Ультразвуковое устройство оценки скорости биодеградации

Полезная модель относится к области применения биоразлагаемых (биодеградируемых) материалов в медицине, экологии, растениеводстве и предназначена для оценки скорости биодеградации полимерных композиций, имеющих, в частности, пористую структуру.
Скорость биодеградации полимерных материалов и композиций зависит не только от их собственных физико-химических свойств, обусловленных составом и строением, но и параметрами окружающей среды. Учесть с достаточной достоверностью все особенности взаимодействия биоразлагаемых полимерных композиций со средой весьма непросто, что стимулировало разработку ряда датчиков различных конструкций, для получения информации в конкретных условиях, не отвечающих, однако, требованиям удобства использования.
Поставленная задача решается применением импульсного ультразвукового датчика для измерения скорости распространения волны в образце и затухания волны, изменяющихся в зависимости от скорости разрушения твердой фазы стенок пористой структуры и замены ее жидкой средой. Сигнал на датчик подается электронной схемой известной конфигурации, а сигнал с датчика преобразуется в той же схеме (Зацепин А.Ф., Бирюков Д.Ю., Костин В.М., Методы и средства измерений и контроля. М.: ЮРАЙТ, 2020, 120 с.; Алешин Н.П., Лупачев В.Т. Ультразвуковая дефектоскопия. Минск, «Высшая школа», 1987, 271 с.) и передается в ПК для обработки и хранения.
Известны многочисленные способы контроля процесса биоразложения, связанные с периодическим изъятием помещенного в биоразлагающую образца, для измерения изменений его параметров - биообрастания, массы, деформационно-прочностных показателей, степени деградации макро-, микро- и молекулярной структуры образцов, молекулярно-массового распределения полимерного связующего и других, либо состава и свойств биологической системы, в которой протекает биодеструкция (дыхательной активности, кислотности, химического и микробиологического состава биологической среды и т.п. (Крутько Э.Т., Прокопчук Н.Р., Глоба А.И. Технология биоразлагаемых полимерных материалов. Минск. БГТУ, 2014.105 с., Yabannavar А.V., Bartha R. Methods for Assessment of Biodegradability of Plastic Films in Soil. Applied environmental microbiology, 1994, 60. 10. pp.3608-3614, Yasuo Imashiro, Ikuo Takahashi, Naofumi Horie, Shigekazu Suzuki Method for control of biodegradation rate of biodegradable plastic, patent US 5973024 A, 1998., Tashiro Hironori, Ito Shinji. Method of measuring a biodegradation rate of unnatural organic compound Patent EP 1574852, 2003, Ji-Guang Gu, Ji-Dong Gu. Methods Currently Used in Testing Microbiological Degradation and Deterioration of a Wide Range of Polymeric Materials with Various Degree of Degradability: A Review Journal of Polymers and the Environment. 2005, 13, l, p.65-74, Chinaglia S., Tosin M., Degli-Innocenti F. Biodegradation rate of biodegradable plastics at molecular level. Polymer Degradation and Stability. 2018. 147, pp.237-244, Велик E.С., Рудакова Л.В. Оценка эффективности деструкции биоразлагаемых полимерных материалов. Вестник ПНИПУ. Урбанистика. Пермь, 2012. 5. С.78-88). Так, например, при исследовании зависимости изменений полиолефинов от времени в естественных условиях, за счет фототермического и термического окисления накапливаются карбоксильные группы, которое можно определить с использованием инфракрасной Фурье-спектроскопии.
Для долгосрочного прогнозирования поведения полимерного материала, находящегося в окружающей среде, необходимо создать соответствующие лабораторные условия, в том числе и условия для ускоренных испытаний. (Метод оценки оксобиодеградации полимерных пленок в описании к ГОСТу 34281 - 2017 - Оксобиоразлагаемая упаковка.)
Известен, используемый до настоящего времени, разработанный еще в 18 веке метод Метта (E.L.P. Mett) предназначенный для определения переваривающей активности желудочного сока по скорости биодеградации термоденатурированного яичного белка в стеклянных трубках, помещенных в желудочный сок. Скорость биодеградации белка определяют по длине трубочек у их концов, освободившихся от введенного содержимого (Riggs В.С., Stadie W.С. A photoelectric method for the determination of peptic activity in gastric juice. J. Biol. Chem.1943, 150, pp.463-470).
Известны биоразлагаемые (биологически рассасывающиеся) волокна-нити (Glaubitt W., Thierauf A., Kursawe М. Fibres with controllable rate of biodegradation, resorbability and toxicity. DE 19609551 C1, 1996) и полимерные композиции (Andrews M., Padwa A.R., Scarlett D.R. Polymer blends with controllable biodegradation rates. US 20180334564 A1, 2016) по степени разрушения которых можно оценить скорость процесса биодеградации.
Известны разнообразные полимерные, в том числе и биоразлагаемые композиции с различными электрическими свойствами: проводники, изоляторы, полупроводники (Vivian R., Feig Н.Т. Zhenan Bao Biodegradable Polymeric Materials in Degradable Electronic Devices. American Chemical Society (ACS Cent. Sci). 2018, V.4, 3, p.337-348), а также многочисленные, отличающиеся химическим составом токопроводящие лаки и клеи (Nakamura Т., Shimizu S., Takeuchi K. Conducting varnish composition. EP 0340421 B1, 1989., Hiroyoshi N., Hitoshi N., Akira N., Takuji N. Organic conductive material and conductive varnish. EP 1477993 A1, 2003, Ворончихин В.Д., Свередюк B.B. Основные принципы создания углеродсодержащих, токопроводящих клеевых композиций. Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов. Решетневские чтения, 2018. С.95-102. https://cyberleninka.ru/article/ri/osnovnye-printsipy-sozdaniya-uglerodsoderzhaschih-tokoprovodyaschih-kleevyh-kompozitsiy/viewer), которые могут быть использованы для построения датчиков биодеградации.
Вышеперечисленные и другие известные устройства малопригодны для измерения скорости биоразложения пористых полимерных материалов и композиций, пропитанных жидкой средой, поскольку в каждый момент времени неизвестно соотношение твердое/жидкое в образце, объем и сухая масса которого также неизвестны.
Для создания устройства, регистрирующего изменения соотношение твердое/жидкое, независимо от объема и сухой массы испытуемого образца использован известный факт зависимости скорости ультразвука от плотности среды. Так, скорость ультразвука в жидкостях примерно 1500 м/с, в твердых телах, в костной ткани, например, порядка 4000 м/с.
Затухание обусловлено поглощением и рассеянием ультразвука средой, то есть переходом звуковой энергии в другие виды энергии, и в частности в тепловую, рассеянием звука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения волны, а также расхождением звукового луча по мере удаления от источника.
Известно также, что ультразвуковые волны, как и любые другие акустические волны, при падении на границу раздела двух сред с разными акустическими свойствами частично отражаются, а частично преломляются и переходят в другую среду. Доля энергии волн, перешедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения между акустическими сопротивлениями (произведениями плотности сред на скорость ультразвука в них) этих сред. Так, интенсивность ультразвука, падающего из воды на поверхность вода/воздух, и перешедшего из воды в воздух составляет всего лишь 0,1%, а 99,9% отразится обратно в воду. («Ультразвук», Маленькая энциклопедия. Главн. редак. И.П. Голямина. М.: «Советская энциклопедия», 1989 г., 399 с.; Акопян В.Б., Ершов А.Ю. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами, М.: ЮРАЙТ, 2020, 223 С.; Капранов Б.И., Короткое М.М. Акустические методы неразрушающего контроля. И диагностики. Томск. Томский политехнический университет, 2008, 186 с.).
Созданное, с учетом особенностей распространения и отражения ультразвуковых волн, заявленное устройство (Рис.), представляет собой датчик (1), с крупноячеистыми сетчатыми стенками, легко проницаемыми для биодеградирующей среды, предназначенный для помещения в него исследуемого материала (2), причем, в одном торце цилиндра установлен отражатель ультразвука (3), представляющий собой воздушную полость, образованную двумя плоскими, укрепленными параллельно, мембранами (4), а с противоположной стороны, на фиксированном, с помощью скобы (5) расстоянии ультразвуковой зонд (6), совмещающий излучатель ультразвуковых импульсов и приемник отраженных сигналов, управляемый электронной схемой (7), соединенной с ПК (8), обрабатывающим и сохраняющим поступающую информацию.
Излучатель генерирует с устанавливаемой периодичностью ультразвуковые импульсы, и в промежутках между импульсами принимает отраженные сигналы - эхо-импульсы. Время между отправленным и эхо-импульсом, при известном расстоянии между излучателем и отражателем, позволяет измерить скорость ультразвука, а соотношение амплитуды отправленного сигнала и эхо-импульса - поглощение ультразвука в среде. Результаты измерения поступают на ПК и обрабатываются, отражая степень деградации материала, помещенного в устройство. По мере деградации пористой композиции, скорость ультразвука уменьшается, поскольку разрушается и ликвидизируется твердая фаза, Уменьшается и поглощение ультразвука за счет постепенной гомогенизации испытуемого пористого образца.
Заявленное устройство функционирует следующим образом. В корпус датчика (1) с крупноячеистыми сетчатыми стенками, легко проницаемыми для биодеградирующей среды, загружают исследуемый пористый полимерный композит (2) и помещают в биодеградирующую среду, после чего выдерживают в течение времени, требуемое для пропитки пористого композита, затем включают электронную схему (7), генерирующую электрические импульсы, которые направляют на ультразвуковой зонд (6), трансформирующий электрические импульсы в акустические импульсы, распространяющиеся в пропитанном биодеградирующей средой пористом полимерном композите (2), отражающиеся от ультразвукового отражателя (3) и возвращающиеся обратно к ультразвуковому зонду (6), где преобразуются в электрический импульсный сигнал, направляемый в электронную схему (7).
Промежуток времени между посланным и принятым электрическими импульсами, равный времени прохождения акустическими импульсами двойного пути фиксированного расстояния между ультразвуковым зондом и отражателем ультразвука, обеспечиваемого скобой (5), отражает скорость ультразвука в исследуемом образце, а разница в амплитуде посланного и принятого импульсов отражает затухание (поглощение и рассеяние) ультразвукового импульса при прохождении ультразвука в исследуемом образце. Эти параметры поступают с электронной схемы на ПК, где обрабатываются известными способами, сохраняются, и, при необходимости, в цифровой и графической форме отражаются на экране ПК. По мере биодеградации эти параметры претерпевают изменения за счет уменьшения интегрального объема пористого композита, и постепенного превращения твердой фазы исследуемого образца в жидкую.
Очевидно, что изменение скорости ультразвука в образце и его потери при распространении ультразвуковой волны (поглощение и рассеяние) отражают скорость биодеградации исследуемого материала в данных конкретных условиях.
Заявленная полезная модель представляет собой лишь отражение принципиальной возможности конструирования различных устройств, предназначенных для измерения скорости биодеградации искусственных и естественных полимерных материалов, без необходимости периодического извлечения датчика для измерения изменений в его параметрах.