Использование ультразвука как катализатора при контактном растворении желчных камней

УДК 539.32

Г.Г. Устинов, В. В. Поляков, А.В. Шарак, Д.Д. Рудер Использование ультразвука

как катализатора при контактном

РАСТВОРЕНИИ ЖЕЛЧНЫХ КАМНЕЙ

Интракорпоральное растворение желчных камней является важным методом лечения желчнокаменной болезни, альтернативным хирургическому. Впервые контактное растворение было предпринято в конце прошлого века, когда через холецистостому в желчные пути вводили эфир (Walker, 1891). Прошло более ста лет с момента первой попытки растворить желчные камни, но существенного прогресса в этом вопросе не отмечается.

Исследование состава и структуры желчных камней позволило выявить три причины неудач их контактного растворения. Первая - сложность структуры желчного камня, наличие наружной оболочки и слоистость внутренней структуры, которые затрудняют проникновение растворителя внутрь камня. Вторая - мно-гокомпонентность химического состава камня, присутствие одновременно органических и неорганических соединений, что требует применения комбинированного растворителя. Третья - трудность подведения растворителя непосредственно к камню. Первостепенной задачей был выбор наиболее эффективного растворителя. Нами изучено растворение желчных камней 16 видами камнелизатов, как широко известных, так и вновь синтезированных, например, этил-терц-бутилового эфира [1]. Продолжительность растворения конкрементов составляла от нескольких часов до нескольких суток. Механизм растворения различных зон камня изучали методом электронной сканирующей микроскопии. На разлом или шлиф камня наносили растворитель и по изменению структуры шлифа судили о его растворении. Было установлено, что механизм растворения желчных камней разными растворителями различен. Одни растворители действовали на кристаллы холестерина, как бы "вымывали" их из структуры камня. Другие, наоборот, растворяли аморфную часть камня, при этом кристаллы холестерина выступали более отчетливо, связь между ними становилась непрочной. Данное исследование позволило сделать вывод о необходимости использования комбинированного растворителя, действующего одновременно на аморфную и кристаллическую части камня. Эмпирически это уже пытались использовать в работах [2—5].

Второй задачей стал поиск путей сокращения времени растворения желчных камней. Из кинетики процесса растворения твердого тела известно, что скорость растворения зависит от величины площади контакта растворяемого вещества и растворителя, а также от частоты

смены растворителя у поверхности. Одним из способов увеличения площади контакта и смены растворителя у поверхности растворяемого тела является механическое перемешивание растворителя, т.е. использование так называемой возмущенной среды. Нами были применены различные виды активации растворителя. Использование магнитной мешалки, скорость которой составляла 100 об/мин, привело к ускорению процесса растворения на 25%. Еще больше сокращало время растворения применение сатуратора (3 • 104 об./мин). Таким образом, ускорение процесса лизиса желчных камней находилось в прямой зависимости от величины возмущения среды растворителя.

Для ускорения химических реакций часто используется воздействие ультразвука, усиленного действием кавитации, возникающей в мощном ультразвуковом поле. Звукохимические исследования, проведенные в начале 80-х гг. [6—10], позволили объяснить процесс ускорения растворения желчных камней. Если кавитация в жидкости идет вблизи протяженной твердой поверхности, то происходит перераспределение давления в ультразвуковом поле, и схлопывание микропузырьков около поверхности становится заметно асимметричным. В результате возникает направленная к поверхности струя жидкости, движущаяся со скоростью приблизительно 103 м/с. Воздействие этой струи, как и порожденной ею ударной волны, приводит к эрозии поверхности, удалению не-реакционноспособных частиц с оболочки и образованию микротрещин, в которые более интенсивно поступает растворитель.

Другим важным обстоятельством, связанным с ультразвуковой кавитацией и приводящим к ускорению химических реакций, является способность мощного ультразвука создавать микроскопические "очаги пламени" в холодных жидкостях. Г азы и пары внутри пузырька сжимаются, интенсивно выделяя тепло, за счет которого повышается температура раствора в непосредственной близости от пузырька. При схлопывании пузырька возникает микрообласть с повышенной температурой, молекулы в этой области могут возбуждаться в высокоэнергетические состояния. Скорости нагрева и охлаждения жидкости во время кавитации составляют порядка 109 К/с, при этом основная масса жидкости имеет температуру окружающей среды [8].

Следующим обстоятельством является то, что ультразвук, преодолевая силы сцепления, удерживающие молекулы жидкости, приводит

Использование ультразвука как катализатора при контактном растворении

к дроблению ее на мелкие капли, и постепенно жидкость эмульгируется. Эмульгирование растворителя ускоряет химические реакции благодаря увеличению поверхности контакта [5; 11]. Хорошо известно также разрушающее действие ультразвука большой мощности на камни [2-5]. Разрушение желчных камней возможно непосредственно в поле ультразвуковой волны, хотя более интенсивно оно происходит при прямом контакте камня с рабочей частью волновода. Разрушение камней ультразвуком начинается с их фрагментации на отдельные части различной величины. Образующиеся фрагменты имеют острые края, кристаллы холестерина не изменяют своей прямоугольной формы [12-15].

Для исследования влияния ультразвука на ускорение процесса растворения желчных камней мы использовали его воздействие как в непрерывном, так и в импульсном режиме. В качестве генератора ультразвуковых волн применяли аппарат УРСК-18, разрешенный М3 СССР для применения в медицине. Подаваемая на волновод электрическая мощность составляла 20 Вт, частота ультразвука изменялась в интервале 26...27.5 кГц, амплитуда механических колебаний волновода равнялась 44...55 мкм, акустическая мощность в зависимости от близости к резонансной частоте системы изменялась от 2 до 20 Вт. Применение ультразвукового воздействия

способствовало сокращению времени растворения конкрементов в десятки

раз (до 14-20 мин.). Однако следует отметить, что хотя использование ультразвуковых колебаний и привело к положительному результату, частота колебаний была выбрана из наличия имеющегося прибора. Поиск оптимальной частоты ультразвуковых колебаний является актуальной задачей исследований.

При изучении механизма действия ультразвука и комбинированного камнелизата было установлено, что процесс растворения идет с постоянным уменьшением объема камня путем поочередного "смывания" слоев конкремента. Края камня и кристаллы холестерина закруглялись, как бы "таяли". Это подтверждено также исследованием конкрементов методами сканирующей электронной микроскопии и оптической микроскопии. Типичные микрофотографии структуры

исследовавшихся камней, полученные с помощью микроскопа ЫЕОРНОТ-32, приведены на рисунке. Полученные данные служат доказательством того, что ультразвук не разрушает камень, а является активатором химических процессов, ведущих к значительному ускорению растворения желчного камня. Дополнительным доказательством этого является воздействие ультразвуком на камни в дегазированной воде в течение 16-20 мин. Фрагментации камней или каких либо изменений в их оболочке при этом не происходило.

Микрофотография структуры шлифов желчных камней: а - холестеринового, б - смешанного. х20

Таким образом, увеличение скорости контактного растворения желчного камня под действием ультразвука и комбинированного растворителя обусловлено следующими факторами:

• эмульгирование растворителя, превращение его в мелкодисперсную среду;

• создание "горячих" микрообластей на поверхности камня за счет процесса схлопывания микропузырьков;

• перераспределение давления в ультразвуковом поле, в результате которого возникает струя жидкости, движущаяся к поверхности камня с высокой скоростью.

Полученные положительные результаты растворения желчных камней in vitro с помощью ультразвука и комбинированного камне- лизата создают перспективы для применения предложенного подхода в практической медицине.

Литература

1. Dai K.Y., MontetJ.C., Zhao Х.М. et al. Dissoluting agents of human mixed cholesterol stones II Gastroenterol. Clin. Biol. 1988. Vol. 12. №4.

2. Dai K.Y., MontetJ.-C., Zhao X.M. et al. Dissolution of human brown pigment biliary stones // J. Hepatol. 1989. Vol. 9. №3.

3. Leuschner W. In vitro gallstone dissolution II Gastroenterology. 1986. Vol. 91. №4.

4.Takasawa Y., Suzuki N., Takahashi W., Sato T.A study on the dissolution and desintegration of calcium bilirubinate stones with special reference to effectsof litholytic agents in human bile and to irrigation of bile ducts in dogs // Tohoku J. exp. Med. 1982. Vol.138. №4.

5. Маргулис М.Л. Основы звукохимии. Химические реакции в акустических полях. М., 1984.

6. Маргулис М.А. Звукохимические реакции и сонолюминесценция. М., 1986.

7. Boudjouk Philip Synthesis with ultrasonic waves // J. Chemica Education. 1986. Vol. 63. №5.

8. Suslick Kenneth S. Ultrasound, in synthesis //

Modern Synthetic Methods. 1986. Vol. 4. 9. Suslick Kenneth S., Flint Edward B. Sonoluminescence from nonaqueous liquids II Nature. 1987. Vol. 330. №6148. 10 Суслик K.C. Химические эффекты ультразвука II В мире науки. 1989. №4.

11.Demling L., Emert A., Riemon J.F., et al. Litotripsy in the common bile duct using ultrasonnd // Endoscopy. 1984. Vol. 16. №6.

12. Hwang M.H., Mo B.R., Chen G.D., et.al. Percutaneeous transhepatic caolecystic ultrasonic lithotripsy // Gastrointest. Endosc. 1987. Vol. 33. №4.

13. Iacetta D.J., Cohen M.J., Crummy A.B. et al. Ultrasonic Lithotripsy of gallstones apte cholesystostomy//AJR. 1984. Vol. 143. №5.

14. Iadacz Th.R. Ultrasonic fragmentation of gallstones in vitro // Surgery. 1985. Vol. 97. №5.

15. Устинов Г.Г., Шойхет Я.Н. Желчнокаменная болезнь. Патогенез, диагностика, лечение. Барнаул, 1997.