Физика/7. Оптика

Аспирант Герасименко А.Ю.

Московский государственный институт электронной техники

(технический университет), Россия

Лазерная сварка биологических тканей с использованием нанокомпозитного припоя на основе водной дисперсии альбумина

Одним из важнейших этапов хирургической операции является соединение разрезов поврежденных органов и биотканей. Для восстановления их целостности возможно использование лазерной сварки (ЛС).

К достоинствам ЛС по отношению к обычным методам соединения органов и тканей относится быстрота процедуры, создающей также возможность гидроизоляции места сварки. По сравнению с УЗ и электрической сваркой применение волоконных световодов позволяет в случае ЛС работать с закрытыми операционными полями, облегчая использование эндоскопических и лапароскопических методов.

Выбор длины волны облучения имеет большое значение в практике лазерной медицины.

Наиболшое практическое значение имеет применение ИК диодных лазеров, что позволяет осуществлять объёмный (на глубину до ~ 1 см) прогрев биотканей. При осуществлении ЛС применяют лазерные припои (ЛП), которые наносятся в области соединения тканей и органов. ЛП интенсивно поглощают лазерное излучение, тем самым участвуя не только в создании эффекта первоначального сцепления краев раны, но и в обеспечивая увеличение прочности получаемых сварных швов (СШ).

В составе ЛП наиболее употребляемы коллоидные водные суспензии (дисперсии) альбумина по следующим причинам: 1) добавление альбумина повышает адгезию тканей; 2) термическая стабильность альбумина допускает его длительное нагревание во время ЛС, что дополнительно способствует инактивации вирусов гепатита и ВИЧ; 3) благодаря своим связывающим свойствам, альбумин способен уменьшать воспаление и образование тромба на свариваемом участке.

На практике обычно приходится иметь дело с бычьим сывороточным альбумином (БСА), который обеспечивает наибольшую прочность лазерных СШ по сравнению с другими типами альбуминов.

Хотя ЛС с применением ЛП из БСА вполне способно заменять сшивание операционной раны иглой и нитью, тем не менее, ЛС не всегда обеспечивает такую же прочность лазерных СШ в первые дни после операции, как в случае создания обычных хирургических швов [1]. По этой причине вызывает интерес исследование возможности ЛС с применением ЛП на основе углеродных нанотрубок (УНТ). В этом случае можно ожидать достаточно быстрое структурирование соединительного материала и увеличение его прочности, как это происходит в объемных нанокомпозитных материалах на основе альбумина и УНТ, создаваемых под действием лазерного излучения [2].

На эксперименте рабочие растворы ЛП получали после добавления к дисперсиям БСА нескольких типов УНТ и других углеродных частиц. В экспериментах использовались следующие виды УНТ: многослойные нанотрубки производства МИЭТ (МУНТ I) и типа «Таунит» (МУНТ II), а также однослойные нанотрубки (ОУНТ) фирмы «НаноКарбонЛайт». Наружный диаметр нанотрубок МУНТ I составлял от 3 до 30 нм, МУНТ II - 20-40 нм при средней длине от 2 мкм. Средний диаметр нанотрубок ОУНТ I был ~ 1 нм, при длине ~ 1 мкм. Использовалась также сажа К-354 и мелкоразмельченный (средние размеры частиц £ 10 мкм) активизированный уголь (МРАУ). Концентрация УНТ и других углеродных частиц составляла 0,1-0,3 вес. %.

В качестве объектов исследований прочности на разрыв использовались плоские образцы хрящей бычьей трахеи и свиной кожи, имевшие длину 30-33 мм, ширину 2-4 мм и толщину 0,5-1,5 мм.

Перед началом ЛС образцы промывались, с их поверхности удаляли лишнюю влагу и прикрепляли к специальной платформе, которая позволяла вращать и равномерно облучать их со всех сторон. В середине полоски делался сплошной поперечный прорез, полученные поверхности смазывались ЛП, после чего они фиксировались на прежних местах. В качестве источника облучения использовался непрерывный ИК диодный лазер с оптоволоконным выводом излучения ( = 0,97 мкм).

Процедура ЛС состояла в размещения на ЛП лазерного пятна, передвигаемого вдоль линии припоя. В зависимости от состава припоя менялась продолжительность облучения (2-5 мин) при мощности излучения на волокне 10-20 Вт.

После проведения ЛС производились измерения прочности образцов на разрыв с помощью динамометра. В таблице 1 приведены значения лазерных СШ для ЛП на основе различных материалов (0,1 вес. %) и величины для биотканей. Указаны также значения /. Использовался ЛП на основе водной дисперсии БСА (28 вес. %).

Таблица 1 – Прочность на разрыв сварных лазерных СШ

Составы лазерных биоприпоев	Прочность на разрыв
	Свиная кожа = (15±5) МПа		Бычий хрящ = (6±2) МПа
	, МПа	/, %	, МПа	/, %
1. БСА	0,4±0,1	2,7	0,9±0,3	15
2. БСА+сажа	0,3±0,1	2,0	0,6±0,2	10
3. БСА+МРАУ	0,2±0,1	1,3	0,5±0,2	8,3
4. БСА+МУНТ I	1,4±0,3	9,3	1,9±0,5	32
5. БСА+МУНТ II	1,2±0,3	8,0	1,4±0,4	23
6. БСА+ОУНТ	0,8±0,3	5,3	1,7±0,5	28

Данные таблицы 1 указывают, что введение сажи и активизированного угля в состав ЛП в случае исследованных биотканей ~ на 30 и 50 % уменьшает прочность лазерных СШ по сравнению с ЛП на основе БСА. В отличие от этого, использование ОУНТ увеличивает прочность лазерных СШ по сравнению с ЛП на основе БСА ~ в 2 раза, а применение МУНТ I и II дает увеличение прочности швов в 2-3 раза.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (Госконтракт № П216 от 23.04.10).

Литература

1. Katzir A. Fiber optics in surgery // Biophotonics International. – 2008. – N 1. – P. 37-39.

2. Подгаецкий В.М., Савранский В.В., Симунин М.М. и др. Получение объемных нанокомпозиций на основе водного раствора альбумина под действием лазерного излучения // Квантовая электроника. – 2007. Vol. 37. – N 9. – Р. 801-803.