Ультразвук. Применение ультразвука в фармации

Ультразвук. Применение ультразвука в фармации.

Ультразвук - упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Конечно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно

Хотя о существовании ультразвука  известно давно, его практическое использование  достаточно молодо. В наше время  ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.

Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако, некоторые животные, например, летучие мыши, могут воспринимать и издавать ультразвук. Частично воспринимают ультразвук грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Ультразвуковые колебания возникают при работе моторов автомобилей, станков и ракетных двигателей. В практике для получения ультразвука обычно применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на способности некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного (магнитострикционные генераторы) или электрического поля (пьезоэлектрические генераторы), издавая при этом звуки высокой частоты. Через большую частоту (малой длины волны) ультразвук обладает особыми свойствами.

В фармации ультразвук находит применение в экстракции, при растворении, получении эмульсий, суспензий, изготовлении микрогранул, стерилизации и фоно-форезе, производстве ампул, т.е. там, где ультразвук непосредственно контактирует через жидкую фазу с молекулой вещества, Учитывая это, ряд авторов определяли устойчивость лекарственных средств к воздействию частотных колебаний. Химическая стабильность молекул определялась путем сравнения ИК-, УФ-спектров озвученных и исходных образцов. 
Следует отметить, что ультразвук — не единственный источник образования механохимических реакций. Обычные стадии измельчения, перемешивания, растворения и т.д., широко применяемые в фармации, могут привести к первичным химическим изменениям. Поэтому, рассматривая ультразвук как фактор воздействия на среду, нельзя приписывать ему все изменения, происходящие с молекулой вещества. 
Любой технологический процесс находит широкое применение в фармации, если он не нарушает химической устойчивости лекарственных веществ. С этой точки зрения ультразвуковые волны весьма специфичны.Одни препараты под их действием теряют свои свойства, другие остаются нейтральными, третьи, наоборот, становятся терапевтически более активными. Как уже отмечалось, ультразвук, проходя через любую среду, создает в ней при обычных условиях знакопеременное давление. В результате молекулы растворителя, лекарственные вещества, различные частицы и включения, находящиеся в жидкости, должны с частотой волны повторить ее движение. Большинство лекарственных веществ — это конфигурационно сложные микрообъекты, состоящие из волнообразных цепочек, колец, радикалов. 

Многие антибиотики под влиянием ультразвука даже увеличивают свою антибактериальную активность: бензилпенициллин, стрептомицин, тетрациклин, мономицин и др.

1. Общее понятие ультразвука

Генерация ультразвуковых волн. Ультразвук можно получить от механических, электромагнитных и тепловых источников. Механическими излучателями обычно служат разного рода сирены прерывистого действия. В воздух они испускают колебания мощностью до нескольких киловатт на частотах до 40 кГц. Ультразвуковые волны в жидкостях и твердых телах обычно нарушают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.

Магнитострикционные преобразователи. Эти устройства преобразуют энергию  магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую) энергию. Их действие основано на магнитоупругому эффекте, то есть на том, что некоторые металлы (железо, никель, кобальт) и их сплавы деформируются в магнитном поле. Ярко выраженными магнитоупругимы свойствами обладают и ферриты (материалы, спикаючи из смеси окиси железа с окислами никеля, меди, кобальта и других металлов). Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердом или жидком среде, с которой он сталкивается, волны ультразвука той же частоты. Обычно такие преобразователи работают на собственной частоте механических колебаний, поскольку на ней наиболее эффективное преобразование энергии из одной формы в другую. Магнитострикционные преобразователи из тонкого листового металла работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (от 20 до 50 кГц), на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД.

Пьезоэлектрические преобразователи  преобразуют электрическую энергию  в энергию ультразвука. Действие их основано на обратный пьезоэлектрический эффект, проявляющийся в деформациях некоторых кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Этот эффект хорошо проявляется у природного или искусственно выращенного монокристалла кварца или сегнетовой соли, а также в некоторых керамических материалов (например, в титаната бария). Переменное электрическое поле частоты желаемого ультразвука подается через напыленные металлические электроды, расположенные на противоположных гранях образца, вырезанного определенным образом с пьезоелектрика. При этом возникают механические колебания, которые и распространяются в виде ультразвука в смежном жидком или твердотельном среде. Пьезоэлектрические преобразователи в виде тонких кристаллических пластинок могут излучать мощные ультразвуковые волны частотой до 1 МГц (в лабораторных условиях получены частоты до 1000 МГц). Длина ультразвуковой волны (обратно пропорциональна частоте) очень мала, поэтому с таких волн, как и из световых, можно формировать узько направленные пучки. Достоинство керамических пьезоелектрикив заключается в том, что из них можно отливать, прессовать или получать выдавливанием преобразователи разных размеров и форм. Такой преобразователь, выполненный в виде чаши сферического контура, способен сфокусировать ультразвуковое излучение в малую пятно очень большой интенсивности. Ультразвуковые линзы фокусируют звуковые волны так же, как лупы фокусируют свет.

Ультразвук - это колебания с частотами, большими 20000Гц. Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне порядка нескольких МГц. Фокусировка таких пучков обычно осуществляется с помощью линз и зеркал. Ультразвуковой пучок с необходимыми параметрами можно получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространенные керамические преобразователи из титаната бария.

В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового  пучка, обычно используются механические источники. Сначала все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

Свисток Гальтона.

Первый ультразвуковой свисток  сделал в 1883 году англичанин Гальтон.

Ультразвуковой свисток  Гальтона с резонансной полостью

1 - краткое

2 - цилиндровый поршень

3 - кольцевое сопло

4 - резонансная  область

5 - опорная стойка.

Ультразвук здесь создается  подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток  воздуха. Роль такого острия в свистке  Гальтона выполняет "губа" в маленькой  цилиндрической резонансной полости. Газ пропускается под высоким  давлением через полый цилиндр, ударяется об эту "губу"; возникают колебания, частота которых (она составляет около 170 кГц) определяется размерами и губы. Мощность свистка Гальтона невелика. В основном его применяют для подачи команд при дрессировке собак.

Жидкостный ультразвуковой свисток.

Большинство ультразвуковых свистков можно приспособить для работы в  жидкой среде. По сравнению с электрическими источниками ультразвука жидкостные ультразвуковые свистки маломощные, но иногда, например, для ультразвуковой гомогенизации, они обладают существенным преимуществом. Поскольку ультразвуковые волны возникают непосредственно в жидкой среде, то не происходит потери энергии ультразвуковых волн при переходе из одной среды в другую. Пожалуй, самой удачной является конструкция жидкостного ультразвукового свистка, изготовленного английскими учеными Коттелем и Гудменом в начале 50-х годов 20 века. В нем поток жидкости под исходит из эллиптического сопла и направляется на стальную пластинку.

Различные модификации этой конструкции  получили довольно широкое распространение для получения однородных сред. Благодаря простоте и устойчивости своей конструкции (разрушается пластинка, только колеблется) такие системы долговечны и недороги.

Сирена.

Другая разновидность механических источников ультразвука - сирена. Она обладает относительно большой мощностью и применяется в милицейских и пожарных машинах. Все ротационные сирены состоят из камеры, закрытой сверху диском (статором), в котором сделано большое количество отверстий. Столько же отверстий имеется и на диске, вращающемся внутри камеры, - роторе. При вращении ротора положение отверстий в нем периодически совпадает с положением отверстий на статоре. В камеру непрерывно подается сжатый воздух, который вырывается из нее в те короткие мгновения, когда отверстия на роторе и статоре совпадают.

Поперечное сечение ультразвуковой сирены:

1 – мотор

2 - ротор

3 - статор

4 - камера

5 - отверстие

6 - входное отверстие для подачи  в камеру воздуха.

Основная задача при изготовлении сирен - это, во-первых, сделать как можно больше отверстий в роторе и, во-вторых, достичь большой скорости его вращения. Однако, практически выполнить оба эти требования очень трудно.

2. Использование ультразвука  в фармации

Вэльмы эффективными в производстве суспензий являются устройства для ультразвукового диспергыровання.

Механизм действия ультразвука  на дисперсную фазу заключается в  том, что при воздействии ультразвука  на гетерогенную систему на границе  раздела фаз возникают зоны сжатия и разрежения, которые, в свою очередь, создают давление. Избыточное давление, создаваемое ультразвуковой волной, накладывается на постоянный гидростатическое давление и суммарно может составлять несколько атмосфер. В фазу разрежения во всем объеме жидкости, особенно у границ раздела фаз, в местах, где есть пузыри газа и мельчайшие твердые частицы, образуются полости (кавитационные пузыри).

При повторном сжатии кавитационные  пузыри закрываются, развивая давление до сотен атмосфер. Образуется ударная  волна высокой интенсивности, которая  приводит к механическому разрушению твердых частиц. При ультразвуковом диспергировании может происходить не только диспергирования частиц, но и их коагуляция, что связано с разрушением сольватных оболочки на частицах дисперсной фазы. С введением стабилизаторов эффективность действия ультразвука резко возрастает, повышается степень дисперсности.

Для получения ультразвуковых волн используют различные аппараты и  установки, генерирующие ультразвуковые колебания. Источниками ультразвукового  излучения могут быть механические и электромеханические (электродинамические, магнитострикционные и електрострикцийни) излучатели.

К механическим источников ультразвука  относится жидкостной свисток. Принцип  его работы заключается в следующем: струя жидкости подается под давлением  через сопло на острие закрепленной в двух местах пластинки; под ударом струи жидкости пластинка колеблется, излучая два пучка ультразвука, направлены перпендикулярно к ее поверхности. Частота колебаний, возбуждаемых излучателем, составляет около 30 кГц. Жидкостной свисток используется, в основном, для получения эмульсий, при этом как жидкость используется непосредственно дисперсионная среда и дисперсная фаза.

К электродинамических излучателей  относится высокочастотный ротационный  аппарат, построенный по типу турбинной  мешалки. Возбуждающий им ультразвук имеет низкую интенсивность. Магнитострикционные излучатели являются вибрационными устройствами, состоящие из магнитопровода (металлического стержня) с обмоткой, вмонтированного в сосуд с диспергирующим средой.

Магнитопровод изготавливают из ферромагнитных металлов, различных сплавов и других материалов, способных менять линейные размеры при намагничивании.

Такими свойствами обладают никель, железо, кобальт, нержавеющая сталь, сплавы в системах железо-никель, железо-кобальт и др.. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод изготавливают из тонких изолированных друг от друга пластин толщиной 0,1-0,3 мм, покрыты никелем. Чтобы избежать повышения температуры при работе магнитостриктора внутри металлического стержня оставляют узкий канал, через который для его охлаждения циркулирует холодная вода. При пропускании по обмотке переменного тока соответствующей частоты возникает магнитное поле и происходит деформация магнитопровода по его продольной оси. Образуются ультразвуковые колебания, размах которых увеличивается, когда излучатель работает в условиях резонанса возбуждаемых частот и собственных колебаний стержня.

Електрострикционние (пьезоэлектрические) излучатели являются устройствами, действие которых основано на пьезоэлектрическом эффекте, используются при получении ультразвука высокой частоты, от 100 до 500 кГц. Пьезоелементами служат пластинки, изготовленные из кварца или других кристаллов колеблются по толщине. Эти пластинки имеют прямоугольную форму, размер их не менее 10х15х1 мм3. Одна из граней пластинки должна быть параллель оптической оси кристалла, другая - одной из его электрических осей. Для создания резонанса частот пластинка с обеих сторон обеспечивается металлическими обкладками. При сжатии или растяжении таких пластинок вдоль электрической оси, на их поверхности возникают противоположные электрические заряды. Это явление называется пьезоэффектом. При наложении электрического поля пластинка испытывает деформацию растяжения (при положительном заряде), т.е. в переменном электрическом поле пьезокварцевых пластинка совершает резонансные колебания (обратный пьезоэлектрический эффект). Для повышения интенсивности излучателя изменяют форму пластинки и применяют вогнутые, сферические и цилиндрические излучатели.

Пьезоэлектрический элемент устанавливается в масляной бане на специальном механизме, поскольку масло выполняет роль изолирующего агента и является хорошим проводником акустической энергии. Над ним на расстоянии около 5 мм закрепляется сосуд с диспергирующими веществами. В пьезоэлемент (металлическим обложением пластины) проводится источник переменного тока высокой частоты через газотронний выпрямитель и генератор, чтобы направление тока совпало с электрической осью элемента. Чередующиеся сжатия и разрежения в масле от пьезоэлемента передаются стенки сосуда в диспергирующую систему. Для предохранения от перегрева содержимого сосуда вокруг него размещают змеевик для пропускания холодной воды.