Biofizyka

Czym zajmuje się biofizyka:

• Fizycznymi i fizykochemicznymi podstawami procesów życiowych

• Wpływem czynników fizycznych na komórki, tkanki i całe organizmy

• Zastosowanie metod fizycznych do badań biologicznych

Wybrane przedrostki:

Piko [p] 10^-12

Nano [n] 10^-9

Mikro [µ] 10^-6

Mili [m] 10^-3

Kilo [k] 10³

Mega [M] 10⁶

Giga [G] 10⁹

Tera [T] 10¹²

Bioelektryczność komórki- każda komórka posiada ujemny potencjał elektryczny który sama wytwarza.

Prąd elektryczny jest to uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych. Nośnikami ładunków mogą być elektrony lub jony. W przewodnikach metalowych jest to przepływ elektronów - prądy elektryczne natomiast w układach biologicznych jest to strumień jonów- prądy jonowe.

Jon- atom lub cząsteczka posiadająca ładunek

Elektron- trwała cząstka elementarna będąca jednym z elementów atomu.(ma ładunek ujemny)

Natężenie prądu[i] jest to ilość ładunków przepływających w jednosce czasu przez poprzeczny przekrój przewodnika i= Q/t gdzie: Q-ładunek t- czas wynik jest w [A]- amperach

Gęstość prądu [j] jest to natężenie prądu przepływającego przez jednostkową powierzchnie prostopadłą do kierunku przepływu prądu j=i/S gdzie: i- natężenie prądu S-powierzchnia wynik jest w A/m²

Czynniki powodujące przepływ jonów przez błony:

• Różnice stężeń - zjawisko dyfuzji

• Różnica potencjałów elektrycznych - zjawisko migracji

• Różnica stężeń i różnica potencjałów elektrycznych - zjawisko elektrodyfuzii

Dyfuzja- jest to zjawisko spowodowane różnicą stężeń polegającej na samorzutnym przepływie cząstek z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o stężeniu niższym. Zachodzi zarówno dla cząstek naładowanych elektrycznie jak i obojętnych. Jest wynikiem termicznego ruchu molekuł. Proces ten trwa do momentu wyrównania stężeń. Jest wynikiem termicznego ruchu molekuł.

Strumień dyfuzji [J] jest to ilość jonów przechodzących w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni. J=∆n/∆t

Dyfuzja przez błonę - Pierwsze prawo Flicka J=P∆c [J]- strumień dyfuzji
- różnica stężeń jonów P- przepuszczalność błony

Przepuszczalność błony [P]- wielkość charakteryzująca przepuszczalność danego typu jonów; określa prędkość z jaką dany jon przechodzi prze błony. Wyraża się ona w m/s. Przepuszczalność zależy od właściwości jonów i błony a więc od:

• Rozmiaru i kształtu dyfundujących cząstek

• Grubości i struktur błon

• Lepkości środowiska

Elektodyfuzja: Strumień elektrodyfuzji jonów przez błonę jest proporcjonalna do różnic potencjałów

J₊= -P∆c+(c₊u₊z₊ F/d)∆V

J_-=-P∆c+(c_-u_-z_- F/d)∆V

Gdzie [J]- stężenie jonów (dodatnich lub ujemnych) [P∆c]- dyfuzja przez błone [c]- stęrzenie jonów [u] ?? [z]- wartościowość jonów [F]- stała Foradaya [d]- grubość błony [∆V]- różnica potencjałów elektrycznych

Dyfuzyjny potencjał elektryczny powstaje wówczas gdy:

-występuje różnica stężeń jonów po obu stronach błony

-błona ma różną przepuszczalność dla tych jonów

Wartość potencjału dyfuzyjnego może być obliczona za pomocą wzoru wprowadzonego przez Hendersona: V= P₊-P_-/P₊-P_-*RT/F*In*C₂/C₁

Jak powstaje potencjał elektryczny w komórce:

• Za własności krytyczne komórki odpowiadają głównie jony potasy K⁺, sodu, Na⁺ i chloru

• Stężenia tych jonów wewnątrz komórki są inne niż na zewnątrz

• Przepuszczalność błony komórkowej dla każdego z tych jonów jest inna

Powstający pomiędzy wnętrzem a otoczeniem komórki elektryczny potencjał dyfuzyjny nazywa się potencjałem spoczynkowym.

Całkowity prąd płynący przez błonę [jc] jest równy sumie poszczególnych prądów jonowych

Jc= jK+ jNa+ jCl

Depolaryzacja- przejście z potencjału ujemnego na dodatni

Odkształcenia ciał stałych:

• Ciało stałe ulega odkształceniom (zmienia swój kształt) gdy działają na niego siły zewnętrzne

• Odkształceniem sprężystym nazywamy takie odkształcenie, które znika po odjęciu sił odkształcających

Prawo Hook'a: Odkształcanie ciała jest wprost proporcjonalne do wywołującego jej naprężenia [Pa]

Prawo Hook'a dla rozciągnięcia: wydłużenie względne ciała jest wprost proporcjonalne do wywołującego go naprężenia Sigma= E∆l/l gdzie sigma - siła działająca na jednostkę powierzchni[Pa}

∆l/l- wydłużenie względne l- oznacza długość początkową natomiast ∆l przyrost długości E- moduł Younga(inaczej moduł odkształcalności liniowej albo moduł sprężystości podłużnej, wielkość określająca sprężystość materiału)

Współczynnik Poissona-jest stosunkiem odkształcenia poprzecznego do odkształcenia podłużnego przy osiowym stanie naprężenia ∆w/w=-µ∆l/l gdzie: ∆w/w- względne zwężenie, w oznacza szerokość początkową natomiast ∆w- zmiana szerokości, µ- współczynnik proporcjonalności zwany współczynnikiem poissona , ∆l/l- wydłużenie względne l- oznacza długość początkową natomiast ∆l przyrost długości

Ściskanie

Prawo hook'a- Względna zmiana objętości ciała poddanego ściskaniu jest wprost proporcjonalna do działającego naprężenia. Sigma=k∆V/V gdzie k-moduł ściśliwości

Odkształcenie postaci- powstaje pod wpływem działania sił statycznych do powierzchni odkształconej

Prawo Hook'a dla skręcania- Kąt skręcenia jest wprost proporcjonalny do działającego naprężenia statycznego

Przypomnienie podstaw

Siła[N] - wektorowa wielkość fizyczna będąca miarą oddziaływań fizycznych między ciałami

Siła ma wartość 1 N, jeżeli nadaje ciału o masie 1 kg przyspieszenie 1 m/s². więc: 1N=1kg*1m/s^2.

An jest to siła z jaką ziemia przyciąga 0,1 kg więc 1kg=10N

Praca - skalarna wielkość fizyczna, miara ilości energii przekazywanej między układami fizycznymi w procesach mechanicznych, elektrycznych, termodynamicznych i innych. W=F*s gdzie W-praca F- siła s-przesunięcie

Moc jest skalarną wielkością fizyczną określającą pracę wykonaną w jednostce czasu przez układ fizyczny. P=W/t gdzie: P-moc W-praca t-czas

Ciśnienie-to wielkość skalarna określona jako wartość siły działającej prostopadle do powierzchni podzielona przez powierzchnię na jaką ona działa, co przedstawia zależność: p=Fn/S gdzie p-ciśnienie w Pascalach Fn-składowa siły prostopadła do powierzchni S- powierzchnia

N/m²=p- Pascal

Granica wytrzymałości jest to wartość naprężenia przy którym następuje zniszczenie ciała

Granica proporcjonalności to wartość naprężenia stanowiąca granice zakresu stosowania prawa Hook'a

Fale akustyczne

W najprostszym drganiu wychylenie ciała od położenia równowagi można opisać funkcją sinusoidalną: x(t)=x_maxsin(2xft) gdzie x_max-amplitudczyli maxymalne wychylenia, x(t)- wychylenie w chwili t, t- czas który upłyną od początku drgań, f- częstotliwość

Częstotliwość kołowa=2πf=2π/T

Ruch Falowy

Fala jest to rozprzestrzenianie się drgań (zaburzenia) w ośrodku sprężystym. Przemieszczanie się energii drgań odbywa się poprzez oscylacje cząsteczek ośrodka wokół ich położeń równowagi (cząsteczki nie są przemieszczane wraz z falą)

Fale podłużne- fale w których kierunek drgań cząsteczek jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się drgań

Ciśnienie akustyczne- zmienne w czasie odchylenie od średniej wartości ciśnienia statycznego panującego w ośrodku, występujące podczas rozchodzenia się w nim fali akustycznej

Równanie fali płaskiej można opisać za pomocą funkcji sinusoidalnej.

Parametry określające falę:

• Długość fali

• Okres, częstotliwość

• Amplituda

-Długość fali [λ] jest to droga jaką przebywa fala w ciągu jednego okresu.- najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań.

-Prędkość fali [v] v=λ/t gdzie λ-długoś fali, t-czas

-Moc fali [P] P=E/t gdzie E- energia fali, t-czas jednostka [W]-wat

-Natężenie fali [I]- ilość energii jaka przechodzi w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni

I= E/S*t gdzie E- energia fali, t-czas, s-powierzchnia prostopadła….. jednostka W/cm²

Natężenie fali jest wprost proporcjonalne do kwadratu ciśnienia akustycznego

-Okres fali- ilość drgań w ciągu sekundy (mowa 3000Hz-5000Hz)

-Okres drgań- czas jednego pełnego drgania

-Poziom natężenia dźwięku L=10log I/l0 gdzie I-natężenie dźwięku badanego, I0 - natężenie wzorcowe równe 10^-12W/m²(jest to wartość natężenia progowego dla dźwięku o częstotliwości 1000 Hz)

Natężenie progowe (próg słyszalności) jest to najwyższe natężenie dźwięku, które wywołuje wrażenia słuchowe. Poziom natężenia dźwięku wyraża się w decybelach [dB] 60bD=10⁶ 120dB=10¹²(próg bólu)

Zależnie od częstotliwości fale akustyczne można podzielić na:

• Fale dźwiękowe 16Hz-20 000 Hz (słyszalne przez człowieka)

• Fale infradźwiękowe <16 Hz

• Fale ultradźwiękowe >20 000 Hz

Ultra dźwięki są falami akustycznymi

W terapii stosujemy: 800kHz-2,4MHz w terapii 1MHZ-15MHZ w diagnostyce

Wytwarzanie ultradźwięków-Ultradźwięki można otrzymać wykorzystując odwrotny efekt piezoelektryczny.

Efekt piezoelektryczny

Polega na poustawianiu potencjałów elektrycznych na powierzchni kryształu podczas jego ściskania lub rozciągania. Kryształ piezoelektryczny to kryształ jonowy nie posiadający środka symetrii np. kryształ kwarcu. Odwrotny efekt piezoelektryczny polega na kurczeniu bądź rozszerzaniu się kryształu pod wpływem przyłożenia zmiennego napięcia elektrycznego. Kryształy hydrostatyków znajdujące się w kościach są piezoelektrykami.

Prędkość fal w danym ośrodku jest stała, zależy od gęstości ośrodka i od jego własności sprężystych. Prędkość fal w ciałach stałych określa się wzorem: V=pierwiastek z E/p gdzie E- moduł Junga, p-gęstość lub V= pierwiastek z k/p gdzie: k-moduł ściśliwości, p-gęstość

Fale ultradźwiękowe ulegają w komórkach

• Odbiciu

• Załamaniu

• Ugięciu

• Rozproszeniu

• Absorbcji

Zjawisko odbicia fal ultradźwiękowych jest zależne oporności akustycznej ośrodka [z] którą wylicza się ze wzoru z=pv=pierwiastek pK gdzie p-gęstość ośrodka v-prędkość fali K- prędkość ultradźwięków w ośrodku.

Fala akustyczna ulega odbiciu na granicy ośrodków różniących się opornościami akustycznymi. Z1- oporność akustyczna jednego ośrodka, Z2- oporność drugiego ośrodka

Gdy Z1=Z2 - brak odbicia(absorbcja załamanie) Jeżeli Z1>Z2 lub Z1<Z2 to część fali ulega rozbiciu a część przechodzi do drugiego ośrodka. Jeżeli Z1>>Z2 wtedy całą fala ulega odbiciu (dzieje się tak na granicy powietrza i tkanki)

Zadanie: Ile wynosi częstotliwość fali w tkance miękkiej o długości 1mm

F=V/λ V=1500 m/s=1 500 000 mm/s λ=1mm 1 500 000/1=1 500 000Hz= 1,5MHz

Ultrasonografia(usg)

-bazuje na zjawisku odbicia, metoda echa

Amplitudy powracających ech zamienia się na różny stopień jasności punktów wyświetlanych na ekranie

Chronografia- diagnostyka tkanek mięśniowych, stosowane częstotliwości to 1-15 MHz. Przy doborze częstotliwości uwzględnia się: możliwość obserwacji szczegółów, głębokość narządów, bezpieczeństwo.

Absorbcja fal ultradźwiękowych

Fala przechodząc przez tkankę traci energie, jej natężenie maleje

Prawo absorbcji: I=I0e^-kr I0- natężenie fali padającej

Warstwa połowiąca d_1/2 (warstwa połówkowa) to taka grubość tkanki, która zmniejsza natężenie fali o połowę.

Współczynnik absorbcji zależy od : częstotliwości fali, własności tkanki

Im wyższa częstotliwość fali tym fala jest silniej absorbowana przez tkankę

Przy 800 KHz d_1/2=3cm przy 2,4MHz d_1/2=1cm

Podstawy działania leczniczego ultradźwięków:

• Zwiększenie przepuszczalności błon komórkowych

• Usprawnienie oddychania tkankowego i pobudzenie przemiany materii komórek

• Zmiana w ich strukturze koloidów tkankowych i ich uwodnienie

• Zmiany w okładach jonowych tkanek

• Zmiana odczynu tkanek w kierunku zasadowym

• Oddziaływanie na struktury krystaliczne

Skutki lecznicze:

• Poprawiają ukrwienie

• Działają przeciwbólowo

• Powodują wzrost potencjału błonowego

• Polepszają przewodnictwo nerwów

• Hamują procesy zapalne

• Zmniejszają napięcie mięśni szkieletowych

• Zmniejszają napięcie błony mięśniowej gładkiej

• Zwiększają rozciągliwość włókien kolagenowych

• Przyśpieszają gojenie ran

Warstwa połówkowa- wartość do której wejdzie połowa fali

Oddziaływanie ultradźwięków z tkankami:

• Oddziaływanie czynne- w terapii 0,5-2 W/m²

• Oddziaływanie bierne- w diagnostyce zachodzą przy natężeniu I<<W/cm² nie wywołują skutków biologicznych

• Mechaniczne (mikromasaż)

• Cieplne

Efekt termiczny zależy od:

• Natężenia fali

• Czasu nadźwiękawiania

• Od właściwości tkanki- najsilniej nagrzewa się tkanka nerwowa wstępnie mięśniowa i najsłabiej tłuszczowa

• Chemiczne- zwiększona szybkość reakcji chemicznych, zmiana pH, wzrost przepuszczalności błon

• Zmiany w strukturze koloidów tkankowych

• Zmiana odczynu tkanek w kierunku zasadowym

Fale elektromagnetyczne - jest to rozchodzenie się w przestrzeni zaburzeń (drgań) pola elektromagnetycznego

Prędkość fali [c] w próżni wynosi 300 000 m/s

-fale elektromagnetyczne wykazują dualizm falowo- korpuskularny

-zjawiska falowe: np. odbicie, załamanie, interferencja, dyfrakcja

-zjawiska korpuskularne: np. efekt foroelektryczny

Energia kwantu promieniowania [E]=hv gdzie h- stała Planska v- częstotliwość ponieważ v=c/λ E=h v=hc/λ

Na początku fale o największej energii i najmniejszej długości a na końcu fale o najmniejszej energii i największej długości

Gamma-> promieniowanie x-> ultrafiolet -> widzialne -> podczerwień -> mikrofale -> fale radiowe-> fale telewizyjne

Promieniowanie podczerwone (IR) zakres λ 0,78µm-500µm - energia mniejsza od światła widzialnego działa termicznie

Promieniowanie nadfioletowe (UV) zakres λ 10-400 n, energia większa od światła widzialnego, wyróżniamy: UV-A 315-400 nm, UV-B 280-315 nm, UV-C 200-280 nm (promieniowanie o długości mniejszej od 280 nm powoduje uszkodzenie tkanek) Działanie- wzbudzanie atomów i cząsteczek, synteza witaminy D (UV-B), wytwarzanie pigmentu (UV-B, UV-A), działanie bakteriobójcze

Działanie na tkanki zależy od długości fali promieniowania, do ujemnych skutków zaliczamy: starzenie się skóry, zaburzenia proliferacji

Promieniowanie laserowe

Laser- urządzenie do wytwarzania spójnego promieniowania elektromagnetycznego z zakresu podczerwieni, światła widzialnego oraz ultrafioletu

ABSORBCJA

E2 ------- ---X---

Hv->

E1 ---X--- -------

Absorbcja fotonu- pochłonięcie przez atom fotonu o energii równej różnicy poziomów energetycznych Hv=E1-E2, co powoduje przejście elektronu z niższego poziomu energetycznego E1 na poziom wyższy E2

EMISJA SPONTANICZNA

E2 ---X--- -------

Hv->

E1 ------- ---X---

Emisja spontaniczna- samorzutna emisja fotonu towarzysząca przejściu elektronu z poziomu wyższego E2 na poziom niższy E1. Energia fotonu Hv= E2-E1

EMISJA WYMUSZONA

E2 ---X--- -------

Hv-> 2Hv->

E1 ------- ---X---

Emisja wymuszona- emisja 2 identycznych fotonów promieniowania elektromagnetycznego , zachodzi wówczas, gdy na atom wzbudzony pada foton energii

Elektron wzbudzony- elektron który pod wpływem energii przeskoczył na wyższy poziom energrtyczny.

Ośrodek czynny- substancja w której liczba atomów znajdujących się w stanie wzbudzonym jest większa niż liczba atomów znajdujących się w stanie podstawowym

Pompowanie- dostarczanie atomom energii celem ich wzbudzenia, można w tym celu wykorzystać: energie wyładowań elektrycznych, światło o dużym natężeniu, reakcje chemiczne

Elementy lasera: ośrodek czynny, źródło pompujące, rezonator optyczny

Właściwości: spójność, monochromatyczność, równoległość wiązki, bardzo durze natężenie

Laser- wzmocnione światło przez wymuszoną emisje promieniowanie

Monochromatyczność-lasery emitują promienie o ściśle określonej długości fali czyli monochromatyczne np. laser rubinowy emituje fale o długości λ=694nm, laser gazowy Co₂ emituje fale o długości λ= 10600nm

Rodzaje laserów:

• Podział ze względu na emitowaną długość fali λ: lasery emitujące w zakresie:

-podczerwieni

-światła widzialnego

-nadfioletu

• Podział ze względu na ośrodek czynny: lasery stałe, cieczowe, gazowe

• Podział ze względu na sposób pompowania: lasery wzbudzane optycznie, elektrycznie, chemicznie

• Lasery o emisji: ciągłej, impulsowej

W medycynie stosuje się lasery o mocy:

• Przy emisji ciągłej do kilkudziesięciu mW

• Przy emisji impulsowej od kilku do kilkuset W

Oddziaływanie promieniowanie laserowego na materie

Prawo absorbcji I=O0e^-kx gdzie I0- natężenie fali padającej I-natężenie fali po przejściu warstwy o grubości x, x- grubość przenikanej warstwy, k- współczynnik absorbcji

Współczynnik absorbcji [k] zależy od rodzaju tkanki i długości fali padającego promieniowania

Głębokość penetracji jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika k.; Najgłębiej dociera w tkankę fala o długości od 700 nm do 1100 nm (czerwień i podczerwień). Zaabsorbowane (pochłonięte) promieniowanie zamieniane jest na ciepło (w szczególności podczerwone i widzialne)

Podwyższenie temperatury tkanki może spowodować:

Odparowanie tkanki 100 do 300 st C

Koagulacje od 60 do 100 st C

Denaturacje białek 43 do 60 st C

Bioaktywacje termiczną od 37 do 60 st C

Biostymulacje nieznaczny wzrost temperatury do 37 st C

Biostymulacja- zachodzi przy działaniu promieniowania laserowego o małej mocy (czerwony obraz widma lub podczerwień). Działanie na tkanki efektu biostymulacji: wzbudzenie -> emisja kwantu promieniowania -> reakcja fotochemiczna lub wydzielenie ciepła -> reakcje biochemiczne

Komórka

• Zmiany w przepuszczalności błon

• Zmiana potencjału komórkowego

• Zmiany strukturalne błon

• Zwiększona synteza kolagenu

• Uaktywnienie się enzymów

Tkanka

• Zwiększenie przepływu krwi

• Poprawa zaopatrzenia tkanek w tlen - zwiększenie liczby erutrocytów

• Działanie immunoregulacyjne

Zastosowanie

• Przyśpieszenie trudno gojących się ran

• Działanie przeciwzapalne

• Leczenie złamań kości (przy utrudnionym zrastaniu)

Promieniowanie jonizujące- promieniowanie mające zdolność jonizacji atomów i cząsteczek

Jonizacja to odzyskanie atomów cząstek poprzez dostarczanie energii

Promieniowanie jonizujące:

-promieniowanie rendgenowskie

-promieniowanie jądrowe: alfa beta gamma

-protony, deutrony, neutrony

Przypomnienie

-Promieniowanie alfa składa się z 2 protonów oraz 2 neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu ⁴He

-Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię.

-Promieniowanie gamma wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 10 keV

Promieniowanie hamowania powstaje poprzez chamowanie elektronów w polu jąder atomowych poprzez wzbudzanie atomów i emisje promieniowania przy powrocie elektronów do stanu pierwotnego. Prawo absorbcji I=I0e^-µx gdzie I0- natężenie fali padającej, I natężenie falo po przeniknięciu warstwy o grubości x, x- grubość przenikanej warstwy µ- współczynnik absorbcji

Współczynnik absorbcji µ zależy od:

• Energii promieniowania im większa energia promieniowania tym słabsze pochłanianie

• Liczby atomowej składników absorbenta, silniejsze pochłanianie promieniowania (dla kości średnie Z wynosi ok. 14, dla tkanki miękkiej ok. 7)

Rendgenodiagnostyka bazuje na zjawisku absorbcji. Podstawowe zastosowanie promieniowania RTG w diagnostyce: zdjęcia, tomografia komputerowa, ongiografia

Promieniowanie jądrowe- cząsteczki i kwanty przechodzą przez żywą tkankę wywołując: elektrony, wolne rodniki, kwanty promieniowania które powodują procesy chemiczne i zmiany biologiczne.

Biologiczne działanie promieniowania rendgenowskiego: uszkodzenie molekuł:

Pośrednie: radializacja wody-> wolne rodniki -> uszkodzenie biomolekół (DNA, białko)

Bezpośrednie: radializa kwasów nukleinowych, uszkodzenie aminokwasów

Skutki wywoływane w komórce przez promieniowanie jonizujące mogą być:

-przejściowe (mechanizmy naprawcze; dawka rozłożona daje inne skutki)

-trwałe (uszkodzenie materiału genetycznego)

---