42. Применение искусственного холода в медицине

Применение холода в медицине

Применение холода в лечебных целях давно известно. Холод использовали как кровоостанавливающее, противовоспалительное и болеутоляющее средство. В медицинской литературе описано применение холодных компрессов в древнем Египте за 2500 лет до нашей эры. Еще Гиппократ – "отец медицины" – отмечал, что "холод помогает и убивает". Широко использовал охлаждение при лечении ран великий русский хирург Н.И.Пирогов. В последнее время интерес к применению холода в биологии и медицине значительно возрос. Говоря о применении холода в медицине, нельзя не упомянуть об использовании криогенных температур.

Гипотермия. В 1938 г. впервые было применено общее умеренное охлаждение человеческого организма, называемое гипотермией, при котором обратимо подавляются жизненные функции. Гипотермия человека используется в лечебных целях для уменьшения обмена веществ и окислительных процессов в организме и ослабления реакций его органов и тканей на кислородное голодание. Последнее может возникнуть при операциях на открытом сердце и крупных сосудах, когда на время необходимо прекратить кровообращение. Известно, что прекратить кровообращение в организме с нормальной температурой возможно только на очень короткое промежуток времени, не более 5 минут, ибо затем наступает резкое кислородное голодание центральной нервной системы, приводящее к необратимым изменениям и гибели нервных клеток. При гипотермии чувствительность к кислородному голоданию резко снижается. Во время охлаждения человека, при понижении температуры на каждый градус, потребление кислорода уменьшается на 5%, что позволяет при охлаждении человеческого тела до 28÷30°С выключить сердце из кровообращения на срок до 30 минут. Очень часто применяют локальное охлаждение мозга и сердца. Помимо уменьшения потребности организма в кислороде при гипотермии происходит угнетение деятельности регуляторных систем организма, нервной системы, желез внутренней секреции и ослабление работы транспортных систем крово- и лимфообращения. Все это приводит к подавлению не только процессов нормальной жизни, но и реакций организма на действие болезнетворных агентов, различных повреждающих воздействий и вызывает резкое ослабление болезненных процессов.

Криохирургия. Использование разрушающих свойств низких температур было впервые осуществлено в конце XIX века в дерматологии. Участки кожи замораживали жидкой углекислотой, направляя струю из баллона на очаг поражения. В дальнейшем для этих же целей стали применять жидкий азот, причем использование этого хладагента широко практикуется и в настоящее время. Однако криохирургия стала наукой тогда, когда оказалось возможным с помощью современных установок, осуществить криовоздействие в глубине тканей и органов человека. Криохирургический метод применяется в операциях головного мозга, при лечении заболеваний глаз. Широко применяется криотонзиллэктомия, т. е. низкотемпературный метод удаления миндалин, имеющий ряд существенных преимуществ перед обычной операцией. Обнадеживающие результаты криохирургического воздействия получены и в других областях медицины.

70

Криоконсервирование. Если криохирургия использует деструктивное, разрушающее действие холода, то не менее важно влияние низких температур на сохранение клеток, органов и тканей в длительно жизнеспособном состоянии. Значение криоконсервации огромно, так как позволяет решать проблемы трансплантации почек, сердца, печени, сохранять компоненты крови, спермы, костного мозга, а также консервировать кожу, костные трансплантаты, клапаны сердца и т. д.

Широкое применение нашел метод замораживания и хранения крови при сверхнизких температурах, поскольку многие отрасли практической медицины нуждаются в больших запасах крови, которую нужно переливать при ранениях, хирургических операциях, в процессе реанимации, при операциях на открытом сердце, с искусственным кровообращением и других. Первые "банки крови" были созданы в 1939 году. В них кровь хранилась при t=5оС. Однако допустимые сроки хранения крови при этой температуре не превышали одной недели. Замораживание крови с применением защитных веществ, называемых криопротекторами, позволило удлинить сроки ее хранения до двух лет при температуре минус 79°С и до 5 лет при температуре минус 196°С. При этом интересным и перспективным является то, что при глубоком замораживании эритроциты утрачивают некоторые патогенные вирусы, если ими был заражен донор. Установлено также, что при замораживании крови часто меняются и ее иммунологические, групповые антигенные свойства, в связи с чем такую кровь можно переливать независимо от группы крови донора и реципиента.

Важное значение при криоконсервировании имеет применение криопротекторов, которые предотвращают или резко ослабляют губительное воздействие холода на живые клетки и ткани. Криопротекторы понижают температуру замерзания объекта, позволяют достичь состояния переохлаждения, защищают клетки от некоторых физико-химических факторов, которые возникают при замораживании. В частности, наиболее распространенный криопротектор – глицерин – препятствует образованию кристаллов льда из воды, что предотвращает механическое повреждение клеточных мембран и сдавливание клеточных тел и тем самым обусловливает сохранение клеток замораживаемой среды.

Криопротекторы могут проникать в клетки и оказывать токсическое воздействие на клетки в зависимости от продолжительности и условий хранения. Поэтому криопротекторы необходимо удалять перед введением препарата в организм.

Низкотемпературная консервация биологических объектов является достаточно сложным технологическим процессом. Этот процесс включает:

1)подготовку клеточных суспензий с помощьюкриопротекторов;

2)замораживание клеток по специальной программе;

3)хранение объектов при низких температурах;

4)отогрев;

5)транспортировку;

6)удаление криопротекторов (процесс осуществляется с помощью специальной криоаппаратуры).

Замораживатель обычно представляет собой изолированную камеру, в которую из сосуда Дьюара через электромагнитный клапан подается поток холодных паров азота. Циркуляция паров в камере осуществляется с помощью вентилятора. Скорость замораживания регулируется изменением подачи азота с помощью электромагнитного клапана, управляемого от контрольнопрограммирующего устройства. Для контроля и управления за процессом замораживания служит датчик температуры, размещаемый непосредственно в замораживаемом образце.

Для хранения замороженных биоматериалов используют различные модификации

71

сосудов Дьюара. Для размораживания биоматериалов разработаны специальные ванны с водой, обеспечивающие размораживание контейнеров с биоматериалом от минус 196 до 4°С в течение не более одной минуты.

Медицина уже владеет методами низкотемпературной консервации костного мозга, обработанного перед замораживанием глицерином. Костный мозг хорошо сохраняется не менее шести недель при температуре минус 79°С и используется для трансплантации при лечении лейкемии, вызванной летальными дозами радиации.

Большие успехи достигнуты в области низкотемпературного консервирования таких объектов, используемых в медицине для пересадок, как кожная и костная ткань, кровеносные сосуды, ткань некоторых внутренних органов. Удалось добиться блестящих успехов при пересадке консервированной холодом роговицы глаза и вернуть тем самым зрение многим тысячам людей.

Методы низкотемпературной консервации широко используются для длительного хранения различных культур клеток, а том числе и злокачественных опухолей, что важно для диагностических и научно-исследовательскихцелей.

Низкотемпературный анабиоз применяется также в различных отраслях сельского хозяйства. Получило, например, распространенно замораживание спермы в целях искусственного осеменения сельскохозяйственныхживотных.

Кратковременным воздействием холода (минус 100 ÷ минус 120°С) на значительные участки кожного покрова человека лечат артриты и другие заболевания суставов. Этот метод лечения в медицине получил название интенсивной криотерапии.

72

43. Применение искусственного холода в машиностроении и металлургии

Многие элементы современных машин и аппаратов работают в условиях низких (до 200 К) и сверхнизких (до 4 К) температур. Это, прежде всего, элементы холодильных установок и установок криогенной техники, детали самолетов, космических кораблей, машин, работающих в условиях Крайнего Севера, Антарктиды и другие. Жесткие температурные режимы работы конструкционных материалов в этих условиях требуют специальных исследований. Наряду с научными исследованиями, холод широко внедрен во многие технологические процессы машиностроительных и металлургических производств.

Обработка холодом инструментальных сталей и другихматериалов

Искусственный холод широко применяется для улучшения свойств стали. Обработка холодом инструментальных сталей, содержащих более 0,6% углерода, за счет превращения аустенита в мартенсит, способствует повышению твердости и стабилизации размеров деталей. Это относится, в первую очередь, к такого рода деталям как калибры, штампы, ролики, мерительные эталоны, точный режущий инструмент и другим. Охлаждением можно не только стабилизировать, но и восстановить линейные размеры стальных деталей. При переходе аустенита в мартенсит возрастают линейные размеры изделия. Понижая температуру до минус 60÷минус 120оС, добиваются максимального превращения остаточного аустенита в мартенсит, чем достигают стабилизацию размеров изделия. Регулирование процесса путѐм холодной обработки позволяет восстановить изношенные размеры, например, измерительных инструментов.

Особое значение для техники имеет изменение механических свойств металлов, сплавов и других материалов при снижении температуры. При охлаждении ниже 273 К многие материалы становятся прочными и износостойкими. Так, при температуре кипения жидкого азота (77 К) предел прочности большинства материалов возрастает почти в 2 раза в сравнении с комнатными температурами, а для пластмасс и стекол прочность может возрасти в 3÷5 раз.

В условиях низких температур значительно возрастает вероятность хрупкого разрушения материалов, т.е. хладноломкость. Склонность к хладноломкости зависит от многих факторов: химического состава и структуры материала, вида напряженного состояния, скорости деформирования, коррозионного воздействия среды, характера предшествующей термической обработки.

На поведение металлов и сплавов сильное влияние оказывают также размеры зерен, их ориентация, газовые примеси в металле, наличие надрезов и трещин, резкие переходы в размерах. Свойства серых чугунов ухудшаются незначительно при охлаждении, однако для снижения хрупкости чугуна при низких температурах эффективно его легирование марганцем.

Осушение сжатого воздуха вымораживанием

Влагу из сжатого воздуха можно удалить с помощью твердых поглотителей – адсорбентов либо вымораживанием на холодной поверхности, т.е. охлаждением воздуха до температуры ниже температуры точки росы. Последний способ используется наиболее широко. При этом стараются применять рекуперацию, т.е. теплообмен между осушенным охлажденным воздухом и атмосферным воздухом, идущим на холодильную обработку, что сокращает расход электроэнергии примерно на 50%. Используются парокомпрессионные аммиачные или хладоновые холодильные машины.

73

Придание трубопроводам необходимой конфигурации

Для придания трубопроводам необходимой конфигурации их гибка осуществляется с применением наполнителя. Наиболее распространѐнный наполнитель – минеральный песок. Гибка осуществляется при комнатной температуре. Однако при этом происходит внедрение твѐрдых и острых частиц в металлическую поверхность, образование складок и т.п. При использовании канифоли присутствуют сложность удаления еѐ из труб, высокая опасность для обслуживающего персонала. В связи с этим, в машиностроении широко применяют способ изгиба трубопроводов, заполненных замороженной водой. Заготовки труб закрывают заглушкой с одной стороны, заполняют водой и помещают в холодильную камеру, где в течение 30÷50 минут охлаждают до 250÷245 К чтобы избежать частичного подтаивания в местах контакта труб с элементами гибочного станка. После этого изгибают трубы и размораживают горячим воздухом. Способ выгодно отличается от способа изгибания трубопроводов с помощью песка, канифоли, сплавов Вуда и т.д. Следует отметить, что в процессе изгибания с замороженной водой увеличиваются пределы прочности и усталости материалов труб. При этом допускается повторное замораживание воды в трубопроводах при помещении в камеру замораживания.

Закрепление шлифуемых деталей примораживанием

Сущность этого метода, разработанного в СПбГУНиПТ (ЛТИХП), заключается в том, что шлифуемые детали предварительно смачивают водой и помещают на специально охлаждаемый стол, установленный на станке. Плоскошлифовальный станок скомпонован с холодильной машиной. Испаритель холодильной машины охлаждает этиленгликоль, который насосом перекачивается через специальные каналы в охлаждаемом столе. Оптимальная температура стола находится в пределах минус 15÷минус 20°С. Ледяная прослойка соединяет обрабатываемую деталь с охлаждаемой опорной поверхностью стола. Прочность соединения столь велика, что позволяет производить механическую обработку широкого круга материалов от турбинных лапоток и твердосплавных пластин до керамических деталей. Методы закрепления деталей с использованием холода оказываются более предпочтительными в сравнении с методами приклеивания, использующими канифоль, парафин, а также токсичные растворители (ацетон, бензин, трихлорэтилен).

74

44.Естественный водный лед, достоинства и недостатки. Заготовка

ихранение естественного водного льда. Применение естественного водного льда. Ледники. Ледяной склад Крылова

Водный лед – твердое вещество с кристаллической структурой, образующееся при затвердевании воды. Плотность льда зависит от его температуры и в среднем составляет 920

давления температура таяния понижается. Удельная теплота плавления льда при t=0°С

относятся к монолитному льду из чистой воды. Водный лед широко применяется в системах так называемого «безмашинного»

охлаждения, которые обладают рядом преимуществ:

−простота и доступность системы;

−малый расход металла, электроэнергии;

−малые первоначальные затраты.

Основным недостатком безмашинного охлаждения является необходимость в пополнении системы охлаждающим веществом, для чего создаѐтся его соответствующий запас.

Заготовка естественного водного льда

Заготовка льда из водоёмов. Производится путем выкалывания или вырезания блоков льда из естественного ледяного покрова водоемов. Толщина льда, образующегося в конце сезона, зависит от температуры зимой, времени стояния низких температур, скорости ветра.

Недостатками такого способа заготовки являются:

−большая трудоемкость процесса;

−низкое качество льда из-за загрязнѐнности водоѐмов;

−необходимость транспортировки льда к месту хранения;

−большие потери льда при добыче, транспортировке ихранении.

Послойное намораживание льда на открытых площадках с образованием монолитного ледяного массива (бунта). Применяется этот способ в климатических районах, где в зимние сезоны устанавливаются и длительно удерживаются температуры воздуха ниже минус 5оС. Предварительно подготавливается площадка близко к месту потребления льда, с соотношением сторон а:в = 1:3÷1:5, ориентированная с севера на юг. Площадка делается с уклоном 2÷10% для стока воды в теплое время года. Затем ее засыпают слоем шлака, гравия, щебня, чтобы придать горизонтальность. Толщина засыпки в средней части не менее 10÷15 см.

При наступлении холодного сезона промораживают основание площадки, поливая несколько раз водой. Затем устанавливают временные деревянные борта (опалубку), обычно высотой 0,5 м и начинают процесс послойного намораживания. Когда высота намороженного льда достигнет верхнего края деревянных бортов, их отрывают и устанавливают на образовавшийся массив льда, отступая от края. Так постепенно намораживается ступенчатый массив h=3÷5 м. Затем уступы засыпают битым льдом, заливают водой и промораживают для получения ровной поверхности боковых откосов бунта. Поверхность готового бунта для сохранения в тѐплое время года укрывают тепловой изоляцией.

75

Заготовка естественного водного льда

Заготовка льда из водоёмов. Производится путем выкалывания или вырезания блоков льда из естественного ледяного покрова водоемов. Толщина льда, образующегося в конце сезона, зависит от температуры зимой, времени стояния низких температур, скорости ветра.

Недостатками такого способа заготовки являются:

−большая трудоемкость процесса;

−низкое качество льда из-за загрязнѐнности водоѐмов;

−большие потери льда при добыче, транспортировке ихранении.

Ледники

Простейшие холодильные сооружения, предназначенные для хранения пищевых продуктов и охлаждаемые льдом, называются ледниками.

Вледники загружают лѐд, подготовленный в зимнее время, в таком количестве, чтобы обеспечить поддержание в нѐм низких температур в течение всего тѐплого времени года.

Вледнике предусматривают одно или несколько помещений (камер) для продуктов и помещение для размещения льда (льдохранилище). Камеры для хранения продуктов и льдохранилище должны быть связаны между собой так, чтобы создать хорошую естественную циркуляцию воздуха между ними. Необходимо такжеобеспечить удобную загрузку льда в льдохранилище и отвод воды, образующейся при таянии льда. В камерах ледника достигается температура от 1 до 6оС

Ледяной склад Крылова

Ледяной склад представляет собой сооружение, построенное изо льда путём его намораживания. В ледяных складах можно хранить круглогодично овощи, охлаждённую рыбу, консервы, молочные и другие продукты. Зимой склад защищает хранящиеся продукты от низких температур. Практика показала, что потери овощей при хранении их в ледяном складе меньше в 6÷10 раз, чем при хранении в овощехранилищах.

Первый ледяной склад был построен в 1931 году (М.М. Крыловым) и имел ѐмкость 100 тонн. Основным достоинством подобных складов являются: небольшие капитальные затраты (примерно в 5÷6 раз меньше, чем с машинным охлаждением); быстрый срок окупаемости (2÷3 года) за счѐт уменьшения потерь продуктов при хранении. При правильной эксплуатации срок службы ледяного склада составляет 5÷8 лет. Построить такой склад можно в регионах, где в течение длительного времени удерживается температура наружного воздуха ниже минус 8оС. Для строительства склада предварительно подготавливают котлован глубиной 0,8÷1,2 м. В холодное время года в котлован послойно намораживают ледяную плиту, которая служит основанием склада. Устанавливают опалубку и послойно намораживают боковые стены (δ=2 м), торцовые и внутренние стены (δ=3 м) и сводчатый потолок (δ=2 м). Перекрытия сводчатые, т.к. в арочных конструкциях материал работает на сжатие. После намораживания опалубку снимают.

Снаружи склад изолируется слоем засыпного теплоизоляционного материала толщиной до одного метра (древесные опилки, торфяная крошка и т.д.). Изоляционный материал заливается водой и промораживается. Это позволяет не допускать таяния основной ледяной конструкции в теплое время года, т.к. проникающая теплота будет расходоваться на таяние льда в изоляции, и при достаточной толщине промороженного слоя изоляции до конца теплого сезона нулевая изотерма не подойдет к поверхности ледяного массива. В зимнее время оттаявший слой изоляции вновь промерзает. Слой промороженной изоляции покрывают нетолстым слоем сухой изоляции, а затемдерном.

Температура внутри склада должна быть выше минус 0,5оС. Для поддержания температуры воздуха в складе ниже 0оС применяют льдосоляное охлаждение. Приборы льдосоляного охлаждения устанавливаются в нишах, вырубленных в стенах склада. При помощи льдосоляного охлаждения внутри склада может поддерживаться температура до минус 6оС, а в северных районах – до минус 12 оС.

76