Publikálva:
Lőrincz, A. – Neményi,
M. (2002): Ultrahangtér fizikai minőségének befolyása a besugárzás miatt
kialakult mechanikai hullámjelenségekre folyadékokban, valamint az ebből
következő biológiai és fizikai hatások értékelése. MTA-AMB Kutatási-Fejlesztési
Tanácskozás, Gödöllő, 2002. január 20-21. Vol. 2. pp. 150-154.(poszter)
Ultrahangtér fizikai minőségének befolyása a besugárzás miatt
kialakult mechanikai hullámjelenségekre folyadékokban, valamint az ebből
következő biológiai és fizikai hatások értékelése 1, Bevezetés Kísérleteink
célja, hogy megfelelő elméleti és gyakorlati háttér segítségével szelektív
ultrahanghatást érjünk el, mégpedig úgy, hogy a közeg bizonyos komponenseit
szétroncsoljuk, míg más komponenseket pedig
érintetlenül hagyunk. Ennek két elérhető módja mutatkozik. Az első, amikor
térben ultrahang hullámokkal szétválasztjuk egymástól a kérdéses komponenseket
fizikai tulajdonságaik alapján, és a nem kívánt komponenseket kivezethetjük a
rendszerből, illetve a helyszínen kavitáció által
szétroncsolhatjuk azokat. A második pedig a közegben
található egyes komponensek eltérő érzékenységét használja ki az egyes
ultrahang által létrehozható jelenségekkel szemben. Talán soha nem volt az
aktív ultrahang felhasználásának kibővítésére ekkora lehetőség, amikor olyan
emberi kéz és tárgyi rendszer beavatkozása nélküli, a valós térben történő
precíziós, fizikai objektummozgatási és irányított beavatkozási folyamatokat
hajthatunk végre célirányosan, akár szelektív módon is a térben. A
kísérleteinkben optimális gyakorlati falhasználhatóságú ultrahangos
folyamatérzékelő detektálási módszereket alkalmaztunk, amelyek eredményeit a
valós hullámjelenségek által okozott sejtroncsoló hatáshoz viszonyítottuk a
kezelési idő függvényében Saccharomyces cerevisiae pékélesztő teszt mikroorganizmusra. Ezzel
összefüggésben vizsgáltuk állandó ultrahang frekvencia és intenzitás mellett a
hangtérben szuszpendált részecskék minőségi és mennyiségi befolyásoló hatását a
kialakult hullámjelenségekre. Ezáltal tártuk fel a kölcsönhatását a
szuszpendált szemcsék hangtérbeli koncentrációjának és a szemcsék minőségi para 2, Irodalmi áttekintés Radel1 munkatársaival élesztő sejteket állóhullámok által, térbeli rendszerbe
hozták gélbe zárás céljára. Felhasználói szinten bizonyították, hogy alacsony
intenzitású ultrahangos állóhullám térben sajátságosan rendszerezhetjük a sejteket
különböző tulajdonságaik alapján, ami lehet sűrűségük, méretük, alakjuk, stb. Göschl2 és társai
kijelentik, hogy a kis méretű szuszpendált részecskék manipulálására,
irányítására alkalmas rezonátorok legkevesebb négy összetevőből kell, hogy
álljanak. Ezek a piezoelektromos transzdúcer, a
hordozó edény (üvegedény), a folyadék (szuszpenzió) és az akusztikus reflektor.
A szerzők matematikai mátrix modellt fejlesztettek és publikáltak a rezonátor
spektrumának kiszámítására. Rezonátor teljesítmény számot vezettek be a
részecske szeparátorok jellemzésére, amely mérte a folyadékban tárolt
akusztikus energiát a bevezetett elektromos energiához képest. Radel3 kutatócsoportjával
vizsgálta a Saccharomyces cerevisiae
élesztő sejt szuszpenzió vitalitását az ultrahangos síkhullámmal való
besugárzás hatására. Ez és sok tanulmány is kimutatja, hogy állóhullámú
ultrahang térben nincs sejtkárosodás. Az álló hullám a sejt szuszpenzióban
inhomogén sejteloszlást eredményez, így sejt visszatartást okoz a tisztán
kivehető nyomási csomósíkokban, a hangtérben. A sejt szuszpenzió vitalitását a
kezelési idő függvényében vizsgálták álló és terjedő hullámtérben 2 MHz frekvencián. A morfológiai vizsgálatokat transzmissziós
elektronmikroszkóppal végezték. A sejtek életképesség csökkenése direkt
összefüggésben van a hangnyomással, az pedig az
intenzitással, akkor, ha a sejtek kimozdulnak a nyomási csomópontokból, vagy ha
haladó hullámtérben vannak. Az élesztősejtek agglomerációja tehát a nyomási
csomósíkokban mutatkozik, és itt a legminimálisabb a károsodás is. Walsch4 és munkatársai a
sörélesztő ultrahangos immobilizációjának biológiai hatásait vizsgálták. A
tanulmányok kimutatták, hogy az élő sejtszám csökkenés, valamint a sejt
osztódási képességének a csökkenése (elvesztése) a fő hatásai a terjedő
(haladó) ultrahang hullámoknak az élesztő sejtek fiziológiájára. Az állóhullámú
térben nem voltak szignifikáns károsító hatások. Az eredmények metilénkék vitális festésen és kitenyésztés utáni
telepszámláláson alapultak. Az élesztő sejtek térbeli rendszerét eredményezi az
állóhullámú tér, ami megvédi a sejteket a károsodástól. Handl5 munkatársival magállapítja,
hogy az ultrahangos szeparációnál a szuszpendált szemcséken akusztikus erő
ébred, amely erő az elsődleges, másodlagos és Bernoulli
erőből áll és alkalmas a szemcsének - a fizikai tulajdonságai alapján - a diszpergáló közegből történő kiválasztására. Az elválasztás
ezen elve minden diszperzió típusra alkalmas. Benes6, beszámol arról, hogy az európai unióban TMR
hálózat keretében, több kutatóintézet és egyetem összefogásával EuroUltraSonoSep néven közös programot hívtak életre. A
program általános célja a biotechnológiai diszperzió disszociáció ultrahangos
megoldása, amelybe különböző minőségi típusú, például élő és holt sejtek
szétválasztásának megoldása is cél. 3, Felhasznált anyagok, módszer 3.1.A
felhasznált anyagok és eszközök három csoportra bonthatóak A, az alkalmazott
műszerek és berendezések, B, a vizsgált szuszpenzió és C, a detektálási
rendszerek szerinti bontásban, melyeket az 1. ábra mutat sematikusan.
1. ábra: A felhasznált anyagok és
eszközök: A.1., A.2.
ultrahang frekvencia generátor és erősítő, A.3. ultrahang rezonátor, A.3.4. termosztát,
B. kísérleti szuszpenzió, C.1. audionális detektor
egység, C.3. kísérleti
detektor egység.
3.2.
Módszer A kísérletek módszerének
ismertetéséhez az itt rendelkezésünkreálló
publikációs terület nem elégséges. Alpap és kontroll
módszerből tevődik össze, melybe bele tartozik az anyagok előkészítése, a
jelenségek vizuális, audionális és méréstechnikai
követése, illetve a kiértékeléshez történő előkészítése. 4, Eredmények, értékelésük A
vizsgálati eredményeket több részre oszthatjuk. Megkülönböztethetőek a kezelési
idő függvényében általánosan tapasztalt vizuálisan érzékelt, adott típusú
hullámokra jellemző jelenségek, az audionális
detektálási módszer útján, szintén az idő függvényében kapott eredmények, főleg
a kavitációs határkoncentrációra és a visszakavitálási időre vonatkozóan, a beadagolt
anyagmennyiségre vonatkozó vizsgálatok eredményei, illetve a vitális festés
eredményei az idő függvényében. 5.1.
Elsőként a rezonátorban található, a hangtér különböző hullámjelenségeire utaló
vizuális jelenségeink ismertetése történik egy alap vizsgálat
folyamán. 5.1.1.
Az 5-10 perc előkészületi és hő kiegyenlítődési idő után, a megfelelő
frekvenciájú, valamint adott teljesítményű ultrahang rezonátorra kapcsolása
után ebben a vízben az első másodpercekben úgynevezett
szökőkút jelenség alakul ki a globális akusztikai áramlás miatt. A jelenséget
sematikusan a 4. ábra mutatja be. 5.1.2.
Néhány másodperc elteltével a rektifikált diffúzió következtében, a folyadékban
oldott gáz, az ultrahang sugár által létrehozott váltakozó nyomás amplitúdó
hatására buborékokat képez. Tehát kialakul a kavitáció,
mely a kialakulásakor stabil kavitáció, viszont
részben folyamatos tranziens kavitációvá alakulás
figyelhető meg a kialakult sziszegő hanghatásból kővetkezően, az alharmonikus kibocsátás mellett, amely audionálisan
detektálható. Longitudinális vezető hullámok következtében, főleg a stabil
buborékok pulzálásba kezdenek, gömbhullámokat kibocsátva szórják széjjel a
hangtér energiáját, mint pontforrások, amely a közegben irreverzibilisen hővé
alakul. A folyadék intenzív mozgása, gomolygása kezdődik, amire a folyadék nem
lineáris tulajdonsága és a buborékok közti interakciók is rásegítenek a
felületi hullámaik miatt. Az állóhullám
helyett most tehát haladó hullámok válnak dominánssá, a buborékokból
kibocsátott gömbhullámok mellett. 5.1.3.
Eközben kezdjük el a szuszpendálandó anyagot beadagolni a hangtérben kavitáló folyadékhoz. Egy adott koncentráció eléréséig a
szuszpendált anyag és a kavitációs buborékok is jelen
lesznek a hangtérben. Amennyiben tovább folytatjuk a szuszpendálandó anyag
beadagolását a hangtér szuszpendáló anyagába, akkor egy jellemző koncentráció
elérésekor, a kavitációs határkoncentrációnál (KHK)
megszűnik az akusztikusan detektálható és vizuálisan megfigyelhető kavitáció. Ennek a pontnak a sejtroncsolási, vagy a
sejtmanipulációs felhasználási célú ultrahangnál drasztikus jelentősége van a
sejtek túlélésére, hangtérbeli elhelyezkedésére. 5.1.4.
A kavitáció megszűnése után különböző jelenségek
alakulnak ki, a szuszpendált és a szuszpendáló anyag fizikai jellegétől,
illetve a hangtér, valamint az ultrahang para 5.2.
A sejtek vitalitásában, morfológiájában, térszerkezetében a kezelés alatt
bekövetkezett változások, mint a hangtér bizonyos hullámjelenségeinek biológiai
indikátorának teljes egészében történő áttekintése, a tanulmány terjedelme,
valamint a hatások sokrétűsége miatt egy önálló dolgozat témája. Főleg ha a
hatásokat a hangtér anyagával létrejött hullámfizikai kölcsönhatások
indikátoraként értékeljük. Azonban a folyamat egészére vonatkozó tapasztalatok,
részeikre bontva teljes egészében alátámasztják a múlt és a jelen kor
alkalmazott és elméleti ultrahang irodalmának megállapításait, és egyértelműen
szintetizálják azokat. Az előbb leírtak alátámasztására, a szárított élesztőből
készített szuszpenzióbeli sejtek túlélési görbéje kerül bemutatásra a 1.
táblázatban és a 1. grafikonon. A szárított élesztő kavitációs határ
koncentrációjától (3.2 g/l) indul a kezelés, 9 W/cm2
ultrahang teljesítmény és 20 şC-os hangtér termosztálás mellett. 1. táblázat: Túlélő sejtszámok alakulása, az idő
függvényében Kezelési
idő (sec) 0 15 30 45 60 75 90 Túlélő
sejtszám (%), 1. Ism. 78 27 13 7 3 0 0 Túlélő
sejtszám (%), 2. Ism. 84 36 19 10 5 1 0 Túlélő
sejtszám (%), 3. Ism. 81 31 18 6 4 2 0 Túlélő
sejtszám (%), 4. Ism. 78 28 9 6 3 1 0 Túlélő
sejtszám (%), KHK 80,25 30,5 14,75 7,25 3,75 1 0 Forrás: Lőrincz Attila, 2002 Forrás: Lőrincz Attila, 2002 1. grafikon: Túlélő sejtszámok alakulása, az idő
függvényében Az ismertetett példában az
álló hullámok, valamint a kavitáció nélküli haladó
hullámok hatása nem érvényesült számottevően a sejtekre, viszont a kavitáció, mint a sejtek roncsolásáért leginkább felelőssé
tehető ultrahanghatás annál erőteljesebben, egészen a kezelés beindításától. A
grafikonon ábrázolt túlélési görbére exponenciális trend függvényt fektetve, az
irodalmi beszámolókban is ismertetett erős korrelációt tapasztalhatunk, melynek
szorossága 98% feletti a kapott átlagolt túlélési görbére. 5, Összefoglalás A
dolgozat témája, a hangtérben szuszpendált anyag mechanikai hullámokkal
létrejött kölcsönhatásának a feltárása, a tapasztalt vizuális, audionális és biológiai hatásokon keresztül. A vizsgálatok
kereskedelmi forgalomban kapható szárított pékélesztővel (Saccharomyce cerevisiae), az ultrahang rezonátor 1,017MHz-es rezonancia frekvenciáján, 0-12 W/cm2 teljesítmény mellett zajlottak. A rezonátor
által, a hangtérbe sugárzott vezető hullámok longitudinális típusúak. A
mechanikai hullámok által, a hangtérben létrehozott jelenségek értékelése, a
tapasztalt vizuális, audionális és biológiai
hatásokon keresztül történt. A hangtér szemcsekoncentrációja által befolyásolt
jelenségek vizsgálata, az ultrahang biológiai hatásainak tekintetében, az élesző sejtek túlélési görbéjének felvétele által, metilénkék festékkel végzett vitális festéssel történt. Az
eredmények az irodalmi adatokat igazolják, mely szerint a túlélési görbe
exponenciális lefutású. A dolgozat alkalmas, az ultrahang felhasználási
területének szemcseanalitikai, illetve akár szelektív részecskemanipulációs
technikák felé történő kibővítésére. 6, Irodalomjegyzék 1.
1.
Radel, S. - McLoughlin, A. J. – Walsh, P. – Gherardini, L. – Doblhoff-Dier, O. – Benes, E.
(1999): Application of low intensity ultrasonic
wave fields to manipulate and
direct the immobilisation/bio-encapsulation of
yeast cells. Oral presentation, to be published in Proc. Of
the Eight International Workshop on Bioencapsulation, Trondheim, Norway, September 13th – 15th, 1999. 2.
2.
Gröschl, M. – Trampler, F.
– Benes, E. – Nowotny, H.
(1999): Analysis os composite resonators for ultrasonic micromanipulation and separation. Acustica – acta acustica 85, Supplement 1, p. S92, as well as in
Journal of Acoustical Society of America
Vol. 105, p. 1018, February
1999. 3.
3.
Radel, S. - McLoughlin, A. J. – Gherardini, L. – Doblhoff-Dier,
O. – Benes, E. –Connel, C.
O. – Cregg, B. – Cottel, D.
C. – Benes, E. (1999): Morphology
and viability of Saccharomyces cerevisiae in suspension
stressed with ultrasonyc plane waves. Oral presentation,
to be published in Proc. of
the 23rd Annual Symposium of the
Microscopy Society of Ireland, Belfast, August 3st – September 2nd, 1999. 4.
4.
Walsh, P. – Radel, S.
- McLoughlin, A. J. –Gherardini, L. – Benes, E. (1999): Evaluation of the effect
of immobilisation techniques and low intensity ultrasonic
waves on brewer’s yeast cells. Poster presentation,
to be published in Proc. of
the Ninth European Congress on Biotechnology, Brussels, July 11th – 15th, 1999. 5.
5.
Handl, B. – Gröschl, M. – Trampler, F. – Benes, E. – Woodside, S. M. – Piret, J. M.
(1998): Particle trajectories
in a drifting resonance field separation device. Proc. 16th Int. Congress on Acoustics and
135th Meeting Acoustical Society of America,
Seattle/USA (20. – 26.61998)
Vol. III, ISBN 1-56396-817-7, (1998) pp. 1957-1958. 6.
6.
Benes, E. - Grösschl, M. - Handl, B. – Trampler, F. Nowotny, H. (1998): Das europaische TMR-Netzwerk „Ultrasonic Separation of Suspended Particles”
Proc. Joint Symposium AAA and ÖPG TC Acoustics, Graz, Austria, 14. -
15. 1998, p 2, Austrian Acoustic
Association and TC Acoustic of the
Austrian Physical Society. 
