Жидкие кристаллы и перспективы их применения в хирургии


Проф. Ю. М. Герусов


Клиника госпитальной хирургии (зав. - проф. Ю. М. Герусов) Волгоградского медицинского института


Хирургия 1978

Жидкокристаллическое состояние вещества было открыто в 1888 г. Reinitzer, а физико-химические свойства их мезофаз начали изучать только с 1904 г. До 1960 г. В печати редко появлялись работы, посвященные изучению свойств жидких кристаллов (ЖК), и только в последние годы ученые всех стран начали интересоваться структурой и свойствами этих веществ.

С чего все началось?


Перспективность этих исследований, их научная и практическая значимость нашли отражение в материалах первой и второй международных конференций в Кенте (1965, 1968), третьей в Берлине (1970), четвертой в Лондоне (1972) и трех всесоюзных конференций в Иванове (1970, 1972, 1974). В последней всесоюзной конференции по ЖК и их практическому применению приняло участие 360 ученых.


В настоящее время ЖК широко применяются в различных областях науки и техники: электронике, кибернетике, гидравлике, автоматике, космонавтике, медицине и биологии. Появилось новое направление в медицинской науке по исследованию ЖК и их роли в живом организме в связи с открытием мезофаз и их важной роли в биологических структурах. Большое внимание ученые уделяют изучению жидкокристаллических свойств эфиров холестерина, которые являются важнейшими представителями липидов, играющих важную роль в развитии атеросклероза (А. И. Кубарко).

Что такое жидкий кристалл?

Жидкими кристаллами эти вещества названы потому, что они находятся в мезоморфном, или жидкокристаллическом, состоянии, т. е. они обладают свойствами кристаллических тел (анизотропией), а при нагревании – свойствами жидкостей: текучестью, способностью принимать форму сосуда, капли и др. В настоящее время известно более 3000 органических соединений, способных образовывать жидкокристаллическую фазу при определенных температурных интервалах.

Какие они бывают? Их виды.


По способу получения ЖК подразделяют на

- термотронные, мезоморфное состояние которых наступает при нагревании вещества,

- лиотронные, когда жидкие кристаллы образуются при растворении вещества.


По строению ЖК подразделяют на

- нематические,

- смектические,

- холестерические.

Название «смектические жидкие кристаллы» (СЖК) произошло от слова smectos — мылоподобный. В смектическом жидкокристаллическом состоянии находятся многие мыла, у которых оно и было обнаружено впервые. Молекулярные слои могут скользить один по другому.


Название «нематические жидкие кристаллы» (НЖК) произошло от слова nematos - нитевидный. НЖК одномерны, молекулы в них параллельны друг другу, но они не располагаются слоями.


Третий класс - холестерические жидкие кристаллы (ХЖК). Они названы так потому, что их молекулярная структура характерна для большого числа веществ, производных холестерина (в чистом виде холестерин не образует жидких кристаллов). Холестерическая фаза некоторыми своими свойствами напоминает СЖК, молекулы ХЖК расположены слоями.

Большой интерес представляет плоскостная текстура ХЖК, которая обладает выраженной оптической активностью, вращение плоскости поляризованного света достигает 50 оборотов на 1 мм толщины вещества.

Важное свойство холестерических жидких кристаллов.


Вторым важным свойством плоскостной текстуры ХЖК является круговой дихроизм. Проходящий через вещество свет делится на два компонента. Один с электрическим вектором, вращающимся по часовой стрелке, другой с электрическим вектором, вращающимся против часовой стрелки. Один из них проходит через вещество, другой отражается. Это свойство ХЖК особенно важно, так как оно лежит в основе интерференционной окраски этих веществ. Отличительной особенностью ХЖК, находящихся в жидкокристаллическом состоянии, является их способность образовывать различную гамму цветов при незначительных изменениях температур (в пределах 0,1-0,01), на чем основана цветная термография у человека при патологических состояниях.


Впервые в медицинской практике эфиры холестерина использовали ли Crissey и соавт. и в онкологии - Selawri и соавт. Свойства и структура ЖК подробно описаны в работе И. Г. Чистякова, а клиническое применение ХЖК в СССР мы начали с 1967 г.


Для медицинских исследований пользовались холестерическими смесями, приготовленными в лаборатории ЖК Ивановского университета, и препаратами промышленного производства. Применялись двух- и трехкомпонентные термографические смеси, состоящие из холестерилолеата и холестерилпеларгоната, холестерилвалерата и др. При этом изучали температуру фазовых переходов, что в свою очередь позволяло получить препараты с известными температурными градиентами: например, смесь А-40 холестерилолеата с холестерилпералгонатом - образует следующие цвета: фиолетовый при температуре 35,5-32,9°. синий - 32,9-32,0°, голубой - 32,0-31,8°, зелено-голубой - 31,8- 31,7°, зеленый - 31,7-31,4°, желто-зеленый - 31,4-31,12°, желтый 31,1-31,0°, оранжевый - 31,0-30,8°, оранжево-красный - 30,8-30,6°, красный - 30,6-30,3°.


Условное обозначение смеси А-40 указывает, что на 10 г вещества содержится 6 г холестерилолеата и 4 г холестерилпералгоната. Изменяя процентное содержание входящих в смесь компонентов, можно получить жидкокристаллический материал с желаемыми температурными параметрами.

Где можно применить их в медицине?

Кожные покровы в местах, где располагаются очаги воспаления под ними, имеют более высокую температуру. Изменение кожной температуры наблюдается при злокачественных и доброкачественных опухолях, вазомоторных расстройствах и других заболеваниях. Еще работами И. П. Павлова и его учеников (1877) доказано, что кожная температура дает достаточно правильное представление о состоянии периферического кровообращения.

Влияние температурных реакций кожи на цвет ХЖК не соответствует обычной интерпретации спектра: красный цвет - теплый, а синий - холодный. У ХЖК фиолетовый, синий и голубой цвета соответствуют более высокой кожной температуре, а красный, оранжевый, желтый - более низкой температуре. Знание указанных особенностей цветовой термограммы кристаллов позволяет правильно прочитывать карту распределения температур в исследуемой области.


В месте предполагаемого исследования кожу обезжиривают спиртом или эфиром. Производят электротермометрию, после чего подбирают смесь, соответствующую температуре исследуемой области. Наносят слой черной гуашевой краски, приготовленной на церигеле (1:2) или по рецепту: газовой сажи 35 г, поливинилового спирта 33 г, стирального порошка 0,15 г, дистиллированной воды 100 мл, или смесь 10% раствора поливинилового спирта с газовой сажей (20: 1). После того как краска (экран) высохнет, мягкой кистью наносят тонкий слой ХЖК, расплавленного в водяной бане. В исследуемой области сразу появляется цветная карта распределения температур.


В условиях стационара и поликлиники с помощью ХЖК нами обследовано более 950 больных с самыми различными заболеваниями.


В комплексном обследовании метод цветной термографии позволяет получить ценные дополнительные сведения - о локализации гнойно-воспалительных очагов, доброкачественных и злокачественных опухолей, а также метастазов их в регионарные лимфатические узлы.


Исследования проведены у больных остеомиелитом, гнойными заболеваниями кисти и пальцев, с отморожениями, опухолями различной локализации, абсцессами, флегмонами, маститами, острыми заболеваниями органов брюшной полости. Метод апробирован в неврологии, нейрохирургии (опухоли мозга, гематомы) и у больных с поражением легких и плевры, костным туберкулезом и другими заболеваниями.


У ряда больных данные цветной термографии сопоставлялись с результатами ультразвуковой диагностики. Наряду с другими объективными функциональными методами обследования цветная термография ХЖК изучена у больных с заболеваниями периферических артерий и вен нижних конечностей.


Интересные термографические сведения получены после применения распространенных методов консервативного лечения больных облитерирующими поражениями сосудов (А. В. Вишневский, И. Г. Руфаноз, Еланский, П. П. Постников и др.).


С помощью ХЖК определяли индивидуальную чувствительность сосудистой стенки к вводимым препаратам, у одной группы больных наблюдали длительный спазмолитический эффект, другая на вводимый лечебный препарат не реагировала. Цветная термография позволяла диагностировать ранние формы сосудистых заболеваний, подобрать способ индивидуального лечения больного и наблюдать за влиянием препарата до конца его действия. По цвету ХЖК можно было определить уровень окклюзии артериального ствола, зону коллатерального кровообращения в тканях, наметить рациональный уровень ампутации, а в зависимости от характера васкуляризации эффективность восстановительных и пластических операций на сосудах конечностей и бифуркации аорты.


При изучении поражений вен четко контурировались сегменты вен с выраженной воспалительной реакцией (флеботромбозы, флебиты, перифлебиты). У ряда больных на кожу конечности проецировались мелкие венозные ветви и их анастомозы, не определяемые при обычном визуальном осмотре, на что обращалось внимание при оперативном вмешательстве. Ценные сведения о состоянии поверхностных вен получены после хирургических вмешательств. У ряда больных подкожная венозная сеть становилась менее выраженной, но с развитыми коллатеральными связями, местами с расширенными венозными стволами, что могло указывать на их компенсаторную функцию и нерадикально произведенную операцию.


Метод позволяет вести динамическое наблюдение за состоянием вен в процессе консервативного лечения.


У больных гематогенным остеомиелитом определялась зона воспалительной реакции костного мозга, проецируемая на кожу даже в местах, где рентгенологически поражение костей не выявлялось. С учетом данных цветной термограммы всем больным произведены ранние и своевременные хирургические вмешательства,


При гнойном мастите контурировались синим цветом очаги инфильтрации, гнойные полости. Некоторые из них не выявлялись при обычном обследовании молочной железы. Вскрытие гнойников в этих зонах подтверждало данные, полученные с помощью описываемого метода.


Своеобразная цветная картина распределения температур получена при злокачественных и доброкачественных опухолях молочной железы. При раке молочной железы на коже четко проецировались контуры опухоли интенсивным темно-синим цветом ХЖК. У некоторых больных выявлялись отдельные раковые узлы по соседству или вдали от основного новообразования. Некоторые из них имели небольшие размеры (1,5 X 2 см) и не пальпировались в глубине железистой ткани. Лимфатические узлы, пораженные раком, имели темно-синий цвет, чего не наблюдалось при исследовании лимфатических узлов, не пораженных раком, на противоположной стороне. Кистозные образования и доброкачественные опухоли молочной железы имели зону с пониженной температурной реакцией, с появлением синей каймы ХЖК по периферии кистозной в центре.


У больных острым холециститом на коже правого подреберья контурировались различной величины и формы зоны с повышенной температурой – синего и голубого цвета ХЖК соответственно локализации воспалительного процесса. Разнообразие цветных карт распределения температур зависело от глубины залегания желчного пузыря и патологического процесса в нем, вовлечения в воспалительный процесс соседних тканей и органов. Диагностику острого холецистита ХЖК сочетали с ультразвуковой, и с помощью которой обнаруживали камни желчного пузыря, глубину их залегания, размеры, а с помощью ХЖК определяли, наличие воспалительного процесса в пузыре и его интенсивность. Методы дополняли друг друга. Такие же разнообразные карты распределения кожных температур получены при остром аппендиците. Обычное положение воспаленного червеобразного отростка контурировалось синим цветом ХЖК на коже подвздошной области. При местном перитоните аппендикулярного происхождения, инфильтратах обнаруживали обширную зону с высокой температурой. Синий цвет ХЖК появлялся от средней линии живота до пахового треугольника и правой реберной дуги. При ретроцекальном положении отростка положительная термограмма смещалась к правой поясничной области, при этом температурная реакция и цвет ХЖК в подвздошной области были нетипичны для острого аппендицита обычной локализации.


Особенно ценные сведения по топографии гнойных процессов получены при изучении заболеваний кисти и пальцев. С помощью ХЖК представлялась возможность обнаружить начальные фазы течения панариция, локализацию гнойника, а также вовлечение в воспалительный процесс клеточных пространств кисти и сухожильных влагалищ. Эта методика представляет большую ценность для хирурга поликлиники, который может осуществить правильную и раннюю топическую диагностику гнойного процесса и произвести рациональные хирургические вмешательства.


Изучение поражений легких и плевры с помощью ХЖК позволяло обнаружить уровень и границы жидкости в плевре, ограниченные эмпиемы, гнойно-воспалительные процессы в легких, опухоли. Эти заболевания особенно четко выявлялись цветом ХЖК в тех случаях, когда патологическое образование было сращено с париетальной плеврой или предлежало к ней.


Своеобразно интерпретируются данные цветной термографии при тиреотоксическом, эутиреоидном и узловом зобе. При двух последних формах зоба температурная реакция понижена. Тиреотоксический зоб меняет цвет ХЖК после проведенной предоперационной подготовки.


После операции можно определить границы оставшейся части щитовидной железы и ее термореакцию.


Все исследования мы проводили двух- и трехкомпонентными смесями, а также с помощью достаточно пластичных, тонких пленок, между поверхностями которых заключен слой ХЖК.

Выводы.


1. При комплексном обследовании хирургических больных с помощью холестерических жидких кристаллов можно получить ценные дополнительные сведения о динамике патологического процесса, топической и дифференциальной диагностике.

2. Контактная цветная термография холестерическими жидкими кристаллами отличается от дистанционной термографии своей простотой, доступностью, не требующей сложной электронно-оптической аппаратуры и особых навыков.

Литература.


Герусов Ю. М., Чистяков И. Г. - В кн.: Хирургия венозной системы. Хирургия портальной гипертензии. Новое в хирургии. Махачкала, 1969, с. 206-207. - Они же. «Экспер. хир.», 1970, № 1, с. 10-12. - Они же В кн.: Тепловидение в медицине. Л., 1972, с. 151-154. - Герусов Ю. М. - В кн.:. - Сборник докладов 2-й Всесоюзной конференции по жидким кристаллам. Иваново, 1973, с. 304-308. - Герусов Ю. М., Широков В. Б. - В кн.: 1-я Всесоюзная конференция сердечно-сосудистых хирургов. М., 1975, с. 163-164. - Кубарко А. И. Физико-химические особенности жидкокристаллического состояния эфиров холестерина их медико-биологическое значение. в Автореф. Дис. Канд. Минск. 1972 - Кубарко А. И., Демидчик Е.П. – «Здравоохр. Белоруссии», 1970, № 12 с.37 – Чистяков И. Г. Жидкие кристаллы. М., 1966. – Crissey J.T., Fergasson J. L., Bettenhausen J. M. - "J. invest. Derm.", 1965, v. 45, p. 329- Selawry. O. S., Neubauer H. W., Selawry H. S. et a. - "Am. J. Surg.", 1966, v. 112, S. 537-540.