Гидрофильность и гидрофобность

Возможность использования метода пенной флотации для очистки гнойных и загрязненных ран.

Введение.

Актуальность проблем, решаемых в данном проекте.

В нашей работе представлено исследование, в котором рассматривается возможность применения метода пенной флотации для очистки поверхностных гнойных и загрязнённых ран.

Так как свою будущую профессию мы связываем с медициной, и, в частности, с хирургическими специальностями, нас заинтересовали проблемы, связанные с обработкой ран и способами их очистки. При обзоре информации по данным вопросам возникла идея использовать явление поверхностного натяжения для решения данной проблемы.

Наш исследовательский проект является межпредметным по физике, биологии, химии и медицине. Все естественные науки используют законы физики. Они едины и применимы к живому организму, и, в частности, к организму человека.

 

Целью данного проекта является демонстрация значимости законов физики в жизни человека и применение физических явлений и закономерностей в медицине, кроме того получить представление о связи физических и биологических процессов в организме человека.

Основная проблема, решаемая в проекте:

- как максимально просто, эффективно и безболезненно произвести обработку раневой поверхности и избежать повторного инфицирования раны.

Объектами реализации проекта выбраны:

- метод пенной флотации;

- новое поверхностно-активное вещество белкового происхождения - пепфактант.

Цели и задачи проекта.

Цель:

-разработать метод очистки поверхностных ран, который позволял не только максимально эффективно и безболезненно произвести обработку раневой поверхности, но и максимально избежать инфицирования раны.

 

Задачи:

· рассмотреть современные способы обработки гнойных и загрязнённых ран;

· определить состав гноя, с целью определения его поверхностных свойств (смачиваемости или несмачиваемости);

· рассмотреть различные методы флотации;

· исследовать возможность использования нового ПАВ — пепфактанта в методе пенной флотации;

· разработать модель нового способа и принципиальную схему очистки ран, используя метод пенной флотации.

Основная часть.

1. Лечение и уход за ранами остается одной из важных проблем современной медицины. При обзоре современных способов обработки ран нам показалось интересным, что для лечения гнойных ран в современных условиях применяют разнообразные физические методы воздействия. Широко используется ультразвуковая кавитация ран, вакуумная обработка гнойной полости, обработка пульсирующей струей, различные способы применения лазера. Все эти методы преследуют цель ускорения очищения от некротических тканей и губительного воздействия на микробные клетки.

На первом этапе мы подробно изучили эти методы, а особенно метод ультразвуковой кавитации (см. приложение 1), мы вспомнили очень интересную тему о смачивании и несмачивании различными веществами поверхностей. С этой темой мы впервые познакомились в курсе физики 7 класса, а потом встретились в курсе биологии и химии. Заинтересовавшись этой темой, мы познакомились подробно с явлением поверхностного натяжения, с гидрофобными и гидрофильными частями молекул, с поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые при добавлении в жидкости увеличивают их моющую способность, и у нас возникла мысль о том, что изучив состав гноя(см приложение 2), можно, используя какое-то ПАВ, очистить рану.

На втором этапе мы проанализировали методы очистки с использованием такого явления как — флотация (см. приложение 3) и пришли к выводу, что если существует ПАВ, которое имеет белковую природу, не вызывает аллергии и легко выполаскивается, то можно предложить способ очистки гнойных и загрязненных

ран методом пенной флотации с использованием этого ПАВа.

При поиске в интернете мы нашли пепфактант - поверхностно-активное вещество белковой природы «пепфактант» (pepfactant) – это средство для инкапсулирования токсичных лекарственных препаратов и… основа легко выполаскивающихся стиральных порошков нового поколения(см. Приложение 3)

На третьем этапе мы провели моделирующий эксперимент, при этом использовались:

- свиные ножки для моделирования гнойных и загрязнённых ран (в качестве гноя – сметана, покрашенная хной);

- аквариум с водой;

- воздуходувка (для получения струи воздуха);

- ПАВ (стиральный порошок с низким пенообразованием);

В результате моделирующего эксперимента мы убедились в высокой эффективности очистки раны (см. фотографии), для сравнения очищали рану марлевыми тампонами.

На четвертом этапе была создана схема метода (см. приложение 4), который заключается в следующем:

- часть тела с раной помещается в ванну со слабым раствором нейтрального антисептика (например, с раствором фурацилина), добавляется небольшое количество пепфактанта (какое — тема следующих исследований, пока очень дорог) и к ране подводится трубочка со струёй воздуха. Гной, за счет добавки ПАВ, как бы натягивается на пузырьки воздуха и, образуя пену, поднимается наверх жидкости, где легко удаляется с поверхности.

Выводы:

В процессе проведения эксперимента мы убедились в том, что, используя метод пенной флотации, рана очищалась:

- быстро;

- безболезненно, так как пузырьки воздуха из-за сферической формы не травмировали пораженные ткани;

- качественно, по сравнению с традиционными способами очистки (см. фотографии);

- кроме того, мы заметили закономерность, что чем мельче пузырьки, тем лучше очищается рана, т.е используя разные насадки на воздуховоде можно добиваться более эффективного очищения (тема для дальнейших исследований);

- более дешёвый и доступный (даже в домашних условиях) способ очистки, по сравнению с ультразвуковой кавитацией, так как не требует применения дорогостоящих установок по генерированию ультразвука.

С нашей точки зрения, предложенный нами способ очистки ран достаточно перспективен, но есть определенные трудности с его внедрением в реальную практику:

- высокая стоимость ПАВа — пепфактанта;

- возможность возникновения аллергических реакций на белок;

- невозможность обработки таким способом труднодоступных ран, например на голове, особенно - на лице;

Мы думаем, что все эти трудности будут преодолены в наших дальнейших исследованиях в высшей школе.

 

 

Приложение 1.

Известен способ ультразвуковой бактерицидной обработки инфицированных тканей с использованием различных лекарственных веществ [1] Лекарственный раствор подавался на поверхность инфицированной раны и подвергался ультразвуковому воздействию за счет введения в озвучиваемую среду ультразвукового инструмента. Обработка осуществлялась при частоте колебаний 26,6 кГц и амплитуде смещения торца инструмента 55-60 мкм, в качестве озвучиваемой среды использовались антибиотики.

Описанный способ не отличается универсальностью. При относительно малых ранах и выступании раневой поверхности над близлежащей частью тела лекарственный раствор не удерживается в ране, он безвозвратно теряется, не оказывая какого-либо лечебного действия. Кроме того, современные штаммы стафилококковой микрофлоры отличаются высокой антибиотикорезистентностью, в том числе и при ультразвуковом воздействии.

Известны результаты использования низкокачественного ультразвука при первичной хирургической обработке инфицированных ран [2] В рассматриваемом случае сохраняются недостатки ранее описанного способа санации инфицированных ран, кроме того, отмечается относительно слабое бактерицидное действие ультразвуковых колебаний на золотистый стафилококк.

Известна работа Захаровой Г.Н. посвященная применению низкочастотного ультразвука в профилактике и лечении гнойных ран [3] где показана возможность совмещения действия ультразвука и антисептических растворов. Однако и в этом случае не наблюдался бактерицидный эффект при воздействии на стафилококковую микрофлору; достаточно устойчивыми к низкочастотному ультразвуку оказались также протей и синегнойная палочка.

Известны результаты ультразвуковой обработки ран [4] когда в качестве озвучиваемых сред использовались как антибиотики (тетрациклин), так и антисептики (фурацилин). Оказывается, что бактерицидный эффект проявляется при сравнительно больших временных дозах ультразвукового воздействия от 30 до 180 с/см2, что приводило к усилению воспалительного процесса, а при дозе 180 с/см2 отмечался некроз мышц.

Наиболее близким по своей сути к предлагаемому способу лечения инфицированных ран является способ, включающий повышение температуры озвучиваемых лекарственных растворов, выбранных за прототип [5]

Известно, что повышение температуры озвучиваемых лекарственных растворов способствует интенсификации бактерицидной способности ультразвуковых колебаний [5] В работе описаны эксперименты по совмещению действия ультразвука с антисептическими растворами малой концентрации при оптимальном повышении температуры озвучиваемого раствора. Озвучивание раневой микрофлоры с концентрацией 40-42·103 микробных тел в 1 мл (мг/мл) раствора объемом 50 мл осуществлялось с рабочей частотой 26,5 кГц и амплитудой колебаний 50-60 мкм. В качестве дезинфицирующих средств использовались растворы 0,1%-ный Н2O2, 0,1% -ный НСООН и 0,001%-ный КМпО4 при дискретном изменении температуры озвучиваемой среды в пределах 23-42oC. Наибольший бактерицидный эффект проявляется при совместном действии ультразвука с подачей в рану нагретого до температуры 37oC раствора перекиси водорода или раствора перманганата калия, что позволяет сократить время подавления бактериальной микрофлоры в 1,5-2,0 раза по сравнению с процессом озвучивания микробных тел в растворе антисептика при комнатной температуре (при 23oC). Так, необходимое время бактерицидной обработки снижалось при озвучивании стафилококковой микрофлоры с 14 до 9 мин, растворов с преобладанием кишечной палочки с 13 до 8, синегнойной палочки с 12 до 7, протея с 10 до 6 мин.

Приведенные результаты исследований показывают, что время экспозиции, при котором обеспечивается бактерицидная обработка биотканей, остается достаточно большим и колеблется в пределах от 6 до 9 мин в зависимости от вида бактериальной микрофлоры. В этом случае возможно проявление негативного действия ультразвука на здоровые клетки и грануляционный слой раны.

Кроме того, и в данном способе не гарантируется активное попадание лекарственного раствора во все полости и карманы инфицированной раны. Эффективность способа значительно снижается при малых размерах раны или выступании раневой поверхности, что не позволяет лекарственному раствору надежно накапливаться на озвучиваемых биотканях.

 

Приложение 2.

 

Гной (pus) - продукт действия на живую ткань гноеродных бактерий и некоторых химических агентов, вызывающих изменение и даже омертвение отдельных клеточных элементов, затем размягчение омертвевшего очага и пропитывание его гнойными тельцами, лейкоцитами, способными к размножению. Г. можно рассматривать также, как выпот при особого рода гнойном воспалении ткани, при чем последняя под влиянием Г. сама разрушается. По внешнему виду Г. - жидкость густая, непрозрачная, совершенно белая или с желтоватым, серым, синим оттенком, тягучая, довольно значительного уд. веса, чаще щелочной реакции. По химическому составу - очень сложная смесь и раствор различных тел; содержит от 6 до 8 % белковых тел: сывороточный белок, глобулин, нуклеин, пептон, затем лейцитин, холестерин, жиры; при разложении Г. развиваются кислоты муравьиная, валерьяновая и др. Солей до 1 %. Морфологически Г. состоит из сывороточной плазмы и взвешенных в ней гнойных телец, жировых капель свободно плавающих или заключенных внутри клеточных элементов, остатков эпителиальных, железистых клеток и т. п. Гнойные тельца представляются аналогичными белым кровяным шарикам; обыкновенно многоядерны; в свежем Г. овальны, в старом Г. измененные, в различных состояниях перерождения, жирового. Бактерии Г. - шаровидны; встречаются в форме гроздевидных скоплений цепочек и парно; введенные в ткань даже в чистом виде, они способны вызвать нагноение. Признается несколько разновидностей гнойных бактерий. Другие организмы могут также вызвать гнойное воспаление и нередко были находимы в Г.; так бугорковые палочки, лучистый грибок, пузыри эхинококков, плесневые грибки, амебы и пр. В старом Г., в замкнутых гнойниках, количество бактерий значительно уменьшается и они даже могут совсем исчезнуть, вследствие изменения состава плазмы, под влиянием продуктов выделения самих же бактерий и путем поглощения их белыми кровяными тельцами. Гноеродные бактерии распространены в воздухе и в окружающей обстановке человека очень обильны, почему и легко попадают на открытые раны, обнаженные серозные оболочки и вызывают в них нагноения Врачи-практики, особенно старого времени, различают Г. доброкачественный и злокачественный. Первый, по Рудневу, имеет следующие характеристические черты: клетки его отличаются одинаковою величиною, шаровидною формою, резкими контурами, беловатым цветом протоплазмы; от прибавления уксусной кислоты сперва делаются видимыми ядра клеток, потом клетки делаются бледными и, наконец, растворяются. Сыворотка прозрачна, содержит только крупинки, растворимые в эфире или калийной щелочи. При впрыскивании в кровь не вызывает никаких общих изменений; при впрыскивании в подкожную клетчатку вызывает только местное нагноение. Г. "злокачественный", пиэмический, имеет отличия: клетки его неодинаковой величины, как будто изъедены, протоплазма их темна, зерниста. Количество бактерий очень велико. Запах Г. своеобразный; он более жидок, содержит кристаллы холестерина и жира и продукта гнилостного разложения белковых тел. При всасывании такого Г. получается пиэмия. Г. вообще или пролагает себе путь наружу и изливается, или рассасывается, при чем гнойные тельца распадаются и растворяются, или же Г. сгущается, превращается в творожистую массу, которая пропитывается со временем известковыми солями и, как всякий посторонний предмет в организме, капсулируется разрастающейся по окружности соединительною волокнистою тканью

 

 

Гидрофильность и гидрофобность

понятия, характеризующие сродство веществ или образованных ими тел к воде: это сродство обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия. Слова «гидрофильный» и «гидрофобный» могут относиться в равной степени к веществу, к поверхности тела и к тонкому (в пределе — толщиной в одну молекулу) слою на границе раздела фаз (тел). Г. и г. — частный случай лиофильности и лиофобности (См. Лиофильность и лиофобность) — характеристик молекулярного взаимодействия веществ с различными жидкостями.

Общей мерой гидрофильности служит энергия связи молекул воды с поверхностью тела; её можно определить по теплоте смачивания (См. Смачивание), если вещество данного тела нерастворимо. Гидрофобность следует рассматривать как малую степень гидрофильности, т.к. между молекулами воды и любого тела всегда будут действовать в большей или меньшей степени межмолекулярные силы притяжения. Г. и г. можно оценить по растеканию капли воды на гладкой поверхности тела. На гидрофильной поверхности капля растекается полностью, а на гидрофобной — частично, причём величина угла между поверхностями капли и смачиваемого тела зависит от того, насколько данное тело гидрофобно. Гидрофильны все тела, в которых интенсивность молекулярных (атомных, ионных) взаимодействий достаточно велика. Особенно резко выражена гидрофильность минералов с ионными кристаллическими решётками (например, карбонатов, силикатов, сульфатов, глин и др.), а также силикатных стекол. Гидрофобны металлы, лишённые окисных плёнок, органические соединения с преобладанием углеводородных групп в молекуле (например, парафины, жиры, воски, некоторые пластмассы), графит, сера и др. вещества со слабым межмолекулярным взаимодействием.

Понятия Г. и г. применимы не только к телам или их поверхностям, но и к единичным молекулам или отдельным частям молекул. Так, в молекулах поверхностно-активных веществ (См. Поверхностно-активные вещества) различают гидрофильные (полярные) и гидрофобные (углеводородные) группы. Гидрофильность поверхности тела может резко измениться в результате адсорбции таких веществ.

Повышение гидрофильности называют гидрофилизацией, а понижение — гидрофобизацией. Оба эти явления играют важную роль при обогащении руд методом флотации (См. Флотация).

 

 

Изображение клеточной мембраны. Маленькие голубые и белые шарики соответствуют гидрофильным «головкам» липидов, а присоединённые к ним линии — гидрофобным «хвостам».

 

 

Приложение 3.

 

Поверхностно-активное вещество белковой природы «пепфактант» (pepfactant) – это средство для инкапсулирования токсичных лекарственных препаратов и… основа легко выполаскивающихся стиральных порошков нового поколения.

 

Австралийские ученые из университета Квинсленда, работающие под руководством профессора Антона Миддельберга (Anton Middelberg), разработали белок, обладающий как свойствами поверхностно-активного вещества, так и способностью самостоятельно уничтожать собственную пену.

 

Экспериментируя над аминокислотной последовательностью одного из сложных белков, авторы создали новый пептид, получивший название пепфактант («пептид-сурфактант»), активность которого изменяется в зависимости от кислотности среды или присутствия в ней ионов цинка.

 

Активная форма пепфактанта создает эмульсию или пену путем формирования стабильных коллагеноподобных гелевых микрокапсул вокруг мелких капелек жира или воздуха. Инактивация пепфактанта приводит к разрушению капсул.

 

Пепфактант можно использовать в качестве стирального порошка или моющего средства, обладающего хорошими пенообразующими свойствами, причем при снижении кислотности среды формирующиеся при этом пузырьки исчезают так же быстро, как появляются. При этом пептид и связанные им загрязнители высвобождаются в воду и легко выполаскиваются.

Аминокислотная структура нового соединения легко расщепляется бактериями, что выгодно отличает его от традиционных поверхностно-активных веществ. Пепфактант является производным белка, связывающегося с ДНК для инициации экспрессии генов. Однако конечная версия вещества содержит только небольшой фрагмент исходной молекулы и не будет оказывать влияние на экспрессию ДНК в разрушающих его микроорганизмах.

 

Пузырьки в левой пробирке образованы активной формой пепфактанта. Изменение рН (в правой пробирке) подавляет активность вещества, и пена оседает.

К сожалению, стоимость нового белкового детергента будет значительно выше, чем у традиционных моющих средств, исходным сырьем для которых является нефть, но цены на нефтепродукты непрерывно растут…

А вот применению в медицине высокая цена за килограмм синтетического белка не помешает. Пепфактант можно использовать для доставки лекарственных препаратов, например противоопухолевого средства Таксола (Taxol, paclitaxel), в клетки. В настоящее время этот препарат вводят пациентам в комплексе с детергентами, облегчающими его распространение по сосудистому руслу. Замена этих вспомогательных веществ введением препарата, заключенного в микрокапсулы из биосовместимого материала значительно снизит выраженность побочных эффектов лечения.

 

 

Приложение 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы и сайтов:

 

1. http://www.ruhirurg.ru

1. Лощилов В.И., Веденков В.Г., Орлова А.А. Физические основы способа обработки инфицированных ран // тр. МВТУ им. Баумана. 1975. ©242. - Ультразвук и другие виды энергии в хирургии. - С. 27-32.
2. Лощилов В.И., Веденков В.Г., Орлова А.А. Исследование влияния акустических колебаний на процессы ультразвуковой обработки инфицированных ран //тр. МВТУ им. Баумана. 1975. ©242. - Ультразвук и другие виды энергии энергии в хирургии. - С. 32-35.
3. Чаплинский В.В. Ультразвуковая обработка гнойных ран //Хирургия. - 1982. - ©6. - С. 75-78.
4. http://www.rostmaster.ru
5. http://axi-med.ru
6. Красильников А.П. Микробиологический словарь-справочник. — Минск: «Беларусь», 1986. — С. 96-97.
7. http://ru.wikipedia.org
8. http://www.xumuk.ru
9. Краткая химическая энциклопедия, т. 5, M., 1967, с. 455-59;
10. Теория и технология флотации руд, M., 1980; Рубинштейн Ю.Б., Филиппов Ю.А.,
11. Кинетика флотации, M., 1980; Глембоцкий В.А., Клас-сен В.И.,
12. Флотационные методы обогащения, 2 изд., M., 1981;
13. Справочник по обогащению руд. Основные процессы, 2 изд., M., 1983;
14. Абрамов А. А., Флотационные методы обогащения, M., 1984;
15. Дерягин Б.В., Духин С. С., Pyлев H. H., Микрофлотация, M., 1986;
16. Методы исследования флотационного процесса, M., 1990;
17. http://www.cbio.ru
18. http://www.popmech.ru
19. http://allphysics.ru/phys/gidrofilnost-i-gidrofobnost