Еще в начале 1960-х гг. биофизики в Японии показали, что костная ткань обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. при механических нагрузках в костях появляются слабые электрические токи.
Во многих странах начались исследования этого эффекта, и вскоре было установлено, что эти токи необходимы для поддержания нормального физиологического состояния кости: при отсутствии переменных нагрузок и соответствующих им переменных токов меняется активность клеток кости. Активность остеокластов, ответственных за разрушение (резорбцию) кости, растет, а активность остеобластов, ответственных за построение (оссификацию) кости, падает. Это явление было использовано в работах профессора Илизарова – чем раньше после перелома нагрузить кость, тем быстрее и лучше она срастается.
Изучением пьезоэлектрических токов и образуемых ими полей заинтересовался выпускник МФТИ Сергей Щукин. Совместно с биологами он разработал аппаратуру для их регистрации и изучил механизм появления токов в костях. Еще во время учебы он показал, что в трубчатых костях человека и животных имеются собственные напряжения даже в состоянии полного покоя: внутренние слои костей сжаты, внешние растянуты, при этом напряженные зоны увеличивают прочность кости.
Если кость сломана, напряженное состояние исчезает, пьезоэффект в кости не возникает, токов нет. Очевидно, что при этом изменяется баланс активностей остеокластов и остеобластов. Значит надо подать на кость токи, соответствующие ее здоровому состоянию, чтобы этот баланс восстановить, и тогда можно надеяться, что кость срастется быстрее.
С помощью разработанной и запатентованной специальной аппаратуры «Каскад» на поврежденные места кости подавались токи, параметры которых подбирались в зависимости от возраста, состояния здоровья и других особенностей пациента. Многим это помогало, и кости срастались быстрее обычного. Но так было далеко не во всех случаях.
При дальнейших исследованиях выяснилось, что электрические поля возникают не в кости, а в сосудах, пронизывающих ее. В модернизированном аппарате «Каскад-синхро» специальные инфракрасные датчики, связанные с компьютерной системой обратной связи, накладываются на кожу пациента (никаких надрезов и проколов не требуется). Аппарат автоматически подстраивается под индивидуальные особенности организма пациента, создавая токи необходимой формы, силы и частоты. Это усиливает лечебный эффект, ускоряет выздоровление, часто позволяет отказаться от болезненных операций, без которых ранее обойтись не могли.
В ряде клиник России проверили возможности аппаратуры, для лечения сердечно-сосудистой системы. «Каскад-синхро» заметно повысил эффективность лечения многих сосудистых заболеваний, ишемической болезни сердца, ускорял выздоровление после инфарктов.
Так плодотворное сотрудничество биологов и физиков привело к разработке нового класса терапевтической аппаратуры и взаимно обогатило обе науки.
От редакции. В середине 1960-х гг. пьезоэлектрическим эффектом в костной ткани занимались ученые МГУ им. М.В. Ломоносова д.ф.-м.н. Г.Н. Зацепина и к.ф.-м.н. С.В. Тульский. Их интересовала, в частности, проблема недостаточных физических нагрузок у космонавтов во время полетов. Тогда же были разработаны и первые электрические стимуляторы костной ткани. Вскоре, однако, выяснилось, что пьезоэлектрические эффекты – лишь малая часть общей системы электрической регуляции физиологических функций организма. В результате исследований в начале 1970-х гг. был создан новый стимулятор, который прошел испытания в Центральном институте травматологии и ортопедии. Он оказался эффективным даже при несрастающихся переломах и таких неизлечимых заболеваниях, как спонтанное рассасывание кости. С его помощью были спасены жизни более 120 неизлечимо больных. При небольших модификациях этот стимулятор оказался эффективным при лечении пародонтоза, некоторых патологий глаз и других заболеваний. Стимулятор давно описан в открытой научной печати и не защищен патентами, так что любой человек с некоторыми навыками в радиотехнике может его собрать и использовать, благо никакого вреда организму это принести не может.
Пьезоэффект костной ткани это
Ряд экспериментальных данных свидетельствует не в пользу пьезоэлектрической теории. Изучение в эксперименте влияния перемежающейся функциональной нагрузки, создаваемой с помощью электромагнитного устройства, на структурную организацию кости выявило аппозицию костного вещества как на стороне растяжения, так и на стороне сжатия. На основании этих данных предложена модификация биоэлектрической теории физиологической перестройки костей, согласно которой как отрицательные, так и положительные потенциалы могут обусловливать сдвиг ионов и являться, таким образом, неспецифическим активатором функции клеток.
Существование пьезоэлектрических эффектов в костной ткани является установленным фактом. Однако каких-либо убедительных доказательств их роли в физиологической перестройке костной ткани до настоящего времени не получено. Это обусловлено значительными экспериментальными трудностями, так как данные о точной природе, физико-химическом субстрате, значении пьезоэлектричества в жизнедеятельности костной ткани носят дискуссионный характер, а вопрос о «стимуляции» заживления переломов с использованием электрического тока в клинических условиях остается нерешенным.
По нашему мнению, если биоэлектрическая теория верна, то путем применения токов, однотипных тем, что возникают при деформации кости, можно было бы поддерживать процесс костеобразования непрерывно. Однако это предположение противоречит многочисленным экспериментальным и клиническим наблюдениям, показывающим, что процессы костеобразования и резорбции топографически не разобщены и идут параллельно во всех отделах кости, протекая либо с преобладанием резорбции, либо аппозиции костного вещества. Следовательно, в основе процессов остеогенеза и остеорезорбции, в том числе и при физиологической перестройке кости, лежат другие механизмы.
Читайте также: Виды тканей растений механическая находится в
Широкое распространение получила микротравматическая теория, которая базируется на гистоморфологических данных, полученных при исследовании аутопсииного материала, взятого у погибших людей со здоровыми тазобедренными суставами и у больных с различной патологией этого же сустава (перелом шейки бедренной кости, ревматоидный артрит, остеоартроз). Обнаруженные в срезах головки бедренной кости микротрещины, микропереломы и, как их следствие, муф-тообразнке утолщения костных перекладин (заживление переломов) упомянутые исследователи рассматривали как повреждения при чрезмерных функциональных нагрузках, которые лежат в основе механизма физиологической перестройки костной ткани.
Однако эти данные не подтверждаются результатами экспериментальных исследований, полученных при компрессионном артродезе и продольном сдавлении коленного сустава у собак с усилием, превышающим в6— 10 раз массу тела животного. Кроме того, если допустить, что «микротравма» является причиной физиологической перестройки костной ткани, то каким образом объяснить процесс перестройки при гиподинамии и при полном выключении функции конечности, когда о каких-либо переломах костных перекладин, и тем более компактной кости, говорить не приходится. Вызывает сомнение и возможность возникновения переломов костных перекладин при сохранении целостности компактной кости.
Согласно теории рефлекторного адаптационно-трофического влияния нервной системы функциональная нагрузка вызывает раздражение рецепторных приборов, рефлекторную гиперемию и усиление метаболизма, способствуя процессу костеобразования. Каких-либо прямых доказательств этой теории авторы не приводят.
Биосфера
Остеопат Гуричев Арсений Александрович
Кости. От мистики до анатомии
Анатомо-гистологическое строение кости представлено межклеточным веществом, продуктом остеобластов, и расположенным в нём клеток: остеоцитов и остеокластов. Остеоциты подобны остеобластам, но слабо функционируют, зато имеют отростки, что создаёт условия для циркуляции жидкости. Остеокласты отличаются от остеоцитов и остеобластов по форме, структуре и функции – на них возложена резорбция костного вещества.
В межклеточном веществе принято различать органический и неорганический матрикс. Органический матрикс состоит из основного вещества в виде белково-полисахаридных комплексов и фибриллярных структур – коллагена.Неорганический матрикс представлен в основном гидроксиапатитом. Кроме гидроксиапатита в составе неорганического матрикса содержится трикальцийфосфат и карбонат-аппатит.
Кость можно рассмотреть как среду с 5 уровнями (Кнетс И.В., 1971 и др.):
1 уровень. Молекула коллагена толщиной 2 нанометра. Она состоит из 3 спиральных цепочек. По некоторым данным молекула тропоколлагена имеет связь с неорганическими кристаллами, по другим – нет.
2 уровень. Микрофибриллы коллагена, образованные по одним данным пятью молекулами тропоколлагена, по другим – семью. Микрофибриллы содержат кристаллы. Эта такая волосинка толщиной 100 нанометров на которой со всех сторон налипли гексагонально-дипирамидальной формы кристаллы длиной около 225, толщиной около 10 нанонометров.
Вроде они – кристаллы – маленькие, но в 1 грамме кости общая площадь кристаллов гидроксиапатита составляет порядка 250 квадратных метров, а для всей костной ткани скелета – около 2 квадратных километров.
3 уровень. Микрокристаллы связанные с микрофибриллами образуют соединения в продольном и поперечном направлении, что создаёт армирующую конструкцию.
4 уровень. Ламеллы – тонкие пластинки, первичный элемент кости, состоящий из коллагено-минеральных веществ, скреплённых вяжущим веществом.
5 уровень. Остеон (гаверсова система) – структурная единица костной ткани. Гаверсова система состоит из вставленных один в другой 5 — 20 ламелл, имеющих здесь цилиндрическую форму. Они ограничивают центральный – гаверсов — канал. Коллагеновые волокна смежных пластин расположены под углом друг к другу. В канале проходят кровеносные сосуды и нервы; каналы соединяются друг с другом радиальными каналами, этим же осуществляется и связь с сосудами надкостницы и костным мозгом.
Учитывая строение костной ткани её рассматривают как композитное вещество (Кортен Х.Т., 1976, Розен Б.У. Дау Н.Ф, 1976) и этим объясняются её прочностные свойства.
Но надо учесть, что большинство работ рассматривает мёртвую кость… Как и вся наша анатомия – это анатомия трупа, а не человека. Физические свойства живой кости отличаются от свойств кости без надкостницы, кости — без жидкостного компонента. Экспериментально установлено, что модуль упругости влажной, но уже мёртвой кости на 60% ниже, чем высушенной.
Установлены и другие процессы в кости: вот пьезоэлектрический эффект – поляризация под действием механических напряжений – сжатий-растяжений; в костях имеется электрический ток, самой костью же и вырабатываемый. Видимо, китайцы предполагали это, говоря о том, что энергия идёт по костям и сухожилиям.
Читайте также: Натуральная ткань для юбки
Можно сказать, что это не удивительно, и что пьезоэлектрический эффект есть во всех кристаллах, но… пьезоэффект может наблюдаться лишь у диэлектрических кристаллов, принадлежащих только к одному из 20 классов точечных групп (Кристаллографическая точечная группа симметрии — это точечная группа симметрии, которая описывает макросимметрию кристалла). В остальных кристаллах происходит не пьезоэлектрический эффект, а электрострикция.
Сложное пространственное строение костной ткани, исключительно рациональная архитектоника кости регулируется деятельностью живой материи – костных клеток: остеобластов, остеокластов, остеоцитов. Этим сложным живым процессом управляют механизмы до конца не понятые учёными.
Евнапий из Сард – поздний софист (ок. 345 – 420) отмечал в «Исторических записках», что монахи после разрушения храма бога Сераписа в Александрии собирали кости и поклонялись им. В египетском городе Себенните хранили две кости Озириса, закинутые туда Сетом.
Древнегреческий философ и поэт Эмпедокл (ок. 490 – 430 до н.э) предполагал, что кость состоит из двух частей воды, двух частей земли и четырёх частей огня. Эмпедокл считал, что кости хранят в себе творческую энергию Природы.
Библейские воззрения на кость: «зависть – гниль для костей» (Притч.,14,30), «унылый дух сушит кости» (Притч.,17,22), «нет мира в костях моих от грехов моих» (Пс. 37,4), «обветшали кости мои от вседневного стенания моего» (Пс., 31,3)…
В апокрифических «Деяниях Иуды Фомы» царь Маздай говорит: «Я пойду открою гробницу Иуды и возьму одну кость… и повешу её на сына моего, и он исцелится».
Исцеление через кость
“Деяния Фомы” — это апокриф, то есть книга не входящая в Канон (Деяния Иуды Фомы. Мещерская Е.Н. Наука. М.,1990г). Хотя на иврите Фома не “Иуда” а “Иегуда” (Тома Иегуда)… Фому именовали также и “Близнец”, но есть версия толкователя Библии Лопухина о более точном переводе еврейского слова не как “Близнец”, а как “ человек двоящейся природы”.
Сирийский текст “Деяний Фомы” хранится в британском музее, в составе очень интересного сборника древней литературы, содержащего, кроме того, «Мученичество Шарбиля и сестры его Бабай», «Мученичество Хабиба-дьякона», «Мученичество Симеона бар Саббайе», «Мученичество Софии и трех её дочерей» и др.
Апостол Фома — это тот самый “Фома неверующий” — один из апостолов Иисуса Христа, который не поверил в Воскресение и которому было предоставлено доказательство… Апостол Фома проповедовал в Индии, где и был казнён правителем индийского города Мелиапора Маздаем (Царём Маздаем). Мощи апостола Фомы пребывали в Индии, откуда были вывезены на Запад. Сейчас они находятся в Базилике Святого Фомы (Basilica Concattedrale di San Tommaso Apostolo) в Ортоне, Италия.
После казни Фомы один из сыновей Маздая заболел — “стал одержим демоном”. Тогда Маздай подумал: «Я пойду и открою гробницу Иуды (Прим: Иегуды, то есть Фомы), и возьму одну кость из костей его, апостола Бога, и повешу ее на сына моего, и он исцелится». Тогда апостол Фома явился к нему во сне и сказал: “В живого ты не уверовал, и вот в мертвого ты хочешь уверовать? Но не бойся, будет милосерден к тебе Господь мой Христос…”. Но, к тому времени мощи апостола уже были украдены одним из братьев Царя Маздая и увезены “на Запад”.
Тогда Маздай, уверовавший в Христа, взял прах с места гробницы Фомы и, со словами: “Верую я в Тебя, Господь мой Иисус, теперь, дабы покинул меня тот, кто всегда беспокоит людей, дабы не видели они свет ” посыпал прахом своего больного сына. “И когда он посыпал на сына своего и уверовал, он исцелился; и он соединился с братьями…”.
Экспериментальная оценка влияния радиальной ударно-волновой терапии на формирование пьезоэлектрических потенциалов в костной ткани.
СПб ГБУЗ Восстановительный центр детской травматологии и ортопедии «Огонек»
Резюме
Обоснование: Механизмы действия ударных волн связаны с различными биологическими реакциями, в том числе «механотрансдукцией». Костная ткань под действием механической нагрузки способна генерировать пьезоэлектрические заряды, которые могут быть управляющими сигналами для ремоделирования структуры кости. В современной литературе отсутствуют работы посвященные взаимосвязи действия ударных волн на возникновения пьезоэлектрических разрядов в кости, что и послужило основанием для проведения исследования. Цель: качественно оценить влияние ударно-волной терапии (УВТ) на формирование пьезоэлектрических потенциалов в костной ткани. Материалы и методы: Материалом для исследования выбраны нативные бедренные и большеберцовые кости свиней. Макропрепараты были освобождены от мягких тканей, и сформированы однотипные костные фрагменты длиной 8-10 см, состоящие из участка диафиза, метаэпифиза и эпифиза, а также из двух костей объединенных суставной капсулой (бедренная и большеберцовая кости). Противоположные концы испытуемых макропрепаратов кости были подключены к входу аналого-цифрового преобразователя электрокардиографа. Электрических сигнал с кости регистрировался во временном режиме записи ЭКГ. Регистрация сигналов выполнялась на нескольких участках костной ткани на различном удалении от точки приложения ударной волны. В качестве источника ударно-волнового воздействия использован аппарат Storz Medical, MASTERPULS 200. Характеристики импульса: радиальный, аппликатор диаметром 15 мм, 1 Герц, давление до 5 бар. Ударное воздействие было приложено к кости в зону диафиза, метафиза и эпифиза. Также оценили изменения амплитуды электрических пъезозарядов при помещении между препаратом кости и аппликатором ЭУВТ мышц и сухожильной ткани. Результаты: Воздействии радиальной ударной волной на препарат кости вызывало пьезоэлектрические импульсы в ней. Величина пьезоэлектрических разрядов зависела от акустической (минеральной) плотности кости и энергии ударно-воздействия воздействия на кость. Максимальный пьезоэлектрических разряд возникал в диафизе кости в точке наиболее приближенной к излучателю (до 45 мВ). Пьезоэлектрические сигналы различной интенсивности регистрировались в пределах препарата целостной кости на удалении от зоны приложения ударной волны на притяжении до 5 см. Заряды не регистрировались в смежной с исследуемой костью (связанных через общую суставную капсулу). Пьезоэлектрический импульс быстро затухал при помещении мышц или сухожильной ткани между излучателем ударно-волнового аппарата и костью, а также при направлении излучателя УВТ не перпендикулярно к поверхности кости. Пьезоэлектрический сигнал не регистрировался при воздействии ударно-волной на область сухожилия. Заключение: Ударно-волновое воздействие на кость вызывает пьезоэлектрические эффекты в ней. Ударная волна является физиотерапевтическим фактором, поведение которого в теле человека можно упрощенно описать законами распространения акустических волн в средах. Модель «ударная волна-кость-пьезоэлектрических заряд» может использоваться для моделирования и предварительной оценки воздействия УВТ.
Читайте также: Зеленые ткани в новосибирске
Ключевые слова
ударно-волновая терапия, пьезоэлектрический эффект, костная ткань, остеорепарация, механотрансдукция.
(статья в формате PDF. Для просмотра необходим Adobe Acrobat Reader)
открыть статью в новом окне
1. Shock wave as biological therapeutic tool: From mechanical stimulation to recovery and healing, through mechanotransduction / d’Agostino MC, Craig K, Tibalt E, Respizzi S.// Int J Surg. — 2015. — Vol. 24, Pt B. — Р.147-53. doi: 10.1016/j.ijsu.2015.11.030
2. The bone defect healing under the influence of radial extracorporeal shock-wave therapy in experiment/ Gertsen GI, Se-Fey, Ostapchuk RM, Lesovoy AV, Zherebchuk VV. //Klin Khir. — 2016. — Vol. 3. — P. 54-7. Russian.
3. Biological effects of extracorporeal shockwave in bone healing: a study in rabbits/ Wang CJ, Wang FS, Yang KD. // Arch Orthop Trauma Surg. — 2008. — Vol. 128, 8. — P.879-84. doi: 10.1007/s00402-008-0663-1
4. Impact of radial shock-wave therapy of a low frequency on metabolic processes in the bone tissue in traumatic tibial defects in experiment / Magomedov AM, Gertsen GI, Fey S, Kuzub TA, Krinitskaya OF.// Klin Khir. — 2016. — Vol. 4. — P. 64-6. Russian.
5. High energy focused shock wave therapy accelerates bone healing. A blinded, prospective, randomized canine clinical trial /Kieves NR, MacKay CS, Adducci K, Rao S, Goh C, Palmer RH, Duerr FM.// Vet Comp Orthop Traumatol. — 2015. — Vol.28, 6 — P. 425-32. doi: 10.3415/VCOT-15-05-0084
6. Historical ESWT Paradigms Are Overcome: A Narrative Review / Heinz Lohrer, Tanja Nauck, Vasileios Korakakis and Nikos Malliaropoulos/ BioMed Research International — 2016. — Article ID 3850461 — 7 pages. doi.org/10.1155/2016/3850461
7. Fukada E., On the Piezoelectric Effect of Bone/ Fukada E., Yasuda I. // J. Phys. Soc. Japan — 1957. — vol. 12. — P. 1l58-1162.
8. Yasuda I. Dynamic callus and electric callus / Yasuda I., Noguchi K., Sata T. // J. Bone Joint Surg. — 1955. — vol. 37A — P.1292-1293.
9. Andrew C., Bassett L., Robert O. Becker. Generation of Electric Potentials by Bone in Response to Mechanical Stress.// Science. — 1962. — Vol. 137. — Issue 3535 — P. 1063-1064. doi: 10.1126/science.137.3535.1063
10. Shamos MH., and Lavine LS. Physical bases for bioelectric effects in mineralized tissues.// Clin Orthop Relat Res. -1964. — Vol.35. — P.177-88.
11. Возможные механизмы влияния электретных эффектов костей на остеогенез у детей и подростков / Василевич С.В., Арсеньев А.В., Дудин М.Г., Хомутов В.П., Комлев А.Е. В сборнике: VIII Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» Научные труды Конгресса — 2018. — С. 165-166.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом