Действие сил на клетки в суспензии в поле стоячей ультразвуковой волны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.02, кандидат физико-математических наук Садикова, Диана Габдельфартовна

• Садикова, Диана Габдельфартовна
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Садикова, Диана Габдельфартовна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Пондеромоторные силы

1.2. Основные концепции и обзор методов ультразвукового 16 разделения и концентрирования частиц в суспензиях

1.3 Состояние исследований по действию сил на частицы и 22 клетки в ультразвуковом поле.

1.4 Изменение скорости ультразвука и сжимаемости в 25 растворах и суспензиях.

1.5. Метрология ультразвукового поля

1.6. Биологические эффекты ультразвука.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Метрология ультразвуковых полей

3.2 Параметры необходимые для расчета сил, действующих в 56 ультразвуковом поле на клетки в суспензии

3.3. Силы, действующие на клетки в поле стоячей 67 ультразвуковой волны

3.4 Условия удержания клеток в ультразвуковом поле в потоке 82 жидкости

3.5. Концентрирование клеток в поле стоячей ультразвуковой 90 волны

3.6. Жизнеспособность клеток

3.7 Распределение клеток и кавитационных пузырьков в ультразвуковом поле

3.8. Акустические течения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Действие сил на клетки в суспензии в поле стоячей ультразвуковой волны»

Актуальность темы.

Актуальность этого исследования обуславливается: быстрым развитием . ультразвуковых методов разделения и концентрирования клеток в суспензиях; отсутствием количественных данных о волновых параметрах для большинства клеток и сред для их культивирования и суспендирования; возможностью эффективного использования методов, которые представляют взаимозависимости рассчитанных сил, теоретически предсказывающих возможности разделения и концентрирования клеток различного происхождения методом ультразвукового продольного селектирования и концентрирования.

Исследования биологических систем на клеточном уровне организации, на уровне тканей и организма в целом связано с использованием ряда технических систем и методов, которые обеспечивают разделение и концентрирование клеток, и являются длительными и дорогостоящими (например, центрифугирование, электрофорез). Дальнейшее развитие этой области зависит не только от разработки новых, более совершенных методов концентрирования и разделения с помощью ультразвуковой техники, но и от изучения физических законов и процессов, лежащих в основе целого класса новых ультразвуковых методов как препаративного, так и диагностического назначения.

В медицинской диагностике ультразвук применяется для ускорения проведения серологических реакций, ускорения реакции агглютинации, проведения иммуносуспензионного анализа методом флуоресцирующих антител. Первичным механизмом перечисленных применений ультразвука является действие различных сил ультразвукового поля на клетки и частицы в суспензиях. Перераспределение клеток в объеме под действием сил, действующих на клетки в ультразвуковом поле, привели к развитию ряда новых методов концентрирования и разделения клеток в поле стоячей ультразвуковой волны для медицинских, биотехнологических целей и для научных исследований в области биологии клетки.

Следует сказать, что акустическое управление отдельными (или немногочисленными) частицами является широкой областью исследования, с возможными практическими приложениями, например, в микроскопии [Hertz Н.М. 1995, Wu J. 1991], приготовлении образцов [Holwill I.L., et al. 1995], биотехнике [Takeuchi М., Yamanouchi К. 1994], микромеханической обработке [Kozuka Т., et. al. 1995, 1996] или космических технологиях [Collas P., et al. 1989].

Крайне важным при работе с клетками в ультразвуковых полях является исследование механизмов (кавитационного, теплового и механического) биологического действия, ультразвука для определения функционального состояния клеток и выделения клеток в нативном виде. В зависимости от интенсивности ультразвука может преобладать один из механизмов. Поэтому важно провести оценки вкладов каждого из перечисленных факторов при формировании физических и биологических эффектов.

В терапевтическом диапазоне интенсивностей необходимо обращать основное внимание на изменение функционального состояния клеток под действием механических факторов воздействия: пондеромоторных сил, действующих в ультразвуковых полях на клетки, микротечений. При повышении интенсивности ультразвука рассматриваются тепловые факторы воздействия как преобладающие. При дальнейшем повышении интенсивности ультразвука рассматриваются в первую очередь кавитационные эффекты, как правило, приводящие к повреждению биологических систем по свободнорадикальному механизму и за счет образования мощных микротечений вблизи кавитирующих или осциллирующих микропузырьков.

В настоящее время существует ряд работ, которые посвящены рассмотрению действию сил на различные клетки и частицы в ультразвуковом поле [Coakley W.T. 1997, Hawkes J J., Coakley W.T. 2001, King L.V., 1934, Weiser A.H., Apfel R.E., 1984, , Kawasima Y., Yoshioka K., 1955]. Однако многие из них ограничиваются рассмотрением либо отдельных сил, либо теоретическими расчетами на основании литературных данных. До настоящего момента не проводилось анализа всех физических параметров (плотности, сжимаемости, скорости звука для большинства клеток и сред культивирования), влияющих на поведение клеток в стоячих ультразвуковых волнах. Для большинства клеток нет расчета сил, и полного анализа действия всех сил в поле стоячей ультразвуковой волны на клетки в суспензиях. Поэтому, большой интерес представляют исследования основных параметров объектов воздействия и сред культивирования, с помощью которых можно управлять процессом концентрирования и разделения клеток в ультразвуковом поле. Цель работы.

Исследование сил, действующих на клетки в суспензии в поле стоячей ультразвуковой волны, и параметров действующего фактора, клеток и сред культивирования, определяющих величины этих сил в методах ультразвукового концентрирования и селектирования нативных клеток. Основные задачи исследования:

1. Получение и анализ параметров, связанных с ультразвуком, с клетками и средами суспендирования, лежащих в основе процессов концентрирования и разделения клеток.

2. Расчет сил, действующих на клетки в стоячей ультразвуковой волне.

3. Теоретическое определение граничных условий для концентрирования и разделения клеток на основании рассчитанных сил.

4. Экспериментальное подтверждение полученных данных.

5. Проверка жизнеспособности клеток при воздействии на них ультразвукового поля.

Научная новизна. v

Впервые исследован весь комплекс физических параметров, влияющих на динамику перемещения клеток различного вида в узлы или пучности ультразвукового давления в поле стоячей ультразвуковой волны под действием пондеромоторных сил. Мы выявили 15 существенных параметров относящихся как к клеткам и средам культивирования, так и к ультразвуку, как воздействующему фактору.

Проведен анализ действия сил на клетки в суспензиях, находящихся в поле стоячей ультразвуковой волны при различных средних плотностях энергий поля.

Рассчитаны силы радиационного давления, Стокса, Бьеркнеса, Бернулли и гравитационные силы применительно к клеткам, имеющим разную природу, размеры и физические параметры.

Найдены граничные условия, позволяющие подбирать условия для эффективного разделения и концентрирования клеток в камере для проточного селектирования.

Теоретически исследованы повреждающие факторы, которые могут возникнуть при концентрировании клеток в ультразвуковом поле. Показано, что основные повреждающие факторы, которыми могут являться акустические микротечения и образование сдвиговых напряжений, возникающих около клеток, не вызывают повреждений исследуемых клеток в исследованном нами диапазоне средних плотностей энергии и частот ультразвукового поля.

Практическая значимость работы. Результаты данного исследования могут быть использованы для разработки и оптимизации ультразвуковых методов быстрого выделения, сепарации и концентрирования клеток различного типа в суспензиях. Они могут найти применение в биологии, биотехнологии, молекулярной биологии, гидробиологии, экологии, медицинской диагностике.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Садикова, Диана Габдельфартовна

ВЫВОДЫ

Впервые для ряда клеток (эритроцитов морских свинок и крыс, дрожжей) измерены параметры клеток и сред культивирования, включая: скорости ультразвука в материале клеток, плотности клеток и сред, сжимаемости клеток и сред культивирования. Для исследованных клеток, рассчитаны силы радиационного давления, силы Стокса, Бьеркнеса, Бернулли и гравитационной силы на основании экспериментальных данных. Выделены силы, определяющие процесс удерживания клеток различных типов: радиационная и сила Стокса, возникающая при протоке сред культивирования. Скорость протока определяет производительность систем ультразвукового селектирования.

Предложен метод определения параметров эффективного удерживания и разделения клеток различного вида в узлах переменного давления стоячей ультразвуковой волны в системе координат: линейных скоростей протока среды и средней плотности энергии ультразвукового поля Условием удержания клеток является соотношение Fr > Fstt.

Показано экспериментально, что в течение 10 минутного облучения клеток полем стоячих ультразвуковых волн исследуемые клетки остаются в нативном состоянии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Появление метода ультразвукового селектирования для выделения, разделения и концентрирования клеток в суспензии позволило решить задачу быстрого, эффективного и неинвазивного способа работы с клетками в динамическом режиме.

Проведенные в данной работе исследования позволили выявить ряд зависимостей, имеющих важное значение для применения метода ультразвукового селектирования. Кроме того, эти исследования позволили более точно и полно описать механизмы действия сил на клетки в суспензии в стоячей ультразвуковой волне и выделить граничные условия для концентрирования и разделения клеток с применением метода продольного ультразвукового селектирования.

Например, полученные данные о силах, действующих на клетки, позволили выделить 15 основных управляющих параметров, которые в дальнейшем могут быть использованы при развитии метода разделения и концентрирования клеток в суспензии с помощью стоячей ультразвуковой волны.

Параметры, относящиеся к ультразвуковому полю:

I) частота ультразвука, 2) средняя плотность энергии, 3) форма поля или пространственное распределение интенсивности (плоский или фокусирующий излучатель), 4) параметры модуляции ультразвука.

Параметры, относящиеся к клеткам: 5) размеры клеток, 6) форма клеток, 7) скорость ультразвука в материале клеток, 8) плотность нативных клеток, 9) плотность поврежденных клеток, 10) исходная концентрация клеток.

Параметры, относящиеся к среде культивирования:

II) скорость ультразвука в среде культивирования, 12) плотность среды, 13) температура среды.

Параметры, относящиеся к потоку среды культивирования:

14) скорость прокачки среды через ультразвуковую камеру,

15) распределение скоростей в потоке (равномерность движения среды в разных участках ультразвуковой камеры.

Данные о возможных повреждающих факторах, такие как сдвиговые напряжения, а так же исследования жизнеспособности клеток, позволяют утверждать, что условия работы с клетками в ультразвуковом поле является безопасным.

Метрологические исследования, дали более полную картину места нахождения клеток в поле стоячей ультразвуковой волны.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Садикова, Диана Габдельфартовна, 2009 год

1. Бергман Л. Ультразвук. Изд. Ин. Лит. Москва. 1956.

2. Букин В.А. Дис. . канд. Физ.-мат. наук. Пущино. 1982.

3. Волоцкой М.П., Гаврилюк Б.К., Елецкий B.C., Князьков Н.Н. Способконцентрирования частиц жидкой дисперсной системы. // А.С. СССР №893880, 1980.

4. Волькенштейн М.В. Биофизика. Наука, М. 1988. Горелов С.Е. Дис. . канд. биол. наук. Пущино. 1987.

5. Девдариани А.К., Колобов Н.П., Маренина К.Н. Ультразвуковое исследование объемных свойств водных растворов некоторых электролитов. // Журнал физической химии. 1973. Т. XLVII. №. 12. 30063009.

6. Маргулис М.А. О кинетике изменения числа кавитационных пузыриков в ультразвуковом поле. // Акустический журнал 1976. Т. 22. вып. 2. С. 261265.

7. Ультразвук. Гл. ред. Голямина И.П. Изд. Сов. Энциклопедия. 1979 стр. 265.

8. Харакоз Д.П. Дис. . канд. биол. наук. 1983.

9. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. Изд. Ленинградского университета. Ленинград. 1980. 104-114

10. Яковлев Ю.Ю. Трехмерная реконструкция мозга моллюска Lymnaea stagnalis. Дис. канд. биол. наук. Пущино 2001 г.http://www.img.ras.ru/Sec/DevinLecture.doc Введение в молекулярную генетику дрожжей сахаромицетов.

11. Benes Е., Hager F., Bolek W., Groschl M. Separation of dispersed particles by drifting ultrasonic resonance fields. // Ultrasonics Int. Conf. Proc. (Cambridge: Butterworth-Heinmann) 1991. pp 167-70.

12. Coakley W.T. Ultrasound separations in analytical biotechnology. // TIBTECH DECEMBER 1997. vol. 15

13. Coakley. Investigation of enhancement of two processes, sedimentation and conjugation, when bacteria are concentrated in ultrasonic standing waves. // Bioseparation 9: 343-349, 2001.

14. Coakley W.T., Hawkes J J., Sobanski M.A., Cousins C.M., Spengler J. Analytical scale ultrasonic standing wave manipulation of cells and microparticles. // Ultrasonics 38 (2000) 638-641.

15. Collas P., Barnatz M., Shipley C. Acoustic levitation in the presence of gravity. // J Acoust Soc Am 86(2) (1989) 777-787.

16. Crum L.A., Bjerknes forces on bubbles in a stationary sound field. // J. Acoust. Soc. Am. 57(6) (1975) 1363-1370.

17. Doblhoff-Dier O., Gaida Т., Katinger H., Burger W., Groschl M., Benes E. A novel ultrasonic resonance field device for the retention of animal cells. // Biotechnol Prog 10(4) (1994) 428-432.

18. Doinikov A.A., Theory of acoustic radiation pressure for actual fluids, // Am. Phys. Soc. v. 54 №6 1996. ■

19. Doubrovski V.A. and Konstanten N. Dvoretski. Ultrasonic wave action upon the red blood cell agglutination in vitro. II Ultrasound in Med. & Biol., Vol. 26, No. 4, pp. 655-659, 2000.

20. Fittipaldi F. Particle coagulation by means of ultrasonics. // Acustica 41(4) (1979)263-266.

21. Fontaine I., David Savery, and Guy Cloutier. Simulation of Ultrasound Backscattering by Red Cell Aggregates: Effect of Shear Rate and Anisotropy. // Biophys. Journal V. 82 April 2002 1696-1710.

22. Frank A., Bolek W., Groschl M., Burger W., Benes E. Separation of suspended particles by use of the inclined resonator concept. // Ultrasonics International '93.

23. Fukada K.M. Kawasaki T. Seimiya Y. Abe M. Fujiwara K. // Ohbu Colloid Polym Sci 278:576-580 (2000)

24. Gupta S. and Donald L. Feke lea Manas-Zloczower. Fractionation of mixed particulate solids according to compressibility using ultrasonic standing wave fields. // Chemical Engineering Science Volume 50. Issue 20 , October 1995, Pages 3275-3284.

25. Hawkes J.J. and Coakley W.T. Force field particle filter, combining ultrasound standing waves and laminar flow. // Sensors and Actuators B: Chemical Volume 75, Issue 3 , 15 May 2001, Pages 213-222.

26. Hawkes J.J., David Barrow and Coakley W.T. Microparticle manipulation in millimetre scale ultrasonic standing wave chambers. // Ultrasonics Volume 36, Issue 9 , August 1998, Pages 925-931.

27. Hawkes J.J., David Barrow, Joseph Cefai and Coakley W.T. A laminar flow expansion chamber facilitating downstream manipulation of particles concentrated using an ultrasonic standing wave. // Ultrasonics Volume 36, Issue 8 , July 1998, Pages 901-903.

28. Hawkesy J.J, Cefaiz J.J, Barrowyx D.A, Coakley W'.T. and Briartyk L Greg. Ultrasonic manipulation of particles in microgravity. // J. Phys. D: Appl. Phys. 31 (1998) 1673-1680. Printed in the UK.

29. Herzfeld K. F., Propagation of Sound in Suspensions, // Phil. Mag. (7), 9, 752 (1930).

30. Hertz H.M. Standing-wave acoustic trap for no intrusive positioning of microparticles. // J Appl Phys 78(8) (1995) 4845-4849.

31. Holwill I.L., Davies G.B., Titchener-Hooker N.J., Hoare M. Particlemanipulation by ultrasonic standing wave field to complement dynamic lightscattering experiments. // Part Syst Charact 12(3) (1995) 139-147.

32. Hurrell A. The reconstruction of transducer vibration patterns from theamplitude distribution of the radiated pressure field alone. // Ultrasonics 341996)91-97.

33. King L.V., On the acoustic radiation pressure on sphere, // Proc. R. Soc. London A147 (1934) 212-240.

34. Mantysalo M. and Mantysalo E. Extraction and filtering in ultrasonic field: finite element modeling and simulation of the processes. // Ultrasonics 38 (2000) 723-726.

35. Takashi M. and Tetsuo O. Ultrasonic Radiation Novel Principle for

36. Microparticle Separation. //ANALYTICAL SCIENCES 2001, vol. 17 2001

37. Takeuchi M., Yamanouchi K. Ultrasonic micromanipulation of small particlesin liquid. // Jpn J Appl Phys (Part 1) 33(5B) (1994) 3045-3047.

38. Tibor Hianik, Peter Rybar, Ingolf Bernhardt. // Bioelectrochemistry 52 2000197.201

39. Tolt T.L., Feke D.L. Separation devices based on forced coincidence response of fluid-filled pipes. // J Acoust Soc Am 91(6) (1992) 3152-3156.

40. Whitworth G., Grundy M.A., Coakley W.T. Transport and harvesting of suspended particles using modulated ultrasound. // Ultrasonics 29(6) (1991) 439-444

41. Wu J. Acoustical tweezers. // J Acoust Soc Am 89(5) (1991) 2140-2143 Yasuda K., Umemura S., Takeda K. Concentration and fractionation of small particles in liquid by ultrasound. // Jpn J Appl Phys (Part 1) 34(5B) (1995) 2715-2720.

42. Yoshioka K., Kawasima Y., Acoustic radiation pressure on a compressible sphere. // Acustica 5 (1955) 167-173.