Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
Т.М. Сабельникова, В.Н. Горячева, В.В. Сабельников. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОГО ХИМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА И АНТИСЕПТИКОВ
Т.М. Сабельникова, В.Н. Горячева, В.В. Сабельников
ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОГО ХИМИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА И АНТИСЕПТИКОВ
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
E-mail:smitr@ mail.ru
Приводятся результаты совместной работы кафедры «Химия» МГТУ
им. Н.Э. Баумана и Главного военного клинического госпиталя им. Н.Н. Бурденко. Усилия исследователей были направлены на усиление бактерицидной способности низкочастотного ультразвука при наличии антисептиков малых концентраций. Показано, что в основе процесса подавления бактериальной микрофлоры лежит звукорадикальный механизм химических реакций.
В настоящее время хирургическая инфекция является основной причиной послеоперационных осложнений. Согласно последним статистическим данным, осложнения гнойно-воспалительного характера только за счет хирургической инфекции возникают у 30 % прооперированных больных, а у больных после огнестрельных ранений частота нагноений мягких тканей достигает 60 %. Следует отметить, что в химотерапии любых инфекций ведущее место в настоящее время занимают антибиотики. Однако с каждым годом отмечается постоянное увеличение микроорганизмов устойчивых к воздействию антибиотиков. Поэтому наряду с отработкой и совершенствованием традиционных методов борьбы с инфекцией, прежде всего, антибиотикотерапии, всё большее распространение в хирургической практике находят, так называемые физические средства воздействия, среди которых перспективным является использование ультразвуковых колебаний.
Известно, что низкочастотный ультразвук обладает бактерицидным действием [1, 2]. Однако нами было установлено,что при озвучивании 50 мл бактерицидной взвеси с концентрацией (40–45)?103 микробных тел в одном миллилитре раствора, что соответствует микробному пейзажу типовой инфицированной раны, подавление основных представителей бактериальной микрофлоры (золотистого стафилококка, кишечной палочки, синегнойной палочки и протея), достигается при сравнительно большом времени озвучивания, которое изменяется от 18 до 27 мин. В этом случае возможно негативное действие ультразвука на здоровые клетки и фибринозный слой раны.
Известно, что механизм ультразвукового воздействия на биологические объекты проявляются за счет одновременного действия трех основных факторов: кавитации, акустических течений и звукового (радиационного) давления [3] Исследования показали, что кавитация является решающим фактором, обуславливающим бактерицидное действие низкочастотного ультразвука. Действие ультразвука на биологические объекты сводится к химическому. механическому и тепловому видам воздействия.
Известно, что химическое (окислительное) действие ультразвука сопровождается образованием в озвучиваемой системе свободных радикалов, обладающих большой реакционной способностью [1]. Появление радикалов связано с разрывом молекулярных связей и соответствующей затратой энергии. Так образование свободного радикала ОН- из воды с разрывом связи Н–ОН требует затраты энергии 485 кДж/моль, а образование того же свободного радикала из перекиси водорода с разрывом связи НО–ОН –200 кДж/моль. Можно полагать, что внесение в среду одинакового количества ультразвуковой энергии способствует большему образованию химически активных радикалов в растворе Н2О2 по сравнению с озвучиванием воды, чем объясняется усиление воздействия низкочастотного ультразвука в растворе перекиси водорода.
Как уже отмечалось большинство химических реакций, возникающих в поле ультразвуковых волн, является результатом диссоциации молекул воды на радикалы в кавитационной полости полости на радикалы Н- и ОН-. Под действием ультразвука эти частицы рекомбинируют с образованием молекулярных продуктов разложения воды: молекулярного водорода и перекиси водорода.
Н- + Н- ? H2; OН- + OН- ? H2O2.
Тогда суммарную схему ультразвукового расщепления воды можно представить в следующем виде:
При добавлении к озвучиваемому раствору перекиси водорода в растворе могут происходить следующие химические реакции:
H2O2 + H- = H2O + OH-; 
Таким образом, озвучивание раствора содержащего перекись водорода приводит к образованию радикалов типа OH- и 
, а также радикала Н·, как продукта разложения воды.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана были проведены эксперименты косвенно подтверждающие образование свободных радикалов в озвучиваемых растворах. Исследования были основаны на взаимодействии радикалов с искусственно внесенными в раствор веществами и образовании необратимых химических соединений, например, красителей, которые под действием ультразвука изменяют свою окраску, в большинстве случаев обесцвечиваются. Наблюдаемое обесцвечивание растворов регистрировалось на приборе ФЭК-60 путем изменения оптической плотности стерильной водопроводной воды и 0,1 % раствора Н2О2 в присутствии следующих красителей: метиленового голубого бромтимолового синего и эозина.
Озвучиванию подвергались растворы объемом 50 мл с использованием ультразвуковой установки модели УРСК-7Н с параметрами колебаний: рабочей частотой f = 26,5 кГц и амплитудой смещения торца концентратора А = 40–45 мкм. Установка была оснащена ступенчатым волноводом с экспоненциальным переходным участком общей длиной 125 мм и диаметром рабочего торца волновода 4,0 мм.
На рис. 1 представлены диаграммы, отражающие изменение оптической плотности озвученных в течении 10 мин и неозвученных растворов. Из диаграмм следует, что озвучивание водных растворов красителей способствует снижению их оптической плотности – обесцвечиванию по сравнению с неозвученными растворами, что является косвенным подтверждением взаимодействия красителей с образующимися в растворе (под действием ультразвука) свободными радикалами.
Рис. 1. Изменение оптической плотности растворов
в присутствии красителя:
1 – оптическая плотность исходного раствора красителя;
2 – оптическая плотность озвученного раствора; 3 – оптическая плотность раствора перекиси водорода с красителем; 4 – оптическая плотность озвученного раствора перекиси водорода с красителем
Наличие в неозвученном растворе красителя перекиси водорода способствует ещё большему уменьшению его оптической плотности. Из диаграмм следует, что при использовании в качестве красителя эозина достигается наибольшее обесцвечивание раствора. Так озвучивание раствора Н2О2 приводит к снижению оптической плотности на 30–32 % по сравнению со степенью светопропускания в неозвученой стерильной водопроводной воды. В процессе дальнейших исследований была осуществлена экспериментальная оценка эффективности совместного действия ультразвука и антисептиков на основные виды бактериальной микрофлоры.
Рис. 2. Изменение содержания микробных тел
в растворе от времени воздействия:
1 – воздействие ультразвуковых колебаний;
2, 3, 4 – воздействие антисептиков:
H2O2 // C = 0,1 %/; KMnO4/C = 0,001 %/; HCOOOH / C = 0,01 %/;
5 – воздействие –Y3 + H2O2; 6 – воздействие –Y3 + KMnO4
На примере озвучивания кишечной палочки и стафилококка в присутствии различных антисептических растворов: перекиси водорода Н2О2, перманганата калия KMnO4, надмуравьиной кислоты НСОООН, йода и йодинола было установлено, что наибольшее усиление бактерицидного действия ультразвука отмечается при использовании антисептиков окислительной группы, причем наибольшее сокращение времени озвучивания имеет место при совместном действии ультразвука и перекиси водорода. В качестве примера на рис. 2 представлены зависимости, отражающие эффективность бактерицидного воздействия на стафилококк золотистый в процессе обычного озвучивания, действия антисептиков и совместного действия антисептиков и низкочастотного ультразвука.
Из графиков следует, что при совместном действии ультразвука и перекиси водорода было достигнуто наибольшее сокращение конечного времени озвучивания, более чем в 2 раза (с 27 до 13 мин), при котором обеспечивалась полная 100 % стерилизация раствора. Аналогичные результаты были получены при изучении совместного действия ультразвука и перекиси водорода на остальные бактериальные взвеси: кишечную палочку, протей и синегнойную палочку. Во всех случаях конечное время озвучивания снижалось в 1,7–1,8 раза по сравнению с обычным процессом ультразвукового воздействия.
Результаты выполненных исследований были непосредственно использованы в создании нового метода ультразвуковой обработки инфицированных ран, разработанном в МГТУ им. Н.Э. Баумана. На этот метод был получен патент Российской Федерации за № 2082467 [4]. Предложенный способ ультразвуковой обработки мягких тканей был успешно опробован в ГВКГ им. Н.Н. Бурденко при лечении огнестрельных ран [5].
Выводы
1. Экспериментами установлено, что кавитация и радикальный механизм звукохимических реакций являются определяющими факторами в проявлении бактерицидной способности низкочастотного ультразвука.
2. В целях сокращения необходимого времени озвучивания и сохранения высокого бактерицидного эффекта предлагается интенсифицировать химическое воздействие ультразвука антисептиками малых концентраций. Установлено, что наибольшая эффективность достигается при использовании в качестве антисептика раствора перекиси водорода, что позволяет сократить время стерилизации опробованных бактериальных взвесей от 1,7 до 2,0 раз.
3. Результаты проведенных исследований использованы при разработке на кафедрах «Химия» и БМТ-1 МГТУ им. Н.Э. Баумана нового способа ультразвуковой обработки инфицированных ран, защищенных патентом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Киселев М.Т., Минченя В.Г., Степаненко Д.А. Ультразвук в медицине: монография. – Минск БНТУ 2009. – 427 с.
2. Physical Principles of Medical Ultrasonics / Ультразвук в медицине. Физические основы применения: пер. с анг. / под ред. К. Хилла. – М. Физматлит. 2008. 542 с.
3. Акопян Б.В., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2005 – 224 с., илл.
4. Сабельников В.В., Лощилов В.И., Сабельникова Т.М. Способ ультразвуковой обработки инфицированных ран и устройство для его осуществления / Патент Р.Ф. № 2082 467 от 27.06, 1997.
5. Сабельникова Т.М., Сабельников В.В. Усиление бактерицидного действия ультразвука с помощью дополнительных физико-химических факторов. – М.: 2005. НИИНФ С. 114-116.