Выступления на секции Международной конференции Форума

«ПЕРСПЕКТИВЫ РЕАЛИЗАЦИИ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЕКТОВ В ОБЛАСТЯХ МЕДИЦИНЫ И БИОТЕХНОЛОГИИ» (выборочно)

Новые хирургические инструменты

Нанотехнологии в медицине

От оборонных разработок - к сельскому хозяйству

Лазеры в культивировании галобактерий

Новые принципы создания и комплектации ЛПУ
хирургическим инструментарием

И.Ш. Абдуллин, Medinstrument (Можайск)

Е.В. Колпаков, д.т.н., руководитель федеральной программы

Новые медицинские технологии и медицинские методики требуют привлечения в арсенал инструментального оснащения высоких технологий, включающих следующее:

Электрофизические методы воздействия на биологическую ткань: лазерный, плазменный скальпели, электронож; электрокоагуляторы с использованием энергии искровых и высокочастотных полей; сшиватели биотканей с применением энергии ультразвука и лазера; оперативное вмешательство в электрических и магнитных полях под микроскопом; стерилизация в высокочастотных разрядах газа, ультрафиолетового излучения и др.

Проведение операций под микроскопом;

Миниинвазивные технологии – эндоскопия;

Технологии с применением классических медицинских инструментов с улучшенными функциональными свойствами за счет: использования покрытий со специальными свойствами; применения локальной подсветки операционного поля; внедрения новых материалов – сплавов титана, кобальта, тантала, циркония, новых полимеров; взаимосвязи геометрии, и конструктивных параметров с операционным доступом и оперируемым органом – оптимальные размеры рабочей части, упрочнение, элементы атравматики и эргономика; применение одноразовых медицинских инструментов в стерильном исполнении.

«Локомотивом» интенсивно развивающейся хирургической техники и высоких медицинских технологий стала трансплантация внутренних органов.

Трансформация традиционных хирургических инструментов за счет указанных мероприятий позволяет создать специальные наборы медицинских инструментов для пересадки внутренних органов.

Классический инструмент следует комплектовать и классифицировать по виду воздействия на биологические ткани в соответствии с методикой операции, используя при этом цветовую маркировку или индикацию, отражающую функциональные и технические характеристики инструментария, например, может быть сформирован универсальный набор для рассечения биоткани, состоящий из группы режущих инструментов для рассечения кожи, мышечной ткани, паренхиматозной, костной и сосудов.

Таким образом, сказанное выше позволит добиться значительных результатов в трансплантологии.

Медицинские имплантаты из нанокомпозита на основе титана

Ю.Р. Колобов, Г.П. Грабовецкая, Ю.П. Шаркеев, О.А. Кашин,

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

Е.Ф. Дударев, Сибирский физико-технический институт при ТГУ, г. Томск

Р.З. Валиев, Институт физики перспективных материалов при УГАТУ, г. Уфа

Одним из эффективных способов повышения термостабильности структуры и механических свойств металлов и сплавов является дисперсное упрочнение. В последние годы начаты исследования по разработке и созданию композитов, в наноструктурную (НС) матрицу которых наряду с упрочнением частицами высокостабильных оксидных, карбидных или другого типа фаз наноразмеров (10-15 нм), воздействием интенсивной пластической деформации (ИПД) формируют наноструктурное состояние (размер зерен 0,1-0,3 мкм).

Титан и сплавы на его основе широко применяются в медицине в качестве имплантатов и других изделий. С точки зрения биосовместимости, для длительно работающих в живом организме имплантатов предпочтительнее использовать титан, который, в отличие от сплавов, не содержит вредных для живого организма легирующих добавок. Однако в обычном состоянии он имеет низкие по сравнению со сплавами титана механические свойства. Эту проблему удалось решить путем формирования в титане технической чистоты нано- и композиционной структуры.

Для формирования наноструктуры использовали методы ИПД равноканальное угловое прессование (РКУП) или всесторонную ковку при температурах 673-723 К. Электронно-микроскопические исследования показали, что в результате такой обработки в титане формируется зеренно-субзеренная структура с размером структурных элементов 0,5-0,7 мкм. В объеме структурных элементов наблюдаются контуры экстинции, свидетельствующие о наличии внутренних напряжений. Средняя скалярная плотность дислокаций составляет 2×108 мм2. Кроме того было обнаружено, что в процессе РКУП в объеме титана образуются выделения метастабильной фазы Ti2C в виде дисков диаметром около 10-40 нм. Выделение метастабильной фазы Ti2C при относительно низких гомологических температурах связано, по- видимому, с наличием в технически чистом титане значительного количества углерода, который в титане является малорастворимой примесью, и высокими значения коэффициентов диффузии титана и углерода в сформированной методами интенсивной пластической деформации наноструктуре. Путем вариации температуры в интервале ниже температуры рекристаллизации и времени отжига можно регулировать размер выделений Ti2C при их равномерном распределении в матрице. Другими словами, таким способом удается получить естественный нанокомпозиционный материал с высокой термической стабильностью структурно-фазового состояния.

В результате формирования наноструктуры методом РКУП прочностные характеристики титана при растяжении увеличиваются в 1,5¸2 раза при сохранении удовлетворительной пластичности. Наряду с этим возрастают циклостойкость и предел выносливости (табл.1). Однако указанные прочностные характеристики НС титана остаются ниже соответствующих характеристик для титановых сплавов

Таблица 1. Свойства титана в различных структурных состояниях и нанокомпозита на основе титана.

| крупнозернистый титан | нанокомпозит после РКУП | нанокомпозит после РКУП + холодная деформация
Предел прочности, МПа | 436 | 840 | 1100
Предел текучести, МПа | 360 | 760 | 850
Деформация до разрушения, % | 24 | 14 | 10
Предел выносливости, МПА | 300 | 520 | 600
Термостабильность, К | 973 | 723 | 623 К

Дополнительная пластическая деформация прокаткой при комнатной температуре приводит к уменьшению размеров элементов зеренно-субзеренной структуры нанокомпозита до 0,2¸0,4 мкм и повышению скалярной плотности дислокаций в объеме элементов структуры до 2×1010 мм2. Прочностные свойства такого нанокомпозиционного материала достигают значений, характерных для используемых в медицине многокомпонентных титановых сплавов (табл.1).

Для расширения номенклатуры имплантатов из наноструктурного композиционного материала на основе титана были разработан способ микродугового нанесения биоактивного наноструктурного кальций-фосфатного покрытия, структурно-фазовое состояние которого можно регулировать изменением режима микродугового процесса и последующих термообработок при температурах ниже 600 К. Адгезионная прочность разработанных покрытий превышает таковую для биопокрытий, полученных другими методами, и достигает 40 МПа. При оптимальных режимах нанесения биопокрытий прочность при циклическом нагружении композиционного материала уменьшается на 5-10% Исследования электрохимических свойств показали, что с точки зрения коррозионной стойкости наноструктурный композиционный материал на основе титана без покрытий и с биопокрытиями можно без ограничений использовать в качестве материала для медицинских имплантатов.

Приведенные выше данные свидетельствуют в пользу того, что медицинские имплантаты из высоколегированных сплавов могут быть заменены на имплантаты из наноструктурного композиционного материала на основе титана технической чистоты без покрытий и с биопокрытиями.

Заключение

Формирование наноструктурного состояния в титане технической чистоты воздействием интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования в сочетании с отжигами при температуре 573-673 К и холодной пластической деформацией позволяет получить естественный нанокомпозиционный материал с высокой термической стабильностью структурно-фазового состояния и прочностными свойствами, достигающими значений, характерных для используемых в медицине многокомпонентных титановых сплавов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (проект № 8.13), Программы Минобразования РФ № 202.04.02.031., МНТЦ (грант 2398) и INTAS (грант № 01-320).

От оборонных разработок к экологически чистым

технологиям для сельского хозяйства

А.А. Зейналов, А.Г. Ипатова, А.Н. Летова, В.Н. Новосельский, В.Н. Тихонов,

Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной

радиологии и агроэкологии, г. Обнинск

В рамках изучения поражающего действия и последствий ядерного взрыва на сельскохозяйственные растения и животных учеными института были получены результаты, которые легли в основу нового научного направления. Изучение влияния электромагнитных излучений (ЭМИ) на биологические объекты позволило создать экологически чистые технологии на основе применения СВЧ, УФ, лазерных излучений для различных отраслей агропромышленного комплекса (растениеводство, животноводство, пищевая и перерабатывающая промышленность).

Исследования по изучению биологического действия ЭМИ потребовали создание оригинальных установок для облучения сельскохозяйственных объектов.

Были разработаны и созданы специализированные установки с источниками СВЧ- и УФ-радиации для облучения растений и животных в лабораторных и производственных условиях. В результате проведенных исследований установлены положительные эффекты неионизирующих излучений СВЧ- и УФ-диапазона, зависящие от длины волны и мощности излучений. Показано, что применение комбинированного (УФ+ИК) излучения, позволяет увеличить суточный привес свиней и телят до 10% и снизить затраты корма не единицу продукции.

Обеззараживающее действие тепловых уровней СВЧ- и высоких доз УФ-излучений легли в основу разработки комплексных методов и установок. Изготовлен опытный образец СВЧ-установки для пастеризации молока и молокопродуктов УПМ-50В.

На установке УПМ-50В осуществляется нагрев и пастеризация белково-молочного концентрата и других жидких продуктов в потоке. СВЧ-энергия, вырабатываемая магнетроном, проходя по волновому тракту, взаимодействует с жидкостью. Использование микроволнового нагрева исключает локальный перегрев молока и образование пригаров, обеспечивает сохранность витаминов, диетические и пищевкусовые свойства готового продукта. Установка может быть использована также для пастеризации вина, пива, фруктовых соков. Производительность ее 1000-2000 л/час.

Ультрафиолетовый стерилизатор воды изготовлен на основе бактерицидных ламп УФ-излучения, оказывающего поражающее действие на бактерии, вирусы, дрожжевые грибки, плесень и водоросли и, как правило, устанавливается после фильтра очистки воды. Производительность его 3-5 м3/час. Имеет известные преимущества перед другими способами обеззараживания водных растворов.

Установлено, что хроническое УФ-облучение яровой пшеницы в течение вегетации увеличивает урожайность по сравнению с необлученной не менее, чем на 20%. Особо следует отметить тот факт, что у пшеницы второго поколения отмечена такая же прибавка к урожаю, как и у материнских растений, но без УФ-облучения, то есть наблюдался эффект последействия .

Исследования, проведенные в двух совхозах Нижегородской области, показали, что комбинированное УФ- и лазерное облучение посевов ячменя, кукурузы и подсолнечника привело к значительной прибавке урожая. Так, у ячменя – от 10 до 40%, кукурузы на силос – до 50%, подсолнечника на силос – в 3 раза больше, чем у контрольных растений.

В последние годы институт плодотворно сотрудничает с семеноводческим картофельным хозяйством ООО «Клон-Агро» Жуковского района Калужской области. На УФ-установке (рис.3) проводится облучение клубней картофеля различных сортов, районированных в Нечерноземье перед посадкой и закладкой на зимнее хранение. Результаты полевых испытаний УФ-установки и технологии показали, что прибавка урожая по всем изученным сортам (11 сортов) составила от 10 до40%. Установлено также снижение (до25%) степени поражения клубней картофеля вирусными и грибными заболеваниями.

Технология УФ-обработки картофеля является экономически эффективной. Представляем расчет экономической эффективности технологии на примере сорта Жуковского раннего. При средней урожайности 200 ц/га и прибавке урожая на 20% (средний экспериментальный показатель по этому сорту) урожай со 100 га составляет 2400000 кг. Если стоимость 1 кг картофеля 5 рублей, то прибыль составит 2,0 млн.рублей.

Учитывая, что отходы при хранении картофеля в зимний период составляют не менее 25%, то есть около 600000 кг, то при сохранении всего урожая дополнительная прибыль составит 3,0 млн.рублей. Итого, общая прибыль может составить 5,0 млн.рублей.

Следует отметить, что обработка химическими препаратами от вирусных заболеваний значительно загрязняет окружающую среду и приводит к удорожанию получаемой сельскохозяйственной продукции. Для обработки 1 тонны картофеля химическим препаратом «Максим» тратится около 1500 рублей, стоимость УФ-обработки этого же количества картофеля составит только 100 рублей. Таким образом, исключая предпосевную обработку химпрепаратом мы добиваемся не только большей экономии средств, но и получения экологически чистой продукции.

Установка для обработки корнеклубнеплодов на основе СВЧ-излучения (2,45 ГГц) оказалась менее востребована в сельскохозяйственном производстве вследствие дорогостоящих комплектующих, строгих требований защиты от СВЧ-излучения и малой производительности. Следует отметить, что сам метод СВЧ-обработки сельскохозяйственной продукции перед посадкой заслуживает дальнейшей разработки, например, для облучения семян овощных и зерновых культур.

В установке для роспуска меда в металлической таре УРМ-1 (рис.4) с помощью СВЧ-излучения осуществляется послойный нагрев продукта с одновременным его розливом в металлическую тару. Производительность установки 60 кг/час. Предлагаемая технология позволяет контролировать температуру нагрева, что дает возможность сохранить биологические и вкусовые качества меда.

Таким образом, оборонные разработки в области исследования биологического действия неионизирующих излучений (СВЧ-, УФ-, ИК-диапазонов) различных интенсивностей явились основой новых технологий и установок для агропромышленного производства – экологически чистых, энергосберегающих и экономически эффективных.

Использование лазерного излучения при культивировании галобактерий

А.М. Серегин, к.ф.-м.н., начальник НТЦ ГУП « НПО Астрофизика»,

Д.А. Складнев, д.б.н., ГНЦ ГосНИИ генетики и селекции

промышленных микроорганизмов,

А.Е. Кузнецов, доцент, к.т.н., Российский химико - технологический

университет им. Д.И. Менделеева и др.

В настоящее время расширяется спектр аэробных микроорганизмов используемых в микробиологической промышленности для получения биомассы клеток, а также синтеза белков, аминокислот, витаминов и других биологически–активных веществ. Количество и качество получаемых продуктов метаболизма в достаточной степени зависят от условий выращивания микроорганизмов в ферментере. Особое место занимают процессы культивирования (ферментации) с участием аэробных светочувствительных микроорганизмов. Основными управляющими воздействиями в таких процессах являются свет и кислород. Одним из перспективных направлений совершенствования процессов с участием светочувствительных микроорганизмов является использование лазерных источников излучения. Лазеры успешно используются во многих областях медицины: в хирургии (в том числе хирургии глаза, при разрушении камней в почках и т.д.) и терапии различных заболеваний. Однако в биотехнологических процессах лазерное воздействие до настоящего времени не применялось. Это связано с отсутствием экспериментальных данных о влиянии лазерного излучения на клетки микроорганизмов на молекулярном и генетическом уровнях. Тем не менее, по данным, полученным из литературных источников, можно предположить, что применение лазеров при проведении и управлении ферментационными процессами, получении новых продуктов биосинтеза является перспективным направлением биотехнологии настоящего и будущего.

Очевидные преимущества воздействия лазерного излучения обусловлены когерентностью излучения, возможностью селективного воздействия на процессы внутриклеточного метаболизма.

Целью работы является использование уникальных свойств лазерного излучения для управления процессами роста микроорганизмов и биосинтеза биологически активных соединений. В качестве основных объектов исследований использовались экстремальные архебактерии рода Halobacterium, в частности галобактерий вида Halobacterium salinarium. Данный вид бактерий используется для получения каротиноидов, используемых в косметических препаратах, белка бактериородопсина входящего в состав пурпурных мембран, которые содержат около 75% бактериородопсина (по сухому весу). Повышенный интерес, наблюдаемый в последнее время к получению бóльшего количества бактериородопсина, связан с перспективностью его применения в качестве одного из основных компонентов различных биоэлектронных устройств и оптических информационных систем – при создании сред для хранения и обработки информации, получения голографических изображений, в голографической интерферометрии.

Опыты по культивированию проводились в микропланшетах, в колбах на качалке и ферментере (объемом 10 л). Биореактор оснащен теплообменными устройствами, турбинными мешалками для перемешивания культуральной жидкости, системами пеногашения и контроля и автоматического регулирования параметров процесса – To, pH, pO2, скорости подачи питательной среды, расхода подаваемого воздуха. В качестве питательной для культивирования галобактерий использовали специальную среду, содержащую хлорид натрия, пептон, дрожжевой экстракт и другие компоненты.

От условий культивирования галобактерий, зависит количество вырабатываемого ими бактериородопсина. Основной способ получения энергии экстремальными галофилами – аэробное дыхание. В условиях недостатка кислорода в пурпурных мембранах галобактерий индуцируется синтез белка бактериородопсина, позволяющего осуществлять процесс дыхания за счет фотофосфорилирования. Интенсивность образования бактериородопсина зависит от интенсивности освещения.

Известно, что для своего роста бактерии используют энергию солнечного света для частичного обеспечения энергетических потребностей внутриклеточных процессов биосинтеза. Одним из способов увеличения количества образующейся биомассы клеток является воздействие на микроорганизмы, помимо энергии солнечного света, также и лазерного излучения в синем, зеленом или красном диапазонах видимого света. Излучение лазера стимулирует клеточный метаболизм, в том числе увеличивает потенциал митохондриальных мембран, синтез АТФ и потребление кислорода. В зависимости от длины волны облучения в плазматических мембранах наблюдается фотоиндуцированное изменение протонного градиента и активация ионных каналов, что приводит к сдвигу pH, перераспределению ионов кальция и стимулированию метаболизма и клеточного деления. Что, в конечном итоге, отражается на общем количестве биомассы клеток, получаемой в ходе культивирования и содержания в них бактериородпсина. Из серии опытов, проведенных на микропланшетах и в колбах было установлено, что кратковременное воздействие лазерного излучения с длиной волны λ=660 нм (красный свет) практически не оказывает стимулирующего воздействия на клетки, а при излучении с λ=430 нм (синий свет) отмечено увеличение скорости роста клеток в 3 раза.

В настоящий момент проводятся работы по выявлению условий воздействия лазерного излучения (длины волны излучения, плотности мощности, длительности экспозиции, режима облучения - импульсно-периодического, непрерывного, модулированного) на накопление биомассы галобактерий и целевого белкового продукта – бактериородопсина при различной степени аэрации, а также оценка влияния различных параметров лазерного излучения на ростовые характеристики генетически различающихся культур галобактерий.

Полученные результаты могут быть полезны при разработке оптимальных условий и технологий культивирования светочувствительных микроорганизмов, а также для организаций занимающихся изучением возможностей применения бактериородопсина