УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОМБИНИРОВАННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА КИНЕТИКУ БИОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ МАГНИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ
DEVICE FOR INVESTIGATION OF COMBINED MAGNETIC FIELD EXPOSURE ON KINETICS OF BIOCHEMICAL PROCESSES IN BIOLOGICAL SYSTEMS CONTAINING MAGNETIC NANOPARTICLES

Область техники
Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для исследования или анализа материалов особыми способами. Предназначено для воздействия магнитным полем комбинированной структуры на биологические системы, содержащие заранее включенные в их состав однодоменные магнитные наночастицы, при проведении экспериментальных исследований по изучению этого воздействия. Комбинированная структура магнитного поля заключается в последовательном либо одновременном применении постоянного магнитного поля, переменного низкочастотного (до 1000 Гц), не вызывающего существенного нагрева магнитных наночастиц, и переменного высокочастотного (100 кГц - 1 МГц), вызывающего нагрев магнитных наночастиц. В качестве биологических систем могут выступать как отдельные биоактивные макромолекулы, везикулы с лекарством, клетки, комплексы «фермент-субстрат», «белок-ингибитор», «антиген-антитело», клеточные мембраны, липосомы, мицеллы и др., так и живые биообъекты (мыши).
Заявляемое устройство позволяет проводить исследования в области биомедицинских приложений магнитных наночастиц, в частности:
1. Исследование возможности дистанционного регулирования активности лекарственных препаратов. Механическая деформация макромолекул, вызванная вращательными осцилляциями магнитных наночастиц в низкочастотном переменном магнитном поле, может привести к существенному изменению их биохимической активности. Предварительная выдержка в постоянном магнитном поле позволяет выполнить агрегацию магнитных наночастиц в структуры с однонаправленными магнитными моментами, которые способны оказывать значительно большее воздействие на макромолекулы лекарственных препаратов, чем одиночная сферическая магнитная наночастица. Совместное воздействие тепла и механических деформаций способно увеличить эффект последних при управлении кинетикой биохимических реакций. Контролируемым воздействием внешнего магнитного поля комбинированной структуры на магнитные наночастицы можно вызвать изменение активности молекул лекарств, ферментов, ингибиторов, химически к ним прикрепленных, в процессе доставки к пораженным органам, снизив тем самым дозы и общее токсическое действие на организм и увеличив на пораженные ткани.
2. Исследование возможности контролируемого выпуска лекарств из наноконтейнеров - липосом, везикул и т.п.Магнитные наночастицы, прикрепленные на поверхность таких «контейнеров», при вращательно-колебательном движении во внешнем переменном низкочастотном магнитном поле могут увеличить проницаемость их мембран после доставки к больным органам и тканям. Эффект возрастет при предварительной экспозиции в постоянном магнитном поле, в ходе которой одиночные магнитные наночастицы формируют стержнеобразные агрегаты, воздействие которых на мембраны в низкочастотном магнитном поле существенно выше, чем в случае одиночных магнитных наночастиц. Локальный разогрев в высокочастотном магнитном поле может помочь снизить «прочность» липидной мембраны и облегчить ее разрыхление с помощью низкочастотного магнитного поля. В результате произойдет дистанционно контролируемый выпуск лекарства в заданном месте организма. Возможен также контролируемый выпуск лекарств из полимерных оболочек, сформированных вокруг магнитных наночастиц.
3. Исследование возможности селективного безоперационного прямого уничтожения больных клеток. Сформированные в постоянном магнитном поле стержнеобразные агрегаты магнитных наночастиц, закрепленные на пораженных клетках, осциллируя во внешнем магнитном поле, способны нарушить биохимические функции клеточных мембран и селективно воздействовать на ионные каналы, трансмембранные белки, рецепторы, запустив апоптоз - естественный механизм самоуничтожения раковой клетки.
Исследования, проводимые с помощью заявляемого устройства, заключаются в выявлении закономерностей воздействия комбинированного магнитного поля, оказываемого на биохимические системы. При этом исследования проводят по следующей схеме. Биохимическую систему, содержащую заранее включенные в ее состав однодоменные магнитные наночастицы, помещают в рабочую область заявляемого устройства и воздействуют на нее постоянным магнитным полем определенной напряженности в течение времени, достаточного для агрегации магнитных наночастиц в стержнеобразные кластеры. Сразу после выключения постоянного поля включается переменное низкочастотное магнитное поле определенной частоты и напряженности. В зависимости от назначения эксперимента, магнитное поле можно генерировать как в непрерывном режиме, так и в течение заданных отрезков времени с регулируемыми паузами между ними. Длительность интервалов генерации может варьироваться модулятором от 0.02 секунды до 300 секунд и, независимо от этого, паузы между ними можно варьировать в диапазоне от 0 до 300 секунд. Частота синусоидального низкочастотного переменного магнитного поля может меняться дискретно от 0.1 Гц до 400 Гц. Одновременно с началом генерации низкочастотного магнитного поля включается генерация высокочастотного магнитного поля заданной напряженности. Частота высокочастотного поля устанавливается автоматически, исходя из условий резонанса генерирующего LC-контура, и находится в интервале 200-250 кГц. Принципиально, что соотношение теплового воздействия на исследуемый объект за счет влияния высокочастотного поля и механического воздействия, обеспечиваемого низкочастотным полем, может регулироваться пользователем за счет независимой установки напряженностей высокочастотного и низкочастотного полей. Возможен, в частности, вариант, когда амплитуда одного из полей равна нулю, т.е проведение исследований без предварительной экспозиции исследуемой биологической системы в постоянном магнитном поле, а также проведение экспериментов с использованием низкочастотного и/или высокочастотного переменного магнитного поля. Объект исследования устанавливается в держатель (холдер), который затем помещается в термостатируемую рабочую область прибора, температура в которой поддерживается неизменной с помощью термостата и может устанавливаться в диапазоне от 20 до 60°С. По окончании эксперимента исследуемый образец изымается из холдера для определения изменений его свойств за время экспозиции в комбинированном магнитном поле и последующей фиксации результатов.
Уровень техники
Из уровня техники известен ряд устройств для воздействия низкочастотным магнитным полем на биообъекты с предварительно внедренными магнитными наночастицами. Однако ни одно из них, в отличие от заявляемой модели, не обеспечивает последовательную или одновременную генерацию в пределах одного рабочего объема магнитных полей разных типов, а именно: постоянного, переменного синусоидального низкочастотного негреющего (до 1000 Гц), переменного синусоидального высокочастотного греющего (100-1000 кГц).
Известно устройство для исследования воздействия низкочастотного магнитного поля на кинетику биохимических процессов в биологических системах, содержащих магнитные наночастицы, включающее генератор и электромагнит, состоящий из магнитопровода рамочного типа с двумя полюсами и пары подключенных к генератору электромагнитных катушек, размещенных каждая на своем полюсе магнитопровода. [A. Jordan, R. Scholz, K. Maier-Hau, M. Johannsen, P. Wust, J. Nadobny, H. Schirra, H. Schmidt, S. Deger, S. Loening, W. Lanksch, R. Felix. Presentation of a new magnetic field therapy system for the treatment of human solid tumors with magnetic fluid hyperthermia // Journal of Magnetism and Magnetic Materials 225 (2001), 121]. Такое устройство позволяет обрабатывать большие биообъекты, размещаемые между полюсами, включая, при соответствующем размере магнитопровода, человеческое тело (определенные его части, где находятся патологические очаги, и куда предварительно были доставлены магнитные наночастицы). В отличие от заявляемого устройства, данное устройство создает неоднородные аксиальные поля, что является его недостатком, т.к. неоднородное магнитное поле действует неодинаково на разные области биообъекта, а, следовательно, оно оказывает различный терапевтический эффект. Кроме того, неоднородное магнитное поле вызывает втягивание магнитных частиц в область возрастания его напряженности.
Этот недостаток частично устранен в устройстве для воздействия магнитным полем на биообъекты с внедренными магнитными наночастицами (патент РФ на полезную модель №114863, МПК A61N 2/02, В82В 3/00, 2012). Для генерации магнитного поля используются две пары электромагнитных катушек, размещенных соответственно на полюсах двух магнитопроводов, расположенных ортогонально. В каждой из пар катушек создается электрический ток одинаковой частоты и амплитуды, но со сдвигом по фазе друг относительно друга 90°. Суперпозиция двух получаемых сдвинутых по фазе магнитных полей в зазоре между полюсами описывается как вращающееся поле.
В сравнении с заявляемым устройством недостатком известного устройства, помимо ранее заявленного отсутствия возможности генерации постоянного и высокочастотного магнитных полей, является то, что вращающееся магнитное поле, в отличие от осциллирующего, не создает динамических (знакопеременных) сил, действующих на наночастицы, поскольку закручивает их в одну сторону в течение всего времени экспозиции. Поскольку возникающие силы обусловлены гидродинамическим сопротивлением вязкой среды, их величина существенно меньше, чем в осциллирующем поле, и недостаточна для преодоления активационных барьеров большинства биохимических процессов. В результате наномеханическое воздействие магнитных наночастиц на окружающие их биомолекулы ослабляется и эффект действия магнитного поля уменьшается.
Известно устройство (Silvia Nappini, Francesca Baldelli Bombelli, Massimo Bonini, Bengt Norden and Piero Baglioni. Magnetoliposomes for controlled drug release in the presence of lowfrequency magnetic field // Soft Matter, 2010, 6, 154-162), создающее переменное магнитное поле величиной до 0,1 Тл в зазоре тороидального электромагнита с ферритовым сердечником, подключенного к источнику переменного тока регулируемой частоты в диапазоне 0,2-6 кГц. Для электромагнита использовалось воздушное охлаждение. Авторами наблюдался ускоренный выход тестового флюоресцентного образца из липосом с магнитными наночастицами после экспозиции липосом в магнитном поле, генерируемом указанным устройством.
В сравнении с заявляемым устройством основным недостатком известного устройства является то, что в рабочем зазоре шириной порядка 1 см создается сильно неоднородное магнитное поле из-за малых габаритов магнитопровода по сравнению с помещаемой в него кюветой с исследуемым раствором. Кроме того, в этом устройстве не предусмотрена термостабилизация образца. Это не позволяет предохранить его от нагрева со стороны нагревающегося в процессе работы электромагнита и проводить эксперименты при заданной фиксированной температуре. Учитывая большую чувствительность скорости любых биохимических реакций к температуре, это приводит к большим ошибкам в результатах. Еще одним недостатком рассматриваемого устройства по сравнению с заявляемым является слишком малый рабочий зазор для помещения в нем даже мелких животных (например, лабораторных мышей), что уменьшает круг объектов исследования.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для исследования воздействия низкочастотного магнитного поля на кинетику биохимических процессов в биологических системах, содержащих магнитные наночастицы (патент на изобретение RU 2593238). Это устройство содержит источник питания, соединенный с генератором, питающим обмотки электромагнита, модулятор, подключенный между генератором и электромагнитом, датчик поля для измерения величины магнитного поля между полюсами электромагнита, датчики температуры электромагнита, сенсорный дисплей для ввода и вывода параметров магнитной обработки, микроконтроллер, два световода, расположенные на одной оптической оси с возможностью пропускания света через исследуемую биохимическую систему или регистрации флуоресценции в ней и выполненные с возможностью подключения к спектрофотометру. Электромагнит выполнен с возможностью создания в зазоре между его полюсами равномерно распределенного магнитного поля и возможностью размещения в упомянутом зазоре держателя, выполненного с термостатируемой полостью для размещения биохимических систем и снабженного средствами поддержания заданной температуры в упомянутой полости. Равномерность поля достигается благодаря наличию в сердечнике со стороны его полюсов углублений сферической формы с увеличивающейся глубиной от периферии к центру полюса, при этом максимальное значение глубины составляет от 10 до 20% от величины зазора между полюсами.
Данное устройство, в отличие от заявляемой модели, выполняет генерацию только низкочастотного магнитного поля. Также в данном устройстве для генерации низкочастотного магнитного поля используется сердечник с зазором специальной формы; в заявляемой модели низкочастотное магнитное поле образуется в центре соленоида, что позволяет увеличить объем рабочей области с сохранением требуемой однородности.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка нового устройства для исследования отклика биологических систем, содержащих магнитные частицы, в ответ на воздействие магнитным полем комбинированной структуры, включая исследование кинетики биохимических реакций, физиологических и соматических откликов живых организмов в них, исследование действия и последействия низкочастотного магнитного поля на биологические системы. Данные исследования являются основой для разработки принципиально нового способа адресной доставки лекарств и дистанционного контроля их активности, селективного воздействия на пораженные клетки в однородном магнитном поле комбинированного типа.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение проведения исследований in vitro и in vivo, т.е. технологии выполнения экспериментов, когда опыты проводятся «в пробирке» и «внутри живого организма» с целью разработки принципиально новых принципов и методов адресной доставки лекарственных препаратов, их контролируемом высвобождения из транспортных наночастиц, а также регулирования их активности одновременным или последовательным воздействием низкочастотного негреющего и высокочастотного греющего магнитных полей с регулируемой частотой, длительностью и паузами с возможностью предварительной экспозиции в постоянном магнитном поле.
Заявляемое изобретение расширяет функциональные возможности заявляемого устройства, и как следствие - расширяет спектр проводимых исследований.
Поставленная задача решается тем, что устройство для исследования биохимических систем, содержащих магнитные наночастицы, при воздействии магнитного поля комбинированной структуры, включает два независимых источника питания, один из которых, предназначенный для генерации низкочастотного и постоянного магнитного поля, соединен с генератором, обеспечивающим как режим постоянного, так и переменного синусоидального тока низкой частоты, который в свою очередь соединен через модулятор и коммутационный блок с индуктором постоянного либо низкочастотного (негреющего) магнитного поля (или низкочастотным индуктором или низкочастотной катушкой индуктивности), а второй источник питания, предназначенный для генерации высокочастотного магнитного поля, соединен с генератором высокочастотного тока, подключенным к индуктору высокочастотного (греющего) магнитного поля (высокочастотному индуктору или высокочастотной катушке индуктивности), при этом индукторы расположены с образованием рабочей области (объема) устройства с возможностью размещения в ней держателя с полостью для биохимических систем; средства термостабилизации рабочей области; датчик поля, выполненный с возможностью измерения величины магнитного поля в рабочей области устройства, сенсорный дисплей, выполненный с возможностью ввода и вывода параметров магнитного поля, микроконтроллер, соединенный с перечисленными устройствами.
Заявляемое устройство выполнено с возможностью генерирования в рабочем объеме последовательно либо одновременно магнитного поля трех разных типов: постоянного, синусоидального низкочастотного негреющего, синусоидального высокочастотного греющего, с возможностью независимого регулирования амплитуды каждого из этих полей.
Коммутационный блок предназначен для автоматического включения конденсаторов соответствующей емкости в резонансный контур с соленоидом для получения заданной резонансной частоты; Модулятор обеспечивает как непрерывный, так и импульсный режимы работы устройства.
Устройство снабжено датчиками температуры узлов и деталей, подверженных нагреву, подключенными к микроконтроллеру, подающему команды на прекращение работы прибора в случае перегрева. В частности, устройство содержит датчики температуры, размещенные на генераторах; датчик температуры, установленный на индукторе низкочастотного магнитного поля; датчик температуры, установленный в рабочей области. Устройство содержит также контуры охлаждения радиаторов генераторов и индуктора низкочастотного магнитного поля, при этом оно снабжено распределительным блоком упомянутых контуров охлаждения.
В изобретении использован индуктор высокочастотного магнитного поля, выполненный из медной трубки. В качестве средства термостабилизации рабочей области использован термостат, к выходу которого подключены образующие контур шланги, окружающие рабочую область, а также медные трубки индуктора высокочастотного магнитного поля. Индуктор низкочастотного магнитного поля выполнен в виде соленоида, во внутренней полости которого размещен индуктор высокочастотного магнитного поля, оси индукторов расположены под прямым углом с ортогональным расположением силовых линий генерируемых ими полей, направление которых совпадает с направлениями осей катушек. В одном из вариантов осуществления изобретения индуктор низкочастотного магнитного поля состоит из 4 секций, индуктор высокочастотного магнитного поля выполнен из двух половин.
Термостабилизация (или термостатирование) достигается тем, что в держателе вокруг полости имеется контур охлаждения из шлангов (трубок), которые подключены к термостату. Термостат может работать как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения.
Все конструктивные элементы устройства размещены в едином корпусе, на лицевой стороне которого расположены выключатель, сенсорный дисплей и окно для введения держателя с исследуемым образцом или животным.
Данные конструктивные элементы позволяют проводить экспериментальные исследования по изучению воздействия однородного магнитного поля комбинированной структуры в термостатированном объеме на различные биологические системы, содержащие заранее включенные в их состав однодоменные магнитные наночастицы.
Воздействие переменного низкочастотного магнитного поля на исследуемый объект вызывает вращательно-колебательное движение функционализованных полимерными лигандами магнитных наночастиц и сформированных в постоянном магнитном поле агрегатов из них, которые обеспечивают деформацию прикрепленных к ним клеточных мембран, терапевтических агентов и других объектов (например, антигенов, фрагментов ДНК и др.) и, как следствие, изменение их свойств и функций. Усилить эффект, в силу активации ряда механизмов, способен одновременный подогрев исследуемого образца за счет тепловыделения в магнитных наночастицах в высокочастотном магнитном поле. Поэтому основная сфера применения данного устройства - исследования в области адресной доставки лекарств и контролируемого выпуска их из транспортных наночастиц, дистанционного контроля их активности, селективного воздействия на пораженные клетки. Особую актуальность данные исследования приобретают в терапии онкологических заболеваний, где от адресности и дозирования воздействия лекарства напрямую зависит общее токсическое действие на организм пациента и, в конечном счете, вероятность успешного исхода лечения.
Принцип работы устройства основан на генерации низкочастотного и/или высокочастотного переменного магнитного поля, и/или постоянного магнитного поля во внутреннем пространстве индуктора (соленоида), по виткам которого протекает электрический ток заданной частоты в течение заданного времени. Устройство содержит два индуктора: один для генерации высокочастотного магнитного поля, другой - для низкочастотного и постоянного магнитного поля. Высокочастотный индуктор расположен во внутреннем пространстве низкочастотного индуктора; пространство внутри высокочастотного индуктора образует рабочий объем. При этом в указанном объеме создается магнитное поле с высокой степенью однородности, куда может быть помещена кювета с исследуемым материалом либо лабораторное животное (например, мышь). Кювета (или животное) сначала помещается в выдвижной холдер, затем он по направляющим вставляется и фиксируется в рабочей области, чтобы обеспечить неизменное от опыта к опыту положение исследуемого объекта в области однородного магнитного поля.
Краткое описание чертежей
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана общая блок-схема устройства; на фиг. 2 представлена схема взаимного расположения элементов индукторного блока, включающая фронтальный вид блока и вид сверху катушки высокочастотного индуктора, на фиг. 3 представлены фотографии пенала с высокочастотным индуктором с двух ракурсов, на фиг. 4 изображена фотография всего устройства.
Перечень позиций, указанных на чертежах: 1 - корпус; 2 - выключатель; 3 - источник питания для низкочастотного генератора; 4 - низкочастотный генератор; 5 - модулятор; 6 - коммутационный блок; 7 - источник питания для высокочастотного генератора; 8 - высокочастотный генератор; 9 - индуктор низкочастотного поля; 10 - индуктор высокочастотного поля; 11 - микроконтроллер; 12 - сенсорный дисплей; 13, 14, 15, 16 - датчики температуры; 17, 18, 19 - контуры охлаждения; 20 - термостатирующий контур; 21 - датчик поля; 22 - рабочий объем; 23 - держатель образцов (холдер); 24 - распределитель забортной проточной воды; 25 - окно для введения держателя образцов, 26 - термостат, 27 - пенал, формирующий рабочий объем, в который помещается холдер с исследуемыми образцами.
Осуществление изобретения
Устройство содержит помещенные в корпус 1 два импульсных источника питания 3 и 7, снабженных единым выключателем 2, выполняющим функцию включения устройства в целом, генератор низкочастотного тока 4 и модулятор 5 с коммутационным блоком 6, генератор высокочастотного тока 8, катушку-индуктор низкочастотного поля 9 и высокочастотного поля 10, микроконтроллер 11 для управления процессами, который электрически соединен с датчиком температуры 13, установленным на радиаторе генератора 4, датчиком температуры 14, установленным на радиаторе генератора 8, датчиком температуры 15, установленным на катушке-индукторе низкочастотного поля 9, и датчиком температуры 16, установленным в стенке рабочего объема 22. На лицевую поверхность корпуса 1 выведен сенсорный дисплей 12 для ввода-вывода информации и окно 25 для размещения держателя образцов 23. Для охлаждения служат контуры охлаждения: 17 - для радиатора генератора 4, 18 - для радиатора генератора 8, 19 - для низкочастотного индуктора 9. Величина протока охладителя - воды от внешнего источника (водопровод) - распределяется равномерно для каждого контура в распределительном блоке 24. Термостабилизация рабочего объема осуществляется с помощью встроенного термостата 26, к выходу которого подключены образующие контур 20 шланги, окружающие рабочий объем 22, и медные трубки, образующие высокочастотную катушку индуктивности 10. В рабочем объеме 22 установлен датчик поля 21, соединенный с микроконтроллером 11.
Напряжение трехфазной электросети 380 В/50 Гц поступает на вход импульсного источника питания 3 постоянного тока напряжением 530 В и выходной мощностью до 4 кВт, а также импульсного однофазного источника питания 7 постоянного тока напряжением 310 В и выходной мощностью до 2 кВт. Включение обоих источников питания осуществляется одновременно выключателем 2. Постоянное напряжение с выхода источника питания 3 подается на вход широтно-импульсного генератора переменного напряжения 4, формирующего гармонические колебания в низкочастотном колебательном контуре, составной частью которого является катушка индуктивности 9, на его резонансной частоте. Катушка индуктивности 9 низкочастотного колебательного контура выполнена из провода ПЭВ-2 диаметром 2,1 мм и секционирована на 4 части, между которыми расположены шланги контура системы охлаждения. Резонансная частота выбирается путем включения в резонансный контур набора конденсаторов соответствующей емкости в коммутационном блоке 6, работой которого управляет микроконтроллер 11. Всего доступно 8 частот в диапазоне 20-250 Гц. Генератор 4 способен также формировать постоянное напряжение заданной величины для создания постоянного магнитного поля, в этом случае коммутационный блок осуществляет подачу напряжения на катушку 9 в безрезонансном режиме, без подключения конденсаторов. Составной частью генератора 4 является модулятор 5, предназначенный для формирования прерывистого режима колебаний в низкочастотном контуре. В прерывистом режиме генерация колебаний осуществляется в течение определенного времени (длительность импульса), затем в течение паузы между пачками колебаний генерация колебаний не осуществляется. Длительность импульса и длительность паузы может быть выбрана из дискретного набора в диапазоне 0,5 с - 5 мин. Постоянное напряжение с выхода источника питания 7 подается на вход широтно-импульсного генератора переменного напряжения 8, формирующего гармонические колебания в высокочастотном колебательном контуре, составной частью которого является катушка индуктивности 10, на его резонансной частоте, которая составляет 230 кГц. Катушка индуктивности 10 выполнена из медной трубки, по которой протекает дистиллированная вода из замкнутого контура встроенного термостата LT-108a ЛОИП 26. Для эффективной работы системы охлаждения необходимо, чтобы скорость протока воды от внешнего источника составляла не менее 1 л/мин, а температура воды не превышала 13°С.
Конструктивно устройство выполнено в стандартной 19" стойки из 3 ярусов. Нижний ярус занимает термостат и входные узлы системы охлаждения, средний - индукторный блок и задающий тракт высокочастотного поля, верхний - задающий тракт низкочастотного поля, коммутационный блок, управляющий микроконтроллер и сенсорный дисплей.
Импульсные источники питания 3 и 7 включают в свой состав: фильтр питания LC; двухполупериодный выпрямитель, выполненный на диодах; устройства плавного включения, выполненного на силовом реле и управляющей схеме на стабилитроне; накопитель энергии в виде электролитических конденсаторов; коммутатора выполненного на IGBT - транзисторах соединенных по мостовой схеме с драйверами (IR2113) ключей; схемы управления на базе широтно-импульсного управляемого модулятора, с двумя обратными связями по току (защита по току на датчике тока) и по напряжению выполненного на микросхеме (TL431) и вспомогательного вторичного источника питания; токовый трансформатор; импульсный трансформатор со средней точкой; снабберы RC-типа; выходной выпрямитель на двух диодах; двух индуктивных фильтров; выходной емкости в виде электролитических конденсаторов и схемы регулирования обратной связи по напряжению на микросхеме (TL431).
Генераторы 4 и 8 включают в свой состав: коммутатор, выполненный по мостовой схеме на мощных IGBT-транзисторах; платы управления силовыми транзисторами с оптической развязкой и тремя вспомогательными импульсными вторичными источниками питания.
Коммутационный блок 6 включает в свой состав набор конденсаторов Epcos серии В32778, подключение и отключение которых производится с помощью силовых реле Omron G8P-1A4P 12V DC, управляемых 8-канальными драйверами MBI5168GN, питание которых осуществляется от вспомогательного блока питания 12 В.
Система управления прибора построена на базе 32-разрядного микроконтроллера STM32F407VG с архитектурой ARM Cortex-M4 (11) и дисплейного модуля STM32F4DIS-LCD (12) фирмы STMicroelectronics. Посредством дисплея оператор задает требуемую величину индукции магнитного поля (исходя из которой пересчитывается и задается необходимое напряжение сигнала на выходе генераторного блока), частоту, длительность пакетов и пауз между ними, общую длительность эксперимента.
Дисплейный модуль имеет разрешение 320×240 пикселей, 262000 цветов, ШИМ управление подсветкой, 16-битный параллельный интерфейс 8080, резистивную сенсорную панель с драйвером SSD2119. Управление дисплейным модулем осуществляется микроконтроллером STM32F407VG с помощью встроенного контроллера статической памяти FSMC, что позволяет освободить процессор от выполнения рутинных задач по поддержке пользовательского интерфейса.
Схема взаимного расположения элементов индукторного блока, включающая фронтальный вид блока и вид сверху катушки высокочастотного индуктора, представлена на фиг. 2. Индукционная катушка низкочастотного поля 9 выполнена в виде соленоида длиной 170 мм с диаметром внутренней полости 130 мм. В этом пространстве размещена индукционная катушка высокочастотного поля 10, изготовленная из медной трубки внутренним сечением 8 мм. Катушка 10 состоит из двух половин. Пенал 27 из фторопласта является каркасом для каждой из половин катушки 10. Каждая половина содержит 4 витка (2 слоя по 2 витка) в форме прямоугольника со скругленными краями с размерами внутреннего витка 50×100 мм. Оси катушки 9 и катушки 10 расположены под прямым углом, чтобы силовые линии генерируемых ими полей, направление которых совпадает с направлениями осей катушек, были ортогональны. Это сводит к минимуму влияние высокочастотного поля на низкочастотный индуктор, исключая наведение в низкочастотном индукторе 9 высоких напряжений. Внутренняя полость пенала образует рабочий объем, в который вставляется держатель образцов. В соответствии с формой рабочей области, предусмотрено для различных держателя образцов: один - с поперечными размерами 95×24 мм, предназначенный для экспериментов с 96-ячеечным планшетом, другой - с поперечными размерами 42×44 мм, предназначенный для экспериментов с лабораторными мышами либо с образцами в кюветах высотой до 40 мм. Фотография пенала с высокочастотным индуктором в термоизоляционной трубке представлена на фиг. 3.
Держатели (холдеры) 23 выполнены также из фторопласта. Холдер вводится в рабочее пространство горизонтально через отверстие (окно) 25 в корпусе прибора до упора и фиксируется небольшой ступенькой за корпус прибора. Фиксация держателя обеспечивает необходимую точность позиционирования исследуемого объекта.
В контуры охлаждения 17, 18, 19 внешняя проточная вода подается через распределительный блок 24, состоящий из редуктора и системы кранов, регулирующих проток воды через каждый контур. Термостабилизация рабочего объема осуществляется через контур 20. Дистиллированная вода из циркуляционного жидкостного термостата LT-108а ЛОИП (26) поступает в шланги, окружающие короб, формирующий рабочую область, и в медные трубки высокочастотного индуктора 10. Термостат может работать как в режиме нагрева, так и в режиме охлаждения для поддержания заданной температуры. Температура может выставляться в пределах 20-50°С.
Управляющая программа осуществляет сбор данных о температуре блоков прибора с помощью температурных датчиков DS18S20 (DS18B20) фирмы DALLAS SEMICONDUCTOR (13, 14, 15, 16). Данные о магнитном поле собираются с помощью встроенного 12-битного АЦП управляющего процессора и датчика магнитного поля AD22151 фирмы Analog Devices, включенного по униполярной схеме с высокой компенсацией. Получаемые данные индицируются на сенсорном дисплейном модуле 12.
Управляющее ПО по команде пользователя формирует команды по включению силовой части и настройке устройства модуляции, формирующего синусоидальный ШИМ-сигнал с заданной частотой, амплитудой и начальной фазой. Устройство модуляции построено на базе ПЛИС МАXII ЕРМ1270Т144 фирмы ALTERA, в которой на языке Verilog реализовано ядро NCO и интерфейс взаимодействия с микроконтроллером. Развязка устройства модуляции от силовой части выполнена с помощью волоконно-оптических приемников-передатчиков фирмы Avago Technologies HFBR-1521/Z и HFBR-2521/Z.
Управляющее ПО поддерживает программный сетевой стек LwIP, что позволяет организовать удаленное управление прибором по стыку Ethernet с помощью микросхемы физического уровня LAN8720.
Для работы с устройством необходимо подключить его к электросети и к коммуникациям с проточной водой.
После включения устройства на сенсорном дисплее 12 отображается информация о готовности устройства к работе, температура катушек и кюветного отделения, величина генерируемого в данный момент магнитного поля и основное меню выбора параметров: последовательности режимов действия магнитного поля, температуры в рабочем объеме, длительности эксперимента, частоты низкочастотного магнитного поля, амплитуды магнитной индукции низкой и высокой частоты и, в случае импульсного режима работы, длительности колебаний и пауз. Пользователю доступны для выбора следующие интервалы устанавливаемых параметров устройства:
- температура рабочего объема: 20-50°С (регулируется непрерывно);
- длительность эксперимента: 1 с - 3 ч (регулируется непрерывно);
- частота низкочастотного поля: 20-250 Гц (выбирается дискретно);
- амплитуда низкочастотного поля: 10-200 мТл (регулируется непрерывно; верхняя граница зависит от частоты и составляет 90-200 мТл);
- амплитуда высокочастотного поля: 1-15 мТл (регулируется непрерывно);
- длительность колебаний в импульсном режиме: 0,5 с - 5 мин.;
- длительность пауз в импульсном режиме: 0,5 с - 5 мин.
В процессе работы контроль за температурой узлов устройства осуществляется в автоматическом режиме. При приближении текущего значения температуры к критическому на экран выводится предупреждающая информация. При превышении критической температуры на лицевой панели устройства загорится светодиод красного цвета, и устройство прекратит свою работу. В этом случае рекомендуется включить устройство повторно по истечении времени, достаточного для его остывания.
Таким образом, устройство для воздействия магнитным полем комбинированного типа на биологические системы при исследовании кинетики биохимических реакций в них позволяет на новом технологическом уровне качественно проводить исследования по последовательному либо одновременному воздействию магнитных полей разного типа в непрерывно контролируемых условиях (по температуре, частоте, амплитуде магнитного поля и длительности экспозиции), в том числе в импульсном режиме, на биологические системы, содержащие заранее введенные однодоменные магнитные наночастицы. Размер рабочего объема устройства позволяет размещение как держателя образов, сконструированного для проведения экспериментов с кюветами и плашками с находящимися в них суспензиями, так и держателя для экспериментов с мелкими лабораторными животными - мышами. Также устройство позволяет термостабилизировать исследуемые образцы. Все это позволяет получать достоверные данные и правильно их интерпретировать.
С помощью заявляемого устройства был проведен ряд экспериментов с использованием различных комбинаций магнитных полей, которые показали увеличение эффективности воздействия на тест-объекты (суспензии с магнитными наночастицами, клеточные культуры) по сравнению с воздействием только низкочастотным полем той же амплитуды. В частности, был проведен эксперимент по исследованию влияния магнитного поля на химическую активность фермента химотрипсина. Исследовалась реакция «фермент-субстрат» в магнитной суспензии, содержащей магнитные наночастицы с ядром из магнетита радиусом 8-12 нм, к полимерной оболочке которых, состоящей из иономеров «полиметакриловая кислота - полиэтиленгликоль» (PEG-PMA) длиной 10-20 нм, были прикреплены химически молекулы химотрипсина. В качестве субстрата использовался N-бензоил-L-тирозин p-нитроанилид (BTNA). Установлено, что после первой экспозиции длительностью 5 минут в низкочастотном поле с частотой 50 Гц и магнитной индукцией 100 мТл скорость реакции снизилась на 30% относительно величины скорости реакции в отсутствие поля. Экспозиция той же длительностью (5 минут) в комбинированном поле, образованном таким же низкочастотным полем с частотой 50 Гц и магнитной индукцией 100 мТл и высокочастотным полем с частотой 230 кГц и магнитной индукцией 5 мТл, которой предшествовала экспозиция в постоянном магнитном поле с амплитудой 100 мТл, привела к замедлению скорости реакции на 50% относительно величины скорости реакции в отсутствие поля. Таким образом, применение магнитного поля комбинированной структуры, полученного с помощью заявляемого устройства, привело к увеличению эффекта экспозиции на 20% по сравнению с экспозицией только в низкочастотном магнитном поле.