1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Акустический журнал
  4. T. 65, № 1, 2019

Акустический журнал, 2019, T. 65, № 1, стр. 93-103

Действие гидродинамических процессов, генерируемых импульсным лазерным излучением 1.94 мкм, на ракообразных Daphnia magna

В. И. Юсупов a, *, О. В. Воробьева b, c, Ю. А. Рочев d, e, В. Н. Баграташвили a

a Институт фотонных технологий РАН
108840 Москваг., Троицк, ул. Пионерская 2, Россия

b Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический ф-т, кафедра гидробиологии
119234 Москва, Ленинские горы 1, стр. 12, Россия

c Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии
107140 Москва, ул. Верхняя Красносельская 17, Россия

d Институт регенеративной медицины, Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
119991 Москва, ул. Трубецкая 8/2, Россия

e Ирландский национальный университет
Голуэй, Ирландия

* E-mail: iouss@yandex.ru

Поступила в редакцию 22.03.2018
После доработки 28.08.2018
Принята к публикации 22.03.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследованы гидродинамические процессы, происходящие в воде под действием выходящего из оптического волокна импульсного лазерного излучения мощностью 20 Вт с длиной волны 1.94 мкм и длительностью импульсов 100 нс. Такое излучение приводит к возбуждению в воде струйных течений, микропузырьков и широкополосных акустических колебаний. Установлено, что основная энергия этих колебаний лежит в диапазоне 10–15 кГц, их возбуждение происходит по механизму термокавитации, а режим соответствует сверхинтенсивному пузырьковому кипению. Показано, что лазероиндуцированные гидродинамические процессы оказывают выраженное биологическое действие на ракообразных Daphnia magna, приводя к увеличению плодовитости рачков для доз акустического воздействия 35 и 350 Дж/м2. Экспериментальные данные и теоретические оценки показывают, что стимуляция репродуктивной функции ракообразных обусловлена воздействием лазероиндуцированных низкоинтенсивных широкополосных акустических колебаний и не связана с температурными эффектами. При наибольшей экспозиции (300 с) наблюдалась гибель рачков и появление особей с аномалиями развития. Показано, что негативные эффекты связаны исключительно с действием на дафний высокотемпературных микроструй.

Ключевые слова: импульсное лазерное излучение, акустические колебания, оптическое волокно, умеренная мощность, пузырьки, струи, термокавитация, сверхинтенсивное пузырьковое кипение, дафнии, биологический эффект

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ультразвуковые методы широко применяются не только в чисто технических отраслях промышленности, но и в биотехнологиях [1], а также медицине [2]: в диагностике [3], терапии [4, 5] и хирургии [6]. При ультразвуковой диагностике на частотах 2–10 МГц интенсивности ультразвука не превышают 300 мВт/см2, и повышение температуры ткани при воздействии не превышает 1°С [7]. В литотрипторах – хирургических инструментах, употребляемых для дробления камней в мочевом пузыре [7], – или других медицинских аппаратах, использующих высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук (HIFU) [8] интенсивность ультразвуковых волн может существенно превышать 1 кВт/см2, что приводит не только к значительному повышению температуры, но и к возникновению кавитации. Для терапевтических целей, как правило, используется ультразвук с частотами 0.02–3 МГц и интенсивностью в диапазоне 0.01–2 Вт/см2 [5, 9].

Обычно в качестве источников ультразвука в биотехнологиях и медицине применяются магнитострикционные или пьезоэлектрические преобразователи. Другой способ возбуждения звука в жидких – например, водосодержащих, в том числе биологических средах, связан с генерацией лазероиндуцированных парогазовых пузырьков [10, 11]. Под действием непрерывного или импульсного лазерного излучения в фокальном пятне или вблизи торца лазерного волокна формируется перегретая область, в которой периодически из-за взрывного кипения воды возникают и схлопываются, излучая широкополосный звук, парогазовые пузырьки [12, 13]. Характеристики этих процессов и обусловленных ими сигналов акустической эмиссии, помимо мощности и интенсивности лазерного излучения, существенным образом зависят от оптического коэффициента поглощения водой и наличия поглощающего покрытия на торце лазерного волокна [14–17]. Такое покрытие превращает торец по сути в “точечный” источник тепла.

Оказалось, что акустические сигналы, генерирующиеся вблизи торца волокна в биоткани под действием непрерывного лазерного излучения, вносят значительный вклад в механизм терапевтического действия лазерного излучения умеренной мощности (1−10 Вт) [18, 19]. В частности, этим объясняется высокая терапевтическая эффективность лазерных аппаратов умеренной мощности с волоконным выходом [20–22] при лечении различных заболеваний [17, 21, 22]. Определенный интерес представляет также изучение биологического действия лазероиндуцированных гидродинамических процессов и широкополосного звука, генерирующихся вблизи торца волокна при коротких импульсных лазерных воздействиях. Такие исследования могут быть выполнены на различных биологических объектах, в частности на дафниях – пpеcноводныx ракообразных, являющиxcя чувствительным теcт-объектом для оценки влияния различных факторов физической и xимичеcкой пpиpоды [23–27]. В настоящее время дафнии являются таким же общепринятым модельным организмом, как плодовая мушка Drosophila или лабораторные мыши. Расшифрован геном этих ракообразных, проведено значительное количество токсикологических исследований с использованием Daphnia. Согласно [28], работы в области водной токсикологии с использованием Daphnia составляют 8% от общего количества публикаций. Отметим, что дафнии – оптически прозрачный и, соответственно, удобный для визуализации объект. Кроме того, условия размножения этих ракообразных относительно легко могут быть стандартизованы.

Биотестирование, являющееся методом контроля химического загрязнения, одновременно может найти применение при оценке воздействия различных физических факторов, в частности гидродинамических процессов. Основной принцип биотестирования заключается в испытании действия различных факторов на водные организмы (тест-объекты) с известными и поддающимися учету характеристиками. При этом тест-организм специально вводится в исследуемую среду, а режим воздействия находится под контролем. Таким образом, тест-организм выступает в роли биологического сенсора – прибора, выявляющего интегральный эффект комплекса потенциально неблагоприятных экологических факторов.

Целью работы являлось изучение действия гидродинамических процессов и широкополосного звука, генерируемых импульсным лазерным излучением с длиной волны 1.94 мкм, на ракообразных Daphnia magna.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве источника лазерного излучения использовался тулиевый лазер “ИРЭ Полюс” с длиной волны λ = 1.94 мкм, длительностью импульсов 100 нс, частотой следования импульсов 100 кГц и мощностью до 20 Вт, снабженный кварцевым волокном с диаметром светопроводящей сердцевины 125 мкм. Во всех экспериментах мощность лазерного излучения на выходе волокна составляла P = 20 Вт, при этом кратковременные отклонения мощности от среднего значения не превышали 10%. Инфракрасное излучение с λ = 1.94 мкм очень хорошо поглощается в воде (коэффициент поглощения составляет 92 см–1 [29]).

Для регистрации широкополосных акустических сигналов рабочий торец лазерного волокна помещали в заполненную водой емкость диаметром 11 см и высотой 6 см. На расстоянии ~4 см от торца перпендикулярно оптической оси лазерного волокна устанавливался широкополосный гидрофон 8103 фирмы “Брюль и Къер” (Дания) с полосой 0.1 Гц–180 кГц (чувствительность –211 дБ отн. 1 В/мкПа). Запись акустических сигналов с гидрофона производилась на четырехканальный цифровой запоминающий осциллограф GDS 72 304 (GW Instek, Тайвань) с полосой пропускания 300 МГц. Энергия сигнала акустической эмиссии оценивалась в предположении сферичности акустической волны [30]:

(1)
$E = \frac{{4\pi {{r}^{2}}}}{{\rho c}}\int {{{p}^{2}}dt,} $
где, r – расстояние от центра эмиссии до гидрофона, c – скорость звука в воде, p – амплитуда давления, t – время. Температуру воды в емкости контролировали с помощью термометра.

Оптическая регистрация лазероиндуцированных гидродинамических процессов, происходящих вблизи торца волокна в воде, производилась с помощью высокоскоростной камеры Fastcam SA-3 (Photron, Япония) на скорости 10 000 кадров в секунду. Для контроля мощности оптических излучений использовались совмещенный с ПК оптоволоконный анализатор спектра USB4000 (Ocean Optics, США) c разрешением ~1.5 нм (диапазон от 200 до 1100 нм) и измеритель мощности FieldMaster с измерительной головкой LM-10HTD (Coherent, США). Измерение оптических характеристик излучения проводилось с помощью Amplified InGaAs Detector, 10 MHz Bandwidth PDA400 (Thorlabs, США), и осциллографа осциллограф GDS 72 304 (GW Instek, Тайвань) с полосой пропускания 300 МГц.

Биологические исследования проводили на лабораторной культуре пресноводных рачков D. magna (Anomopoda, Daphniidae), широко использующихся в биотестировании и водной токсикологии для оценки антропогенных воздействий. Рачки в лабораторной культуре существуют в виде партеногенетических самок, размножаются круглый год, имеют короткий жизненный цикл. Наступление половой зрелости происходит на 7–9 сут, первый помет появляется на 9–11 сут, последующие – каждые два–три дня. Рачков культивировали в соответствии с общепринятыми методическими указаниями [31, 32] в климатостате с постоянной температурой Т = 22 ± 2°С, освещением и регулированием соотношения дня и ночи.

Рачков в возрасте до 24 ч подвергали воздействию в двух режимах (рис. 1):

Рис. 1.

Схема проведения биологических экспериментов в двух режимах: I – дафнии в пробирке с водой, II – дафнии в проницаемой для микропузырьков и потоков воды сетке. 1 – дафнии, 2 – пробирка, 3 – емкость с водой, 4 – лазерное оптическое волокно, 5 – микропузырьки, 6 – акустические волны, 7 – сетка.

1) В первом случае (рис. 1, режим I) рачки находились в стеклянных пенициллиновых пробирках с водой объемом 12 мл, предотвращающих попадание нагретых струй воды и пузырьков в емкость с дафниями. Таким образом, на дафнии в режиме I действовали только акустические волны, генерирующиеся вблизи торца волокна.

2) Во втором случае (рис. 1, режим II) рачки находились в сетке из мельничного газа с размером ячеи ~500 мкм, значительно превышающем диаметр микропузырьков. Поэтому дафнии в режиме II подвергались воздействию как акустических волн, так тепловых потоков и микропузырьков. Среднее расстояние от торца оптоволокна до рачков в пробирке или сетке составляло 20 ± 5 мм. Время воздействия для каждого режима составляло 3, 30 и 300 с.

После облучения дафний рассаживали в опытные стаканы из расчета пять особей на 250 мл воды в четырехкратной повторности; таким образом, для каждой линии выборка составляла 20 особей. В качестве контроля использовали рачков из того же помета, что и опытные выборки, но не подвергнутых воздействию лазерного излучения. В ходе опытов воду меняли три раза в неделю. Одновременно со сменой воды просчитывали молодь, рожденную в каждой линии, и удаляли ее из опытных стаканов для предотвращения конкуренции с материнскими организмами за корм – суспензию зеленых водорослей Chlorella vulgaris. Наблюдения продолжались в режиме хронического опыта до 21 суток.

Исследовались следующие параметры: выживаемость (количество выживших дафний из первоначально облученной выборки), плодовитость (суммарное количество рожденной молоди в пересчете на одну дафнию в линии за все время наблюдения) и качество потомства дафний (наличие мертвой молоди и аномальных особей). Полученные данные обрабатывались методами вариационной статистики при помощи программного обеспечения Microsoft Office Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Гидродинамические процессы вблизи торца волокна

Если торец лазерного волокна опущен в воду (как на рис. 1), то сразу после включения лазерного излучения вблизи торца появляется струя, состоящая из большого количества микропузырьков (рис. 2а). Со временем область струи вблизи ее переднего фронта постепенно расширяется, а ее средняя скорость движения от торца уменьшается (с 50 ± 5 мм/с через 0.33 с после включения лазера, до 14 ± 3 мм/с через 1 с).

Рис. 2.

Генерация микропузырьков вблизи торца лазерного волокна. (а) Последовательность кадров, иллюстрирующих изменение во времени области с микропузырьками после включения лазера; показано время в секундах. (б) Распределение микропузырьков и их перемещение вблизи торца, зарегистрированное на скорости видеосъемки 10 000 кадр/с. Кружками со стрелками показаны предыдущие положения микропузырьков за 3 мс до этого. 1 – торец лазерного волокна (изображен схематично).

На кадре скоростной съемки (рис. 2б) видно, что микропузырьки (их диаметр по оценкам составляет от 10 до 50 мкм), из которых состоит эта струя, рождаются у торца лазерного волокна. Скорость их перемещения с удалением от торца в среднем падает и хорошо аппроксимируется выражением

(2)
$V = 120{{e}^{{ - 0.44r}}} + 20{{e}^{{ - 0.01r}}},$
где V – скорость микропузырька в мм/с, r – расстояние от микропузырька до торца в миллиметрах. Уменьшение скорости движения микропузырька с расстоянием по экспоненциальному закону (2) вполне согласуется с представлением о том, что микропузырек (вернее, присоединенная к нему масса воды) приобрел скорость у торца. Как известно, в случае если сила сопротивления вязкой среды пропорциональна скорости тела, то его скорость с расстоянием уменьшается при торможении именно по экспоненциальному закону. Мы полагаем, что появление второй экспоненты в (2) связано с образованием в процессе лазерного воздействия вихревых течений со скоростью вблизи торца ~20 мм/с.

Одновременно с возникновением описанных выше гидродинамических процессов при включении лазерного излучения происходит генерация акустического сигнала (рис. 3а). Средняя интенсивность этого сигнала на расстоянии 40 мм от торца волокна, измеренная широкополосным гидрофоном 8103, составляет I ~ 2.6 Вт/м2. На спектре этого сигнала (рис. 3б) в диапазоне 2 кГц–0.5 МГц выделяется несколько ярких пиков. Самый мощный пик расположен в области частот 10–15 кГц. Следующим по спектральной плотности мощности является очень узкий пик (1 на рис. 3б) с максимумом на частоте 100 кГц, которая соответствует частоте следования лазерных импульсов. Третий по мощности пик расположен в диапазоне частот 18–26 кГц.

Рис. 3.

Вариации давления и спектральная плотность мощности акустического сигнала, зарегистрированного широкополосным гидрофоном 8103. Давление пересчитано для расстояния 40 мм.

На более подробном фрагменте акустического сигнала (рис. 4а) выделяется последовательность коротких импульсов, следующих квазипериодично. Сложная структура одного из этих импульсов видна на рис. 4б. В акустическом сигнале (1 на рис. 4б) можно выделить несущую частоту ~300 кГц, амплитуда которой во время лазерного импульса скачкообразно увеличивается. На этом рисунке на акустический сигнал 1 наложен сигнал с фотодиода, который описывает последовательность коротких (см. вставку на рис. 4б) лазерных импульсов 2. Видно, что не каждый лазерный импульс приводит к генерации акустического импульса.

Рис. 4.

Фрагменты акустического сигнала, зарегистрированного широкополосным гидрофоном 8103 в различных временных масштабах. На рис. 4б на акустический сигнал 1 наложены лазерные импульсы 2 (сигнал с фотодиода). На вставке показан отдельный лазерный импульс в большем масштабе. Акустическое давление пересчитано для расстояния 40 мм.

Таким образом, во время биологического эксперимента (рис. 1) на дафнии в обоих режимах (I и II) действовал широкополосный звук в области частот от 2 кГц до 0.5 МГц. В случае же, когда дафнии находились в сетке (рис. 1, режим II), они кроме широкополосного звука подвергались воздействию струйных течений с микропузырьками (рис. 2). Исходя из полученных данных об интенсивности генерирующегося на торце лазерного волокна ультразвука (I ~ 2.6 Вт/м2 на расстоянии 40 мм), легко оценить дозы акустического воздействия Φ, которым в экспериментах (рис. 1) подверглись дафнии. Эти дозы Φ в зависимости от экспозиции t составили: 35 ± 11, 350 ± 110 и 3500 ± 1100 Дж/м2 для t = 3, 30 и 300 с соответственно.

Биологические эксперименты по схеме рис. 1 показали, что лазерное воздействие приводит к повышению в емкости температуры воды на величину ΔT, которая пропорциональна времени воздействия. При минимальной экспозиции t = 3 с температура воды не отличалась от комнатной (22.0 ± 0.5°С), при t = 30 с рост температуры ΔT составил 0.5 ± 0.5°С, а при t = 300 с ΔT = 6.0 ± 0.5°С.

У подвергнувшихся воздействию и находящихся в контроле дафний исследовались такие параметры как выживаемость, плодовитость (суммарное количество потомства на одну дафнию) и качество рожденного потомства (см. таблицу). При экспозиции t = 300 с, когда дафнии находились в сетке (режим II), наблюдалась полная гибель рачков за считанные минуты. При других экспозициях гибель организмов была единичной, максимум (~30%) наблюдался при облучении с дозой 35 Дж/м2 (режим I).

На рис. 5 приведены результаты биологического эксперимента, описывающие зависимость суммарной плодовитости дафний от дозы акустического воздействия (экспозиции t = 3, 30 и 300 с) и используемого режима (рис. 1). Видно, что все экспериментально полученные средние значения лежат выше соответствующего значения для контроля. При этом достоверное отличие от контроля зарегистрировано как для режима I (Φ = 35 ± 11 Дж/м2, превышение над контролем 24% при р < 0.01), так и для режима II (Φ = 35 ± 11 Дж/м2 и Φ = 350 ± 110 Дж/м2, превышение над контролем 14 и 19% соответственно при р < 0.05). Иными словами, в обоих режимах при определенных дозах воздействия наблюдается стимуляция репродуктивных функций рачков Daphnia magna.

Рис. 5.

Зависимость суммарной плодовитости дафний от режима и дозы акустического воздействия (экспозиции t = 3, 30 и 300 с). *р < 0.05, **р < 0.01. Показаны средние значение (пунктирная линия) и стандартные отклонения (точечные линии) для контроля.

При проведении эксперимента в потомстве дафний, подвергшихся воздействию, были отмечены аномальные и быстро погибающие особи (см. таблицу). Отсутствовали мертвые особи только в режиме I (в пробирке) при минимальной дозе Φ = 35 ± 11 Дж/м2, а максимальное их количество (4) наблюдалось для дозы Φ = 35 ± 11 Дж/м2 в режиме II (в сетке). Можно отметить тенденцию к увеличению количества аномальных особей в потомстве при увеличении времени воздействия.

Среди аномальной молоди были выявлены особи с закрученной антенной (1 на рис. 6б) и деформацией хитиновой раковины (2 на рис. 6б), служащей для защиты нежного тела животного от воздействия окружающей среды. Кроме этого, обнаружены особи с укороченными или отсутствующими щетинками на плавательных антеннах (3 на рис. 6в). На рис. 6г представлена дафния с редуцированными члениками на одной из ветвей антенн (в данном случае ветвь 1 состоит из двух члеников вместо четырех). Интересно, что особи с подобными аномалиями часто оказывались жизнеспособными и могли давать потомство без аномалий. При этом рачки с деформированной раковиной после линьки восстанавливали нормальное строение. Подобные аномалии были редки и составляли меньше 1% от молоди соответствующих выборок. Отметим, что в контрольных линиях подобных аномалий обнаружено не было (см. таблицу).

Рис. 6.

Нормальная дафния и дафнии с аномалиями, встречающимися в потомстве рачков, подвергшихся воздействию лазероиндуцированных гидродинамических процессов: 1 – двуветвистая антенна, 2 – хитиновый панцирь (карапакс), 3 – щетинки. (а) Дафния с нормальным строением антенн, одна ветвь которых состоит из четырех члеников, вторая – из трех, с хорошо сформированными щетинками на них; брюшной край панциря ровный, округлый; (б) антенны спирально закручены, щетинки на них сильно укорочены, карапакс деформирован и загибается на брюшной стороне; (в) дафния с укороченными недоразвитыми щетинками на антеннах (вид с брюшной стороны); (г) на одной из ветвей антенны редуцированы два членика.

ОБСУЖДЕНИЕ

Гидродинамические возмущения и акустические колебания

Проведенные эксперименты показали, что импульсное лазерное излучение с λ = 1.94 мкм и мощностью P = 20 Вт приводит к возбуждению в воде вблизи торца волокна мощных гидродинамических процессов, сопровождающихся генерацией струйных течений (рис. 2а) и микропузырьков (рис. 2б) Размеры микропузырьков составляют от 10 до 50 мкм, а их скорость перемещения у торца волокна достигает 140 мм/с и с удалением спадает по экспоненциальному закону (2). Одновременно с этими процессами вблизи торца лазерного волокна происходит генерация широкополосного (от 2 кГц до 0.5 МГц) акустического сигнала (рис. 3). На спектре этого сигнала (рис. 3б) выделяются ряд мощных пиков, самый узкополосный из которых соответствует частоте следования лазерных импульсов (1 на рис. 3б, частота 100 кГц). При этом самый мощный пик расположен в области звуковых частот 10−15 кГц.

Рассмотрим возможные механизмы генерации гидродинамических возмущений и акустических колебаний, которые позволят объяснить полученные эффекты. При излучении лазерного импульса вблизи лазерного волокна в воде благодаря хорошему поглощению лазерного излучения (коэффициент поглощения для λ = 1.9 мкм, a = 92 см−1 [29]) формируется небольшая по объему перегретая область. Геометрические параметры этой области с перегретой водой легко оценить. Толщина слоя воды, в котором поглощается 95% энергии лазерного импульса составляет h = ln(0.05)/a ≈ 325 мкм. По форме такая область из-за расходимости лазерных лучей (числовая апертура волокна NA = 0.22) представляет собой усеченный конус. Простой геометрический расчет показывает, что ее объем составляет V ~ 0.01 мм3, при этом в ней за один лазерный импульс поглощается E = 0.95P/F = 190 мкДж, где P = 20 Вт – мощность излучения, F = 100 кГц – частота импульсов. Если не учитывать передачи тепла, то за время импульса (100 нс) температура этого небольшого объема жидкости вблизи торца волокна увеличилась бы в среднем на ΔT = E/(ρVС) ~ ~ 4°C, где ρ – плотность, C – удельная теплоемкость воды. За время одного импульса τ = 1 × 10–7 с глубина термического прогрева воды составит ${{d}_{T}} = \sqrt {4{{D}_{T}}\tau } \sim 0.4$ мкм, где DT = 3.4 × 10−7 м2/с − коэффициент температуропроводности. Поскольку dT $ \ll $ h и dT $ \ll $ r (r – радиус оптического волокна), увеличением размера нагретой области за время действия одного импульса из-за теплопроводности можно пренебречь. Отметим, что скачок температуры при приближении к торцу волокна будет увеличиваться и вблизи него, как легко оценить, составит уже ΔT ~ 38°C. Такой периодический нагрев воды с частотой лазерных импульсов F за счет термоупругих напряжений, вызванных неоднородным нагревом, приведет к генерации акустических волн на частоте F = 100 кГц. И действительно, узкий пик с такой частотой (1 на рис. 3б) надежно выделяется в спектре акустического сигнала.

В условиях слабой теплопередачи температура области вблизи торца волокна с каждым последующим импульсом будет увеличиваться и всего через 10 импульсов превысит критическую температуру воды Тс ≈ 647 K. Однако несколько раньше из-за флуктуаций произойдет взрывное кипение воды с образованием быстро расширяющегося парогазового пузырька [12, 14, 16, 17]. В этом случае генерация звука будет происходить уже по механизму термокавитации, и она будет более эффективной [12, 16]. Мы полагаем, что именно по такому механизму происходит генерация звука при импульсном лазерном воздействии на частотах ниже частоты лазерных импульсов F = 100 кГц, в том числе и частотах самого мощного пика 10–15 кГц (рис. 3б). Как видно из рис. 4, частоты генерации мощных акустических импульсов лежат значительно ниже частоты возбуждающих лазерных импульсов.

Достигнув своего максимального размера, образованный вблизи торца волокна пузырек также быстро схлопывается за время [33]

(2)
$t = 0.915{{R}_{{\max }}}\sqrt {\frac{\rho }{{{{p}_{0}} - {{p}_{v}}}}} ,$
где ρ – плотность воды, p0 – внешнее давление (~100 кПа), ${{p}_{v}}$ – давление насыщающих паров (2.33 кПа при 20°С). Исходя из (2), для того чтобы такой пузырек просуществовал до следующего лазерного импульса (который придет через 1/F = = 10 мкс), он должен иметь максимальный радиус Rmax ≥ 55 мкм. Потенциальная энергия образовавшегося пузырька Eb [34]
(3)
${{E}_{b}} = \frac{{4\pi }}{3}({{p}_{0}} - {{p}_{v}})R_{{\max }}^{3}$
для Rmax = 55 мкм составляет Eb ~ 0.07 мкДж. При сжатии пузырька до очень маленьких размеров его потенциальная энергия (3) переходит в кинетическую энергию высокоскоростной струи и в акустическую энергию ударной волны. Такие кумулятивные струи, как известно, способны разрушить поверхность торца кварцевого волокна, образуя на ней отверстия микронных размеров, трещины и другие дефекты [16].

На кадре скоростной съемки в струе у торца волокна выделяются микропузырьки с радиусами R в диапазоне 5–25 мкм (рис. 2б). Частоты их собственных колебаний [35]

(4)
$F \approx \frac{1}{{2\pi R}}{{\left( {\frac{{3\gamma {{p}_{0}}}}{\rho }} \right)}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}},$
где γ = 1.4 – отношение удельных теплоемкостей для газа пузырька, лежат в диапазоне 130–650 кГц. Область с этими частотами на спектре акустического сигнала (рис. 3б) расположена выше частоты лазерных импульсов F = 100 кГц.

Механизм появления вблизи торца волокна самих струй (рис. 2) легко объяснить не сложным взаимодействием вихрей [36], а тем, что при нагревании молекулы воды приобретают импульс, результирующий вектор которых спустя короткое время из-за отражения части молекул от жесткой поверхности (торца волокна) всегда направлен перпендикулярно торцу в сторону свободной жидкости [15]. Благодаря симметрии наличие таких потоков приведет к тому, что максимально нагретая область вблизи торца волокна будет располагаться около оптической оси. Именно в этом месте и будет располагаться центр генерации термокавитационных процессов.

Отметим, что исследованный режим генерации лазероиндуцированных гидродинамических процессов имеет все признаки сверхинтенсивного пузырькового кипения [37, 38], включая появление гидродинамических возмущений большего (рис. 2) по сравнению с размерами нагревателя (~100 мкм) масштаба, характерные акустические эффекты (рис. 3) и очень большую величину удельного теплового потока (~0.2 МВт/см2 при Р = 20 Вт). Мы полагаем, что подобный режим представляет также исключительный интерес и для некоторых современных медицинских технологий, в которых модификация и разрушение биотканей происходят не путем их прямого лазерного нагрева, а за счет быстрой доставки тепла двухфазными струйными потоками, формируемыми при кипении жидкости [38].

Таблица 1.  

Параметры эксперимента, выживаемость и качество потомства дафний

Режим Доза Ф, Дж/м2 Рост температуры, °С Выжившие особи, % Плодовитость особи, шт. Качество потомства
особи с аномалиями, шт. мертвые особи, шт.
Контроль 0 0 100 45.6 ± 1.2 0 0
I (в пробирке) 35 ± 11 0 70 ± 12 56.6 ± 3.7** 1 0
350 ± 110 0.5 ± 0.5 90 ± 20 51.1 ± 4.8 1 1
3500 ± 1100 6.0 ± 0.5 95 ± 10 53.0 ± 11.0 5 1
II (в сетке) 35 ± 11 0 100 52.0 ± 3.0* 1 4
350 ± 10 0.5 ± 0.5 100 54.0 ± 7.2* 3 1
3500 ± 1100 8.0 ± 0.5 0 – – –

Примечание. *р < 0.05, **р < 0.01.

Биологическое действие гидродинамических процессов

Во время биологического эксперимента в режимах I и II (рис. 1) на дафнии действовали широкополосные акустические колебания в области частот от 2 кГц до 0.5 МГц в дозах Φ, равных 35 ± 11, 350 ± 110 и 3500 ± 1100 Дж/м2. В режиме II рачки кроме широкополосного звука подвергались воздействию струйных течений с микропузырьками (рис. 2). Эксперименты показали, что гидродинамические процессы и широкополосный звук, генерируемые импульсным лазерным излучением с λ = 1.9 мкм, оказывают выраженное биологическое действие на ракообразных Daphnia magna.

Один из заметных терапевтических эффектов заключается в стимуляции репродуктивных функций рачков. Так, достоверное увеличение плодовитости рачков на 24% наблюдалось для режима I (в пробирке) для дозы Φ = 35 ± 11 Дж/м2 (см. таблицу и рис. 5). Для режима II (в сетке) было зарегистрировано статистически значимое возрастание плодовитости на 14 и 19% для доз Φ, равных 35 ± 11 и 350 ± 110 Дж/м2 соответственно.

Отрицательный терапевтический эффект заключался в массовой гибели особей при наибольшей экспозиции (Φ = 3500 ± 1100 Дж/м2) в режиме II (в сетке), единичной гибели организмов в режиме I (в пробирке), а также в появлении особей с аномалиями развития (рис. 6) и мертвых особей в потомстве подвергшихся воздействию дафний (см. таблицу). Подобные аномалии плавательных антенн были зафиксированы при облучении дафний электромагнитным излучением радиочастотного диапазона [26, 27], а также после действия различных химических веществ: пестицидов – атразина [39], сульфата имазалила, ионов хрома и меди [40]. Интересно, что процент аномалий во всех случаях был низким (1–5 аномальных особей на 700–1000 рожденных рачков в выборке с соответствующей дозой воздействия). С учетом партеногенетического размножения дафний в лабораторных условия, исключающего рекомбинацию ДНК, происходящую при половом размножении, а также способности особей с аномальным строением тела давать потомство без аномалий, можно предположить, что аномалии в развитии рачков не связаны с наследуемыми изменениями, а могут быть связаны с влиянием облучения на процессы эпигенетического наследования.

Массовую быструю гибель дафний в режиме II (в сетке) при максимальной экспозиции t = 300 c нельзя объяснить повышением температуры окружающей воды до 30°С (см. таблицу). Так, в работе [41] показано, что время, необходимое для достижения 95% смертности рачков Daphnia magna после погружения их в воду с температурой 35°С, составляет один час. Мы полагаем, что быстрая гибель рачков в нашем случае связана с воздействием на них высокотемпературных струй (рис. 2а), исходящих от торца лазерного волокна и свободно проникающих через сетку (рис. 1, режим II) к дафниям. Легко оценить, что объем струйной области с микропузырьками через t = 1 с после включения лазерного излучения составлял ~0.5 мл, а температура в ней, исходя из величины подведенной энергии (20 Дж), в среднем возросла на ~9°С. Поскольку переносят тепло от нагретой области вблизи торца лазерного волокна присоединенные к микропузырькам объемы воды (рис. 2б), то ясно, что распределение температуры в самой такой струйной области будет крайне неравномерным: нагретая вода будет сосредоточена в микроструях. Поэтому дафнии в сетке могут подвергаться периодическому воздействию микроструй с температурой, существенно превышающей среднюю температуру окружающей воды, которая в этом эксперименте поднялась с 22 до 30°С. Согласно [7], время воздействия (в минутах), необходимое для наблюдения биоэффекта при нагревании до температуры Т°С описывается выражением: $t = {{4}^{{(43 - T)}}}.$ Исходя из этого, можно оценить, что минимальная температура этих микроструй составляет ~42°С.

Мы полагаем, что наблюдаемая в эксперименте стимуляция репродуктивной функции рачков может быть обусловлена воздействием лазероиндуцированных низкоинтенсивных широкополосных акустических колебаний. Ультразвук с частотами 0.02–3 МГц и интенсивностью в диапазоне 0.01–2 Вт/см2 в настоящее время активно применяется для терапевтических целей [5, 9], и его воздействие на различные биологические объекты способно вызвать значимые биологические эффекты [42–48]. Так, под действием достаточно мощного ультразвука (амплитуды давления ~250 кПа) происходит усиленная агрегация эритроцитов [49]. Такие ультразвуковые воздействия могут приводить к гибели клеток в результате генерации активных форм кислорода или разрыва клеточных мембран [44–50]. Ультразвук с достаточно низкой интенсивностью (I ~ 150–300 мВт/см2) in vivo может стимулировать движение тела плода беременных женщин [51], а при воздействии in vitro на клетки приводит к существенному (в два раза) увеличению продукции клетками NO [52].

Ультразвук с еще более низкими интенсивностями тоже оказывается биологически активным. Более того, в работе [48] показано, что стимуляция стволовых клеток костного мозга крысы ультразвуком с очень низкой интенсивностью I = 2 мВт/см2 способствует даже лучшей минерализации при формировании костной ткани чем при I = 30 мВт/см2. В нашем случае мы показали биологически значимые эффекты лазероиндуцированного широкополосного ультразвука интенсивностью I = 2.6 Вт/м2 × × (40/20 мм)2 ≈ 10 Вт/м2 = 1 мВт/см2 (см. таблицу и рис. 5). При этом оказалось, что такие слабые воздействия могут приводить не только к позитивным, но и к негативным последствиям.

О том, что помимо положительных эффектов ультразвуковые воздействия с терапевтическими и более низкими интенсивностями могут вызывать и нежелательные последствия, известно достаточно давно. Так, в работе [53] сообщалось о возможном повреждении хромосом при сверхнизких интенсивностях ультразвука (I = 0.1…100 мВт/см2). Воздействие ультразвуком такой низкой интенсивности (100 мВт/см2) на эмбрионы амфибий вызывало появление различных аномалий [54]. В [55] обсуждается возможная связь различных биологических эффектов под действием ультразвука сверхнизких интенсивностей (I ~ 1 мВт/см2) с возникновением микроструй вблизи микропузырьков. Недавно в [56] показано, что наличие пузырьков микронного размера существенно повышает терапевтическую эффективность акустического воздействия ультразвука (с I = 30 мВт/см2) на стволовые клетки, приводя к увеличению пролиферации. В наших биологических экспериментах дафнии во время действия на них широкополосного ультразвука, действительно, находились в объеме с микропузырьками (рис. 2) в режиме II, когда они помещались в сетку (рис. 1). Отметим, что в этом случае и сами по себе микропузырьки могут оказывать воздействие на рачков. Это связано с тем, что на их поверхности адсорбируются различные наночастицы и микровключения, присутствующие в воде [57]. Кроме того, в этом режиме рачки в процессе экспозиции подвергались еще и воздействию высокотемпературных микроструй. Поэтому в данном случае нельзя исключить синергетического действия на дафний этих трех факторов. Отметим, что когда рачки находились в пробирке (режим I на рис. 1), воздействия на них лазероиндуцированных высокотемпературных микроструй и микропузырьков полностью исключались. В пробирке на них действовали только широкополосные акустические колебания (рис. 3) с очень малой интенсивностью. Однако это привело и к стимуляции репродуктивных функций рачков (плодовитость увеличилась на 24% для дозы Φ = 35 ± 11 Дж/м2), и к появлению особей с аномалиями развития (рис. 6) и мертвых особей в потомстве подвергшихся воздействию дафний (см. табл. 1).

Таким образом, в данной экспериментальной системе можно выделить следующие физические факторы, влияющие на репродуктивные свойства Daphnia magna: температура, широкополосные акустические колебания, высокоэнергетическое взаимодействие между схлопывающимися пузырьками и биологическим объектом и, наконец, воздействие на рачков самих микропузырьков. Как было уже показано, температурный эффект связан с резким повышением температуры в микроструях (до 20°С). В нашем случае мы можем пренебречь физическими воздействиями при кавитационном схлопывании пузырьков [58, 59], поскольку расстояние между торцом волокна и объектом велико, и пузырьки схлопываются на значительном расстоянии от рачков. Мы не рассматривали действие на рачков еще одного физического фактора – низкоинтенсивного лазерного излучения, которое, как известно, способно оказывать значимое воздействие на живые системы [26, 60, 61]. Однако в нашем случае интенсивность лазерного света на расстоянии 20 мм от торца волокна из-за сильного поглощения в воде, как легко оценить, пренебрежимо мала и не превышает 10−70 мВт/см2. При этом отметим, что из-за наличия в воде скопления микропузырьков это значение может быть выше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показано, что выходящее из оптического волокна импульсное лазерное излучение (P = 20 Вт, λ = 1.9 мкм) приводит к возбуждению в воде мощных гидродинамических процессов, сопровождающихся возникновением микропузырьков, возбуждением струйных течений и широкополосных акустических колебаний. Основная энергия этих колебаний лежит в диапазоне 10–15 кГц, а их генерация происходит по механизму термокавитации. Установлено, что исследованный режим генерации лазероиндуцированных гидродинамических процессов является сверхинтенсивным пузырьковым кипением с очень большой величиной удельного теплового потока (~0.2 МВт/см2).

На примере ракообразных Daphnia magna показано, что лазероиндуцированные гидродинамические процессы обладают выраженным биологическим действием, приводя к различным терапевтическим эффектам. Такое непродолжительное воздействие в течение 3 и 30 с приводит к стимуляции репродуктивных функций рачков, что выражается в увеличении их плодовитости. Отрицательный терапевтический эффект заключается в гибели рачков при наибольшей экспозиции (t = 300 c) из-за воздействия высокотемпературных микроструй, а также в появлении особей с аномалиями развития и мертвых особей в потомстве подвергшихся воздействию дафний.

Работа выполнена при поддержке Федерального агентства научных организаций (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части транспортных процессов и грантов РФФИ № 17-02-00832 и № 17-02-01248 в части биологического действия.

Список литературы

  1. Kwiatkowska B., Bennett J., Akunna J., Walker G.M., Bremner D.H. Stimulation of bioprocesses by ultrasound // Biotechnology advances. 2011. V. 29. № 6. P. 768–780.

  2. Ed. Fry F.J. Ultrasound: Its applications in medicine and biology. Elsevier, 2013. V. 3.

  3. Eds. Hoskins P.R., Martin K., Thrush A. Diagnostic ultrasound: physics and equipment. Cambridge University Press, 2010.

  4. Eds. Escoffre J.M., Bouakaz A. Therapeutic ultrasound. Springer, 2015. V. 880.

  5. Baker K.G., Robertson V.J., Duck F.A. A review of therapeutic ultrasound: biophysical effects // Physical therapy. 2001. V. 81. № 7. P. 1351–1358.

  6. Tempany C.M., McDannold N.J., Hynynen K., Jolesz F.A. Focused ultrasound surgery in oncology: overview and principles // Radiology. 2011. V. 259. № 1. P. 39–56.

  7. Merritt C.R.B., Kremkau F.W., Hobbins J.C. Diagnostic ultrasound: bioeffects and safety // Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 1992. V. 2. № 5. P. 366–374.

  8. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (обзор) // Акуст. журн. 2003. V. 49. № 4. P. 437–464.

  9. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 224 с.

  10. Song W.D., Hong M.H., Lukyanchuk B., Chong T.C. Laser-induced cavitation bubbles for cleaning of solid surfaces // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. № 6. P. 2952.

  11. Vogel A., Lauterborn W. Acoustic transient generation by laser-produced cavitation bubbles near solid boundaries // J. Acoust. Soc. Am. 1988. V. 84. № 2. P. 719.

  12. Rastopov S.F., Sukhodolsky A.T. Sound generation by thermocavitation induced CW-laser in solutions // Proc. SPIE. 1991. V. 1440. P. 127.

  13. Юсупов В.И., Коновалов А.Н., Ульянов В.А., Баграташвили В.Н. Генерация акустических волн непрерывным волоконным лазерным излучением в воде // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 5. С. 531–539.

  14. Yusupov V.I., Bulanov V.V., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laser-induced hydrodynamics in water-saturated tissue: III. Optoacoustic effects // Laser Phys. 2014. V. 24. № 1. P. 015601.

  15. Yusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laser-induced hydrodynamics in water-saturated biotissues. 1. Generation of bubbles in liquid // Laser Phys. 2010. V. 20. № 7. P. 1641–1646.

  16. Yusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laser-induced hydrodynamics in water-saturated biotissues: 2. Effect on delivery fiber // Laser Phys. 2011. V. 21. № 21. P. 1230–1234.

  17. Yusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laser-induced hydrodynamics in water and biotissues nearby optical fiber tip. in “Hydrodynamics – Advanced Topics” / Eds. Schulz H.E., Simoes A.L.A., and Lobosco R.J. (InTech, Croatia). 2011. P. 95–118. ISBN 978-953-307-596-9. doi 10.13140/2.1.4838.9122.10.13140/2.1.4838.9122

  18. Чайлахян Р.К., Юсупов В.И., Герасимов Ю.В., Соболев П.А., Тамбиев А.Х., Воробьёва Н.Н., Свиридов А.П., Баграташвили В.Н. Влияние гидродинамических процессов и низкоинтенсивного излучения с длинами волн 0.63 мкм и 7.1 мм на пролиферативную активность стволовых клеток стромы костного мозга in vitro // Биомедицина. 2011. Т. 1. № 2. С. 24–29.

  19. Чайлахян Р.К., Юсупов В.И., Свиридов А.П., Герасимов Ю.В., Тамбиев А.Х., Воробьёва Н.Н., Куралесова А.И., Москвина И.Л., Баграташвили В.Н. Акустическое и КВЧ-воздействия на стволовые стромальные клетки костного мозга in vitro // Биомедицинская радиоэлектроника. 2013. № 2. С. 36–42.

  20. Гапонцев В.П., Минаев В.П., Савин В.И., Самарцев И.Э. Медицинские аппараты на основе мощных полупроводниковых и волоконных лазеров // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. № 11. С. 1003–1006.

  21. Сандлер Б.И., Суляндзига Л.Н., Чудновский В.М., Юсупов В.И., Косарева О.В., Тимошенко В.С. Перспективы лечения дискогенных компрессионных форм пояснично-крестцовых радикулитов с помощью пункционных неэндоскопических лазерных операций. Владивосток: Дальнаука, 2004. 181 с.

  22. Привалов В.А., Крочек И.В., Абушкин И.А., Шумилин И.И., Лаппа А.В. Лазерная остеоперфорация в лечении воспалительных и деструктивных заболеваний костей // Вестник экспериментальной и клинической хирургии. 2009. Т. 2. № 1. С. 19–28.

  23. Adema D.M.M. Daphnia magna as a test animal in acute and chronic toxicity tests // Hydrobiologia. 1978. V. 59. № 2. P. 125–134.

  24. Филенко О.Ф., Михеева И.В. Основы водной токсикологии. М.: Колос, 2007. 144 с.

  25. Осипова Е.А., Крылов V.V., Юсупов В.И. Эффекты кратковременного действия низкоинтенсивного лазерного и ультрафиолетового излучений на эмбрионы Daphnia magna // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Биология. 2011. Т. 4. № 3. С. 301–309.

  26. Vorob'yeva O.V., Filenko O.F., Isakova E.F., Vorobieva N.N., Rybaltovskii A.O., Yusupov V.I., Bagratashvili V.N. Effects of He–Ne laser on Daphnia magna Straus manifested in subsequent generations // Laser Phys. Lett. 2015. V. 12. № 11.

  27. Воробьева О.В., Филенко О.Ф., Исакова Е.Ф., Юсупов В.И., Зотов К.В., Баграташвили В.Н. Влияние низкоинтенсивного электромагнитного излучения десятиметрового диапазона на морфо-функциональные показатели Daphnia magna Straus // Биофизика. 2016. Т. 61. № 6. С. 1202–1207.

  28. Denslow N., Colbourne J.K., Dix D., Freedman J.H., Helbing C.C., Kennedy S., Williams P.L. Selection of surrogate animal species for comparative toxicogenomics. In Genomic Approaches for Cross-Species Extrapolation in Toxicology / Eds DiGiulio R. and Benson W.H. Taylor and Francis, Washington, DC, 2007. 216 p.

  29. Deng R., He Y., Qin Y., Chen Q., Chen L. Measuring pure water absorption coefficient in the near-infrared spectrum (900–2500 nm) // Yaogan Xuebao – Journal of Remote Sensing. 2012. V. 16. № 1. P. 192–206.

  30. Cole R.H. Underwater Explosions. Princeton: Princeton Univ. Press, 1948. 468 p.

  31. EPA-821-R-02-012 Methods for measuring the acute toxicity of effluents and receiving waters to freshwater and marine organisms.

  32. Жмур Н.С. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. 2‑е изд., испр. и доп. М.: АКВАРОС, 2007. 52 с. (ФР 1.1.39.2007–03–222).

  33. Keller J.B., Miksis M. Bubble oscillations of large amplitude // J. Acoust. Soc. Am. 1980. V. 68. № 2. P. 628–633.

  34. Brennen C.E. Cavitation and bubble dynamics. Oxford, New York: Oxford University, 1995. 246 p. ISBN 0-19-509409-3.

  35. Minnaert M. On musical air-bubbles and the sound of running water // Philos. Mag. 1933. V. 16. P. 235–248.

  36. Mohammadzadeh M., Gonzalez-Avila S.R., Liu K., Wang Q.J., Ohl C.D. Synthetic jet generation by high-frequency cavitation // J. Fluid Mech. 2017. V. 823. R3. doi 10.1017/jfm.2017.358

  37. Чудновский В.М., Юсупов В.И., Жуков С.А., Ечмаев С.Б., Баграташвили В.Н. Лазероиндуцированная генерация сверхинтенсивного пузырькового кипения // Доклады РАН. 2017. Т. 473. № 5. С. 533–535.

  38. Чудновский В.М., Юсупов В.И., Дыдыкин А.В., Невожай В.И., Кисилёв А.Ю., Жуков С.А., Баграташвили В.Н. Лазероиндуцированное кипение биологических жидкостей в медицинских технологиях // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. № 4. С. 361–370.

  39. Palma P., Barbosa I.R. Embryo-toxic effects of atrazine environmental concentrations on the crustacean Daphnia magna // Global journal of environmental science and technology. 2011. V. 1. № 12. P. 1714–1718.

  40. Исакова Е.Ф., Коломенская Е.Е. Морфологические отклонения у Daphnia magna Straus в поколениях при кратковременном воздействии бихромата калия // Экологические системы и приборы. 2002. № 7. С. 31–34.

  41. Goss L.B., Bunting D.L. Thermal tolerance of zooplankton // Water Research. 1976. V. 10. № 5. P. 387–398.

  42. Feril Jr L.B., Kondo T. Biological effects of low intensity ultrasound: the mechanism involved, and its implications on therapy and on biosafety of ultrasound // J. Rad. Research. 2004. V. 45. № 4. P. 479–489.

  43. Feng Y., Tian Z., Wan M. Bioeffects of low-intensity ultrasound in vitro // J. Ultrasound Med. 2010. V. 29. № 6. P. 963–974.

  44. Deng C.X., Sieling F., Pan H., Cui J. Ultrasound-induced cell membrane porosity // Ultrasound in Med. and Biol. 2004. V. 30. № 4. P. 519–526.

  45. Honda H., Kondo T., Zhao Q.L., Feril L.B., Kitagawa H. Role of intracellular calcium ions and reactive oxygen species in apoptosis induced by ultrasound // Ultrasound in Med. and Biol. 2004. V. 30. № 5. P. 683–692.

  46. Fowlkes J.B. Bioeffects of microsecond pulses of ultrasound—Launching a new era in diagnostic ultrasound safety // J. Acoust. Soc. Am. 2017. V. 141. № 5. P. 3792–3792.

  47. Tian S., Li M., Dong F., Zhang F. The role of low-intensity pulsed ultrasound on bone and soft tissue healing // Int. J. Clin. Exp. Med. 2016. V. 9. № 7. P. 12450–12456.

  48. Angle S.R., Sena K., Sumner D.R., Virdi A.S. Osteogenic differentiation of rat bone marrow stromal cells by various intensities of low-intensity pulsed ultrasound // Ultrasonics. 2011. V. 51. № 3. P. 281–288.

  49. Дубровский В.А., Дворецкий К.Н., Балаев А.Э. Исследование механизма усиления агрегации эритроцитов ультразвуковым полем // Акуст. журн. 2004. Т. 50. № 2. С. 184–192.

  50. Feril L.B., Kondo T., Cui Z.G., Tabuchi Y., Zhao Q.L., Ando H., Umemura S.I. Apoptosis induced by the sonomechanical effects of low intensity pulsed ultrasound in a human leukemia cell line // Cancer letters. 2005. V. 221. № 2. P. 145–152.

  51. Fatemi M., Ogburn P.L., Greenleaf J.F. Fetal stimulation by pulsed diagnostic ultrasound // J. Ultrasound in Medicine. 2001. V. 20. № 8. P. 883–889.

  52. Altland O.D., Dalecki D., Suchkova V.N., Francis C.W. Low-intensity ultrasound increases endothelial cell nitric oxide synthase activity and nitric oxide synthesis // Journal of Thrombosis and Haemostasis. 2004. V. 2. № 4. P. 637–643.

  53. O’Brien W.D. Ultrasonic bioeffects: A view of experimental studies // Birth. 1984. V. 11. № 3. P. 149–157.

  54. Белоусов Л.В., Гаврилов Л.Р., Остроумова Т.В., Солонцова Л.B. О некоторых особенностях биологического действия ультразвука // Акуст. журн. 1985. Т. 31. № 4. С. 439–444.

  55. Nyborg W.L., Miller D.L. Physical Mechanisms for Biological Effects of Ultrasound at Low-Intensity Levels. Eds Millner R., Rosenfeld E., Cobet U. Ultrasound Interactions in Biology and Medicine. Springer, Boston, MA, 1983.

  56. Aliabouzar M., Zhang L.G., Sarkar K. Lipid coated microbubbles and low intensity pulsed ultrasound enhance chondrogenesis of human mesenchymal stem cells in 3D printed scaffolds // Scientific Reports. 2016. V. 6. 37728. doi 10.1038/srep37728

  57. Yusupov V.I., Tsypina S.I., Bagratashvili V.N. Trapping of nanoparticles in a liquid by laser-induced microbubbles // Laser Phys. Lett. 2014. V. 11. № 11. P. 116001.

  58. Prentice P., Cuschieri A., Dholakia K., Prausnitz M., Campbell P. Membrane disruption by optically controlled microbubble cavitation // Nature Physics. 2006. V. 1(2). P. 107−110.

  59. Yuan F., Yang C., Zhong P. Cell membrane deformation and bioeffects produced by tandem bubble-induced jetting flow // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2015. V. 112(51). P. E7039-E7047.

  60. Чудновский В.М., Леонова Г.Н., Скопинов С.А., Дроздов А.Д., Юсупов В.И. Биологические модели и физические механизмы лазерной терапии. Владивосток: Дальнаука, 2002. 157 с. ISBN 5-8044-0245-5.

  61. Karu T. Ten lectures on basic science of laser phototherapy. Grangesberg, Sweden: Prima Books, 2007. 414 p.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Акустический журнал

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал