СМЕСЬ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, СИСТЕМА ИЗ ТРЕХ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СМЕСЕЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
MIXTURE OF LIQUID CRYSTALLINE COMPOUNDS, SYSTEM FROM THREE LIQUID CRYSTALLINE MIXTURES AND THEIR APPLICATION

Изобретение относится к трем смесям органических соединений, имеющим жидкокристаллические свойства, смешанных друг с другом в точно определенном массовом отношении, причем указанные смеси характеризуются способностью образовывать термооптически активные мезофазы с установленным узким диапазоном разделения термооптических переходов в диапазоне температур: от 31,8°С до 32,8°С, от 32,8 до 33,8°С и от 33,8°С до 34,8°С, и к системе, содержащей эти смеси. Настоящее изобретение также относится к применению этих смесей и системы, содержащей смеси, для колориметрического выявления перепада температуры на поверхности биологических объектов в узком диапазоне температур.
Термография как диагностический метод, также как и его физиологические основы, представляет собой широко принятую клиническую процедуру для визуализации патологических изменений молочных желез у женщин. Термография груди имеет чувствительность и специфичность на уровне порядка 90%. Термография груди может выявить первые симптомы развития рака груди еще за 10 лет до того, как очаги поражения могут быть диагностированы при помощи других диагностических процедур, и в комбинации с другими методами диагностики (медицинский осмотр + маммография + термография) обеспечивает выявление 95% случаев рака груди на ранних стадиях. Клиническое исследование показало, что термография груди значительно повышает показатели длительной выживаемости у женщин благодаря раннему выявлению рака груди, вплоть до 61%. Патологическая термограмма может считаться самостоятельным маркером высокого риска развития рака груди, а повторные патологические термограммы связаны с повышенным в 22 раза риском возникновения рака груди в будущем. Термографию рекомендуют выбирать в качестве диагностического метода для непрерывного противоракового мониторинга у женщин с положительной семейной историей.
Физиологической основой для использования термографии в медицинской диагностической визуализации является кожно-термический эффект, основанный на прямом картировании отличающейся скорости метаболизма в патологических клетках посредством изотермической регистрации соответствующих изменений температуры на исследуемой области тела пациента (включая также поверхность молочных желез). Патологические поражения могут проявляться как участки повышенной или пониженной температуры по сравнению со средней физиологической температурой, в зависимости от типа наблюдаемого поражения, что при существенных различиях в температуре позволяет четко выделить их из области здоровой ткани. На термограммах патологические поражения отчетливо видны как участки повышенной или пониженной температуры.
Известны диагностические методы, использующие удаленную термографию и контактную термографию. В известных методах контактной термографии используется термооптический эффект, обусловленный свойствами термотропной мезофазы холестериновых жидких кристаллов, который основан на изменении плоскости оптического вращения точно подобранной смеси жидких кристаллов, причем этот эффект проявляется при точно определенной температуре, что обеспечивает возможность точной калибровки шкалы цвето-темпратурной чувствительности. Эти растворы известны, среди прочего, из описаний к патентам US 3847139, GB 2060879, ЕР 0059328. Однако недостаток упомянутых выше растворов заключается в том, что трудно однозначно сопоставить регистрируемые температурные изменения с определенными диагностическими значениями путем обеспечения необходимых цветовых различий отдельных регистрируемых температур, что значительно затрудняет или даже делает невозможным их практическое применение.
Согласно последним исследованиям Жао и др. (Qi Zhao, Jiaming Zhang, Ru Wang, Wei Cong; Use of a Thermocouple for Malignant Tumor Detection («Применение термопары для диагностики злокачественных опухолей»); Ieee Eng. in Medicine and Biology Mag., January February 2008) перепад температуры, превышающий +0,5°С (в среднем +0,7°С), по сравнению с температурой окружающей здоровой ткани является типичным для злокачественных неопластических опухолей в молочной железе, что обеспечивает возможность косвенной локализации опухолей путем простого наблюдения за аномальными очагами повышенной температуры на поверхности груди. Поэтому в данной области существует потребность в новых жидкокристаллических смесях, обеспечивающих интервальную визуализацию (каждые 0,5°С) распределения изотерм на поверхности груди.
Задачей настоящего изобретения является создание жидкокристаллических смесей, способных к формированию термооптически активной мезофазы с установленным узким диапазоном разделения термооптических переходов, через каждые 0,5°С в диапазоне температур: от 31,8°С до 32,8°С, от 32,8°С до 33,8°С, и от 33,8°С до 34,8°С. Указанная выше задача решена путем разработки состава жидкокристаллических смесей, имеющих необходимые свойства.
Жидкокристаллические смеси в системе согласно настоящему изобретению благодаря своим уникальным свойствам изменения длины, т.е. цвета селективно отражаемого в мезофазе света, точно через каждые 0,5°С, в очень узком диапазоне термооптической чувствительности, составляющем лишь 1,5°С для каждой смеси, могут служить в качестве колориметрического индикатора различий в температуре на поверхности биологических объектов, на которую помещают эти смеси, расположенные на фиксирующем носителе.
В предпочтительном случае диапазон температур, в котором мезофаза, образованная каждой из трех смесей жидкокристаллических соединений, сохраняет способность к термооптической чувствительности, включает в совокупности диапазон от 31,8°С до 34,8°С, который соответствует измеряемому in vivo диапазону температур на поверхности молочной железы у женщин, и, таким образом, эти смеси можно применять для интервальной визуализации (каждые 0,5°С) распределения изотерм на поверхности груди. Такую визуализацию температуры на поверхности груди можно применять для раннего выявления температурных маркеров патологических процессов, происходящих внутри, а также на поверхности груди.
Разделение термохромной реакции мезофазы на интервалы по 0,5°С возможно благодаря использованию 4,4'-дипентилазоксибензола в качестве дополнительного компонента, что является его новым применением для получения термооптически активной пассивной мезофазы (в отличие от случая, когда он присутствует в качестве компонента жидкокристаллической смеси в датчиках, управляемых полевым эффектом, как описано в заявке на патент PL 124264 B1, датированной 24.07.1979 г., автором которой является R.Dabrowski с сотр.) и обеспечивает однозначное выявление на поверхности исследуемого органа участков с перепадом температуры, по меньшей мере соответствующим известному из литературы градиенту (0.7°С), характерному для роста неопластических опухолей злокачественного типа. Таким образом, последовательное нанесение на фиксирующий носитель первой смеси, затем второй смеси и третьей смеси обеспечивает выявление участков исследуемой поверхности груди, аномальных с точки зрения температурных характеристик, в полном диапазоне значений температуры поверхности, экспериментально регистрируемых в этом органе, с одновременным очень простым выявлением локальных перепадов температуры благодаря тому, что отдельные основные цвета (красный, зеленый, синий), соответствующие цвету света, отражаемого в мезофазе, образуемой данной жидкокристаллической смесью, наблюдаются точно через каждые 0,5°С, и, таким образом, две соседние области разного цвета могут иметь минимальный перепад температуры, соответствующий этому значению.
Первый аспект настоящего изобретения относится к смеси жидкокристаллических соединений, обладающей способностью образовывать термооптически активную термотропную мезофазу в узком объеме температур с изменением цветовых переходов каждые 0,5°С.
Жидкокристаллические смеси согласно настоящему изобретению содержат следующие соединения:
- пеларгонат холестерина (хиральныей нематик), плавится при температуре 80,5°С и достигает состояния изотропной жидкости при 90°С (температура осветления), регистрационный номер CAS 633-31-8, структура представлена формулой 1;
- олеил-холестерил карбонат, регистрационный номер CAS 17110-51-9, структура представлена формулой 2;
- пропионат холестерина, регистрационный номер CAS 633-31-8, структура представлена формулой 3;
- хлорид холестерина, регистрационный номер CAS 910-31-6, структура представлена формулой 4;
- 4,4'-дипентилазоксибензол, регистрационный номер CAS 37592-87-3, структура представлена формулой 5;
Смесь жидкокристаллических соединений согласно настоящему изобретению состоит из пеларгоната холестерина в количестве от 48,61% до 52,53% по массе, олеил-холестерил карбоната в количестве от 46,47% до 50,39% по массе, пропионата холестерина в количестве от 0,18% до 0,28% по массе, хлорида холестерина в количестве от 0,16% до 0,20% по массе и 4,4'-дипентилазоксибензола в количестве от 0,52% до 0,66% по массе и образует термооптически активную мезофазу в диапазоне температур от 31,8°С до 34,8°С.
В одном варианте реализации первая смесь согласно настоящему изобретению имеет следующий состав в % по массе:
- пеларгонат холестерина
48,61%
- олеил-холестерил карбонат
50,39%
- пропионат холестерина
0,28%
- хлорид холестерина
0,20%
- 4,4'-дипентилазоксибензол
0,52%
В предпочтительном случае мезофаза первой смеси согласно настоящему изобретению проявляет термооптическую чувствительность в диапазоне температур от 31,8°С до 32,8°С, причем при температуре 31,8°С в мезофазе отражается свет красного цвета (длина волны 720 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С, при температуре 32,3°С в мезофазе отражается свет зеленого цвета (длина волны 545 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С, а при температуре 32,8°С в мезофазе отражается свет синего цвета (длина волны 410 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С.
Во втором варианте реализации вторая смесь согласно настоящему изобретению имеет следующий состав в % по массе:
- пеларгонат холестерина
50,28%
- олеил-холестерил карбонат
48.72%
- пропионат холестерина
0,24%
- хлорид холестерина
0,18%
- 4,4'-дипентилазоксибензол
0,58%
В предпочтительном случае мезофаза второй смеси согласно настоящему изобретению проявляет термооптическую чувствительность в диапазоне температур от 32,8°С до 33,8°С, причем при температуре 32,8°С в мезофазе отражается свет красного цвета (длина волны 720 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С, при температуре 33,3°С в мезофазе отражается свет зеленого цвета (длина волны 545 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С, а при температуре 33,8°С в мезофазе отражается свет синего цвета (длина волны 410 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С.
В третьем варианте реализации третья смесь согласно настоящему изобретению имеет следующий состав в % по массе:
- пеларгонат холестерина
52,53%
- олеил-холестерил карбонат
46,47%
- пропионат холестерина
0,18%
- хлорид холестерина
0,16%
- 4,4'-дипентилазоксибензол
0,66%
В предпочтительном случае мезофаза третьей смеси согласно настоящему изобретению проявляет термооптическую чувствительность в диапазоне температур от 33,8°С to 34,8°С, при температуре 33,8°С в мезофазе отражается свет красного цвета (длина волны 720 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С, при температуре 34,3°С в мезофазе отражается свет зеленого цвета (длина волны 545 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С, а при температуре 34,8°С в мезофазе отражается свет синего цвета (длина волны 410 нм), и этот цвет сохраняется в пределах 0,5°С.
Благодаря своим уникальным термооптическим свойствам смеси согласно настоящему изобретению пригодны для использования в качестве активных слоев в колориметрическом выявлении перепадов температуры на поверхности биологических объектов.
Второй аспект настоящего изобретения относится к системе из трех жидкокристаллических смесей, образующих термотропную мезофазу, для отображения распределения изотерм на поверхности биологических объектов в узком диапазоне температур от 31,8°С до 34,8°С, поддержания термохромного разделения трех основных цветов света, селективно отражаемого в мезофазе: красного цвета (длина волны 720 нм), зеленого цвета (длина волны 545 нм) и синего цвета (длина волны 410 нм), в интервалах по 0,5°С.
Упомянутая выше система пригодна для последовательно нанесения для колориметрического выявления перепадов температуры на поверхности биологических объектов в узком диапазоне температур от 31,8°С до 34,8°С, в частности, для визуализации патологических поражений молочных желез у женщин.
Пример 1
Получение жидкокристаллических смесей
Отдельные компоненты жидкокристаллических смесей взвешивали с использованием аналитических весов. Составы смесей представлены в Таблице 1.
Таблица 1
Химическое соединение
Смесь I
Смесь II
Смесь III
Пеларгонат холестерина
48,61 г
50,28 г
52,53 г
Олеил-холестерил карбонат
50,39 г
48.72 г
46,47 г
Пропионат холестерина
0,28 г
0,24 г
0,18 г
Хлорид холестерина
0,20 г
0,18 г
0,16 г
4,4'-дипентилазоксибензол
0,52 г
0,58 г
0,66 г
Взвешенные порции отдельных компонентов смесей помещали в стаканы объемом 200 мл. Смеси нагревали при температуре около 70°С при перемешивании с использованием механической мешалки типа RD 50D на протяжении около 24 ч с получением гомогенной смеси.
Полученные жидкокристаллические смеси использовали в качестве контроля для проверки температурных фазовых переходов. Порцию расплавленной смеси наносили на пластину из черненого металла размером 50 мм×50 мм нагревательно-охлаждающего стола с электронным контролем предварительного прогрева производства Semic, оборудованного программируемым контроллером температуры производства Shimano. Образцы смесей освещали с использованием источника света D65 (имитация белого света), причем источник света помещали в держатели, обеспечивающие стабильную конфигурацию измерений спектральных характеристик. Образец смеси охлаждали до определенных температур и визуально проверяли спектральные характеристики.
Для смеси I получили:
при температуре 31,8°С-32,3°С отражала свет красного цвета (720 нм);
при температуре 32,30°С-32,8°С отражала свет зеленого цвета (545 нм);
при температуре 32,8°С-33,3°С отражала свет синего цвета (410 нм).
Для смеси II получили:
при температуре 32,8°С-33,3°С отражала свет красного цвета (720 нм);
при температуре 33,3°С-33,8°С отражала свет зеленого цвета (545 нм);
при температуре 33,8°С-34,3°С отражала свет синего цвета (410 нм).
Для смеси III получили:
при температуре 33,8°С-34,3°С отражала свет красного цвета (720 нм);
при температуре 34,3°С-34,8°С отражала свет зеленого цвета (545 нм);
при температуре 34,8°С-35,3°С отражала свет синего цвета (410 нм).
Пример 2
Подготовка пластины, содержащей смесь III согласно примеру 1 для использования в качестве термодатчика.
На поверхность прямоугольной пластины, выполненной из прозрачного органического полимера, например поликарбоната или полиэфира, наносили адгезивное покрытие, например водную дисперсию сополимера акрилонитрила, после чего сушили при температуре 80°С в течение приблизительно 2 часов. Затем на полученное таким образом адгезивное покрытие лопаткой наносили жидкокристаллическую смесь I согласно примеру 1, суспендированную в водной дисперсии поливинилового спирта. Слой жидких кристаллов после предварительного выпаривания диспергирующего компонента путем помещения пластинки, выполняющей функцию носителя для жидких кристаллов, под инфракрасным излучением при температуре 280°С в течение 30 минут покрывали герметизирующим слоем полимерного винила.
Процесс полимеризации осуществляли в условиях относительной влажности не ниже 80% и при температуре 25°С в течение приблизительно 12 часов. После завершения процесса полимеризации прозрачную пластину, покрытую жидкими кристаллами, покрывали поглощающим покрытием, содержащим черный органический пигмент, со стороны винилового полимера с использованием техники печати. После того, как поглощающее покрытие высохло (около 12 часов при температуре 25°С), получали пластину, содержащую жидкокристаллическую смесь III, демонстрирующую термооптическую чувствительность в диапазоне температур от 33,8°С до 34,8°С, готовую для использования в качестве термодетектора для визуализации распределения изотерм на поверхности исследуемой молочной железы.