина з підшкірних тканин під дією поля переміщується ізсередини назовні. Повітря з пор витісняється, і вони заповнюються рідиною, а іони речовини з поверхні шкіри мають змогу дифундувати всередину. Якщо прокладки під електродами змочити розчином лікарських речовин, які дисоціюють на іони або містять заряджені колоїдні частинки, то внаслідок проходження струму іони і частинки входять у тканину й зумовлюють терапевтичний ефект. Одночасно з тканини в прокладку входять іони речовин, які містяться у клітинних та позаклітинних рідинах (К+, Na+, Сl тощо) (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Електрофорез
Рухливість іонів і колоїдних частинок (антибіотики) невелика, проте під час введення за допомогою електрофорезу їх можна виявити в органах і тканинах досить швидко. Це зумовлено тим, що речовини, введені у тканини постійним струмом, надходять у кровоносні судини і розносяться потоком крові і лімфи по цілому організму.
ПРОХОДЖЕННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ ЧЕРЕЗ БІОЛОГІЧНІ ОБ'ЄКТИ
Кожній клітині, окрім омічного опору, властивий також ємнісний, зумовлений накопиченням іонів протилежного знаку біля клітинних мембран. Поляризаційна ємність сягає 10 мкФ та більше на квадратний сантиметр поверхні мембрани. Наявність електрорушійної сили поляризації та поляризаційної ємності ускладнює вимірювання електропровідності живих клітин при постійному струмові. Окрім цього, цей струм, проходячи через цитоплазму, розкладає її. З цієї причини електричні параметри біологічних об'єктів зручніше вимірювати з використанням змінного струму.
Проходження змінного струму в колі описується законом Ома: І= ,
де - повний опір кола (імпеданс).
У результаті досліджень з'ясовано:
1. Опір біологічного об'єкта при змінному струмі менший, ніж при постійному.
2. Опір зменшується під час збільшення частоти змінного струму до деякого значення, після чого залишається практично сталим. Це явище називається дисперсією імпедансу. Воно зумовлене залежністю ємнісного опору від частоти, а також поляризаційними процесами, які внаслідок інерції іонів послаблюються за високих частот. Опір більшості тканин мінімальний при частотах змінного струму - 106 Гц, а нерва —. - 109 Гц.
3. За певної частоти опір біологічного об'єкта залишається сталим, якщо не змінюється його фізіологічний стан. Внаслідок ушкодження тканини опір її зменшується до певного мінімального значення, яке буде відповідати її відмиранню. Дисперсія імпедансу спостерігається лише в живих тканинах. Після відмирання тканини опір від частоти не залежить (рис. 8.5).
Частотні характеристики електричного опору різних тканин подібні, але значення повного опору (імпедансу) — різні. Наприклад, кісткова тканина містить багато кристалів фосфату кальцію, тому має більший імпеданс, ніж м'які тканини.
Метод вимірювання імпедансу використовують у медичних дослідженнях, а саме: при вивченні процесів у живих клітинах і тканинах за впливу випромінювання, ультразвуку та інших фізичних чинників, а також під час зміни фізіологічного' стану. Наприклад, виявлено, що внаслідок запальних процесів на перших стадіях хвороби збільшується опір тканини. Це пояснюється тим, що під час запалення клітина набрякає, міжклітинні проміжки зменшуються, активний опір збільшується. На наступних стадіях запального процесу змінюються структура та хімічний склад клітин, що призводить до зменшення ємності та опору.
Отже, вимірювання електричних параметрів тканин може використовуватись як засіб діагностики стадій запальних процесів.
Виявлено, що на різних стадіях утворення злоякісних пухлин ємнісний опір тканини змінюється. Тому цей показник можна використати для ранньої діагностики захворювання. Під час відмирання тканини, а також під дією ушкоджувальних чинників (радіація, ультразвук, температура) збільшується проникність мембран і, як наслідок, збільшуються іонні потоки — послаблюється ефект поляризації на межі розділу. Це зумовлює зменшення опору та ємності об'єкта за низьких частот, а за високих — поляризація на межі розділу практично відсутня, тому високочастотний опір майже не змінюється. Таким чином, під час дії ушкоджувальних чинників та відмирання тканини дисперсія її електричних параметрів зменшується. Дисперсія таких параметрів мертвої тканини взагалі відсутня.
Для оцінки життєздатності тканин вводять коефіцієнт поляризації:
К=
де  опір тканини за низьких частот струму;  опір тканини за високих частот.
Наприклад, для печінки ссавців К= 9-10, а печінки жаби — 2-3. К залежить від інтенсивності обміну речовин у тканинах. Під час відмирання тканин коефіцієнт поляризації зменшується, а для мертвої — наближається до одиниці.
У клінічній практиці вимірювання імпедансу використовують для дослідження кровонаповнення органів. Метод реєстрації зміни імпедансу органів під час їх кровонаповнення називають реографією. Використовуючи багатоканальні реографи, можна досліджувати перерозподіл крові між органами в нормі і патології.
Реоенцефалографія — це метод дослідження мозкового кровообігу, який грунтується на реєстрації пульсових коливань імпедансу головного мозку під час проходження через нього струму високої частоти, але малої сили та напруги. Цим методом визначають стан гемодинаміки, характер пульсового кровонаповнення окремих ділянок головного мозку, стан стінок судин та венозного кровообігу.
У фізіотерапії використовують ультрависокочастотні електричні поля. Ці поля зумовлюють поляризаційні явища у тканинах, і, як наслідок, виникає тепловий ефект, який залежить від діелектричної проникності та опору тканин, частотних характеристик поля. Максимальне нагрівання тканин спостерігається в області дисперсії електропровідності, тобто під час інтенсивної поляризації. Тому важливим напрямом розвитку фізіотерапії є дослідження електричних властивостей тканин у діапазонах частот, що зумовлюють лікувальний ефект під час фізіопроцедур.
|