ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Белозеров А.Г.¹, Березовский Ю.М.², Королев И.А.³, Пушкарев А.В.⁴

¹ORCID: 0000-0002-1021-1026, Кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э.Баумана»

²ORCID: 0000-0003-1002-2580, Доктор технических наук, ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности (ФГБНУ ВНИХИ)

³ORCID: 0000-0003-3166-2827, Аспирант, ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности (ФГБНУ ВНИХИ)

⁴ORCID: 0000-0002-1737-7838, Аспирант, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э.Баумана»

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект 16-19-10567).

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СКАНИРУЮЩАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

Аннотация

В работе обосновано применение метода дифференциальной сканирующей калориметрии для исследований теплофизических характеристик биологических материалов, служащих исходными данными для моделирования процессов криохирургии. Дано описание стенда на базе дифференциального сканирующего калориметра для исследования теплофизических характеристик материалов различной природы. Исследована специфика переохлаждения исследуемых образцов. Предложен дополнительный этап температурной программы переохлаждения и нагрева образца для определения его удельной изобарной теплоемкости в области соответствующей пику плавления путем прямого измерения. Представлены методические рекомендации по созданию температурных программ ДСК-исследований биологических материалов в диапазоне температур, характерных для криохирургии.

Ключевые слова: теплофизические характеристики биологических материалов, переохлаждение образцов, температурная программа, ДСК, криохирургия.

Belozerov A.G.¹, Berezovsky U.M.², Korolev I.A.³, Pushkarev A.V.⁴

¹ORCID: 0000-0002-1021-1026, PhD in Engineering, The Bauman Moscow State Technical University (BMSTU)

²ORCID: 0000-0003-1002-2580, PhD in Engineering, The Federal State Budgetary Scientific Organization "The All-Russian Scientific Research Institute of Refrigeration Industry"

³ORCID: 0000-0003-3166-2827, Postgraduate student, The Federal State Budgetary Scientific Organization "The All-Russian Scientific Research Institute of Refrigeration Industry"

⁴ORCID: 0000-0002-1737-7838, Postgraduate student, The Bauman Moscow State Technical University (BMSTU)

DIFFERENTIAL SCANNING CALORIMETRY IN THE STUDY OF THE THERMAL CHARACTERISTICS OF BIOLOGICAL TISSUES IN A WIDE TEMPERATURE RANGE

Abstract

The method of differential scanning calorimetry for study of thermophysical characteristics of biological materials serving as base properties for the simulation of cryosurgery is explained in this work. The description of the stand on the basis of the differential scanning calorimeter for study of thermophysical characteristics of materials of different types is given. The specifics of supercooling of the samples are studied. The authors proposed an additional step for temperature program of supercooling and heating of the sample for the determination of its specific heat capacity in the field corresponding the phase change peak by the direct measurement. The methodical recommendations for the creation of temperature programs for DSC studies of biological materials in the temperature range typical for cryosurgery are presented.

Keywords: thermophysical properties of biological materials, supercooling of the sample, temperature program, DSK, cryosurgery.

 

Введение

В настоящее время криохирургия заняла прочные позиции при лечении ряда доброкачественных и злокачественных новообразований. Вопросы применения криохирургии достаточно широко освещаются в научных публикациях, касающихся перспективных направлений медицины. Вместе с развитием метода возникает целый ряд вопросов научно-технического характера [4], [5]. Так, анализ явления криодеструкции биологического материала связан с необходимостью исследования теплофизических характеристик (ТФХ) указанного материала в широком диапазоне температур.

Высокая точность определения ТФХ биоматериалов служит базой для разработки адекватной модели процесса криовоздействия на формируемый участок, что открывает возможности эффективного решения ряда проблем криохирургического характера.

ДСК, как метод определения ТФХ различных материалов, получил широкое распространение в исследованиях отечественных и зарубежных учёных в различных отраслях науки [2], [8], [9]. В зарубежной практике применение ДСК метода для анализа тех или иных материалов регламентируется соответствующими стандартами [5], [6], [8].

Среди других методов измерения теплоемкости ДСК выгодно отличается возможностью проводить измерения на малых массах исследуемых материалов (5-15 мг) [9], поскольку одной из особенностей исследуемых биологических тканей является их малый размер, вытянутая неправильная форма, фрагментированность (рис. 1).

Рис. 1 – Внешний вид образцов предстательной железы человека, представленных на исследование

Применение ДСК по сравнению с адиабатными и изотермическими способами измерения ТФХ позволяет значительно сократить сроки проведения экспериментов и получить экспериментальные материалы по удельной теплоёмкости и энтальпии исследуемого продукта с погрешностью не более 3 %.

Методы исследований

Для проведения работ по определению ТФХ материалов различной природы в ФГБНУ ВНИХИ создан экспериментальный стенд, включающий комплекс измерения теплоемкости (рис. 2) на базе дифференциального сканирующего калориметра DSC 204 F1 фирмы Netzsch.

Рис. 2 – Общий вид стенда: 1 – сосуд Дьюара, 2 – система подачи жидкого или газообразного азота; 3 – DSC 204 F1 (дифференциальный сканирующий калориметр); 4 - система подачи продувочных газов; 5 – аналитические весы; 6 -  компьютер с программным комплексом для управления калориметром и обработкой полученных данных.

 

Принцип действия дифференциального сканирующего калориметра основан на измерении разности температур между контейнером (тиглем), в котором размещён исследуемый образец и контейнером, в котором размещён образец сравнения (эталон). Измеряемый таким образом сигнал ДСК, является мерой теплового потока поглощаемого или выделяемого исследуемым образцом в процессе его нагрева или охлаждения, а также в изотермическом режиме.

Одной из особенностей ДСК-измерений является то, что в области пика фазового перехода температура образца отстает от температуры измерительной ячейки и прибором фиксируется эффективная теплоемкость.

Известно, что повышение темпа изменения температуры пропорционально увеличивает регистрируемый отклик, приводя к снижению отношения сигнал/шум и повышая точность измерения. Однако, при этом так же увеличивается ширина пика плавления, что затрудняет или делает невозможным исследование близких по температуре процессов.

При применении рекомендуемых темпов нагрева измерительной ячейки β=10÷20 К/мин [2], [9] ширина области пика фазового перехода достигает 25÷45 К (рис. 3), где теплоемкость образца определяется путем экстраполирования, что может приводить к значительным погрешностям.

Определение теплоемкости образцов путем охлаждения измерительной ячейки в вышеназванной области температур не рекомендуется производителем ввиду особенностей работы прибора и необходимости проведения дополнительных трудоемких калибровок для режимов охлаждения.

Рис. 3 – Влияние темпа нагрева измерительной ячейки на ширину пика фазового превращения

Температурный диапазон исследований ТФХ биоматериалов был принят равным от минус 170 °С до плюс 40 °С исходя из технических возможностей прибора, температуры кипения жидкого азота, широко применяемого в криохирургии (минус 196 °С), нормальной температуры тела человека и температуры начала денатурации белка, (начиная с плюс 43 °С).

Исследование переохлаждения образцов

Анализ процесса замораживания образцов биоматериалов и дистиллированной воды при ДСК-исследовании показал, что имеет место существенное (до 17 °С) переохлаждение рис. 4. Данное явление оценивается специалистами неоднозначно. Наиболее значимой причиной переохлаждения исследуемых образцов является их малый размер, что обуславливает высокую интенсивность капиллярных сил и сил поверхностного натяжения [1], [3].

Рис. 4 – Анализ переохлаждения образцов при замораживании

При этом у дистиллированной воды переохлаждение выше приблизительно на 0,5÷1 К, чем у исследованных образцов биоматериалов. Эта разница связана с отсутствием у дистиллированной воды центров кристаллизации.

Также эксперименты показали, что первый цикл замораживания-размораживания отличается от последующих (ДСК линии второго и третьего циклов полностью совпадают) более высоким переохлаждением образца. В качестве результатов экспериментов рекомендуется принимать значение второго и последующих циклов охлаждения-нагрева.

Определение удельной изобарной теплоемкости образцов биоматериалов в области пика плавления

Обнаруженное явление переохлаждения образцов ниже криоскопической температуры без фазового перехода может быть использовано для определения его удельной изобарной теплоемкости в температурном диапазоне пика плавления исследуемого образца. Таким образом, в дополнение к основному исследованию полного температурного диапазона (кривые 1, рис. 5) авторами предложено включить в температурную программу дополнительный этап по исследованию переохлажденного образца (кривые 2, рис. 5).

Рис. 5. Зависимость удельной теплоемкости дистиллированной воды и образцов биоматериалов от температуры по результатам ДСК-исследования по температурной программе с дополнительным этапом переохлаждения образцов

Верификация разработанного подхода была проведена сопоставлением полученных на этапе переохлаждения (рис. 8, Этап 2) эмпирических данных теплоемкости дистиллированной воды со справочными данными (рис. 6). Расхождение составило не более 1,3%, что более чем в 2 раза ниже установленной производителем погрешности прибора.

Рис. 6 – Сопоставление удельной теплоемкости дистиллированной воды определенной методом переохлаждения со справочными данными

Для составления соответствующей температурной программы ДСК-исследования необходимо в качестве исходных данных иметь значение температуры начала кристаллизации с учетом переохлаждения. Она определяется как температура начала экзотермического пика на кривой ДСК в предварительном исследовании для группы схожих образцов.

Температурная программа для предварительного исследования должна обеспечить понижение температуры измерительной ячейки ниже предположительной температуры начала замораживания исследуемого образца рис. 7. Фактическое значение температуры начала кристаллизации для конкретного образца не должно быть выше принятого для всей группы.

Рис. 7 – Цикл предварительного исследования для определения температуры замораживания при переохлаждении образца биоматериала

Температурная программа для реализации представленной методики определения ТФХ биоматериалов рис.8 содержит следующие этапы:

этап I, замораживания и плавления образца, включающий понижение температуры измерительной ячейки до значения нижнего предела диапазона температур исследования и повышение температуры до значения на 15 – 20 °С выше температуры окончания плавления исследуемого образца, но не выше температуры, приводящей к необратимой термической деструкции;

этап II, переохлаждения и нагрева образца, включающий участок понижения температуры до значения на 2 – 4 °С выше температуры начала кристаллизации с учетом переохлаждении и повышения до температуры на 2 – 4 °С ниже температуры, приводящей к необратимой термической деструкции исследуемого биоматериала.

Между элементами температурной программы рекомендуется задавать изотермические участки, обеспечивающие стабилизацию температуры в образце и измерительной ячейке. При проведении ДСК-исследования необходимо контролировать поддержание линейного характера изменения температуры при нагреве образца. В случае существенного влияния дестабилизирующих факторов, например внешних теплопритоков, необходимо ввести коррекцию в температурную программу исследования.

Рис. 8 – Температурная программа определения ТФХ биоматериалов методом ДСК с дополнительным этапом переохлаждения

Заключение

Современное развитие методов и научно - исследовательской приборной базы, а также компьютерной техники могут служить основой для существенного уточнения ТФХ биологических материалов для моделирования процессов криовоздействия и анализа явления криодеструкции; выработке на их основе научно-технических рекомендаций по совершенствованию криохирургических технологий.

Дифференциальная сканирующая калориметрия служит одним из наиболее совершенных методов для исследования теплофизических характеристик биоматериалов, поскольку для измерений используются образцы малой массы.

Приводится обоснование температурных диапазонов исследования ТФХ образцов биоматериалов. Разработанный подход переохлаждения, как дополнительный этап температурной программы исследования удельной теплоемкости биоматериалов, позволяет экспериментально установить величину их теплоемкости в температурном диапазоне, соответствующем ширине пика фазового перехода образца.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект 16-19-10567).

Список литературы / References

1. Бойко Б.Н. Метод количественного определения содержания различных форм воды в биологически активных субстанциях / Б.Н. Бойко, И.М. Колпаков, А.А.Уминский // Химико-фармацевтический журнал.- 2010. - Том 44, N 10. - С. 46-52.
2. Уэндлянд У. Термические методы анализа / У. Уэндлянд.- М.: «МИР», 1978.- 526 с.
3. Чижов Г.Б. Теплофизические процессы в холодильной технологии пищевых продуктов / Г.Б. Чижов.- М.: «Пищевая промышленность».-- 272 с.
4. Цыганов Д.И. Криомедицина: процессы и аппараты. Москва: САЙНСПРЕСС, 2011. 304 с.
5. ASTM E794 Test Method for Melting And Crystallization Temperatures By Thermal Analysis
6. ASTM E968 Practice for Heat Flow Calibration of Differential Scanning Calorimeters
7. Budrik V. V. Physical fundamentals of cryomethods in medicine. Training Manual / V. V. Budrik. – ISC, 2010. –140 p.
8. ISO 11357-1. Plastics-Differential scanning calorimetry (DSC) - Part1: General principles.
9. Höhne G. W. H. Differential Scanning Calorimetry / W. H. Höhne, G. F. Hemminger, H. J. Flammenheim. – Springer, 2003. - 298 p.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Boyko B. N. Metod kolichestvennogo opredeleniya soderzhaniya razlichnykh form vody v biologicheski aktivnykh substantsiyakh [The method of quantitative determination of the different forms of water in the biologically active substances] / B. N. Boyko. I. M. Kolpakov. A. A.Uminskiy // Khimiko-farmatsevticheskiy zhurnal [Chemical-Pharmaceutical journal].- 2010. - Tom 44. N 10. - P. 46-52. [in Russian]
2. Uendlyand U. Termicheskiye metody analiza [Thermal methods of analysis] / U. Uendlyand.- Moscow : «MIR», 1978.- 526 p. [in Russian]
3. Chizhov G. B. Teplofizicheskiye protsessy v kholodilnoy tekhnologii pishchevykh produktov [Thermal processes in the refrigeration food technology] / G. B. Chizhov.- Moscow : «Pishchevaya promyshlennost», 1979.- 272 p. [in Russian]
4. Tsyiganov D. I. Kriomeditsina: protsessyi i apparatyi. [Cryomedicine: processes and apparatus] / D. I. Tsyiganov – Moscow: SAYNSPRESS, 2011. – 304 p. [in Russian]
5. ASTM E794 Test Method for Melting And Crystallization Temperatures By Thermal Analysis
6. ASTM E968 Practice for Heat Flow Calibration of Differential Scanning Calorimeters
7. Budrik V.V. Physical fundamentals of cryomethods in medicine. Training Manual. ISC, 2010. 140 pp.
8. ISO 11357-1. Plastics-Differential scanning calorimetry (DSC) - Part1: General principles.
9. Höhne G.W.H. Differential Scanning Calorimetry / G.W.H. Höhne, G.F. Hemminger, H. J. Flammenheim. – Springer, 2003.- 298 p.