128

Лабораторная работа № 12

Физические основы электропроводности

биологических тканей при постоянном токе.

Лечебный электрофорез и гальванизация

Цель: 1.Изучить физические основы применения постоянного электрического тока с лечебной целью.

2.Экспериментально измерить величину подвижности ионов.

3.Изучить устройство и принцип действия аппарата для гальванизации и лечебного электрофореза “Поток-1”.

Литература

1. Ливенцев Н. М. «Курс физики», 1978 г., ч. I, §54; ч. 2, §144, 148.

2. Ремизов А. Н. «Meдицинская и биологическая физика», 1987г., гл. 15, §3, гл. ХУШ, §4.

3. Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. «Медицинская биофизика», 1978 г. гл.9.

Вопросы входного контроля

1. Что такое электрический ток, условия необходимые для его существования?

2. Закон Ома для полной цепи.

3. Закон Джоуля-Ленца.

4. Свойства биологической ткани как электропроводящей среды.

5. Чем объясняется нарушение закона Ома при прохождении постоянного тока через биологическую ткань?

6. С чем связывают первичное действие постоянного тока?

7. Почему у анода и катода возбудимость клетки разная?

8. Каковы меры безопасности при проведении процедуры гальванизации или электрофореза?

1. Краткая теория Электрические свойства тканей

Исследования по изучению электропроводности биологической ткани показали, что в отличие от металлов при пропускании постоянного тока через живую биологическую ткань сила тока не остается постоянной во времени, несмотря на то, что напряжение в цепи не изменяется. Ток непрерывно уменьшается, достигая уровня в сотни, а иногда и в тысячи раз меньше начального, т.е. наблюдается отклонение от закона Ома (см. рис.1.)

Для металлического проводника сопротивление электрической цепи является коэффициентом пропорциональности между током I и напряжением U (закон Ома):

U = RI или I = U/R, (1)

где сопротивление R, может быть, представлено формулой .

I,mA

I = U/R = const (металлы)

Iн 1

2

I = f`(t) (биологическая ткань)

It

0 t,ms

Рис. 1.

Сопоставляя зависимости 1 и 2, представленные на рис.1, следует помнить, что у металлов и биологической ткани разный механизм электропроводности. Если у металлов проводимость электронная, то биологическая ткань - электролит с множеством границ раздела практически непроницаемых для носителей тока – ионов*. Таким образом, изменение силы тока в цепи, содержащей биологическую ткань, может быть связано с электрокинетическими явлениями, происходящими в ней.

* С точки зрения строения биологическая ткань - сложная неоднородная (гетерогенная) структура. Ее гетерогенность обусловлена как наличием биологических мембран, так и сложных белковых образований. Мембраны окружают клетки, клеточные органоиды, образуют эндоплазматическую сеть, т. е. делят весь объем клетки на ограниченные области (компартменты). И если цитоплазма и межклеточная среда, являясь электролитами, обладают относительно низким сопротивлением в силу наличия большого числа обладающих высокой подвижностью свободных носителей заряда (ионов), то мембраны можно считать диэлектриками, так как их сопротивление порядка Rм ~ .

Внешнее электрическое поле, вызывая смещение свободных ионов тканевых электролитов к противоположным по знаку полюсам, приводит к накоплению заряженных частиц у непроницаемых преград - плазматических мембран и у приэлектродной области (электролитическая поляризация) (рис.2). Ориентирующее действие на связанные заряды со стороны электрического поля также вносит определенный вклад в поляризацию среды (электронная, ионная, дипольная и др. поляризации).

В совокупности рассмотренные явления приводят к общей поляризации Р(t) среды под действием внешнего электрического поля, причем в начальный момент времени это происходит за счет тех видов поляризации, которые имеют меньшее время релаксации.

Е0 = 0 Е0 > 0

P(t) = 0 P(t) < 0

д

а) внешнее поле E₀ = 0, Р(t) = 0; b) внешнее поле Е₀ > 0, Р(t) < 0.

Результирующее поле E(t) = E₀ - Р(t).

Рис. 2.

Несложно заметить, что образующееся в тканях внутреннее поляризационное поле Р(t), имея встречное направление по отношению к внешнему Е0, ослабляет его Е(t) < Е₀ (принцип суперпозиции), уменьшая тем самым и силу тока.

Т ак как ЭДС поляризации P(t) является функцией времени, то закон Ома для живой биологической ткани может быть представлен в следующем виде:

(2)

где:

P(t) - ЭДС поляризации живой биологической ткани, обусловленная ее способностью накапливать электрические заряды при прохождении электрического тока;

U - разность потенциалов создаваемая внешним источником тока;

R - активное сопротивление биологической ткани.

Рассмотренные электрокинетические явления, вследствие изменяющегося ионного соотношения между цитоплазмой и межклеточной средой, неизбежно вызовут изменение порогового потенциала клетки: в области катода (К) он снижается, а в области анода (А) - повышается (см. также рис 3а, б). Это не может не вызвать изменения функционального состояния клеток и отразится на их возбудимости.

t,мс t,мс

- пороговый пот. - пороговый пот.

а) б)

Рис. 3.

а ) - мембранный потенциал у катода (уменьшение порога возбудимости - 0);

б) - мембранный потенциал у анода (увеличение порога возбудимости - > 0).

Кроме влияния на возбудимость клеток, изменение плотности ионов у биологических мембран порождает ответную реакцию клеток в виде их активного противодействия нарушению утраченного равновесия, что неизбежно вызовет резкое повышение скорости обменных процессов. Изменится кислотно-щелочное равновесие, водосодержание и др. физико-химические свойства тканей и, в конечном счете, явится ответной реакцией всего организма на действие постоянного тока.

Первичное действие постоянного тока связывают с поляризационными явлениями в биологической ткани.

Эти процессы лежат в основе физиотерапевтического метода – гальванизации. Принято считать, что постоянный ток раздражающими действиями не обладает. Однако, это справедливо лишь при малых плотностях тока до ~ 0,1мА/см².

Возбуждение клетки может возникнуть тогда, когда поляризационные явления на клеточной мембране достигают такого предельного значения, что дальнейшее их повышение приводит к пробою биологической мембраны и гибели клетки.