Коллоидный вибропотенциал в механизме биологического действия ультразвука

Если ультразвуковая волна распространяется в однородной среде, например в чистой воде, то все частицы среды колеблются около своих положений равновесия с одинаковой амплитудой. Если же в среде присутствуют частицы другой природы — ионы, коллоидные частицы, клетки, — то амплитуда их колебаний будет тем меньше, чем больше масса (и, следовательно, инерция) частицы и чем больше коэффициент трения между частицей и средой.

В растворах электролитов или коллоидных растворах, а также в суспензиях заряженных частиц при распространении ультразвуковой волны амплитуды и фазы колебаний разноименно заряженных частиц могут быть различными. В среде возникает переменный электрический потенциал, который называют вибропотенциалом, или в честь ученого, обнаружившего этот эффект, — потенциалом Дебая.

Вибропотенциал характеризуют отношением переменной разности потенциалов между двумя произвольными точками, расположенными в направлении распространения волны к амплитуде скорости. При частотах, превышающих 0,5 МГц, вибропотенциал мало зависит от частоты.

Для растворов хлористого натрия и других 1-валентных электролитов вибропотенциал весьма мал и равен 3…10 мкВ • с/см. Более высокие значения наблюдаются в полиэлектролитах, а в коллоидных растворах эффект достигает значения 1…10 мкВ • с/см.

Предполагается, что коллоидный вибропотенциал обусловлен периодическим нарушением структуры двойного электрического слоя вследствие того, что массивная, несущая заряд коллоидная частица обладает значительно большей инерцией, чем окружающие ее легкие противоионы.

Коллоидный вибропотенциал можно оценить по формуле.

где с — скорость ультразвука в среде; v — амплитуда скорости; е — диэлектрическая проницаемость среды;

? — электрокинетический потенциал; тп — масса коллоидных частиц в единице объема; р — удельное электрическое сопротивление среды; г — вязкость среды.

Подставляя в эту формулу (при v = 10^_3m/c; с = 1,4 • 10³ м/с;

е % 50…60 Ф/мдля водных растворов) значения, характерные для биологических объектов (? клеток примерно 50 мВ; р — 10⁴ Ом/м;

г| примерно 0,25 Пз), и учитывая, что масса клетки тпd-na³, где.

средняя плотность клетки d — 1,1 10³ кг/м³, радиус клетки а — 5 мкм и клетки занимают примерно 0,9 объема всей ткани, получают А? = «10 мВ. Это значение сравнимо по величине с мембранными потенциалами клетки (10…50 мВ).

Действие вибропотенциала прекращается сразу после выключения ультразвука. Однако и повышенная проницаемость, и пониженная электропроводность мембран сохраняются в течение 20…30 мин после ультразвукового воздействия. Такое последействие может быть обусловлено сдвигами в процессах функционирования клетки, например нарушением метаболизма, при изменении (под влиянием ультразвука) соотношения ионов внутри и вне клетки. Время, необходимое для восстановления нормального функционирования клетки, может измеряться десятками минут.