Воздействие низкочастотного ультразвука на биологическую ткань

АКУСТИКА

i

DOI: 10.18698/1812-3368-2015-6-63-67 УДК 611.08

ВОЗДЕЙСТВИЕ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ ТКАНЬ

В.М. Горшкова

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Российская Федерация e-mail: v_gorshkova@mail.ru

В последнее время ультразвуковое воздействие является наиболее распространенным способом воздействия на кожу. Приведено теоретическое описание действия ультразвука на слой жидкости, находящейся на поверхности кожи. На основе этого описания выполнены экспериментальные исследования и разработана технология очистки кожи с помощью ультразвука. Установлено, что эта технология позволяет уменьшить толщину рогового слоя, увеличить толщину живых слоев эпидермиса, удалить участки гиперкератоза, а также выровнять тон кожи.

Ключевые слова: очистка кожи, ультразвуковое воздействие, биологическая ткань.

IMPACT OF LOW-FREQUENCY ULTRASOUND ON BIOLOGICAL TISSUE

V.M. Gorshkova

Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russian Federation e-mail: v_gorshkova@mail.ru

The ultrasound skin treatment has recently become the most widely used method in facial therapy. The paper gives a theoretical description of the ultrasound impact on the skin surface liquid layer. Based on the description, the authors carry out research and develop skin-cleaning technology with the help of ultrasound. This technology helps reduce the thickness of a corneal layer, increase the thickness of living epidermal layers, remove epidermolytic hyper keratosis from the skin, and even out the skin tone.

Keywords: skin cleaning, ultrasound impact, biological tissue.

В зависимости от способа воздействия на кожу различают механическое (удаление эпидермиса — дермабразия), химическое (воздействие химическими препаратами, например, фруктовыми кислотами, трихлоруксусной кислотой, фенолом и др.), лазерное и в последнее время ультразвуковое (УЗ) воздействия [1-3].

Цель настоящей работы — теоретическое обоснование физико-химических процессов очистки кожи с помощью низкочастотного ультразвука. При УЗ-очистке (пилинге) проводится воздействие УЗ-колебаний на систему лекарственное вещество в растворе (гель, крем)-биологическая ткань (кожа — роговой слой и эпидермис) [4, 5].

Статическое равновесие пузырька в покоящейся жидкости.

Для описания статического равновесия пузырька в покоящейся жидкости введем следующие обозначения: давление, создаваемое окружающей жидкостью, на поверхность пузырька (каверне) Р; давление насыщенных паров в пузырьке Рн; давление газов воздуха Рг; коэффициент поверхностного натяжения а.

Предположим, что пузырек представляет собой сферу радиусом Я. Очевидно, на поверхности раздела сред имеет место баланс давлений, описываемый равенством:

Согласно (1), — если

то пузырек сжимается; — если

P = Рн + Р - R

P > Рн + Рг - R

Р < Рн + Рг - 2

к

то пузырек увеличивается.

В соответствии с неравенствами (2), (3), изменение размеров пузырька может происходить в результате воздействия внешних давлений /(Я, Т). Поэтому из (1)-(3) следует, что / (Я, Т) = Р-Рн+Рг+2%.

Я

Приведем выражение для воздействия внешних давлений / (Я, Т) для закона Менделеева-Клапейрона:

f (R,T) = -Р + Р. + § - R

где B = const > 0; Т — абсолютная температура.

На основании (4) найдем максимальное (критическое) значение радиуса Дкр пузырька, а из (1) — критическое давление Ркр = P(R)\r_r .

При фиксированных значениях Р, Рн, Ro (начальный радиус пузырька), а имеем max f (R,T) = f (Rкр,Т). Во всех случаях радиус

R

Ккр является решением уравнения

df (K,T) дК

= 0.

Из (5) и (4) следует, что

Ркр = Рн -2(т

кр н V BT

и

1/2

Условия схлопывания газового пузырька. Определим условия, при выполнении которых газовый пузырек кавитирующей жидкости

(лежащей на поверхности) схлопывается. Как уже было отмечено выше, для пузырька (сфера радиусом К), который находится в положении равновесия, справедливо выражение (1). Предположим, что установился стационарный режим кавитации; газ совершенный и его плотность постоянна; жидкость несжимаема, изотропна и однородна; течение жидкости стационарное и безвихревое; размер пузырька меняется только вследствие изменения его радиуса К. Обозначим и (Ь) = йК(Ь)/йЬ — скорость изменения радиуса.

В работе [6] было установлено, что при перечисленных выше предположениях скорость и(Ь) удовлетворяет уравнению

( йи 3 2\ „ „

-Ч Л - 3'") = - р

где р — плотность газа; — давление на стенку пузырька в момент времени Ь; Р^ — давление в удаленной точке.

2а ВТ

В этом случае с учетом формулы (1) запишем Рг = Рн —— + ——.

К К3 ( 2а ВТ\

Обозначим давление как f

\ К К )

следует, что, если дf (К,Т)/дК = 0, то и (Ь) = 0. Поэтому

3 ВТ4 1/2

Ккр = а

Экспериментальное подтверждение. Наличие пузырьков приводит к тому, что жидкость становиться сжимаемой. Последнее означает, что ее плотность зависит от давления. Приближенно можно принять, что эта зависимость линейна. Такой факт теоретически и экспериментально установлен в работе [4]. Следовательно, в результате взаимодействия клеток рогового слоя и микропузырьков, последние схлопы-ваются, в результате чего в месте их воздействия образуется избыточное (микролокальное) давление, которое приводит к отшелушиванию мертвых (роговых) клеток.

На поверхности кожи (рогового слоя) есть много неровностей типа трещин. При заполнении их жидкостью в трещинах остается воздух. Кроме того, через поверхность жидкости за счет диффузии происходит растворение газов в ней, развивается кавитация. Таким образом, в результате взаимодействия клеток рогового слоя и микропузырьков последние схлопываются, поэтому в месте УЗ-воздействия создается избыточное давление, которое приводит к отшелушиванию ороговевших (мертвых) клеток.

Роговой слой является несмачиваемой поверхностью [2, 3]. Отметим, что критерий качественного отшелушивания ороговевших кле-

ток — смачиваемость поверхности, которую можно описать следующим образом: пусть о\ — поверхностное натяжение на границе раздела кожа-воздух, а2 — поверхностное натяжение на границе раздела кожа-раствор, а3 — поверхностное натяжение на границе раздела раствор-воздух, в — краевой угол.

Условие смачиваемости поверхности имеет вид о\ = а2 + ^з cos в. Если в < 90°, то поверхность смачиваемая, если в > 90°, то поверхность не смачиваемая. Следовательно, после проведения УЗ-очистки поверхность кожи становится смачиваемой, что позволяет сделать вывод об эффективности такого воздействия.

Дальнейшие теоретические исследования могут быть основаны на эффекте "расклинивающего" давления, возникающего в тонких слоях жидкости [7, 8].

На основе теоретических и экспериментальных исследований в МГТУ им. Н.Э. Баумана была разработана технология очистки кожи с помощью низкочастотного ультразвука [4].

Ультразвуковая очистка кожи осуществляется при совместном воздействии УЗ-колебаний низкой частоты (26,5 кГц) интенсивностью 0,2... 0,8 Вт/см2 в непрерывном режиме и растворов (антисептиков, например, календула, (5... 15)%-ный АНА кислотностью рН = 3 ... 5 (раствор а-гидрокислоты)) на систему раствор (гель)-биологическая ткань (роговой слой кожи). С помощью УЗ-генератора и инструментов, разработанных в МГТУ им. Н.Э. Баумана, указанная технология эффективна и атравматична, позволяет уменьшить толщину рогового слоя, удалить участки гиперкератоза, увеличить толщину живых слоев эпидермиса, выровнять тон (цвет) кожи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Norris D.A., Whang K., David-Bajar K., Bennion S.D. The influence of ultraviolet lightion immunological cytotoxity in the skin // Photochem Photobiol. 1997. Vol. 65. Р. 636-646.

2. Cross-Linking of collagen by synglet oxygen generated with UVA / A. Ryu, E. Naru, K. Arakane, T. Masunaga, K. Shinomoto, T. Nagano, M. Hirobe, S. Mashiko // Chem. Pharm Bull (Tokuo). 1997. Vol. 45. Р. 1243-1247.

3. Эрнандес ^.^Косметический пилинг. Теоретические и практические аспекты. Сборник статей. М.: Косметика и медицина, 2003. 214 с.

4. Горшкова В.М. Ультразвуковой пилинг // Технология живых систем. 2009. № 1. С. 48.

5. Gorshkova V.M., Savchenko S.V. Potential Use Ultrasound for Subcutaneous Delivery of Anesthetics // Biomedical Engineering. 2013. Vol. 47. No. 1. Р. 36-38.

6. Harway Gr. Cavitation formation and development // Cellulor Gr. and Comp. Physiol. 1944. Vol. 24. No. 1. P. 2-21.

7. Романов А.С., Семиколенов А.В. Безнапорное заполнение капилляра в асимптотической теории смачивания // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 4. URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/699.html

8. Романов А.С., Семиколенов А.В. Форма свободной поверхности жидкости, находящейся в равновесии со своей а-пленкой // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 8. URL: http://engjournal.ru/catalog/fundamentals/physics/872.html

REFERENCES

[1] Norris D.A., Whang K., David-Bajar K., Bennion S.D. The influence of ultraviolet lightion immunological cytotoxity in the skin. Photochem Photobiol, 1997, vol. 65, pp. 636-646.

[2] Ryu A., Naru E., Arakane K., Masunaga T., Shinomoto K., Nagano T., Hirobe M., Mashiko S. Cross-Linking of collagen by synglet oxygen generated with UVA. Chem. Pharm. Bull. (Tokuo), 1997, vol. 45, pp. 1243-1247.

[3] Ernandes E.I. Kosmeticheskiy piling. Teoreticheskie i prakticheskie aspekty. Sb. statey [Cosmetic Peeling. Theoretical and Practical Aspects. Collected Works]. Moscow, Izd. Dom "Kosmetika i meditsina" Publ., 2003. 214 p.

[4] Gorshkova V.M. Ultrasonic Peeling. Tekhnologiya zhivykh system [Technologies of Living Systems], 2009, no. 1, p. 48 (in Russ.).

[5] Gorshkova V.M., Savchenko S.V. Potential Use Ultrasound for Subcutaneous Delivery of Anesthetics. Biomedical Engineering, 2013, vol. 47, no. 1, pp. 36-38.

[6] Harway Gr. Cavitation formation and development. Cellulor Gr. and Comp. Physiol, 1944. Vol. 24, no. 1, pp. 2-21.

[7] Romanov A.S., Semikolenov A.V. Depressurized capillary filling in the asymptotic theory of wetting. Jelektr. nauchno-tehn. Izd. "Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovacii" [El. Sc.-Techn. Publ. "Eng. J.: Science and Innovation"], 2013, iss. 4. Available at: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/699.html

[8] Romanov A.S., Semikolenov A.V. Form of a free liquid surface, which is in equilibrium with its alfa-film. Jelektr. nauchno-tehn. Izd. "Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovacii" [El. Sc.-Techn. Publ. "Eng. J.: Science and Innovation"], 2013, iss. 8. Available at: http://engjournal.ru/catalog/fundamentals/physics/872.html

Статья поступила в редакцию 22.04.2015

Горшкова Вера Минировна — канд. техн. наук, доцент кафедры "Химия" МГТУ им. Н.Э. Баумана.

МГТУ им. Н.Э. Баумана, Российская Федерация, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Gorshkova V.M. — Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemistry, Bauman Moscow State Technical University.

Bauman Moscow State Technical University, 2-ya Baumanskaya ul. 5, Moscow, 105005 Russian Federation.

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Горшкова В.М. Воздействие низкочастотного ультразвука на биологическую ткань // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2015. № 6. C. 63-67.

Please cite this article in English as:

Gorshkova V.M. Impact of low-frequency ultrasound on biological tissue. Vestn. Mosk. Gos. Tekh. Univ. im. N.E. Baumana, Estestv. Nauki [Herald of the Bauman Moscow State Tech. Univ., Nat. Sci.], 2015, no. 6, pp. 63-67.