Действие ультразвука на микроорганизмы и отдельные животные и растительные клетки.

Кавитация в среде является основной причиной разрушающего действия ультразвука на микроорганизмы. Если образование пузырьков подавлялось путем повышения внешнего давления, то разрушающее действие на простейших уменьшалось. Почти мгновенный разрыв объектов в поле ультразвука вызывался заключенными внутри этих организмов пузырьками воздуха или находящегося в растительных клетках углекислого газа. Это показывает, что возникающие при кавитации большие разности давлений приводят к разрыву клеточных оболочек и целых маленьких организмов. Многократно изучалось действие ультразвука на различные виды грибов. Так, ультразвук успешно применяют в фитопатологии. На семенах сахарной свеклы, зараженных естественным путем Phoma betae, Cercospora beticola, Alternaria sp. или Fusarium sp., удалось гораздо лучше уничтожить эти грибы и бактерии путем кратковременного облучения ультразвуком в воде, чем это удавалось до сих пор при помощи протравления. Облучение семян ультразвуком во время протравления значительно усиливает действие фунгицидного или бактерицидного вещества. Причина, по-видимому, заключается в том, что звуковые колебания увеличивают скорость диффузии воды и растворенных в ней веществ через оболочки растительных клеток, чем достигается более быстрое действие на грибы и бактерии.

Негативно действует УЗ и на отдельные клетки высших организмов. При облучении красных кровяных телец (эритроцитов) наблюдалось следующее: они теряли свою первоначальную форму и растягивались; при этом происходило их обесцвечивание (в результате гемолиза). При дальнейшем облучении они окончательно разрывались и распадались на множество отдельных маленьких шариков.

Уже в 1928 году было установлено, что светящиеся бактерии разрушаются под действием ультразвука. В последующие годы было опубликовано большое число работ о влиянии ультразвуковых волн на бактерии и вирусы. При этом выяснилось, что результаты могут быть очень разнообразными: с одной стороны , наблюдались повышенная агглютинация, потеря вирулентности или полная гибель бактерий, с другой стороны, отмечался и обратный эффект-увеличение числа жизнеспособных особей. Последнее особенно часто имеет место после кратковременного облучения и может объясняться тем, что при кратковременном облучении прежде всего происходит механическое разделение скоплений бактериальных клеток, благодаря чему каждая отдельная клетка дает начало новой колонии.

Было установлено, что тифозные палочки полностью убиваются ультразвуком с частотой 4,6 МГц, в то время как стафилококки и стрептококки повреждаются при этом лишь частично. При гибели бактерий одновременно происходит их растворение, т. е. разрушение морфологических структур, так что после действия ультразвука не только уменьшается число колоний в данной культуре, но подсчет числа особей обнаруживает уменьшение морфологически сохранившихся форм бактерий. При облучении ультразвуком с частотой 960 кГц бактерии размером 20-75 мкм разрушаются значительно быстрее и полнее, чем бактерии, имеющие размеры 8-12 мкм [23].

В Московском центральном научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. Н. Н. Приорова проводились исследования [24] о влиянии низкочастотной ультразвуковой кавитации на жизнедеятельность различных штаммов стафилококка. В опытах in vitro были получены следующие результаты. Обработку ультразвуком проводили при температуре 32°С с помощью ультразвукового дезинтегратора фирмы MSE (Великобритания), имеющего следующие технические параметры: мощность 150 Вт, частота колебаний 20 кГц, амплитуда 55 мкм. Время воздействия составляло 1, 2, 5" 7, 10 минут. Для каждой экспозиции использовались отдельные флаконы с 5 мл взвеси микроорганизмов, содержащей в 1 мл жидкости 2500 микробных тел. Результаты исследований показали, что способность микроорганизмов к размножению при посеве их на твердые питательные среды сразу после ультразвуковой обработки не только не ослабляется, но при некоторых экспозициях озвучивания (1-3 мин) даже несколько усиливается. В то же время при озвучивании стафилококка в течение 5, 7 и 10 минут изменения количества выросших колоний на поверхности агара в чашках Петри были несущественными и почти не отличались от контроля. Влияние ультразвука на микроорганизмы может проявляться^ не сразу, а через некоторое время, необходимое для развития в клетках метаболических нарушений, поэтому изучалась высеваемость стафилококка на твердые питательные среды через 24, 36, и 48 часов после ультразвуковой обработки. До высева на чашки Петри озвученные штаммы стафилококка культивировали в пробирках с бульоном в термостате при 37°С. Было установлено, что через 24 и 36 часов после ультразвуковой обработки количество выросших колоний стафилококков по сравнению с контролем снижается, высеваемость стафилококка при этом обратно пропорциональна времени озвучивания микроорганизмов. После 7-10-минутного озвучивания высев или не давал никакого роста или же на чашках Петри вырастали единичные, не характерные для стафилококка колонии. Через 48 часов угнетающее действие ультразвука было более выраженным и проявлялось в дальнейшем уменьшении высева микроорганизмов при всех экспозициях.

Исследование чувствительности озвученных микроорганизмов к действию некоторых антибиотиков и антисептиков показало, что у 8 из 13 использованных препаратов минимальная подавляющая концентрация после ультразвуковой обработки стафилококка снизилась в 2-4 раза. Это свидетельствует о целесообразности совместного применения ультразвуковых колебаний низкой частоты и антибактериальных растворов для более эффективного воздействия на микробную клетку [7,10].

Разрушающее действие ультразвуковых волн зависит от концентрации бактериальной взвеси. В слишком густой и, следовательно, очень вязкой взвеси не наблюдается разрушения бактерий, а можно отметить только нагревание. Различные штаммы одного и того же вида бактерий могут совершенно по-разному относиться к облучению ультразвуком [11].

Таким образом, можно заключить, что эффект воздействия ультразвука на биоматерию вообще и микроорганизмы, в частности, зависит от многих факторов среды и от состояния живой материи и в реальной действительности достаточно трудно прогнозируем.

На кафедре <Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки> СГТУ были проведены эксперименты по ультразвуковой очистке титановых внутрикостных стоматологических имплантатов в различных рабочих растворах.

Очистка изделий происходит тем эффективнее, чем ближе они находятся к излучающей поверхности излучателя. С удалением от излучателя интенсивность ультразвуковых колебаний изменяется по идеализированной кривой. Наилучший результат был получен при интенсивности 16 Вт/см2 в водопроводной и технической воде при 50+5°С с концентрацией сульфанола 0,25% при времени озвучивания 5-10 минут (рис. 2.1). Озвучиваемые изделия находились на расстоянии не более 10 мм от излучающей поверхности.

Рис. 2.1. График зависимости загрязненности изделий от времени озвучивания при интенсивности колебаний 16 Вт/см2

Таким образом, согласно проведенным опытам, повышение интенсивности с 0,4 "до 16 Вт/см2 дает улучшение качества очистки (рис. 2.2), но 100% стерилизация изделий не достигается ни при одном режиме.
 

Рис. 2.2. График зависимости стерилизующего воздействия ультразвука от интенсивности ультразвука.