超声波抑菌的声学机制及应用研究

发布时间：2019-12-01 14:24

【摘要】：广泛应用于临床的人体留置装置,如气管插管、导尿管、胃部插管、假肢装置等,在长期驻留体内的过程中,其表面会产生结构复杂的菌膜。菌膜为细菌抵抗外部恶劣环境(如抗生素)提供了屏障,成为医疗感染的主要因素之一。目前临床上对于菌膜抑制的研究大多基于药学和生化原理,如使用抗菌塑料或在留置插管装置表面增加药物涂层(银纳米颗粒、抗生素、水凝胶等),这些方法在一定程度上抑制了菌膜的形成;但对于留置体内时间较长(达几十天)的气管插管,药物涂层效果的持久性面临很大的挑战,一旦菌膜形成,药效将明显降低。超声导波具有沿管状表面长距离传播的特性,以其作为一种表面菌膜抑制的新技术具有较好的发展前景。现阶段,超声导波抑制菌膜形成的相关声学机理研究仍然不够深入,例如导波传播模式、超声振幅、频率等与菌膜抑制效果之间的关系。因此,对插管表面的声波传播模式进行深入地分析和研究,评估不同的超声参数对菌膜抑制的作用,对于新型置入性导管的开发有重要意义。论文从两方面探讨超声对于细菌抑制作用的声学机理及应用:(1)以临床广泛使用的气管插管作为研究对象,研究超声导波的激发频率和幅度对于菌膜抑制效果的影响。首先介绍了超声导波的传播理论,明确了插管上导波存在多种传播模式,并以此为基础确定了导波激发的频率选择依据;实验测量了气管插管的表面振动,分析了插管上导波衰减大的原因;通过耦合剂的结合、导波入射角度的改变等优化实验装置,以提高气管插管表面振动幅度,实验发现可将气管插管的衰减降低15-20dB,气管插管表面能够获得大于5nm的振动。进一步,搭建了一套铜绿假单胞菌菌膜抑制的实验装置,研究了不同振动幅度的导波对气管插管表面菌膜形成过程的抑制效果。结果表明,应用导波后的气管插管表面菌膜形成时间明显延长;在0.5nm-5nm的振动幅度范围内,振动幅度与菌膜抑制效果正相关。(2)从超声促进抗菌药物释放的角度出发,研究超声增强药物的渗透。本文选取两种类抗菌药物进行局部药物传递实验,一是纳米荧光微球(与银纳米抗菌药物在尺度上具有可比性),二是医用透明质酸(HA),其具有长链状结构,分子量较大,可以模拟真实环境下的细菌及药物的粘连。通过共聚焦显微镜和紫外分光测量,实验研究了不同的超声频率(20kHz、200kHz、643.5kHz、1MHz),不同超声强度(25kPa、50kPa、75kPa、100kPa),不同作用时间(5-60分钟)下的药物渗透深度和渗透量。结果发现,超声可促进药物渗透,包括透入深度和浓度。较低的超声频率能得到较好的透药效果,但药物的透入深度很难超过200um。进一步采用微泡(超声造影剂)提高空化作用,发现使用643.5kHz的超声频率透药效果最好,透入深度能达到500um以上,荧光粒子的渗透量提高了 3-5倍,HA的渗透量提高了 7-8倍。论文一方面进行了超声导波抑菌的研究,明确了其声学机制是基于导波传播带来的机械振动,并分析了原型装置的传播模式、频率、振幅等与抑菌效果的关系。另一方面,研究了超声促进药物渗透,特别是引入微泡的空化效应可进一步促进药物渗透。本论文的研究结果揭示了超声对于菌膜抑制和促进抗菌药物渗透方面的有效性,为临床抗菌提供了新的物理方法,有利于新型医用器械的开发。
【图文】：

示意图,理论分析,模型,示意图

２．３空也圆管的本征频率与本征位移逡逑接下来xO究本征频率Ｗ。，和本征函数ｗ，，，0）。本文关注的内容为管状人体逡逑置入装置，在此只对有限长圆管进行理论分析。图２．１为管状结构模型示意图。逡逑－Ｌ逦＋Ｌ逡逑广逡逑Ｊ逦ａ邋ｂ逡逑＇逦’■逡逑＇……ｆｉｒｎｍｉｉ／／！／…ｕｎｆｉｍｎｎ／ｉｉ／／…逡逑图２．１用于理论分析的管状结构模型示意图逡逑对于这种管状结构，采用柱坐标来分析是合适的，如图２．１所示，圆管的逡逑轴方向为Ｚ，内径为ａ，外径为ｂ，长度从－Ｌ到＋Ｌ。其自由振动，，受控Ｔ？下而逡逑的齐次Ｎａｖｉｅｒ方程，逡逑Ｖ邋？邋Ｖ邋？邋Ｍ邋＋邋ｃ；．Ｖ邋Ｘ邋Ｖ邋Ｘ邋Ｍ邋＋邋ａｒｕ邋＝邋０逦口－３６）逡逑１９逡逑

示意图,气管插管,临床使用,图片

图３．１人体气管插管实物及临床使用示意图（图片来源于网络）逡逑３．２．２气管插管的导波计算理论逡逑为了选取合理的激发频率，需耍对气管插管的振动模式做些计算。如前一逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R312;O426

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