Физико-химические свойства озона и его применение в медицине (клинико-эксперементальное обоснование)

УДК 546.214:61

Н. В. Галеева, В. Х. Фазылов, М. А. Чижова

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОЗОНА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Ключевые слова: озон, озонотерапия.

Показаны основные физические, химические и биологические эффекты озона и дано их краткое описание. Дано определение озонотерапии как нелекарственного метода лечения, применяемого в различных областях медицины.

Keywords ozone, ozone therapy.

The main physical, chemical and biological ozone effects are showed in the article and its brief description is given. The definition of ozone therapy as non-pharmacological treatment method which is used in different medicine fields is given.

Озон, как вещество оказывающее очень значительное влияние на жизнь всего живого на нашей планете, постоянно привлекает к себе внимание человека. Образуя защитный пояс Земли от УФ-радиации, озон создает благоприятные условия для нормального развития и функционирования всех живых организмов и систем.

Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон.

Образование озона в атмосфере происходит на высоте от 20-30 км над поверхностью земли под воздействием ультрафиолетового излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210-220 и 175 нм. При этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона. Максимальная концентрация озона составляет всего 1 мг/м3. Молекула озона также в состоянии абсорбировать 2-х атомный кислород, в результате этого процесса поддерживается озоновый слой - озоносфера, служащая щитом от жестокого ультрофиолетового излучения солнца.

Открытие озона как химического элемента состоялось в конце XVIII века. Открыт был озон голландским физиком Ван Марумом в 1785 году во время изучения воздействия электрической искры на воздух. Открытие озона обычно связывают с его характерным запахом. В 1840 г. немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн подтвердил эти наблюдения. Занимаясь гидролизом воды ученый пытался с помощью электрической дуги разложить её на кислород и водород, в результате обнаружил образование нового, не известного науке газа со специфическим запахом, которому он дал название «озон» (от греческого ozon - пахнущий). Считается, что запах озона - это запах свежего воздуха после грозы. Это действительно так, но лишь в том случае, если его концентрация очень мала и составляет доли предельно допустимых концентраций (ПДК). Благодаря своей химической активности озон имеет очень низкую предельно-допустимую

концентрацию в воздухе (соизмеримую с ПДК боевых отравляющих веществ) 5 • 10-8 % или 0,1

мг/м3, что в 10 раз больше обонятельного порога для человека. Позднее, в 1953 году Andews опубликовал данные, что озон представляет собой аллотропную форму кислорода. Интенсивное исследование свойств озона началось после создания Варнером в 1957г. «трубок магнитной индукции» для получения озона в больших количествах.

В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. Столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. Применение озона основано на его окислительных, дезинфицирующих и бактерицидных свойствах [1]. В отличие от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ как, например, при окислении хлором или фтором. Окислительный потенциал озона составляет 2,07 В (для сравнения у фтора 2,4 В, а у хлора 1,7 В).

Озон эффективно уничтожает бактерии, грибы, вирусы и канцерогенные вещества, которые при очистке воды в большинстве случаев не убиваются обычными химикатами. Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Реакции озона с ароматическими соединениями легли в основу технологий дезодорации различных сред, помещений и сточных вод. С целью очистки питьевой воды озон применяется около 80 лет. В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и других городах).

Окислительный потенциал озона используется в текстильной и целлюлозной промышленности в качестве отбеливающего средства. Бактерицидные свойства озона успешно применяют в производстве минеральной воды, а также в разведении устриц и съедобных моллюсков.

С XX века начинается история медицинского применения озона. Как антисептическое средство

озон использовался еще в начале века, однако, обширные и систематические исследования в области озонотерапии, в первую очередь в Германии, начались в середине 70-х годов, когда в повседневной медицинской практике появились стойкие к озону полимерные материалы и удобные для работы озонаторные установки.

Озон- аллотропная модификация кислорода-О3. Кислород может находиться в виде одной из своих форм:

1. Одноатомный кислород- высокоактивная и очень нестабильная форма, так как он имеет две свободные валентные связи - (О).

2. Двуатомный кислород- широко распространенная и стабильная форма, поскольку не имеет свободных связей (О-О).

В молекуле озона два электрона и в отличие от атомарного кислорода является относительно устойчивым соединением с более сильным окислительным потенциалом. Он самопроизвольно разлагается при высоких концентрациях, при этом чем выше концентрация, тем выше скорость реакции разложения[2]. Поскольку молекула озона обладает большой полярностью, озон имеет более высокую температуру кипения (минус 111,9оС), чем кислород. Этим же объясняется большая интенсивность окраски озона и лучшая растворимость в воде.

Следует также отметить, что процесс разложения озона ускоряется с ростом температуры, а сама реакция разложения 2О3>3О2+68 ккал экзотермична и сопровождается выделением большого количества тепла.

о3->о+о2

Оз + О -> 2О2

Первичные процессы образования озона из кислорода могут протекать по-разному в зависимости от количества приложенной энергии. При энергии электронов 12,2 эВ, когда происходит образование молекулярных ионов кислорода, выхода озона не наблюдается, а при энергии электронов 19,2 эВ, когда участвуют как атом, так и ион кислорода, образуется озон. Наряду с этим образуются положительные и отрицательные ионы кислорода. Механизм распада озона, в котором участвуют гомогенные и гетерогенные системы, сложен и зависит от условий. Разложение озона ускоряется в гомогенных системах газообразными добавками (окислы азота, хлор и др.), а в гетерогенных системах металлами (ртуть, серебро, медь и др.) и окислами металлов (железо, медь, никель, свинец и др.).Озон имеет очень высокое сродство к электрону (1,9 эВ), что и обуславливает его свойства сильного окислителя. Восстановительный потенциал пары «озон-кислород» в кислой среде равен 2,07В.

О2+Н2О - О3+2Н +2е-2,07В

А в щелочном растворе-1,24:

О2+2ОН - О3+ Н2О+2е-1,24В

Он способен реагировать с большинством органических и многими неорганическими веществами. Термодинамически эти реакции могут протекать до полного окисления, то есть до образования Н2О, оксидов углерода и высших оксидов других элементов. Окислительное действие О3 может проявляться по разному:

1) окисление, в котором играет роль лишь один атом кислорода из молекулы О3.

2) окисление с участием трех атомов кислорода.

3) окисление с образованием соединений исходного вещества с молекулой О3(озониды).

Озон относительно устойчив в кислых и нейтральных растворах, в высоких концентрациях токсичен. Озон окисляет все металлы за исключением золота и группы платины, доокисляет оксиды серы и азота, окисляет аммиак с образованием нитрита аммония. Он активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями с разрушением ароматического ядра (в частности реагирует с фенолом с разрушением ядра). Активно взаимодействует с насыщенными углеводородами с разрушением двойных углеродных связей. Характерной особенностью озона, как второго простого соединения элемента кислорода, является его способность существовать в зависимости от условий образования во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон голубой газ с очень интенсивной окраской, которая становится заметной при содержании озона в кислороде 10-15% при слое в 1м.. Жидкий озон -темно-синяя, почти непрозрачная жидкость. Твердый озон - темно-фиолетовые игольчатые кристаллы. Чистый озон во всех трех агрегатных состояниях взрывчат, так как его молекула обладает большой избыточной энергией: О3 3/2 О2 + 24 ккал/моль. При концентрации озона до 10% взрывного разложения его не происходит. Низкие температуры способствуют сохранению озона. При температурах около минус 183°С жидкий озон можно хранить длительное время без заметного разложения. Быстрое нагревание до точки кипения (минус 119°С) или быстрое охлаждение озона могут привести к взрыву. При газообразном состоянии озон диамагнитен, а в жидком - слабо парамагнитен. Он хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре, четыреххлористом углероде. Растворимость его в воде выше, чем кислорода, более чем в 15 раз. В табл. 1 приведены основные физические свойства озона.

Медицинский озон - озонокислородная смесь (ОКС), состоящая из 0,05-10% озона и 99,95-90% чистого кислорода, получаемая из сверхчистого кислорода путем его разложения в слабом электрическом разряде. В зависимости от желаемого результата используют ОКС с концентрацией озона в диапазоне 0,1-100 мг/л (100-100 000 мкг/л) при скоростях выходных потоков смесей в диапазоне 0,1-1 л/мин. Физико-химические свойства озона, а именно то, что озон - мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород, и растворим в жидких средах, определяют спектр его биологической активности [3].

Таблица 1 - Основные физические свойства озона

Показатель Значение

Молекулярная масса 47,998

Удельный вес по воздуху 1,624

Плотность при НТД 2,1415 г/л

Объем при НТД 506 см3/г

Температура плавления минус 192,5° С

Температура кипения минус 111,9°С

Критическая минус 12,1°С

температура

Критическое давление 54,6 атм

Критический объем 147,1 см3/моль

Теплота образования (18° С) 34,2 ккал/моль

Теплота испарения (минус 112° С) 74,6 ккал/моль

Потенциал ионизации 12,8 эВ

Сродство к электрону 1,9-2,7 эВ

Диэлектрическая 1,0019

постоянная

газообразного озона при НТД

Скорость детонации (25°С) 1863 м/с

Давление детонации (25°С) 30 атм

Растворимость озона:

в уксусной кислоте (18,2°С) 2,5 г/л

в трихлоруксусной кислоте, °С) 1,69 г/л

, ангидриде уксусной кислоты (0°С) 2,15 г/л

в пропионовой кислоте (17,3°С) 3,6 г/л

в ангидриде 2,8 г/л

пропионовой кислоты

в четыреххлористом углероде (21°С) 2,95 г/л

Озонотерапия -дозозаввисимая терапия. Низкие концентрации озона не проявляют токсического действия, так как свободные радикалы нейтрализуются антиоксидантной системой защиты организма, тогда как высокие концентрации оказывают токсическое воздействие, приводя к развитию окислительного стресса. Побочные эффекты при ОТ, в основном, являются как бы продолжением его терапевтического действия. При высоких концентрациях озона (10-100мг/л) проявляются его бактерицидные, фунгицидные, вирусоцидные свойства. Низкие концентрации озона (0,5-5 мг/л) способствуют к примеру эпителизации и заживлению раневой поверхности, стабилизации клеточных мембран и.т.д. Известно, что свободные радикалы играют важную и даже решающую роль в патогенезе большинства болезней человека, повреждая ткани и неся за собой окислительный стресс [4].

Применение ОТ основано на изменении свободно-радикального статуса организма в ответ на поступление активных кислородных и озоновых метаболитов из вне, с получением равновесия, поддерживаемое прооксидантными свойствами производных озона, с одной стороны, и антиоксидантной системы защиты с другой [5].

Полярное строение молекулы озона делает его высоко селективным. Мгновенно реагируют с озоном соединения, содержащие свободные двойные связи (-С=С-) Это в первую очередь ненасыщенные жирные кислоты, ароматические аминокислоты и пептиды с наличием SH-групп. Основными мишенями при внутривенном введении озона являются клеточные мембраны форменных элементов крови (лимфоцитов, эритроцитов, тромбоцитов), клетки сосудистой стенки и плазменные метаболиты. При взаимодействия молекулы озона с биоорганическими субстратами образуется молекула первичного озонида, который нестабилен и распадается с образованием карбоксильного соединения и карбонилоксида. Взаимодействуя, последние образуют вторичный озонид, который при восстановлении распадается с образованием перкосида. И озониды и пероксиды являются сильнейшими окислителями.

Биологические эффекты озона объясняются также биорегуляторной ролью свободных радикалов, решающей в активации иммунологического (через транскрипцию фактора №-кВ. и биохимического (гексозо-монофосфатный шунт) механизмов [6].

Умеренные концентрации озона стимулируют антиоксидантную систему защиты организма, способствуя стимуляции кислородного

метаболизма. Активные формы кислорода действуют как мессенджеры при активации ядерного фактора транскрипции ОТ-кВ, индуцируют экспрессию генов, в результате чего усиливается синтез белков, среди которых особый интерес представляют цитокины -

низкомолекулярные белковые вещества, обладающие широким спектром биологического действия [6]. Второй ключевой момент образования ядерного фактора транскрипции - активация синтеза индуцибельной МЫО-синтазы и увеличение продукции оксида азота. Это в свою очередь в присутствии супероксид-анион-радикала

способствует образованию пероксинитрита, который вызывает вазоконстрикцию микрососудов и изменяет микроциркуляцию. Таким образом, озон определяет ориентацию обменных процессов, гормонально-вегетативного и иммунного статуса организма [6].

ОТ - высокоэффективный и экономически выгодный метод лечения. Обладая способностью многокомпонентного действия по точкам приложения и клиническим эффектам, озон, как лечебное средство может быть включен в терапию при целом ряде заболеваний. После того как экспериментально была подтверждена способность ОТ оказывать одновременно полиорганное метаболическое и антисептическое действие, были

проведены многоцентровые исследования лечебных свойств ОКС. Показано, что парентеральное введение в инфицированный организм озонированного физиологического раствора способствует снижению летальности от инфекционных процессов [7].

Использование ОТ в ряде лечебных учреждениях Российской Федерации позволило значительно снизить смертность детей и подростков от инфекционной легочной патологии, а добавление к лечению больных инфекционными миокардитами озонирования крови позволило снизить летальность взрослых пациентов с 25 до 4,8%. Было показано, что ОТ затянувшихся пневмоний значительно повышает эффективность антибактериального лечения, ускоряет сроки рассасывания инфильтративных изменений, определяемых рентгенологически. Позволяет на 2-3 недели раньше добиться негативации мокроты при посевах на микоплазмы и хламидии, значительно улучшает общее состояние больных [7]. Показана эффективность озонотерапии в лечении острой абсцедирующей пневмонии [7]. В

экспериментальных работах, доказано, что озон в высоких концентрациях при наружном применении обладает противоопухолевым эффектом, а в комплексном использовании при парентеральном введении повышает эффективность

противоопухолевых воздействий [6].

С введением в медицинскую практику ОТ появилась возможность эффективно воздействовать на патогенетические звенья вирусных гепатитов. Парентеральное введение ОКС смеси в терапевтических дозах оказывает выраженный противогипоксический эффект, нормализует процессы перекисного окисления липидов [7]. Озон способствует нормализации показателей липидного обмена, существенно уменьшает выраженность окислительного стресса и приводит к повышению остроты зрения [8]. Применение ОТ способствует раскрытию дентинных канальцев, удалению смазанного слоя в стоматологии. Это может увеличить адгезию пломбировочного материала к зубу. Данный фактор важен при лечении кариеса пришеечной локализации, вследствие понижения ретенции пломб в данной области. Показан положительный эффект озонотерапии в комплексном лечении больных с

гинекологическими заболеваниями. Принимая во внимание свойства озона в низких концентрациях оказывать стимулирующее влияние на иммунную систему, озон был использован в качестве

паллиатиного средства [9]. Широко используется в хирургической практике [10] и.т.д. Таким образом, включение системной ОТ в комплексное лечение при различных патологиях оказывает достаточно высокую терапевтическую эффективность, что, по-видимому, связано с многофакторностью влияния озона на метаболические процессы организма клеточного и системного уровня, а уникальные физико-химические и биологические свойства озона позволяют широко использовать его в различных областях человеческой деятельности.

Литература

1. Озон и озонотерапия: Монография/ Чекман И.С, Сыровая А.О., Макаров В.А., Макаров В.В., Шаповал Е.В./-Х: «Цифровадрукарня №1», -2013. -144с.

2. В.В. Лукин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко «Физическая химия озона» Изд. МГУ, 1998. -C.480.

3. Конторщикова, К.И. Молекулярные продукты разложения озона в водных растворах/ К.И. Конторщикова, Л.И. Обухов, А.Л. Сибиркин// Биорадикалы и Антиоксиданты. -2015. -№1. -Т.2. -С.45-53.

4. Саприн А.Н. Окислительный стресс как возможный универсальный этиологический фактор развития различных патологических процессов. В кн.: Национальная науч.-практ. конф. с международным участием «Свободные радикалы и болезни человека». Смоленск. -1999. -С 42-44.

5. Галеева, Н.В. Патогенетическое значение оксида азота и процессов перекисного окисления липидов при естественном течении HCV-инфекции и на фоне озонотерапии/ Н.В. Галеева, В.Х. Фазылов, И.Х. Валеева// Практическая медицина. -2014. -№7(83). -С.99-103.

6. Щербатюк Т.Г. Современное состояние озонотерапии в медицине. Перспективы применения в онкологии// Современные технологии в медицине. -2010.-№1. -С.99-106.

7. Фазылов, В.Х. Озонотерапия в клинике инфекционных болезней/ В.Х. Фазылов, Н.В. Галеева, А.И. Загидуллина, И.Н Таиров// Практическая медицина. -2013. -№ 5. -С. 47-51.

8. Исхакова, Р.Р. Озонотерапия в офтальмологии/ Р.Р. Исхакова, Ф.Р. Сайфуллина// Казанский медицинский журнал. -2013. -Т.94. -№4. -С.510-516.

9. Шахова, К.А. Эффективность озонотерапии в коррекции иммунологических показателей больных миомой матки в постоперационном периоде/ К.А. Шахова [и др.]// Медицинский альманах. -2013. -№ 3. -С.157-158.

10. Винник, Ю.С. Клинические аспекты применения озонотерапии в хирургии/ Ю.С. Винник, С.В. Якимов, Г.Э. Карапегян //Биорадикалы и Антиоксиданты- -2016.-Т3. -№1. -С.76-77.

© Н. В. Галиева - к.м.н, асс. каф. инфекционных болезней ГБОУ ВПО "Казанский государственный медицинский университет", nelli_04@mail.ru; В. Х. Фазылов - д.м.н., проф. той же кафедры, vildan47@rambler.ru; М. А. Чижова - доц. каф. промышленной безопасности КНИТУ.

© N. V. Galeeva - Ph.D., lecturer of the Department of Infectious Diseases, Kazan State Medical University; V. H. Fazylov - Ph.D., professor of the Department of Infectious Diseases, Kazan State Medical University; M. A. Chizhovа - Ph.D., associate professor of the Department of Industrial Safety, KNRTU.