Лекция: 1 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ И ЖИДКОСТЕЙ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ.

План лекции:

1. Введение.

2. Механизмы электропроводности биологических тканей.

3. Методы измерения электропроводности.

4. Первичные физико–химические явления в тканях организма на постоянном токе и их влияние на функциональное состояние клеток и тканей (ионная теория раздражения).

5. Гальванизация и лечебный электрофорез.

1. Введение.

Явление электрического тока было открыто итальянцами врачом и физиком Луиджи Гальвани и физиологом Александром Вольта в конце XVIII века. Они изучали взаимодействие заряженных металлов с возбудимыми тканями лягушек, и само проявление электрического тока получило в то время название животного электричества.

Изучение электрофизических свойств живой ткани имеет огромное познавательное и практическое значение для медицины. Известно, что в живых организмах могут наблюдаться различные биоэлектрические явления. Эти биоэлектрические явления принято разделять на активные – когда живой организм является источником электрического тока и пассивные – когда живая ткань служит проводником электрического тока.

Впервые пассивные электрические свойства живых организмов стали предметом исследований в середине XIX века. В 80 годах XIX века в России были проведены первые исследования электропроводности тела живого человека и опубликованы численные значения сопротивления. Немецкий учёный Вебер, провел аналогичные исследования и показал, что тело человека и любого иного живого организма по электрофизическим свойствам можно отнести к солёным растворам, то есть к электролитам.

2. Механизмы электропроводности биологических тканей.

По фундаментальным особенностям механизмов электропроводности различных веществ физики различают два вида проводников электрического тока: проводники I рода и проводники II рода. К проводникам I рода относят все вещества перенос электрического заряда в которых, осуществляется электронами – это металлы и полупроводники. К проводникам II рода относятся растворы электролитов. Перенос электрического заряда в них осуществляется диссоциированными ионами. В проводниках II рода одновременно с переносом заряда происходит и перенос вещества.

Живые существа и биологические ткани относятся к проводникам II рода. Жидкие среды организма содержат слабые растворы различных электролитов, общая концентрация которых эквивалентна 0,9% раствору NaCl. Поэтому подобный раствор называют физиологическим, и он может служить моделью при изучении механизмов электропроводности биологических тканей и условий образования тока в тканях организма.

В общем случае удельная электропроводность любых веществ в природе в том числе и биологических тканей определяется формулой:

; (Oм^-1 м^-1) (1)

Где: е – заряд носителя тока; (Кул);

n – концентрация носителей заряда; м^-3

 – подвижность носителей заряда; м² В^-1 с^-1.

Подвижность – это средняя скорость, которую приобретает носитель заряда между двумя актами соударения в электрическом поле единичной напряжённости 1В/м. Подвижность носителей заряда зависит только от электрофизических свойств материала проводников. Удельная электропроводность σ это величина обратная удельному сопротивлению ρ. То есть ; или ;

Рассмотрим электропроводность раствора NaCl. Для раствора NaCl служащего эквивалентом жидких сред организма электропроводность будет определяться формулой (1), которая несколько изменится, учитывая, что результирующая электропроводность будет аддитивной суммой для двух видов ионов.

_{; (2)}

Биологические ткани и жидкие среды организма являются сложными электролитами и содержат кроме различных катионов и анионов разнообразные белковые молекулы и клеточные образования, затрудняющие в общем случае движение заряженных ионов. Поэтому величина подвижности различных видов ионов может колебаться в больших пределах и она зависит от ионного радиуса, степени сольватации и присутствия различных заряженных и нейтральных примесей. Для плазмы крови или ликвора (биологические жидкости не содержащие клеточных элементов) результирующая электропроводность будет определяться суммой электропроводностей всех видов ионов.

;

Например, удельная электропроводность равна:

для ликвора Ом^-1·м^-1;

для плазмы крови Ом^-1·м^-1.

Механизм протекания постоянного тока в биологических жидкостях практически аналогичен протеканию тока в разбавленных электролитах, однако, подвижность ионов значительно меньше чем в водных растворах электролитов, так как она ограничена присутствием белковых и других органических молекул.

Электропроводность крови, тканей и органов зависит от их функционального состояния. Поэтому такие измерения могут быть использованы при диагностике некоторых заболеваний.

Кровь человека помимо плазмы содержит клеточные элементы. Белково-липидная мембранная оболочка клеток является достаточно хорошим диэлектриком. Поэтому постоянный ток, протекая по плазме, не может пройти внутрь клеток. Клеточные элементы в этом приближении можно рассматривать как непроводящие диэлектрические тела. Ионы, движущиеся в плазме крови под действием электрического поля, будут огибать эритроциты составляющие около 50% объёма крови.

Так как эритроциты не участвуют в процессах электропроводности на постоянном токе, то удельная электропроводность (УЭ) крови значительно меньше УЭ плазмы крови. крови = 0,6 Ом^-1м^-1.

Механизм электропроводности биологических тканей (например, мышечной или печени) аналогичен процессу протекания постоянного тока в крови. В данном случае необходимо учитывать, что электропроводность на постоянном токе осуществляется в основном межклеточной жидкостью, которая играет роль плазмы крови. Однако суммарный объём межклеточной жидкости значительно меньше объёма плазмы крови. Поэтому удельная электропроводность биологических тканей значительно меньше электропроводности крови. Например:

для мышечной ткани _мышцы = 0,5 Ом^-1 м^-1;

для внутренних органов σ_внутр. = 0,1 – 0,3 Ом^-1·м^-1.