Вы здесь

Аэрозоль-терапия при заболеванях органов дыхания

ХАРАКТЕРИСТИКА АЭРОЗОЛЕЙ И ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Аэрозоли — термин физико-химический, характеризующий дисперсные системы, состоящие из газовой среды, в которой взвешены твердые или жидкие частицы. Такой средой может служить воздух или любой газ. Дисперсной фазой являются микроскопические или субмикроскопические частицы твердых или жидких веществ. Размеры частиц в аэрозолях варьируют в очень широких пределах — от нанометров до нескольких сот микрон.

К природным аэрозолям относятся дым, пыль, облака и туман. Примером аэрозолей, состоящих из водных частиц, является дождь, размер частиц которого колеблется от 300 до 3000 мкм. Пары состоят из частиц размером от 0,001 до 0,2 мкм. Туман содержит частицы от 0,2 до 3 мкм.

Естественные аэрозоли бывают полезными и вредными. Вредны для здоровья человека туманы, табачный дым, мелкие частицы угля, кремния, органическая и хлопчатобумажная пыль, капельки кислот, оснований, смазочных масел и др. Положительное влияние на здоровье человека оказывают аэрозоли, которые образуются на морском берегу во время прибоя, вблизи водопадов, а также лесной воздух.



Наименьшая величина частиц аэрозоля 1*10-3 мкм, хотя в отдельных аэродисперсных системах встречаются более мелкие частицы. Субмикроскопические частицы (г=1*103 мкм) не могут быть обнаружены во взвешенном состоянии из-за большой скорости седиментации, они находятся в турбулентных воздушных потоках — пыли, брызгах воды.

В медицине к аэрозолям относят распыленные в воздухе, кислороде или инертном газе лекарственные вещества.

Известно, что площадь поверхности вещества при переводе его в дисперсное состояние резко увеличивается. При дроблении частиц их суммарная площадь поверхности возрастает с уменьшением радиуса частицы. Если 1 см3 вещества в форме шара имеет радиус 0,62 см и площадь поверхности 4,72 см2, то при дроблении на сферические частицы радиусом 25 мкм число их составит 15-Ю6, а суммарная площадь поверхности будет равна 1180 см2. Для частиц радиусом 4 мкм их число равно 37*108, а суммарная площадь поверхности — около 7400 см2. Если 1 мл жидкости превратить в аэрозоль, состоящий из частиц размером 5 мкм, то образуется 15 000 000 частиц с суммарной площадью поверхности 12 000 см2, а при размере частиц 2 мкм их количество составит 240 000 000 и суммарная площадь будет равна 30 000 см2.

Так как химические реакции происходят на поверхности соприкасающихся тел, увеличение общей поверхности капель при уменьшении их размеров способствует повышению физиологической и биологической активности лекарственных средств, применяемых в виде аэрозоля. Диспергированное вещество обладает увеличенной физиологической активностью за счет возросшей суммарной поверхности дисперсной фазы.

При дроблении жидкости изменяются ее свойства, увеличивается удельная поверхность аэрозоля. Одна капля воды в парообразном состоянии содержит 3 000 000 частиц с общей поверхностью 1 500 000 см2.

Плотность — это отношение массы вещества (m) к объему (v), в котором она находится: p=m/v

В медицинской практике плотностью аэрозоля называют отношение количества ингалируемого раствора (лекарственного вещества) к объему воздуха, в котором находятся аэрозольные частицы или капли взвеси. Результаты определения выражают в г/л или мг/л. Иногда взвешенный лекарственный раствор выражают и в миллилитрах, тогда получают для выражения плотности аэрозоля отношение из двух объемов, то есть мл/л, или литр (раствора) на литр воздуха, то есть л/л. В числителе всегда находится объем использованного при распылении раствора, а в знаменателе — объем вентилируемого воздуха.

Чтобы определить плотность аэрозоля, следует объем или массу лекарственного вещества, использованного за определенное время, разделить на объем воздуха, вентилируемого за это же время. Например, в аппарате распыляется 2 мл/мин лекарственного раствора. Если за это же время производительность аппарата по воздуху составит 10 л/мин, то плотность аэрозоля будет равна: p=0.2мл/л.

Распыляемый объем приблизительно равен распыляемой массе. Следовательно, 1 мл/л примерно равен 1 г/л.

Плотность аэрозоля дает возможность установить, сколько жидкости или твердой субстанции содержится в 1 л газа. При этом следует принимать в расчет и жидкость, в которой растворено лекарственное вещество. Для антибиотиков весовая концентрация выражается в единицах биологической активности. Аэрозоли, которые вырабатываются с применением пневматических (сопловых) аппаратов, имеют более низкую плотность, чем ультразвуковые, так как в последнем случае для образования аэрозоля не требуется нагнетание воздуха. На плотность аэрозоля влияет расстояние (путь) между местом его образования и мундштуком: чем больше расстояние, тем ниже плотность распыляемого вещества.

Различают диспергационные и конденсационные аэрозоли. Первые образуются при дроблении (диспергировании) твердых и жидких веществ, вторые — в процессе объемной конденсации перенасыщенных паров.

Диспергирование жидкостей происходит под влиянием сжатого воздуха или газа из баллона (пульверизации).

В медицинской практике наибольшее распространение получили диспергационные аэрозоли жидких лекарственных веществ, меньшее — аэрозоли с твердой дисперсной фазой — лекарственные порошки. Конденсационные аэрозоли с лечебной целью практически не применяются.

Аэрозоли неустойчивы и не могут долго сохраняться. Разрушение аэрозолей происходит путем седиментации (оседания), слипания (коагуляции), диффузии и испарения частиц (в случае наличия летучих веществ). На аэрозоль оказывают влияние метод получения, гомогенность среды, размер частиц, их концентрация, температура, физические и химические свойства газовой дисперсной фазы, воздушные потоки, электрические заряды. В аэрозолях отмечается постоянный процесс слипания частиц между собой в силу их турбулентности и броуновского движения.

В зависимости от размеров частиц различают:

  • 1) пыль (r= 10 мкм);

  • 2) облака (r<10—0,1 мкм);

  • 3) дымы (r = 0,1—0,001 мкм).

Последние по своим размерам близки к молекулам и находятся в броуновском движении, благодаря которому вероятность столкновения частиц велика; они коагулируют, приобретают большой размер и оседают. Чем выше степень дисперсности аэрозоля и больше число частиц в единице объема, тем быстрее идет коагуляция с последующим осаждением.

Установлено, что глубина проникновения частиц в легкие зависит от их размеров. Чем больше размеры частиц аэрозоля, тем менее глубоко они проникают в дыхательные пути, лучше оседают. Более мелкие частицы хотя и глубже проникают в дыхательные пути, но во время выдоха значительное их количество удаляется из бронхов и легких. Частицы размером более 50 мкм задерживаются в ротовой и носовой части глотки.

Осаждение аэрозоля в дыхательных путях и легких зависит не только от размера частиц, но и калибра бронхов. Частицы размером до 5 мкм способны проникать в альвеолы и задерживаться в них. Частицы величиной 10 мкм и более задерживаются в верхних и средних дыхательных путях и альвеол не достигают.



На глубину проникновения и оседание аэрозолей в легких влияет также режим дыхания. При частом поверхностном дыхании лишь незначительная часть вдыхаемого воздуха достигает альвеол, тогда как при глубоком медленном дыхании объем вентилируемого воздуха возрастает. Следовательно, вдыхаемый человеком аэрозоль проникает в альвеолы тем интенсивнее, чем глубже дыхание.

Осаждение аэрозоля в дыхательных путях и легких происходит тремя путями: путем инерционного столкновения (ударении частиц о стенки дыхательных путей), седиментации (осаждение под действием силы тяжести) и броуновского движения, или диффузии. В дыхательных путях воздух движется с большой скоростью и, следуя за потоком воздуха, частицы аэрозоля в силу своей инерции стремятся продлить свое первоначальное направление, но на изгибах дыхательных путей, образуемых носовыми раковинами, носоглоткой, миндалинами, мягким нёбом, надгортанником, голосовыми связками, в области бифуркации трахеи и бронхов ударяются о стенку и прилипают к слизистой оболочке. Такое инерционное осаждение аэрозоля характерно для частиц размером более 5 мкм.

Седиментационное осаждение аэрозольных частиц обусловлено действием на них силы тяжести. Частицы, коснувшиеся стенок дыхательных путей, прилипают к ним. С увеличением размера частиц процесс седиментации ускоряется, то есть в большей степени частицы аэрозоля осаждаются в дыхательных путях. Частицы размером более 10 мкм частично оседают в полостях рта и носа.

Путем диффузии и броуновского движения осаждаются частицы размером менее 5 мкм.

Диффузия частиц аэрозоля основана на случайном столкновении их с поверхностью альвеолы. Оседание частиц вследствие диффузии обусловлено невысокими скоростями потока воздуха и поэтому происходит только в альвеолах. Общее поперечное сечение разветвлений бронхиального дерева на уровне респираторных бронхиол составляет около 1 м2, а поперечное сечение трахеи и главных бронхов — 3 см2. Соответственно в респираторных бронхиолах и альвеолах скорость потока воздуха снижается. Диффузионное осаждение более выражено при частицах размером до 2 мкм, а инерционное и седиментационное — при величине аэрозольной частицы более 4 мкм.

На степень задержки аэрозоля влияет его плотность, форма и размер частиц, электрический заряд, гигроскопичность, характер дыхания, проходимость бронхов. Гигроскопические частицы в условиях высокой влажности в бронхах (99,6 %) могут конденсироваться (образовывать более крупные частицы) и тем самым не проникать в альвеолы. При медленном и глубоком дыхании с задержкой выдоха больше аэрозоля задерживается в терминальных бронхиолах и альвеолах. Если задержать выдох на несколько секунд, процент осаждения частиц аэрозоля в легких заметно возрастает.

Спазм бронхиол, наличие слизи, отечность слизистой оболочки, создавая турбулентность потока вдыхаемого воздуха, затрудняют проникновение аэрозольных частиц в альвеолы. Естественно, что чем ниже скорость потока воздуха, тем более благоприятные условия для осаждения.

Все вдыхаемые частицы с диаметром, превышающим 4 мкм, задерживаются в дыхательных путях. Чем глубже вдох, тем дальше смещается граница стопроцентного отложения маленьких частиц. Чем меньше диаметр частицы, тем больше их содержание в выдыхаемом воздухе.

Униполярно заряженные частицы аэрозоля обладают более высокой проникающей способностью в органы дыхания, чем нейтральные. Наиболее глубоко проникают и полно осаждаются частицы с отрицательным зарядом.

Известно, что крупные частицы, осевшие в верхних дыхательных путях, относительно быстро удаляются мерцательным эпителием и легко откашливаются. Мелкие частицы, попавшие в альвеолы, всасываются в лимфатические сосуды и с током лимфы попадают в лимфатические узлы. Учитывая данное обстоятельство, путем выбора частиц различного диаметра можно целенаправленно установить их место осаждения в дыхательных путях, а следовательно, использовать такие аппараты, которые соответствовали бы этим требованиям.

При заболеваниях верхних отделов органов дыхания следует назначать аэрозоли низкодисперсные, а для лечения средних и нижних отделов дыхательных путей — высокодисперсные.

Для изучения осаждения аэрозолей в органах дыхания используют радионуклидные методы исследования путем вдыхания аэрозолей меченных 131I, 99Тс или 198Au. По данным ряда авторов, границы нижних дыхательных путей достигает от 13 до 25 % радиоактивных аэрозолей с диаметром частиц до 2 мкм и 1—2 % частиц размером больше 5 мкм .

Результаты радионуклидного исследования с использованием 198Au показали, что поступление и распределение аэрозолей в организме зависит от вида ингалятора. Проникновение и осаждение аэрозолей, полученных с помощью ультразвукового генератора, достигает 65 %, то есть в 3 раза превосходит аналогичные критерии, присущие аэрозолям, вырабатываемым пневматическим аппаратом (22%). Накопление ультразвуковых аэрозолей значительно выше как в зоне поражения (3,4%), так и в здоровой ткани легких (12,3 %) по сравнению с сопловыми аэрозолями (1,4 % и 3,2% соответственно). Потери ингалируемого вещества с выдыхаемым воздухом на пневматическом аппарате в 2,5 раза выше (51 %), чем на ультразвуковом аппарате (22 %).

К. И. Малиновская (1977), а также А. И. Ершов и соавторы (1980) в эксперименте на животных и в клинике установили, что радиоактивные частицы длительно находятся на поверхности легких (через 1 ч — 60%, через 24 ч — 38—55 %). Перенос аэрозоля к областям, покрытым реснитчатым эпителием, растворение и всасывание в кровеносной и лимфатической системах происходит медленно. На поверхности альвеол или в межуточной ткани легкого радиоактивные частицы находятся в свободном или фагоцитированном состоянии.

Весовую концентрацию, или плотность, аэрозоля определяют путем пропускания его через различные фильтры.

Фильтры взвешивают до и после исследования и по разнице рассчитывают весовую концентрацию на определенный объем воздуха.

Для определения спектра частиц и плотности аэрозоля применяют различные методы. Практическое использование получил метод микроскопии предметных стекол с нанесенным на них аэрозолем. Чтобы избежать растекания капли аэрозоля по стеклу или коагуляции нескольких частиц, предметное стекло покрывают тонким слоем касторового масла или вазелина. Предметные стекла помещают на 1—2 ч в исследуемую атмосферу или специальную ловушку, в которую набирают пробу. После этого с помощью микроскопа подсчитывают количество капель, осевших на 1 см2 поверхности стекла и их размеры. Зная объем ловушки, определяют количество капель в единице объема аэрозоля, то есть его плотность, а также средний диаметр частиц и распределение их по размерам.



Более точным является поточный метод ультрамикроскопического изучения частичных концентраций аэрозоля, предложенный Б. В. Дерягиным и Г. А. Власенко (1944). Суть метода заключается в том, что движущиеся в потоке воздуха частицы при попадании в узкий пучок света дают «вспышки», регистрируемые под микроскопом. Если известен объем проходящего аэрозоля, площадь поля зрения микроскопа и количество частиц, можно определить плотность (число частиц) в единице объема воздуха. Чтобы узнать размер частиц, подсчитывают их число при разной интенсивности освещения.

Фотометрический метод измерения плотности аэрозоля заключается в том, что аэрозоль пропускают через измерительную камеру, которая просвечивается источником света (измеряют или проходящий, или рассеянный свет). Если измеряют проходящий свет, то при этом отмечается ослабление освещения, так как прозрачные частицы аэрозоля рассеивают луч света на черные стенки измерительной камеры, где он поглощается. С помощью объектива, а также бленды перед фотоприемником поле зрения его максимально суживают и изучают только излучение, проникающее от направления источника света.

В тех случаях, если измеряют рассеянный свет, аппарат, используемый в этих целях, регистрирует в основном луч, исходящий из аэрозоля большого объема. Следовательно, с его помощью можно определить минимальные концентрации частиц объемом до нескольких миллиграммов на 1 м3. Они называются нефелометрами.

Нефелометрический метод определения концентрации частиц основан на том, что аэрозоль, протекающий через камеру, освещается лампой-вспышкой. Рассеянный свет регистрируют с помощью фотоэлемента, поле зрения которого ограничивают блендами.

Концентрацию аэрозоля можно также определить по формуле: К=С/а*б где К — концентрация лекарства в 1 л воздуха; С — концентрация лекарства в 1 мл ингалируемого раствора; а — количество воздуха в 1 л, проходящее через распылитель в течение 1 мин; б — время превращения 1 мл данного раствора в аэрозоль.

Например: в 1 мл раствора содержится 100 мг стрептомицина. Это количество было превращено в аэрозоль в течение 1 мин. За это время через распылитель прошло 20 л воздуха. Делим 100 мг стрептомицина на 20 л и узнаем, что в 1 л воздуха содержится 5 мг препарата.

Широкое использование аэрозолей в лечебной практике требует от врача знаний физико-химических свойств аэрозолей: оценки дисперсности, осаждения и дозиметрии лекарственных веществ.