Электропроводимость биологических тканей для постоянного и переменного токов. Ионная проводимость
Вещества по отношению к постоянному току делят на проводники и диэлектрики. Проводники электрические – вещества, хорошо проводящие электрический ток благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц. Они делятся на электронные (металлы), ионные (электролиты) и смешанные, где имеет место движение как электронов, так и ионов (например, плазма). Диэлектрики – твердые, жидкие и газообразные вещества, очень плохо проводящие электрический ток. Удельное сопротивление постоянному току у них составляет 108-1017 Ом • см. Особое место занимают полупроводники – вещества, электропроводность которых при обычных условиях весьма низка, но она резко возрастает с температурой. На их электропроводность влияют и другие внешние воздействия: свет, сильное электрическое поле, поток быстрых частиц и др.
Электропроводность живых тканей определяется концентрацией ионов и их подвижностью, которые весьма неодинаковы в различных тканях, в связи с чем биологические объекты обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков.
В межклеточной жидкости с максимальным содержанием ионов удельная электропроводность достаточно высока и составляет 1 См • м-1. Напротив, в цитозоле, содержащем органеллы и крупные белковые молекулы, она понижается до 0,003 См • м-1. Удельная электропроводность плазмолеммы и внутриклеточных мембран еще ниже (1-3) • 10-5 См • м-1. Удельная электропроводность целых органов и тканей существенно меньше, чем составляющих их сред. Ее наибольшие величины (0,6-2,0 См • м-1) имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, моча, спинно-мозговая жидкость), а также мышечная ткань (0,2 См • м-1). Напротив, удельная электропроводность костной, жировой, нервной ткани, а в особенности грубоволокнистой соединительной ткани и зубной эмали чрезвычайно низкая (10-3-10-6 См • м-1). Электропроводность кожи зависит от толщины состояния дериватов и содержания воды. Сухая кожа является плохим проводником электрического тока, тогда как влажная хорошо проводит его. В связи с тем, что постоянный ток распространяется по пути наименьшего сопротивления, то состояние электропроводности тканей и тесно с ней связанная поляризация существенно сказываются на происходящих в организме изменениях при гальванизации (см.), лекарственном электрофорезе (см. Электрофорез лекарственных веществ) и других электротерапевтических методах.
Значительно более сложный характер носит электропроводность клеток и тканей для переменного тока. Так как биологические объекты обладают как проводимостью, так и емкостью, то они будут характеризоваться как активным, так и реактивным сопротивлением, в сумме составляющими импеданс объекта. Импеданс биологической ткани зависит от частоты тока: при увеличении частоты реактивная составляющая импеданса уменьшается. Частотно-зависимый характер емкостного сопротивления является одной из причин зависимости импеданса биологических объектов от частоты тока, т.е. дисперсии импеданса. Изменение импеданса с частотой обусловлено также зависимостью поляризации от периода действия переменного тока. Если время, в течение которого электрическое поле направлено в одну сторону, больше времени релаксации какого-либо вида поляризации, то поляризация достигает своего максимального значения и вещество будет характеризоваться постоянными значениями диэлектрической проницаемости и проводимости. До тех пор, пока полупериод переменного тока больше времени релаксации, эффективная диэлектрическая проницаемость и проводимость объекта не будут изменяться с частотой. Если же при увеличении частоты полупериод переменного тока становится меньше времени релаксации, то поляризация не успевает достигнуть максимального значения. После этого диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться с частотой, а проводимость возрастать. При значительном увеличении частоты данный вид поляризации практически будет отсутствовать, а диэлектрическая проницаемость и проводимость снова станут постоянными величинами.
При изучении частотных зависимостей сопротивления и емкости биологических объектов было обнаружено три области дисперсии: ?, ? и ?. ?-Дисперсия занимает область низких частот, примерно до 1 кГц. Ее объясняют поверхностной поляризацией клеток. По мере увеличения частоты переменного тока эффект поверхностной поляризации уменьшается, что проявляется как уменьшение диэлектрической проницаемости и сопротивления ткани. B-Дисперсия занимает более широкую область частот: 103-107 Гц. В прошлом для объяснения дисперсии диэлектрической проницаемости и сопротивления в данной области обращались к теориям дипольной и макроструктурной поляризации. В настоящее время для объяснения ?-дисперсии развивается электрохимическая (электролитическая) теория поляризации биологических объектов. Ценность данного подхода состоит в том, что он позволяет учитывать при описании электрических свойств биологических тканей клеточную проницаемость и наличие ионных потоков через мембрану.
Y-Дисперсия диэлектрической проницаемости и проводимости наблюдается на частотах выше 1000 МГц. Уменьшение диэлектрической проницаемости в данном диапазоне обусловлено ослаблением эффектов поляризации, вызываемой диполями воды.
Общая картина частотной зависимости электрических параметров сохраняется для всех тканей. Некоторые индивидуальные особенности ее определяются размерами и формой клеток, величиной их проницаемости, соотношением между объемом клеток и межклеточных пространств, концентрацией свободных ионов в клетках, содержанием свободной воды и др. Изменение состояния клеток и тканей, их возбуждение, изменение интенсивности метаболизма и других функций клеток приводит к изменению электропроводности биологических систем. В этой связи изменение электропроводности используют для получения информации о функциональном состоянии биологических тканей, для выявления воспалительных процессов, изменения проницаемости клеточных мембран и стенок сосудов при патологии или действии на организм различных факторов, для оценки кровенаполнения сосудов органов и тканей и др.