Инфракрасное облучение: Инфракрасное облучение (соллюкс)

Инфракрасное облучение (соллюкс)

Инфракрасное облучение – это тепловая процедура, применяемая для воздействия на воспаленные участки. Световые лучи инфракрасного спектра, испускаемые лампой «Соллюкс», проникают в тело на глубину 2-3 см, передавая тканям тепловую энергию.

Под воздействием сухого тепла ускоряются обменные процессы, расширяются сосуды микроциркуляторного русла, вследствие чего улучшается тканевое питание и удаление продуктов воспаления. Прогревание очага воспаления привлекает сюда иммунные клетки, что ускоряет процесс его заживления. Усиливается локальное потоотделение, что уменьшает отечность воспаленной области, но между лампой и кожей циркулирует воздух, поэтому дискомфорта от повышения потоотделения не ощущается. Происходит блокада нервных окончаний, по которым приходит ощущение боли. А вследствие влияния на термочувствительные нервные волокна происходит воздействие на те внутренние органы, которые рефлекторно связаны с облучаемой областью.

Инфракрасное облучение лампой «Соллюкс» показано при лечении:

• хронических негнойных воспалений внутренних органов: бронхов, печени, половых органов, легких, мочевыводящих путей;
• хронических синуситов;
• невритов;
• плохо заживающих ожогов, ран, язв, отморожений;
• миозитов;
• невралгий;
• последствий травм опорно-двигательного аппарата;
• миозитов;
• контрактур;
• любалгии;
• радикулитов.

Противопоказана процедура при острых воспалительных и гнойных заболеваниях кожи и внутренних органов, нарушениях кровообращения мозга, онкопатологии, сердечной недостаточности, атеросклерозе, туберкулезе, гипертонической болезни, а также нарушениях свертывания крови.

Адрес санатория:
Россия, Ставропольский край, г. Кисловодск, ул. Кирова, д.12
Отдел реализации путевок (г. Кисловодск):
Тел: 8 (800) 250-60-63

e-mail: [email protected]

Посмотреть на карте

Инфракрасное излучение, вред или польза

Излучение, примыкающее к красной части видимого спектра, не воспринимаемое нашими органами зрения, но обладающее способностью нагревать освещаемые поверхности, было названо инфракрасным. Приставка «инфра» означает «больше». В нашем случае — это электромагнитные лучи с длиной волны большей, чем у видимого красного света.

Что является источником инфракрасного излучения

Его естественным источником является Солнце. Диапазон инфракрасных лучей достаточно широк. Это волны с длиной от 7 и до 14 микрометра (мкм). Частичное поглощение и рассеяние инфракрасных лучей происходит в атмосфере Земли.

О масштабах инфракрасного солнечного излучения говорит тот факт, что на него приходится 58% всего спектра электромагнитных волн, исходящих от нашего светила.

Такой, достаточно широкий диапазон ИК лучей делят на три части:

длинные волны, излучаемые нагревателем с температурой от 35 до 300 °C;

средние — от 300 до 700 °C;

короткие — более 700 °C.

Все они излучаются возбуждёнными атомами (т. е. обладающими избыточной энергией), а также ионами вещества. Источником ИК излучения являются все тела, если их температура выше абсолютного нуля (минус 273 °C).

Итак, в зависимости от температуры излучателя формируются ИК лучи разной длины волны, интенсивности и проникающей способности. А от этого и зависит, как инфракрасное излучение воздействует на живой организм.

 Польза и вред ИК излучения для здоровья человека

Ответить на вопрос — вредно ли для человека инфракрасное излучение, можно, вооружившись некоторыми сведениями.

Длинноволновые ИК лучи, попадая на кожу, воздействует на нервные рецепторы, вызывая ощущение тепла. Поэтому инфракрасное излучение ещё называют тепловым.

Более 90% этого излучения поглощается влагой, содержащейся в верхних слоях кожи. Оно вызывает лишь повышение температуру кожного покрова. Медицинские исследования показали, что длинноволновое излучение не только безопасно для человека, но и повышает иммунитет, запускает механизм регенерации и оздоровления многих органов и систем. Особенно эффективными в этом отношении являются ИК лучи с длиной волны 9,6 мкм. Этими обстоятельствами обусловлено применение инфракрасного излучения в медицине.

Совсем иной механизм воздействия инфракрасных лучей на организм человека, относящегося коротковолновой части спектра. Они способны проникнуть на глубину нескольких сантиметров, вызывая нагревание внутренних органов.

В месте облучения из-за расширения капилляров может появиться покраснение кожи, вплоть до образования волдырей. Особенно опасны короткие ИК лучи для органов зрения. Они могут спровоцировать образования катаракты, нарушения водно-солевого баланса, появления судорог.

Причиной известного эффекта теплового удара служит именно коротковолновое ИК излучение. Повышение температуры головного мозга на 1 °C уже вызывает его признаки:

головокружение;

тошноту;

учащение пульса;

потемнение в глазах.

Перегревание на 2 °C может спровоцировать развитие менингита.

Теперь разберёмся с понятием интенсивности электромагнитного излучения. Этот фактор зависит от расстояния до источника тепла и его температуры. Длинноволновое тепловое излучение малой интенсивности играет важную роль для развития жизни на планете. Человеческий организм нуждается в постоянной подпитке этими длинами волн.

Таким образом, вред и польза инфракрасного излучения определяется длиной волны и временем воздействия.

Как избежать вредного воздействия ИК лучей

Обогреватели — источники ИК излучения.

Поскольку мы определились, что негативное влияние на человеческий организм оказывает коротковолновое ИК излучение, выясним, где нас может подстерегать эта опасность. Прежде всего это тела с температурой, превышающей 100 °C. Такими, могут явиться следующие. Производственные источники лучистой энергии (сталеплавильные, электродуговые печи и пр.) Снижение опасности их воздействия достигается специальной защитной одеждой, теплозащитными экранами, применением более новых технологий, а также лечебно-профилактическими мероприятиями для обслуживающего персонала.

Обогреватели. Самым надёжным и проверенным из них является русская печь. Излучаемое ею тепло не только чрезвычайно приятно, но и целебно. К великому сожалению эта деталь быта почти полностью канула в Лету. На смену ей пришли все возможные электрические обогреватели, водяные инфракрасные панели и тд. Те из них, чья тепловыделяющая поверхность защищена теплоизолирующим материалом или температура поверхности излучения ниже 100°C, излучают мягкое длинноволновое излучение. Оно оказывает благотворное влияние на организм. Обогреватели с поверхностью излучения выше 100°C излучают жёсткое, коротковолновое излучение, которое и может привести к описанным выше негативным последствиям. В техническом паспорте обогревателя производитель обязан указать характер излучения этого прибора.

Коротковолновый обогреватель.

Если же вы стали обладателем коротковолнового обогревателя, соблюдайте правило — чем ближе обогреватель, тем меньшим должно быть время его воздействия!!!

Лечение лор органов методом инфракрасного облучения в Одессе

ИКО – безопасное облучение

Благоприятное воздействие происходит за счет способности лучей определенного спектра подавлять развитие патогенной микрофлоры, улучшать кровоток и обмен веществ в тканях, активизировать иммунную систему.

Растущий объем клинических исследований подтвердил полезность использования данного метода в качестве неинвазивной медицинской оздоровительной терапии. Инфракрасное излучение оказывает сильное противовоспалительное действие и обеспечивает клеточную защиту от окислительного стресса, уничтожает бактерии, грибки и вирусы, что делает его незаменимым помощником при комплексном решении проблем с ЛОР-органами.

Что из себя представляет инфракрасная терапия небных миндалин и глотки

В современной медицине для лечения острых и хронических воспалительных процессов часто используются антибактериальные препараты. Однако они оказывают влияние не только на очаг воспаления, но и на весь человеческий организм. Снижается иммунитет, гибнет полезная микрофлора. При устойчивости патогенных микробов к данным лекарственным препаратам нередко возникают осложнения – ототоксичность, аллергические реакции, кардио-, гепато-, нефротоксичность и другие неприятные последствия.

Осложнения возникают на фоне того, что продукты жизнедеятельности болезнетворных микробов попадают в кровь и разносятся по всем органам, отравляя организм. Именно это приводит к боли в мышцах, излишней утомляемости, повышению температуры тела, воспалительным процессам.

Наиболее распространенные возбудители болезней дыхательных путей – стафилококки. Было проведено немало исследований, подтверждающих хороший результат использования лучей дальнего спектра для гибели микроорганизмов и патологически измененных тканей без вредных последствий для человека.

Амбулаторное лечение хронического тонзиллита в ЛОРИКЕ в обязательном порядке начинается с промывания лакун небных миндалин антисептическим раствором. После чего пациенту проводится инфракрасное облучение небных миндалин и задней стенки глотки. Оно позволяет охватить все слои ткани и усиливает лечебный антибактериальный эффект.

Важно отметить: предварительное промывание не используется при фарингите.

Когда необходимо ИКО при проблемах с небными миндалинами и глоткой

При хронических заболеваниях используются консервативные методы. Врачи клиники ЛОРИКА назначают комплексные процедуры для достижения максимальной эффективности. Определение типа болезнетворных микроорганизмов и их чувствительности к антибиотикам – обязательное условие качественной диагностики.

Помимо медикаментозного воздействия используются вспомогательные методы, такие как промывание лакун миндалин, полоскание горла и другие, подбираемые специалистом в каждом случае индивидуально.

ИКО оказывает не только противовоспалительное, гипосенсибилизирующее, анальгезирующее действие, но и иммуностимулирующее, за счет чего в короткие сроки достигается хороший результат, восстанавливается здоровье лакун.

Использование методики приветствуется на любом этапе заболевания, но в обязательном порядке назначается при хронических заболеваниях верхних дыхательных путей. Причем оно может выполняться как независимое лечение, так и в комплексной терапии с медикаментами.

Что такое инфракрасное излучение

Что же представляет собой инфракрасное излучение, где мы с ним сталкиваемся?

Солнечную энергию можно рассматривать как электромагнитное излучение, каждый участок которого имеет волну определенной длины. Электромагнитный спектр можно разбить на 4 диапазона: ультрафиолетовый (УФ) диапазон, диапазон видимого света, диапазон ближнего инфракрасного излучения, дальняя инфракрасная область.

УФ диапазон (длина волны 100—380 нм) является той частью спектра, из-за которой происходит выцветание салона автомобиля, а попадая на кожу, способствует ее загару. Не секрет, что чрезмерное действие может привести к проблемам со здоровьем. Около 3% солнечной энергии приходится на УФ диапазон.

Видимый свет (380—780 нм) — единственная часть спектра, которую может обнаружить наш глаз. Излучение в этом спектре происходит наиболее интенсивно и составляет 44% солнечной энергии.

Ближняя инфракрасная область (длина волн 0,7—200 мкм) представляет собой тепловое излучение. Она невидима для глаза, но ее можно почувствовать, как тепло. 53% солнечной энергии приходится на эту область.

Дальняя инфракрасная область (длина > 200 мкм) не содержится в солнечном спектре. Ее можно почувствовать, как тепло, исходящее от нагретых солнцем предметов.

Все предметы в той или иной степени испускают инфракрасное излучение, чем сильнее нагрет предмет, тем сильнее он излучает в инфракрасном диапазоне. Иначе инфракрасное излучение называют тепловым, оно воспринимается кожей как ощущение тепла, например, когда мы выходим на солнце или находимся у костра. Чем сильнее нагрето тело, тем короче длина волны инфракрасного излучения.

Существует три типа инфракрасных обогревателей, их различают по длине волны и степени нагрева излучающего элемента:

Длинноволновые — температура до 300°С, длина волны от 50 до 200 мкм:

Средневолновые — температура до 600°С, длина волны от 2.5 до 50 мкм;

 Коротковолновые — температура более 800°С, длина волны от 0.7 до 2.5 мкм.

В отличие от других видов излучений, например, рентгеновского, СВЧ и ультрафиолета, инфракрасное излучение нормальной интенсивности не оказывает негативного влияния на организм.

Глубина проникновения и соответственно прогрева организма инфракрасным излучением зависит от длины волны. Коротковолновое излучение способно проникать в организм на глубину нескольких сантиметров и нагревает внутренние органы, в то время как длинноволновое излучение задерживается влагой, содержащейся в тканях, и повышает температуру покровов тела. Особенно опасно воздействие интенсивного инфракрасного излучения на мозг — оно может вызвать тепловой удар.

В природе наиболее распространено инфракрасное излучение в интервале от 7 до 14 мкм, наиболее интенсивное излучение происходит на частоте около 10 мкм. Организм человека излучает в диапазоне 3-50 мкм, наиболее интенсивное излучение также около 10 мкм (конкретно 9.4 мкм). На этой же частоте происходит и наиболее интенсивное поглощение инфракрасного излучения организмом человека, и излучение этого диапазона проникает в организм глубже всего.

Опасность инфракрасного излучения зависит от его интенсивности. В нормальных условиях она не должна превышать 150 Вт/м². Также ограничивается температура нагретых поверхностей — если излучающий элемент имеет температуру до 100°С, поверхность предметов не должна быть теплее 35°С, если выше 100°С — не больше 45°. При высокой интенсивности излучения возможны ожоги.

В то же время медицинские исследования показывают, что инфракрасное излучение низкой интенсивности полезно для организма, усиливает иммунитет и соответственно уменьшает вероятность заболевания. Более того, оно используется в медицине для лечения множества заболеваний — список их достаточно обширен и постоянно пополняется. В физиотерапевтических кабинетах применяются аппараты, использующие в работе прогревание инфракрасным излучением.

Влияние длинноволнового инфракрасного излучения на организм человека

Стимуляция и улучшение кровообращения. При воздействии длинноволнового инфракрасного излучения на кожный покров происходит раздражение рецепторов кожи и, вследствие реакции гипоталамуса, расслабляются гладкие мышцы кровеносных сосудов, в результате сосуды расширяются.

Улучшение процессов метаболизма. При тепловом воздействии инфракрасного излучения стимулируется активность на клеточном уровне, улучшаются процессы нейрорегуляции и метаболизма.

Повышение иммунитета. Инфракрасное излучение положительно влияет на выработку макрофагоцитов и на процесс фагоцитоза, усиливает иммунитет на клеточном и жидкостном уровне. Кроме того, происходит стимуляция синтеза аминокислот, активных клеток, ускоряется производство питательных веществ и ферментов.

Обеззараживание бактерий и нейтрализация вредных веществ.

Уменьшение болевых ощущений. При прогревании ИК-теплом участков тела с воспалительными процессами снижается болевой сидром.

Результаты, достигаемые под воздействием длинноволновых инфракрасных лучей при инфракрасной терапии:

Нормализация артериального давления за счет регулярной стимуляции кровообращения.

Улучшение памяти

Улучшение мозгового кровообращения.

Способствуют очищению организма: выводятся токсины, разрушаются соли тяжелых металлов и выводятся с организма.

Нормализация гормонального фона, выработка гормонов: мелатонина, эндорфина.

Блокирует распространение вредных микробов и грибков в организме.

Восстанавливают водно-солевой баланс.

Согревают наше тело и поддерживают оптимальную температуру.

Уничтожают и подавляют рост раковых клеток, профилактика онкологических заболеваний.

Оказывают дезодорирующее, противоядное воздействие.

Обладают обезболивающим и противовоспалительным действием.

Положительно воздействуют на иммунную систему.

Виды ИК отопления

Делят нагревательные элементы ИК отопления по видам греющих элементов:

стальные

алюминиевые

карбоновые 

Принцип работы пленочного ИК отопления таков. Ток, проходя по дорожкам, преобразуется в тепло, которое и излучается в окружающую среду. С той стороны, которая обращена к потолку или полу, обычно находится экран, отражающий тепло в помещение. Пленки обычно прикрывают декоративным покрытием, которое нагревается от пленки и отдает тепло в обогреваемое помещение. 

Обогрев: инфракрасный обогрев и инфракрасные теплые полы.

Одним из самых эффективных является напольный инфракрасный обогрев (инфракрасные теплые полы). Его главным узлом является теплоизлучающий элемент — будь то карбоновое покрытие (пленочные теплые полы), карбоновые стержни (стержневые полы ― UNIMAT, RHE, EXCEL), стальные стержни (XBeamer, Eco Ondol), стальные элементы (ПЛЭН, Зебра).

Как известно, инфракрасное излучение не поглощается воздухом, однако хорошо поглощается предметами, находящимися в комнате, от чего происходит их нагрев, а уже они, в свою очередь, нагревают воздух. Причем нагрев происходит только в зоне, в которую попадает излучение ИК обогрева, что очень удобно — теплый пол можно, например, поставить под кроватью и включать на ночь в холод.

При работе инфракрасные теплые полы не создает подушки теплого воздуха под потолком помещения, что сплошь и рядом встречается у других обогревателей — под потолком жарко, у пола мороз. В комнате с высоким потолком инфракрасный теплый пол практически незаменим.

Инфракрасный обогрев абсолютно безопасен, если соблюдать правила обращения с ним. Вред инфракрасного обогрева в том, что он составляет конкуренцию другим категориям обогревателей.

Инфракрасный обогрев можно разделить по температуре теплоизлучающей поверхности.

У приборов (инфракрасные теплые полы) с температурой менее 60°С спектр излучения лежит в области около 9.4 мкм. Именно в этом диапазоне человеческое тело излучает наиболее интенсивно, а также он прогревает человеческое тело и часто используется в лечебных медицинских приборах. Помещение обогревается мягким инфракрасным светом, оно не создает потоков воздуха, низкая температура теплоизлучающей поверхности не приводит к выгоранию кислорода и сгоранию частиц пыли, нагреватель не создает неприятных запахов.

Приборы с температурой от 60 до 100 градусов очень эффективны экономически — их коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую составляет почти 100%. Эти приборы рекомендуется располагать повыше, поскольку случайно коснувшись прибора, можно обжечься.

Приборы с температурой от 100 до 300 градусов располагают как правило под потолком, есть также вариант для установки над окнами, в этом случае они хорошо защищают от холода и сквозняка.

Приборы с температурой более 300 градусов применяются для обогрева балконов, веранд, помещений с очень высокими потолками, на открытом воздухе. Например, установка такого обогревателя над крыльцом препятствует образованию льда — падающий на крыльцо снег быстро тает, а вода испаряется.

Для того, чтобы применение инфракрасных обогревателей было максимально комфортным, нужно учесть следующие вещи:

Медицинские показания и индивидуальная переносимость излучения;

Излучаемая длина волны должна быть как можно ближе к излучаемой человеческим телом;

Интенсивность излучения не должна превышать комфортного порога.

Эффективность применения Инфракрасных теплых полов.

Тепловая энергия, излучаемая нагревательным элементом в инфракрасном теплом полу, поглощается такими поверхностями и предметами, как пол, стены, мебель, предметы интерьера и т.д. Таким образом, сначала нагреваются пол, предметы и поверхности, а затем уже они начинают постепенно излучать вторичное тепло по всему помещению – как бы становясь отопительными приборами.

Это способствует правильному прогреву помещения: температура пола 25 ― 27 градусов, в районе 2 метров от пола 19 ― 18 градусов, под потолком 17 ― 18 градусов. А это, в свою очередь, дает возможность уменьшить среднюю температуру помещения на 5 ― 6 градусов  (по сравнению с традиционными системами отопления ― конвекторами и радиаторами). При обогреве теплыми полами средняя температура помещения 21-23 градуса,а при традиционном обогреве конвекторами, радиаторами или при потолочном обогреве средняя температура помещения 27 ― 28 градусов. Разница в 5 -6 градусов дает экономию по расходу энергии от 20 до 30 процентов и чем выше потолки, тем экономичнее теплые полы. Эта зависимость относится к любым видам теплых полов и без разницы какой энергоресурс мы используем. Если газ, то газа мы сжигаем на 20 ― 30 процентов меньше, если дрова или пелеты, то дров и пелет мы сжигаем на 20 ― 30 процентов меньше, ― уголь, отработка, диз. топливо всё экономится.

        Вывод: Расход любого энергоресурса для отопления помещения зависит: ― от средней температуры внутри помещения; ― температуры и ветра на улице; ― теплопроводности ограждающих конструкций (стены, потолки, кровля, перекрытия, фундамент, фасады, окна, двери и так далее), а при обогреве от теплых полов средняя температура помещения ниже ― вот отсюда и берется экономия.

Соответственно, уменьшаются затраты на обогрев и отопление. При этом, в силу того, что температура предметов всегда будет на 1-3°С выше температуры помещения, находящемуся в помещении человеку будет казаться, будто в помещении гораздо теплее, чем есть на самом деле.

Тепловая энергия теплого пола, без потерь, достигает поверхности напольного покрытия. Как правило, суммарная площадь поверхностей пола в десятки раз больше поверхностей теплоотдачи традиционных отопительных приборов. Поверхности предметов хорошо поглощают ИК – лучи, а это значит, что инфракрасный теплый пол обогреет предметы и людей в любом помещении приблизительно в 3-4 раза быстрее, чем традиционные системы отопления. ©

Нашли ошибки в этой информации, или можете чем дополнить ― свяжитесь с нами и мы вам подарим коврик для сушки обуви! ©

Что такое инфракрасное измерение температуры?

Вместе с временем температура является наиболее часто измеряемой физической величиной. Инфракрасные приборы измерения температуры определяют по испускаемому измеряемым объектом инфракрасному излучению с помощью законов излучения Планка и Больцмана его температуру без прикосновения к нему. Как же именно работает принцип бесконтактного измерения температуры и, следовательно, пирометр или инфракрасный термометр?

Так работает инфракрасное измерение температуры

Если объект имеет температуру выше абсолютной нулевой точки 0 K (–273,15 °C), то он испускает пропорциональное своей собственной температуре электромагнитное излучение. Часть посланного излучения представляет собой инфракрасное излучение, которое применяется для бесконтактного измерения температуры. Испускаемое объектом инфракрасное излучение проходит сквозь атмосферу и может с помощью линзы или входной оптики фокусироваться на элемент детектора. Вследствие попадания излучения элемент детектора создаёт пропорциональный ему электрический сигнал. Преобразование сигнала в пропорциональную температуре объекта выходную величину осуществляется посредством усиления сигнала и последующей цифровой обработки. Измеряемая величина может отображаться на дисплее или выдаваться в качестве сигнала.

Коэффициент излучения

Коэффициент излучения ε (эпсилон) имеет основное значение при измерении температуры с использованием излучения. Коэффициент излучения указывает на соотношение между реальной величиной излучения какого-нибудь тела и величиной излучения чёрного излучателя при одинаковой температуре. Для чёрного излучателя это соотношение составляет максимум 1. В реальности едва ли тело соответствует идеалу чёрного излучателя. На практике для калибрования датчиков используются поверхности излучателя, которые в требуемом диапазоне длин волн достигают коэффициенты излучения до 0,99.

Многие измеряемые поверхности имеют постоянный коэффициент излучения выше длин волн, но испускают по сравнению с чёрными телами меньше излучения. Они называются серыми излучателями. Объекты, чьи коэффициенты излучения среди прочего зависят от коэффициента излучения и длины волны, например, металлы, называются селективными излучателями. Недостающая доля излучения в обоих случаях компенсируется указанием коэффициента излучения. В отношении селективных излучателей следует всё же обращать внимание на то, в каком диапазоне длин волн проводится измерение (для металлов, например, с максимально короткой длиной волны).

Принцип работы пирометров

Пирометр или инфракрасный датчик помимо излучения, испускаемого с поверхности объекта, принимает ещё и отражающее излучение из окружающего пространства и при определённых условиях пропускаемое сквозь тело инфракрасное излучение. 

Станьте экспертом инфракрасного измерения температуры

Фирма Optris GmbH регулярно проводит бесплатные практические семинары по инфракрасному излучению в различных городах. Зарегистрируйтесь прямо сейчас и узнайте больше о бесконтактной технологии измерения температуры и принципах работы инфракрасных термометров и тепловизоров.

Обратите также внимание на наши специальные статьи. Здесь вы сможете найти помимо статей по конкретным случаям применения и другие статьи по принципам работы наших изделий, например, статью «Как работает тепловизор?»

Инфракрасное длинноволновое излучение — вред или польза

Вредно ли использование инфракрасных отопительных систем?

     Инфракрасное излучение ― это излучение тепла, способ теплообмена.  Теплообмен — процесс  переноса теплоты от одного тела к другому . Теплообмен всегда происходит по  направлению: от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. Теплообмен может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и инфракрасным излучением. Теплопроводность — передача  внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. Конвекция —  теплопередача, осуществляемая путём переноса энергии потоками  газа (воздуха) или жидкости. Инфракрасное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое за счёт внутренней энергии телом, находящимся при определённой температуре. Все нагретые в той или иной степени тела, излучают инфракрасные лучи. И организм человека, не является  исключением. Чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. При этом энергия частично поглощается этими телами, а частично отражается.

     Инфракрасное излучение  занимает спектральную область между красным концом видимого излучения  и микроволнами.

     В отличие от рентгеновских, ультрафиолетовых или СВЧ инфракрасные лучи абсолютно безопасны для организма человека в диапазоне излучения тела самого человека.

     Диапазон излучения тела человека от 6 до 20 мкм. Поэтому любое внешнее излучение с такими длинами волн наш организм воспринимает, как своё собственное и интенсивно поглощает его. Организм получает при этом улучшение микроциркуляции крови, повышается скорость окислительно-восстановительных процессов. Человек ощущает улучшение самочувствия, снимается усталость.

     Самый известный естественный источник инфракрасных лучей на нашей Земле ― это Солнце. Солнце находится на расстоянии многих миллионов километров (около 150 млн. км.) И, поскольку его орбита имеет форму эллипса, расстояние до Земли переменное. Однако, это не мешает Солнцу передавать энергию через все это громадное пространство, практически не расходуя энергию, не нагревая пространство. Вместо этого нагревается непосредственно Земля, на которую попадают солнечные лучи, и уже земля и другие нагретые Солнцем предметы нагревают воздух.

     А самый известный искусственный источник длинноволновых инфракрасных лучей ― это русская печь, тепло от которой обогревало весь дом. И как мягкое природное тепло приятно согревает  промезщее «до костей» тело, практически вливаясь в него.

Инфракрасные волны в диапазоне дальнего излучения проходят  через воздух, почти  не нагревая его, проникают в тело человека, на клеточный уровень и запускают там ферментативную реакцию. Первоначально инфракрасное излучение начали применять в США в клиниках для обогрева недоношенных новорождённых детей, что подтверждает безопасность воздействия инфракрасной энергии на человека.  И,  именно этими волнами облучает мать плод в период от зачатия и до самого рождения.  

     Положительное влияние длинноволнового излучения на живой организм подтверждают новейшие исследования в области биотехнологий. 

     Человек постоянно нуждается в подпитке теплом. В случае  недостатка длинноволнового тепла  организм ослабляется, человек чувствует ухудшение самочувствия, начинает болеть. Влияет это и на быстрое старение. Например,  заключенные в глубокое подземелье, люди стареют гораздо быстрее, из-за недостаточного получения длинноволнового тепла.

     Дальние инфракрасные  лучи называют лучами жизни (биогенетическими лучами), так как  они сыграли ключевую роль в развитии жизни на нашей планете.

     Инфракрасное (тепловое) излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом длина излучаемой волны, зависит от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

     При низких температурах излучение нагретого твёрдого тела почти целиком расположено в инфракрасной области, и такое тело кажется тёмным. При повышении температуры излучаемые телом волны смещаются в видимую область спектра, и тело вначале кажется тёмно-красным, затем красным, жёлтым и, наконец, при высоких температурах ― белым.

     Длинноволновые обогреватели имеют наименьшую температуру излучающей поверхности, поэтому выделяют волны преимущественно в части длинноволнового спектра. При такой температуре поверхности они не светятся, их называют темными. Средневолновые обогреватели имеют температуру поверхности выше и их обычно называют серыми, а коротковолновые, с максимальной температурой – белыми или светлыми. Коротковолновое инфракрасное излучение является наиболее активным, так как обладает наибольшей энергией фотонов, способных проникать в ткани организма и интенсивно поглощаться водой, содержащейся в тканях.  Инфракрасные лучи оказывают на организм человека в основном тепловое воздействие, под влиянием которого в организме происходят тепловые сдвиги, уменьшается кислородное насыщение крови, понижается венозное давление, замедляется кровоток и, как следствие, наступает нарушение деятельности сердечно-сосудистой и нервной систем. Находиться под воздействием коротковолновое инфракрасного излучения длительное время не рекомендуется, т. к. это может принести вред здоровью человека.

     Мы определились с одной характеристикой инфракрасного излучения – это длина волны. Вторая, не менее важная – интенсивность излучения,  которую можно определить как энергию, излучаемую с единицы площади в единицу времени (ккал/(м²· ч) или Вт/м²).

     Воздействие инфракрасного излучения может быть общим и локальным. При длинноволновом излучении повышается температура поверхности тела, а при коротковолновом ― изменяется температура лёгких, головного мозга, почек и некоторых других органов человека. Значительное изменение общей температуры тела (1,5-2^oС) происходит при облучении инфракрасными лучами большой интенсивности. Воздействуя на мозговую ткань, коротковолновое излучение вызывает «солнечный удар». Человек при этом ощущает головную боль, головокружение, учащение пульса и дыхания, потемнение в глазах, нарушение координации движений, возможна потеря сознания. При интенсивном облучении головы происходит отёк оболочек и тканей мозга, проявляются симптомы менингита и энцефалита. Так же, при попадании коротковолновых инфракрасных лучей на органы зрения, может возникнуть катаракта.

     Поэтому ― то  и нельзя длительное время находиться под воздействием коротковолного обогревателя. Важно находиться на определенном расстоянии от таких обогревателей и непродолжительное время.

     Приятно погреться у костра в холодное время, но не стоит засовывать в него руки. Напомним, что перечисленные выше последствия от несоблюдения правил использования  коротковолнового ИК обогревателя, не следует отождествлять с воздействием длинноволнового ИК обогревателя.

     Науке неизвестны какие-либо негативные влияния длинноволнового инфракрасного излучения на организм человека. Наоборот, сейчас длинноволновое инфракрасное излучение нашло широкое распространение в медицине, что говорит не только о его безвредности, но и о полезном действии на организм.

     В ходе проведенных исследований многие ученые мира пришли к выводу, что инфракрасное излучение благотворно влияет на человека. Кроме того, ряд научных лабораторий США (Dr. Masao Nakamura «О&P Medical Clinik», Dr. Mikkel Aland «Infrared Therapy Researches» и др.) сообщают о полученных в ходе исследований эффектах:

   Подавление роста раковых клеток,

   Уничтожение некоторых видов вируса гепатита,

   Нейтрализация вредного воздействия электромагнитных полей,

   Излечение дистрофии,

   Повышение количества вырабатываемого инсулина у больных диабетом,

   Нейтрализация последствий радиоактивного облучения,

   Излечение или значительное улучшение состояния при псориазе,  

   Способствует кровообращению в организме,

  Согревает и поддерживают температуру нашего тела,

  Разрушает соединения с вредными металлами, помогает выводить их из организма,

  Имеет дезодорирующее, очищающее, противоядное воздействие,

  Прекращает распространение вредных микробов и грибков в    организме,

  Активизирует рост растений,

  Очищает загрязненный воздух,

  Улучшает обмен веществ в организме человека.

     Продукция, использующая инфракрасное излучение в его длинноволновом диапазоне  способна оказывать терапевтическое  воздействие на стресс и усталость, раздражительность, простудные и др. заболевания. А приятное мягкое тепло мы воспринимаем как свое родное, естественное тепло.  

Ученые нашли способ сделать видимым инфракрасное излучение — Российская газета

Исследовательская группа, в которую вошли ученые из России и Швейцарии, разработала универсальную мембрану, которая позволит сделать видимыми для человеческого глаза инфракрасные лучи. Никакого специального оборудования или особых условий для применения мембраны не требуется.

Научные исследования проводились силами Университета ИТМО, Алферовского университета, а также Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

В пресс-службе ИТМО отмечают, что обычный лазерный луч человеческий глаз может увидеть, например, если навести этот луч на тетрадный лист. Инфракрасные волны длиннее, и увидеть их таким способом не получится, в какой-то момент луч просто прожжет бумагу.

Для инфракрасного диапазона несколько лет назад были изобретены специальные карточки из редких металлов. Они поглощают инфракрасное излучение и делают его видимым. Но эти карточки довольно дороги, у них ограниченный срок службы и подходят они не для всех приборов. А инфракрасное изучение применяется во множестве отраслей. В Университете ИТМО говорят, что только в вузе имеется более сотни установок с ИК-лучами.

И периодически возникают ситуации, когда приборы проверяются, а значит, луч надо увидеть. Устав от дорогих карточек с коротким сроком службы, международная научная группа создала специальный инфракрасный визуализатор.

В основе разработки — нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия. Этот материал интересен тем, что из-за того, что его кристаллическая решетка не симметрична по центру, он может в два раза уменьшать длину волны. Благодаря этому свойству нанокристаллы фосфида галлия являются универсальными, они могут работать в самых разных спектрах.

Ученые вырастили кристаллы на подложке, залили их тонким слоем полимера. Затем кристаллы были аккуратно оторваны от подложки, и получилась тонкая полупрозрачная пленка: она свободно пропускает инфракрасные лучи, а за счет уменьшения длины волны, луч становится виден человеческому глазу.

Важно и то, что мембрана, в отличие от карточек, не преграждает дорогу лучу. Это упрощает применение нового материала и может позволить сделать диагностику сложного оборудования более точной.

Материалы исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

инфракрасных волн | Управление научной миссии

Что такое инфракрасные волны?

Инфракрасные волны или инфракрасный свет являются частью электромагнитного спектра. Люди сталкиваются с инфракрасными волнами каждый день; человеческий глаз не видит его, но люди могут определять его как тепло.

Пульт дистанционного управления использует световые волны, выходящие за пределы видимого спектра света — инфракрасные световые волны — для переключения каналов на вашем телевизоре. Эта область спектра делится на ближнюю, среднюю и дальнюю инфракрасную.Область от 8 до 15 микрон (мкм) называется земными учеными тепловым инфракрасным, поскольку эти длины волн лучше всего подходят для изучения длинноволновой тепловой энергии, излучаемой нашей планетой.

СЛЕВА: Типичный пульт дистанционного управления телевизором использует энергию инфракрасного излучения с длиной волны около 940 нанометров. Хотя вы не можете «видеть» свет, излучаемый пультом дистанционного управления, некоторые цифровые камеры и камеры сотовых телефонов чувствительны к этой длине волны излучения. Попробуйте! СПРАВА: Инфракрасные лампы Нагревательные лампы часто излучают энергию как в видимом, так и в инфракрасном диапазоне на длинах волн от 500 до 3000 нм.Их можно использовать для обогрева ванных комнат или для согревания еды. Тепловые лампы также могут согреть мелких животных и рептилий или даже согреть яйца, чтобы они могли вылупиться.

Кредит: Трой Бенеш

ОТКРЫТИЕ ИНФРАКРАСНОЙ ИНФРАКРАСКИ

В 1800 году Уильям Гершель провел эксперимент по измерению разницы температур между цветами в видимом спектре. Он поместил термометры в каждый цвет видимого спектра. Результаты показали повышение температуры от синего до красного.Когда он заметил еще более теплое измерение температуры сразу за красным концом видимого спектра, Гершель открыл инфракрасный свет!

ТЕПЛОВОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ

Мы можем воспринимать инфракрасную энергию как тепло. Некоторые предметы настолько горячие, что излучают видимый свет — например, огонь. Другие объекты, например люди, не такие горячие и излучают только инфракрасные волны. Наши глаза не могут видеть эти инфракрасные волны, но инструменты, которые могут воспринимать инфракрасную энергию, такие как очки ночного видения или инфракрасные камеры, позволяют нам «видеть» инфракрасные волны, излучаемые теплыми объектами, такими как люди и животные.Температуры для изображений ниже указаны в градусах Фаренгейта.

Предоставлено: НАСА / Лаборатория реактивного движения — Калтех

.

ХОЛОДНАЯ АСТРОНОМИЯ

Многие объекты во Вселенной слишком холодные и тусклые, чтобы их можно было обнаружить в видимом свете, но их можно обнаружить в инфракрасном. Ученые начинают открывать тайны более холодных объектов во Вселенной, таких как планеты, холодные звезды, туманности и многие другие, изучая инфракрасные волны, которые они излучают.

Космический аппарат «Кассини» сделал это изображение полярного сияния Сатурна с помощью инфракрасных волн.Полярное сияние показано синим цветом, а нижележащие облака — красным. Эти полярные сияния уникальны, потому что они могут охватывать весь полюс, тогда как полярные сияния вокруг Земли и Юпитера обычно ограничиваются магнитными полями на кольцах, окружающих магнитные полюса. Большой и изменчивый характер этих полярных сияний указывает на то, что заряженные частицы, втекающие от Солнца, испытывают над Сатурном некоторый тип магнетизма, который ранее был неожиданным.

ПРОСМОТРЕТЬ ПЫЛЬ

Инфракрасные волны имеют более длинные волны, чем видимый свет, и могут проходить через плотные области газа и пыли в космосе с меньшим рассеянием и поглощением.Таким образом, инфракрасная энергия может также обнаруживать объекты во Вселенной, которые нельзя увидеть в видимом свете с помощью оптических телескопов. Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) оснащен тремя инфракрасными приборами, которые помогают изучать происхождение Вселенной и формирование галактик, звезд и планет.

Когда мы смотрим на созвездие Ориона, мы видим только видимый свет. Но космический телескоп НАСА Спитцер смог обнаружить около 2300 планетообразующих дисков в туманности Ориона, почувствовав инфракрасное свечение их теплой пыли.Каждый диск может формировать планеты и свою собственную солнечную систему. Фото: Томас Мегит (Университет Толедо) и др., Лаборатория реактивного движения, Калифорнийский технологический институт, НАСА

Столб, состоящий из газа и пыли в туманности Киля, освещен свечением ближайших массивных звезд, показанных ниже на изображении в видимом свете, полученном космическим телескопом Хаббла. Интенсивное излучение и быстрые потоки заряженных частиц от этих звезд вызывают образование новых звезд внутри столба. Большинство новых звезд невозможно увидеть на изображении в видимом свете (слева), потому что плотные газовые облака блокируют их свет.Однако, когда столб рассматривается в инфракрасной части спектра (справа), он практически исчезает, открывая молодые звезды за столбом газа и пыли.

Предоставлено: НАСА, Европейское космическое агентство и команда телескопа Hubble SM4 ERO

.

МОНИТОРИНГ ЗЕМЛИ

Для астрофизиков, изучающих Вселенную, источники инфракрасного излучения, такие как планеты, относительно холодны по сравнению с энергией, излучаемой горячими звездами и другими небесными объектами. Земляне изучают инфракрасное излучение как тепловое излучение (или тепло) нашей планеты.Когда падающая солнечная радиация попадает на Землю, часть этой энергии поглощается атмосферой и поверхностью, тем самым нагревая планету. Это тепло излучается с Земли в виде инфракрасного излучения. Инструменты на борту спутников наблюдения Земли могут определять это излучаемое инфракрасное излучение и использовать полученные измерения для изучения изменений температуры поверхности земли и моря.

Есть и другие источники тепла на поверхности Земли, такие как потоки лавы и лесные пожары. Спектрорадиометр среднего разрешения (MODIS) на борту спутников Aqua и Terra использует инфракрасные данные для отслеживания дыма и определения источников лесных пожаров.Эта информация может иметь важное значение для тушения пожара, когда самолеты-разведчики не могут пролететь сквозь густой дым. Инфракрасные данные также могут помочь ученым отличить пылающий огонь от еще тлеющих ожогов.

Кредит: Джефф Шмальц, группа быстрого реагирования MODIS

Глобальное изображение справа — это инфракрасное изображение Земли, полученное спутником GOES 6 в 1986 году. Ученый использовал температуру, чтобы определить, какие части изображения получены из облаков, а какие — из суши и моря.Основываясь на этой разнице температур, он раскрасил каждую отдельно 256 цветами, придав изображению реалистичный вид.

Кредит: Центр космической науки и техники, Университет Висконсин-Мэдисон, Ричард Корс, дизайнер

Зачем использовать инфракрасный порт для изображения Земли? Хотя в видимом диапазоне легче отличить облака от земли, в инфракрасном диапазоне облака более детализированы. Это отлично подходит для изучения структуры облаков. Например, обратите внимание, что темные облака теплее, а светлые — холоднее.К юго-востоку от Галапагосских островов, к западу от побережья Южной Америки, есть место, где вы можете отчетливо увидеть несколько слоев облаков с более теплыми облаками на более низких высотах, ближе к океану, который их согревает.

Мы знаем, глядя на инфракрасное изображение кошки, что многие вещи излучают инфракрасный свет. Но многие вещи также отражают инфракрасный свет, особенно ближний инфракрасный свет. Узнайте больше об ОТРАЖЕННОМ ближнем инфракрасном излучении.

Начало страницы | Далее: Отраженные волны в ближнем инфракрасном диапазоне

Цитата

APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий.(2010). Инфракрасные волны. Получено [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/07_infraredwaves

MLA

Управление научной миссии. «Инфракрасные волны» NASA Science . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov / ems / 07_infraredwaves

Что такое инфракрасный порт? | Живая наука

Инфракрасное излучение (ИК) или инфракрасный свет — это тип лучистой энергии, невидимой для человеческого глаза, но которую мы можем ощущать как тепло.Все объекты во Вселенной излучают некоторый уровень ИК-излучения, но двумя из наиболее очевидных источников являются солнце и огонь.

ИК — это тип электромагнитного излучения, континуум частот, возникающий, когда атомы поглощают и затем выделяют энергию. Электромагнитное излучение от самой высокой до самой низкой частоты включает гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Вместе эти типы излучения составляют электромагнитный спектр.

По данным НАСА, в 1800 году британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасный свет. В эксперименте по измерению разницы температур между цветами в видимом спектре он поместил термометры на пути света в пределах каждого цвета видимого спектра. Он наблюдал повышение температуры от синего до красного, и он обнаружил еще более теплое измерение температуры сразу за красным концом видимого спектра.

В электромагнитном спектре инфракрасные волны возникают на частотах выше частот микроволн и чуть ниже частот красного видимого света, отсюда и название «инфракрасные».«По данным Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт), волны инфракрасного излучения длиннее, чем волны видимого света. Частоты инфракрасного излучения колеблются от примерно 300 гигагерц (ГГц) до примерно 400 терагерц (ТГц), а длины волн оцениваются в диапазоне от 1000 микрометров (мкм) и 760 нанометров (2,9921 дюйма), хотя эти значения не являются окончательными, согласно NASA.

Подобен спектру видимого света, который варьируется от фиолетового (самая короткая длина волны видимого света) до красного (самая длинная длина волны). ) инфракрасное излучение имеет свой диапазон длин волн.Более короткие «ближние инфракрасные» волны, которые ближе к видимому свету в электромагнитном спектре, не излучают заметного тепла и являются тем, что излучается пультом дистанционного управления телевизора для переключения каналов. По данным НАСА, более длинные «дальние инфракрасные» волны, которые ближе к микроволновому участку электромагнитного спектра, могут ощущаться как интенсивное тепло, такое как тепло от солнечного света или огня.

Инфракрасное излучение — это один из трех способов передачи тепла из одного места в другое, два других — конвекция и теплопроводность.Все, что имеет температуру около 5 градусов Кельвина (минус 450 градусов по Фаренгейту или минус 268 градусов по Цельсию), испускает ИК-излучение. По данным Университета Теннесси, Солнце выделяет половину своей общей энергии в виде инфракрасного излучения, а большая часть видимого света звезды поглощается и переизлучается в виде инфракрасного излучения.

Бытовые приборы

Бытовые приборы, такие как нагревательные лампы и тостеры, используют инфракрасное излучение для передачи тепла, как и промышленные обогреватели, например, те, которые используются для сушки и отверждения материалов.По данным Агентства по охране окружающей среды, лампы накаливания преобразуют только около 10 процентов потребляемой ими электроэнергии в энергию видимого света, а остальные 90 процентов преобразуются в инфракрасное излучение.

Инфракрасные лазеры могут использоваться для связи точка-точка на расстояниях в несколько сотен метров или ярдов. Согласно How Stuff Works, пульты дистанционного управления телевизора, которые полагаются на инфракрасное излучение, испускают импульсы инфракрасной энергии от светодиода (LED) к ИК-приемнику в телевизоре.Приемник преобразует световые импульсы в электрические сигналы, которые инструктируют микропроцессор выполнить запрограммированную команду.

Инфракрасное зондирование

Одно из наиболее полезных применений ИК-спектра — зондирование и обнаружение. Все объекты на Земле излучают ИК-излучение в виде тепла. Это можно обнаружить с помощью электронных датчиков, таких как те, что используются в очках ночного видения и инфракрасных камерах.

По данным Калифорнийского университета в Беркли (UCB), простым примером такого датчика является болометр, который состоит из телескопа с термочувствительным резистором или термистором в его фокусе.Если в поле зрения прибора попадает теплое тело, оно вызывает заметное изменение напряжения на термисторе.

В камерах ночного видения используется более сложная версия болометра. Эти камеры обычно содержат микросхемы формирования изображений на устройствах с зарядовой связью (ПЗС), чувствительные к ИК-излучению. Изображение, сформированное ПЗС-матрицей, затем может быть воспроизведено в видимом свете. Эти системы можно сделать достаточно маленькими, чтобы их можно было использовать в портативных устройствах или носимых очках ночного видения. Камеры также могут использоваться для прицелов с добавлением ИК-лазера для наведения или без него.

Инфракрасная спектроскопия измеряет ИК-излучение материалов на определенных длинах волн. ИК-спектр вещества будет иметь характерные спады и пики, поскольку фотоны (частицы света) поглощаются или испускаются электронами в молекулах при переходе электронов между орбитами или уровнями энергии. Затем эту спектроскопическую информацию можно использовать для идентификации веществ и отслеживания химических реакций.

По словам Роберта Маяновича, профессора физики Университета штата Миссури, инфракрасная спектроскопия, такая как инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR), очень полезна для многочисленных научных приложений.К ним относятся исследования молекулярных систем и 2D-материалов, таких как графен.

Инфракрасная астрономия

Калтех описывает инфракрасную астрономию как «обнаружение и изучение инфракрасного излучения (тепловой энергии), испускаемого объектами во Вселенной». Достижения в области систем формирования изображений ИК-ПЗС позволили детально наблюдать за распределением источников ИК-излучения в космосе, выявляя сложные структуры в туманностях, галактиках и крупномасштабную структуру Вселенной.

Одним из преимуществ инфракрасного наблюдения является то, что он может обнаруживать объекты, которые слишком холодны для излучения видимого света.Это привело к открытию ранее неизвестных объектов, включая кометы, астероиды и тонкие межзвездные пылевые облака, которые, похоже, преобладают по всей галактике.

ИК-астрономия особенно полезна для наблюдения за холодными молекулами газа и для определения химического состава пылевых частиц в межзвездной среде, сказал Роберт Паттерсон, профессор астрономии в Университете штата Миссури. Эти наблюдения проводятся с использованием специализированных ПЗС-детекторов, чувствительных к ИК-фотонам.

Еще одно преимущество ИК-излучения заключается в том, что его большая длина волны означает, что оно не рассеивает так много, как видимый свет, по данным НАСА. В то время как видимый свет может поглощаться или отражаться частицами газа и пыли, более длинные ИК-волны просто обходят эти небольшие препятствия. Благодаря этому свойству ИК-излучение можно использовать для наблюдения за объектами, свет которых перекрывается газом и пылью. К таким объектам относятся вновь формирующиеся звезды, заключенные в туманности или в центре галактики Земли.

Дополнительные ресурсы:

Эта статья была обновлена ​​фев.27 августа 2019 г., автор проекта Live Science Трэйси Педерсен.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.
  Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.
  Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файлах cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

ICNIRP | Инфракрасный (780 нм — 1 мм)

Диапазон длин волн и источники

Инфракрасное излучение (ИК), также известное как тепловое излучение, представляет собой полосу в спектре электромагнитного излучения с длинами волн выше красного видимого света между 780 нм и 1 мм. ИК классифицируется как ИК-А (780 нм — 1,4 мкм), ИК-В (1,4–3 мкм) и ИК-С, также известный как дальний ИК (3 мкм — 1 мм). Обычные природные источники — солнечная радиация и огонь. Обычные искусственные источники включают нагревательные устройства и инфракрасные лампы, используемые в домашних условиях и в инфракрасных саунах в медицинских целях.Промышленные источники тепла, такие как производство стали / чугуна, также относятся к инфракрасной области. Лазеры — это особый источник инфракрасного излучения, излучаемого в одном или нескольких чрезвычайно узких диапазонах длин волн.

Воздействие инфракрасного излучения на организм и его влияние на здоровье

IR проникает в кожу и глаза человека на различную глубину от нескольких миллиметров посредством IR-A до поверхностного поглощения IR-C. У людей есть врожденные защитные реакции отвращения к боли от высокой температуры и яркого света, который часто также присутствует, так что можно избежать потенциально опасного воздействия.Вредное воздействие ИР на здоровье происходит из-за термического повреждения тканей, в значительной степени опосредованного молекулами воды, а также изменениями в структуре белка.

Основное вредное воздействие на здоровье высокого ИК-излучения — это глаза. Роговица, радужная оболочка, хрусталик и сетчатка очень чувствительны к различной степени термического повреждения. Когда роговица поглощает ИК-излучение, превращаясь в тепло, оно передается линзе. Агрегация белков хрусталика после многократного воздействия сильной жары может вызвать помутнение хрусталика или катаракту, что часто наблюдается у стекольщиков, металлургов и сталелитейщиков.

Может произойти повреждение кожи из-за гипертермии, но это зависит от интенсивности и продолжительности инфракрасного излучения. Если температура кожи поддерживается на уровне 44 ° C, может пройти несколько часов, прежде чем произойдет необратимое повреждение. Для сравнения: при температуре поверхности 70 ° C меньше секунды. Длительное воздействие инфракрасного излучения на кожу без ожогов, например, после нескольких лет воздействия открытого огня на кожу, может вызвать появление красно-коричневых пятен на коже. Однако считается, что ИР не играет роли в возникновении рака кожи.

Если все тело подвергается воздействию высоких температур, это может привести к повышению температуры тела и физическому тепловому стрессу. Тепловой стресс необходимо оценивать с учетом всех факторов, включая движение воздуха, температуру и влажность, а также источник тепла.

Защита

Рекомендации по защите особенно нацелены на кожу и соответствующие части глаза, которые подвержены риску чрезмерного воздействия инфракрасного излучения.

Чтобы избежать пагубного воздействия инфракрасного излучения на глаза и кожу, например термических травм, ICNIRP предоставляет инструкции и рекомендует пределы воздействия. Рекомендуются различные пределы в зависимости от диапазонов длин волн и спектров воздействия. Пределы также зависят от продолжительности воздействия и размера источника.

Термический анализ абляции опухоли с помощью наносекундных импульсов с помощью инфракрасного излучения

Обзор системы контролируемого инфракрасного нагрева

Матрица игольчатых электродов была сконструирована с использованием твердого тефлонового цилиндра (2 см в диаметре и 2 дюйма).Длиной 5 см). Четыре иглы калибра 25 и длиной 1,5 см использовались в качестве проводов для электрического поля и были организованы в виде прямоугольной решетки 5 × 7 мм в центре тефлонового цилиндра, как показано на рис. 4. Полярность электродов была настроена таким образом. что электроды с одинаковой полярностью находятся на расстоянии 5 мм друг от друга, а противоположные — на расстоянии 7 мм. Электроды одинаковой полярности были электрически соединены через заднюю часть тефлонового цилиндра, так что потенциал напряжения между противоположными электродами прикладывался одновременно.Лазерное волокно было закреплено в центре электрода, излучая центральную область мишени, где напряженность электрического поля относительно мала. Трубки из этилентетрафторэтилена (ETFE) использовались для покрытия 1,2 см игл, оставляя незащищенными 3 мм, чтобы уменьшить возникновение электрического пробоя и помочь защитить встроенную электронику от генерируемого электрического шума.

Рисунок 4

Обзор системы. Установка для обработки ( A ) для исследования in vivo и матрица игольчатых электродов, в которой датчик температуры поверхности и лазерный волоконно-оптический кабель были интегрированы в тефлоновый корпус ( B ).Термобатарея собирает показания температуры в режиме реального времени и отправляет их в интерфейс LabVIEW, который сравнивает текущие показания температуры с идеальными и соответствующим образом корректирует состояние лазера. Интерфейс LabVIEW также показывает тенденцию изменения температуры в течение всего эксперимента и позволяет пользователю вручную отключить лазер в любое время. Размеры игольчатого электрода и целевой области лазера также показаны в ( A ).

В управляемой инфракрасной системе обогрева использовалось несколько оптических датчиков / датчиков со встроенными электродами и специально разработанное управляющее программное обеспечение для мониторинга, контроля и хранения данных о температуре поверхности в режиме реального времени.В этой системе использовался волоконно-оптический лазер класса 4 (Lasermate IMLN-980–10WFME) с выходным лучом на 980 нм, который, как известно, проникает в ткани при длительном воздействии с минимальным повреждением поверхности ²¹ , для нагрева поверхности цель. Инфракрасный лазерный свет направлялся через оптическое волокно, вставленное в 4-игольчатый тефлоновый электрод, как показано на рис. 5. Электрод был прикреплен вертикально к мишени, позволяя лазерному лучу падать перпендикулярно на поверхность мишени.Датчик температуры термобатареи ZTP-135SR, установленный внутри тефлонового кожуха электрода, считывает облучение поверхности в реальном времени путем преобразования оптического сигнала в электрический сигнал, который затем преобразуется в показание температуры с помощью микроконтроллера на базе Arduino Uno. Данные о температуре отображались и записывались с помощью графического интерфейса пользователя (GUI), созданного с помощью LabVIEW 2014. Для достижения контролируемого нагрева система считывает и сохраняет тенденцию изменения температуры в реальном времени, сравнивает текущее значение измерения с заданной целевой температурой и модулирует нагрев лазера путем включения и выключения питания лазера соответственно.Эта система может работать при напряженности электрического поля до 35 кВ / см, создавая минимальные электромагнитные помехи для инструментов.

Рисунок 5

Определение профиля лазерного луча острым методом. ( A ) Схема техники острие ножа; ( B ) Измеренная мощность облучения как функция смещения режущей кромки для зазора 2 см между лазерным волокном и измерителем мощности вместе с полиномиальной аппроксимацией; ( C ) Производная мощности облучения от ( B ) по смещению x , подогнанная к гауссовскому профилю порядка 2 ^nd ; Радиус 1/ e ² равен 2.7 мм и был определен путем взятия ширины этого профиля на уровне 13,5% от пикового значения. ( D ) 2D-представление профиля пучка, полученного в ( B ), показанное в логарифмической шкале нормализованной интенсивности. Обратите внимание, что интенсивность излучения связана с падающей энергией лазерного луча, а температура поверхности цели может изменяться в зависимости от тепловых свойств цели.

Датчик температуры на основе термобатареи был установлен в корпусе тефлонового электрода под углом обзора 63 °, как показано на рис.4 (В). Угол обзора 63 ° был необходим для того, чтобы датчик температуры мог собирать достаточно инфракрасных фотонов с поверхности при нормальном падении лазерного луча. Для получения температуры поверхности датчик был присоединен к фильтру нижних частот и усилительной схеме, которая отфильтровывала электромагнитные помехи, создаваемые высоковольтными наносекундными импульсами, и усиливала температурный сигнал в виде низкочастотного сигнала напряжения. Аналогичный датчик температуры использовался в нашей предыдущей работе ³⁰ .

Калибровка системы

Напряжение, подаваемое схемой контроля температуры, подавалось на аналоговый вывод микропроцессора Arduino Uno, где оно преобразовывалось из напряжения в показания температуры с помощью встроенного 10-битного аналого-цифрового преобразователя ( ADC), который присваивает аналоговые значения напряжения дискретным цифровым показаниям. Тенденцию этих показаний можно сопоставить с известным трендом температуры, создав точный датчик температуры. Калибровка температуры была получена путем сравнения показаний датчика термобатареи с термопарой (Omega: 5SC-GG-K-30–36) на горячей плите в диапазоне температур от 22 ° C до 50 ° C.Во время калибровки важно держать термобатарею на постоянном расстоянии от калибровочной мишени и под постоянным углом поля зрения. Для обеспечения точной калибровки было выполнено шесть измерений с шагом 1 ° C от 22 ° C до 50 ° C с углом поля зрения 63 °. К усредненным данным была применена линейная аппроксимация, чтобы получить следующее уравнение, которое связывает выходное напряжение термобатареи с фактической температурой поверхности:

$$ T = 43,923 (В) -22,977 $$

(1)

, где T — расчетная температура поверхности (° C), а В, — измеренное напряжение (мВ).

Для компенсации цифровой нестабильности, вызванной электронным шумом и электромагнитными помехами, был реализован алгоритм обработки данных, называемый передискретизацией и усреднением. Передискретизация и усреднение работают за счет сбора большего количества выборок и их усреднения для получения результата с более высокой точностью ³¹ . Этот процесс позволяет устройствам АЦП с ограниченной пропускной способностью частоты дискретизации обнаруживать меньшие вариации сигнала за счет увеличения количества дискретных цифровых значений в каждой дискретизации данных, чтобы усредненное значение более точно представляло вариацию сигнала.Это особенно полезно для измерений температуры с относительно небольшими изменениями температуры в течение относительно длительного времени, например Повышение температуры на 0,1 ° C за одну секунду. Следовательно, важно устранить изменения путем получения сигнала с более высоким разрешением. Для каждых n бит необходимого дополнительного разрешения необходимо взять в общей сложности 4 ⁿ отсчетов с аппаратным разрешением ^31,32 . Однако, поскольку каждый бит разрешения, полученный с помощью этого метода, требует сбора экспоненциально большего числа выборок, время отклика системы, использующей этот новый алгоритм, резко уменьшится по мере увеличения разрешения.{n} \ ast {f} _ {s} $$

(2)

, где n — количество дополнительных битов для желаемого разрешения, \ ({f} _ {s} \) — максимальная частота дискретизации устройства АЦП, а \ ({f} _ {os} \) — частота дискретизации передискретизации, необходимая для получения данных с более высокой точностью. Обратите внимание, что частота дискретизации здесь определяется как общее количество отсчетов на усредненный сигнал (измерение), а \ ({f} _ {s} \) и \ ({f} _ {os} \) выражаются в единицах отсчетов / данные.

В этой работе разрешающая способность устройства была увеличена с 10 до 15 бит, чтобы обеспечить измерение температуры с точностью до 0.01 ° С. Это было реализовано путем усреднения 1024 выборок с 10-битным разрешением для генерации одной 15-битной выборки. Точность измерения температуры ± 1,8 ° C была достигнута с использованием устройства со скоростью сбора данных системы 4 образца в секунду.

Определение профиля луча методом острия

Для определения эффективной площади, обрабатываемой лазером, необходимо было определить распределение излучения или профиль луча. {2} \) гауссова луча, а x — положение смещения лезвия (мм).{2} \) радиус луча можно оценить, взяв сглаживающую производную данных и сопоставив ее с гауссовым профилем ³⁵ . К производным данным была применена аппроксимация по Гауссу порядка 2 ^и , что дало четкое представление профиля пучка, как показано на рис. 5B, C. Предполагая, что луч был однородным по форме, был создан нормированный двухмерный профиль луча, показанный на рис. 5D.

Для испытаний синергетического эффекта было бы идеально, чтобы облучение охватило всю область между иглами электродов, а максимальная интенсивность облучения приходилась на центр набора игл, где электрическое поле наиболее слабое.Электрод, разработанный для этого исследования, имеет расстояние между иглами 5 мм × 7 мм, поэтому радиус облучения ≥2,5 мм может обеспечить достаточное покрытие. С этой целью были испытаны различные расстояния между волокном и поверхностью мишени для достижения оптимального покрытия облучением. Расстояние зазора 2 см между оптическим волокном лазера и поверхностью образца дает радиус облучения, или 1/ e ² радиус 2,7 мм, что соответствует ширине луча 5,4 мм. Поскольку этот промежуток в 2 см больше, чем длина не вставленной части игл, лазерное волокно было интегрировано в центр тефлонового корпуса и утоплено на 8 мм от поверхности тефлона.Дополнительное измерение профиля луча было выполнено с использованием интегрированного лазерного волокна и подтвердило, что эта утопленная интеграция не повлияла на форму луча.

Измерения тепловых свойств свиной кожи

Для количественной оценки воздействия нагревания на ткани было проведено несколько экспериментов с собранной кожей свиньи из-за ее сходства с кожей человека ^36,37,38 . В частности, глубина проникновения лазера и количество тепла, которое передается через ткань с течением времени, измерялись путем наблюдения за изменением тепловых свойств образца, в частности, коэффициента поглощения.{- {\ mu} _ {a} d} $$

(4)

где: A — коэффициент пропускания, \ ({I} _ {S} \) — интенсивность прошедшего света (мВт), \ ({I} _ {0} \) — начальная интенсивность света ( мВт), \ ({\ mu} _ {a} \) — коэффициент поглощения (1/ мм ^-1 ), а d — толщина образца кожи (мм).

Приближение закона Бера-Ламберта справедливо в идеальных условиях, то есть свет идеально коллимирован и монохроматичен с равномерно поглощающей средой ³⁷ .Поскольку биологическая ткань состоит из многих компонентов, которые неравномерно поглощают свет, таких как несколько слоев ткани, типы тканей и кровоток, закон Бера-Ламберта может обеспечить только приблизительный и эквивалентный коэффициент поглощения биологических образцов относительно аналогичных структур. В этом исследовании эквивалентный коэффициент поглощения для биологического образца определяется путем определения среднего коэффициента поглощения шкур свиней различной толщины. Измеряли пропускание образцов кожи различной толщины.Наклон линейной аппроксимации натурального логарифма коэффициента пропускания ln ( A ) по отношению к толщине образца d дает эквивалентный коэффициент поглощения \ ({\ mu} _ {a} \ ), согласно формуле. (4) или \ (\ mathrm {ln} ({\ boldsymbol {A}}) = — \, {\ mu} _ {a} d \). Кроме того, глубину проникновения лазерного излучения в образец можно определить с помощью следующего соотношения:

$$ {\ delta} _ {p} = \ frac {1} {{\ mu} _ {a}} $$

(5)

где: \ ({\ delta} _ {p} \) — глубина проникновения света в образец (мм).Это значение имеет жизненно важное значение для определения того, сколько ткани непосредственно нагревается инфракрасным светом и, в зависимости от толщины нашего образца, сколько необходимо нагреть за счет тепловой диффузии.

Плоскую поверхность образца держали перпендикулярно падающему лучу и перед измерителем мощности, который измеряет количество прошедшего через образец света, или тепловизионной камерой, которая измеряет пространственно-временное развитие передачи тепла через оборотная сторона образца.Лазерное волокно располагалось перед образцом на расстоянии 2 см и устанавливалось на постоянную мощность лазера 2,3 Вт в течение 3 мин. При использовании измерителя мощности для сбора данных образец помещался непосредственно перед измерителем, и интенсивность проходящего света после образца ткани регистрировалась каждые 5 секунд. При использовании тепловизионной камеры для сбора пространственно-временных данных камеру располагали на расстоянии 25 см от образца, и каждые 10 секунд получали тепловое изображение теплопередачи в задней части образца.Оба теста были повторены для 5 образцов, каждый с толщиной от 3,9 мм до 6,8 мм, что представляет собой типичную толщину ткани / опухоли для исследований на животных.

Протокол лечения опухолей KLN205 у мышей

Самок мышей DBA / 2 (возраст 6-8 недель), приобретенных в лаборатории Джексона, использовали для исследования in vivo . Для индукции опухоли мышам вводили 1 × 10 ⁶ клеток KLN205 в 50 мкл фосфатно-солевого буфера Дульбекко (DPBS) на предварительно выбритый левый бок.{2}} {6} $$

(6)

где (a) — наибольший диаметр (мм), а (b) — наименьший диаметр, перпендикулярный (a) (мм). Мышей умерщвляли в конце периода наблюдения или когда они соответствовали критериям, описанным в экспериментальных конечных точках, таким как большие объемы опухоли или ухудшение здоровья. Все протоколы экспериментов были одобрены институциональным комитетом по биобезопасности Университета Олд Доминион и институциональным комитетом по уходу и использованию животных (IACUC).Все эксперименты проводились в соответствии с соответствующими инструкциями и правилами.

Опухоли размером от 40–100 мм ³ , размер определяется по формуле. (6), лечились только лазерным нагревом, только нсПЭФ или комбинацией нсПЭФ и нагревания. Контрольной группой были животные с опухолями, не подвергавшиеся лечению. Умеренный нагрев поверхности опухоли с целевой температурой 43 ° C был достигнут с помощью системы контролируемого инфракрасного нагрева (рис. 4). Параметры nsPEF: ширина импульса 100 нс, 5 импульсов в секунду, 600 импульсов и напряженность электрического поля от 14 до 30 кВ / см.Для комбинированного лечения опухоль предварительно нагревали до целевой температуры 43 ° C с последующей обработкой nsPEF, во время которой температура опухоли поддерживалась в среднем на уровне 43 ° C. После завершения лечения за мышами наблюдали ежедневно, а опухоли измеряли каждые 3-4 дня.

Протокол предварительного нагрева был использован здесь перед обработкой nsPEF, чтобы должным образом поднять температуру всей опухоли до желаемого уровня, а не только ее поверхности. Предварительный нагрев также приведет к тому, что коэффициенты поглощения будут в режиме затухания, как показано на рис.1C, до начала лечения nsPEF, что позволило более полно повысить температуру тела. Используя анестезированную мышь для калибровки, измеряли термопару, вставленную под опухоль, и время нагрева, необходимое для того, чтобы термопара достигла 43 ° C. Время предварительного нагрева в 1 минуту после достижения температуры поверхности 43 ° C оказалось достаточным для равномерного нагревания опухоли. Обратите внимание, что для этого исследования in vivo была выбрана температура 43 ° C. Ведь только узкое окно диапазона температур, т.е.е. 37–45 ° C, может рассматриваться для исследований с умеренным нагревом. Самая низкая температура в этом окне соответствует температуре тела (~ 37 ° C), а самая высокая — порогу кожной боли (45 ° C). В качестве проверки осуществимости был принят протокол модулированного нагрева (43 ° C в течение <2 мин), основанный на предыдущих исследованиях, в которых такой умеренный нагрев значительно усиливал уничтожение опухолей электрическими импульсами в моделях in vitro и in vivo рака поджелудочной железы. ¹⁷ .Тем не менее, исследования различных температур поверхности, а также использование разного времени нагрева до и после обработки помогут понять сенсибилизацию клеток к nsPEF при различных условиях нагрева. Эти систематические исследования будут включены в нашу будущую работу.

Предварительное кондиционирование с помощью облучения в дальней инфракрасной области увеличивает пролиферацию, выживаемость клеток и миграцию стволовых клеток костного мозга крыс по путям CXCR4-ERK

Выделение и культивирование BMSC крыс

Настоящее исследование было рассмотрено и одобрено Институтом этики Комитет по животным ресурсам больницы Университета Кён Хи (лицензионный номер KHMC-IACUC: 2015-028), и он соответствовал руководящим принципам «Руководства по уходу и использованию лабораторных животных».’BMSC выделяли и собирали от 6-недельных самцов крыс Sprague-Dawley (n = 20), как описано ранее ¹⁶ . Вкратце, BMSC были получены путем промывания полостей бедренных и большеберцовых костей базальной средой MSCGM hMSC с 10% FBS. Собранные BMSC высевали на чашки со средой MSCGM bulletkit с набором MSCGM hMSC SingleQuot Kit. Клетки культивировали в течение 1 недели в полной среде при 37 ° C в инкубаторе с 5% CO ₂ . Использовали крысиные BMSC пассажей P2.

FIR preconditioning

A WS ^TM TY101N emitter FIR терапия (WS Far Infrared Medical Technology CO, Ltd, Тайбэй, Тайвань) использовалась для предварительной подготовки BMSC.Электрифицированные керамические пластины этого излучателя генерируют электромагнитные волны с длинами волн в диапазоне от 3 до 25 мм (пик, 8,2 мм). Плотность мощности излучения составляет 10 и 20 мВт / см ² , когда верхний излучатель установлен на расстоянии 30 см над поверхностью культуральной чашки в течение указанного времени. Чтобы оценить, вызывает ли FIR тепловое или нетепловое воздействие на чашки с культурой, мы использовали термометр. В течение 60 мин обработки FIR температура пластины оставалась ниже 30 ° C. BMSC, подвергнутые FIR в течение 50 минут (BMSCs ^{FIR50 min} ), использовали для обеспечения достаточной «предварительной обработки» клеток, а необлученные BMSC (BMSC ^con ) использовали в качестве контроля для всех экспериментов.

Количественная транскрипционная полимеразная цепная реакция в реальном времени (qRT-PCR)

кДНК синтезировали из 3 мкг РНК каждого образца с использованием AccuPower®RocketScript ^TM Cycle RT PreMix (dN12). ПЦР выполняли с использованием PreMixture AccuPower®ProFi Taq PCR. Термический цикл состоял из начальной стадии денатурации при 94 ° C в течение 5 минут, за которой следовало более 40 циклов денатурации при 94 ° C в течение 30 минут, отжига при указанной температуре в течение 30 секунд и удлинения при 72 ° C в течение 10 минут.Список использованных праймеров представлен в таблице S1. qRT-PCR выполняли в соответствии со стандартными процедурами с использованием SYBR®Green Mix с праймерами (таблица S1). Реакции qRT-PCR проводили в трех экземплярах в системе ПЦР в реальном времени StepOnePlus (Applied Biosystems). Количественные измерения всех данных были получены с использованием метода дельта-дельта-CT с нормализацией к уровням мРНК GAPDH.

Иммунофлуоресцентное окрашивание и проточно-цитометрический анализ

Флуоресцентное окрашивание использовали для идентификации экспрессии CXCR4, Sox2, Nanog, c-Kit или NKX2.5 после FIR ^{50 мин} предварительная подготовка. После фиксации в 4% PFA при 4 ° C в течение 15 мин клетки промывали PBS, пропитывали 5% BSA и 0,1% Triton X-100 и инкубировали с первичными антителами. Флуоресцентную визуализацию выполняли на инвертированной системе конфокального лазерного микроскопа ZEISS Observer.Z1 с использованием лазеров 488/405 нм с 20-кратным объективом. Все изображения были отобраны с слепыми идентификациями образцов, и по меньшей мере 20 случайных изображений были получены из каждой лунки или группы.

Вестерн-блоттинг

Ледяной раствор для экстракции белка PRP-PREP с коктейлем ингибиторов протеазы (iNtRON Biotechnology, Inc, Сеул, Корея) добавляли после обработки образцов FIR с последующей гомогенизацией с использованием шариков из нержавеющей стали (Qiagen).Равное количество белка (50 мкг) для каждого образца наносили на 10-12% гель SDS, подвергали электрофорезу и переносили на мембраны из PVDF (Merk Millipore, MA, США). Мембраны блокировали в течение 2 ч при комнатной температуре 5% обезжиренным сухим молоком в PBS, содержащем 0,1% твин-20, и инкубировали с первичными антителами (1: 1000 и 1: 500 соответственно) в течение ночи при 4 ° C. После промывания мембраны инкубировали с вторичным антителом, конъюгированным с пероксидазой хрена (1: 5000), при комнатной температуре в течение 2 часов, а затем визуализировали с субстратом хемилюминесценции.

Анализ заживления ран с царапинами

BMSC засевали в 6-луночные планшеты, и клетки голодали по сыворотке в течение 12 часов, когда они выросли до 95% слияния, как описано ранее ^27,28 . Царапина была создана с помощью наконечника микропипетки. После предварительной обработки FIR ^{50 мин} миграцию клеток контролировали под фазово-контрастным микроскопом (Olympus Optical Co., Токио, Япония) с использованием окулярной сетки через 0, 8, 16 и 24 часа. Затем клетки фотографировали с помощью цифровой камеры DCF300 (Scopetek, Inc., Ханчжоу, Китай) с помощью программного обеспечения ScopePhoto (Scopetek, Inc.,). Скорость миграции клеток рассчитывалась по следующей формуле:

$$ {\ rm {Cell}} \, {\ rm {migration}} \, {\ rm {rate}} = (0 \, {\ rm {time }} \, {\ rm {wound}} \, {\ rm {width}} \, — \, {\ rm {final}} \, {\ rm {wound}} \, {\ rm {width}} ) / 10. $$

Скорость миграции (%) представлена ​​в процентах, при этом миграция в BMSC ^con установлена ​​на 100%. Все эксперименты проводили в трех экземплярах и повторяли не менее трех раз.

Анализ миграции в лунки

Для дальнейшего подтверждения повышенной миграции BMSC, предварительно кондиционированных FIR, в ответ на SDF-1α, анализ миграции клеток выполняли с использованием 0.Размер пор 8 мкм, 24-луночные камеры миграции через лунки, покрытые коллагеном IV типа (10 мкг / мл), как описано ранее ^27,28 . Вкратце, 1 × 10 ⁴ BMSC засевали в верхние трансвеллерные камеры, содержащие среду без SDF-1α (20 нг / мл). Затем камеру вставляли в каждую лунку 24-луночных планшетов, содержащих 600 мкл основной среды MSCGM с добавлением SDF-1α (20 нг / мл). После предварительной обработки FIR ^{50 мин} камеры инкубировали в течение 16 часов при 37 ° C в инкубаторе с 5% CO ₂ .Клетки, которые мигрировали на другую сторону мембраны, окрашивали раствором для окрашивания кристаллическим фиолетовым. Затем оптическую плотность определяли при 590 нм с использованием ридера для ELISA (Emax; Molecular Devices, Саннивейл, Калифорния, США).

Статистика

Статистическая значимость различий между группами оценивалась с помощью дисперсионного анализа (ANOVA) с последующим апостериорным тестом Тьюки . P значений (*) меньше 0,05, P значений (**) меньше 0.01 и P значения (***) менее 0,001 считались значимыми.

Снижение вредного воздействия инфракрасного излучения на кожу с помощью бикосом, содержащих β-каротин — FullText — Skin Pharmacology and Physiology 2016, Vol. 29, № 4

Аннотация

Цель: В данной работе изучается влияние инфракрасного (ИК) излучения при температуре от 25 до 30 ° C на образование свободных радикалов (FR) в коже.Дополнительно оценивается влияние инфракрасного излучения при высоких температурах на деградацию коллагена кожи. В обоих экспериментах также оценивается защитный эффект от ИК-излучения фосфолипидных наноструктур (бикосом), содержащих β-каротин (Bcb). Методы: Формирование FR на коже под воздействием ИК-излучения измерялось вблизи физиологических температур (25-30 ° C) с использованием спиновой ловушки 5,5-диметил-1-пирролин-N-оксида и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) спектроскопия.Исследование структуры коллагена проводили методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей с использованием синхротронного излучения. Результаты: Результаты ЭПР показали увеличение гидроксильного радикала в облученной коже по сравнению с нативной кожей. Коллаген кожи разлагался под воздействием инфракрасного излучения при высоких температурах примерно 65 ° C. Обработка Bcb уменьшала образование FR и сохраняла структуру коллагена. Выводы: Образование FR под действием ИК-излучения не зависит от повышения температуры кожи.Уменьшение FR и сохранение коллагеновых волокон в коже, обработанной Bcb, указывают на потенциал этой липидной системы для защиты кожи от воздействия инфракрасного излучения.

© 2016 S. Karger AG, Базель

Введение

Кожа предназначена для защиты организма от травм и действует как физический барьер против внешней среды. Солнечный свет повреждает кожу человека, что приводит к образованию свободных радикалов (FR), которые частично ответственны за эритему / отек, воспаление, фотостарение и кожные заболевания [1,2,3,4].Негативное воздействие солнечного излучения на кожу обычно связано с воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения [1,2,3]. UVB-излучение в основном отвечает за повреждение ДНК в клетках, и путь, по которому происходит это повреждение ДНК, обсуждается во многих работах [5].

Однако кожа также подвергается воздействию инфракрасного (ИК) излучения. ИК-излучение может генерировать FR в коже, которые, в зависимости от дозы, способны инициировать каскад различных сигнальных путей, вызывая терапевтические или патологические эффекты [4,5,6,7,8,9].FR, образованные инфракрасным излучением, могут составлять четверть количества FR, созданных дозой UVB / UVA в точке эритемы [10]. Некоторые исследования связывают образование FR с повышением температуры под действием ИК-излучения [4,7,8,10]. Вопрос о том, вызывает ли ИК-излучение образование СО напрямую или это результат теплового шока, индуцированного ИК-излучением, остается открытым. Этот вопрос актуален, поскольку кожа ежедневно подвергается воздействию инфракрасного излучения солнечного света при физиологической температуре кожи.Точное измерение FR, индуцированных во время воздействия ИК-излучения при поддержании образца при физиологических температурах, может предоставить интересную информацию о прямом действии этого излучения, избегая температурного эффекта.

ИК-излучение проникает в эпидермальный и дермальный слои кожи и проникает глубже, чем УФ; следовательно, он может повредить оба отдела кожи. Эпидермис содержит роговой слой, который является физическим барьером для тела [11]. Дерма является вторым внутренним слоем и содержит структурные белки, такие как коллаген и эластин.Коллаген составляет около 75% от общей сухой массы кожи и обеспечивает прочность и целостность тканей [12]. Этот белок может быть поврежден действием ИК-излучения за счет сверхэкспрессии матриксных металлопротеиназ (ММП), которая активируется FR [4,5,13]. Изменения в структуре или организации коллагена ответственны за изменения морфологии кожи, такие как обесцвечивание, потеря эластичности, морщины или нарушение барьерной функции [12,14,15]. Регулярно ступенчатая структура коллагена вызывает периодические изменения электронной плотности, видимые при рассеянии рентгеновских лучей в виде острых пиков Брэгга.Профиль рентгеновского излучения здоровой кожи показывает характерный d-интервал около 65 нм и несколько отражений, связанных с этим расстоянием [12,15]. Положение, интенсивность и количество отражений типичной осевой периодичности кожного коллагена меняются в зависимости от физиологии ткани или физических условий. Эти изменения указывают на макромолекулярную дезорганизацию коллагена и, следовательно, могут указывать на деградацию белка. Следовательно, изучение организации кожного коллагена после ИК-излучения также может помочь определить потенциальные эффекты ИК-воздействия на кожу.

В данной работе образование FR в коже под воздействием ИК-излучения вблизи физиологических температур оценивалось с использованием спиновой ловушки 5,5-диметил-1-пирролин-N-оксида (ДМПО) и спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Максимальная температура кожи, достигнутая во время эксперимента, составила 30 ° C. Поэтому исследовалось образование FR только под действием ИК-излучения и без повышения температуры. Структурные изменения кожи до и после ИК-воздействия также изучались методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР) с использованием синхротронного излучения.Кроме того, была проведена обработка кожи бикосомами, включающими β-каротин (Bcb), чтобы оценить их защитный эффект на образование FR и структуру коллагена кожи от воздействия инфракрасного излучения.

Бикосомы представляют собой фосфолипидные сборки, образованные сферическими везикулами размером примерно 150-250 нм и дискоидными структурами размером от 15 до 25 нм (онлайн-приложение, рис. 1; все материалы онлайн-приложений см. На сайте www.karger.com/doi/10.1159) / 000447015) [16,17]. Комбинация липидного состава и небольшого размера, а также их морфологическая универсальность делают их очень полезными для различного использования кожи в качестве носителей [17,18].И бикосомы, и β-каротин продемонстрировали способность уменьшать образование FR в коже [9,17,19,20,21].

Материалы и методы

Химические вещества

Химические вещества, использованные в этом исследовании, подробно описаны в дополнительном онлайн-материале.

Приготовление Bcb

Приготовление бикосом объясняется в дополнительных онлайн-материалах. Концентрация каждого ингредиента в Bcb была следующей (мас. / Об.%):

DPPC 4,25%, DHPC 0,75%, β-каротин 0.01%, ПК: 8% и ХОЛ 2%.

Динамическое рассеяние света

Гидродинамические диаметры Bcb определяли динамическим светорассеянием с использованием Zetasizer Nano ZS90 (Malvern Instruments, UK). Детали этого метода включены в дополнительный онлайн-материал [см. Также [22]].

Обработка кожи с помощью бикосом

Обработка кожи с помощью Bcb описана в дополнительном онлайн-материале.

Электронный парамагнитный резонанс

Образцы нативной и обработанной кожи помещали в кварцевую тканевую ячейку спектрометра ЭПР (спектрометр EMX-Plus 10/12 Brucker BioSpin) с микроволновым мостом X-диапазона (~ 9 ГГц; EMX Premium X ) и 10-дюймовый магнит (ER073) с блоком питания 12 кВт (ER083).Более подробная информация об этой методике и о лечении ДМПО включена в дополнительный онлайн-материал [см. Также [23]].

Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей

Эксперименты по дифракции проводились на канале NACD, синхротронном источнике света ALBA (Cerdanyola del Vallès, Испания), с монохроматическим пучком 12,4 кэВ. Картины рассеяния регистрировали с помощью детектора SAXS 2D ADSC 210r (ADSC, Poway, Калифорния, США) с временами однократного экспонирования около 3 с. Расстояние от образца до детектора составляло 6.4 мес. Более подробная информация об этой технике содержится в дополнительном онлайн-материале [см. Также [24]].

ИК-облучение

Образцы кожи подвергали воздействию ИК-излучения с использованием ИК-лампы 250 Вт (Philips Infrared BR I 25). ИК-диапазон, излучаемый лампой, составляет 800–1500 нм (IR-A; см. Онлайн-приложение рис. 2). Подробная информация об облучении кожи включена в дополнительный онлайн-материал.

Результаты

Размер бикосомы

Гидродинамические диаметры, полученные с использованием динамического светорассеяния при 25 ° C для Bcb, показаны в таблице 1.Для сравнения также показан исходный размер бикосом без какой-либо встроенной молекулы.

Таблица 1

Гидродинамические диаметры различных бикосомных систем и доля популяции частиц, анализируемая по интенсивности светорассеяния при 25 ° C

Размер бикосом без β-каротина составлял приблизительно 180 нм с учетом доли света разбросано примерно 85%. Включение β-каротина привело к увеличению размера частиц примерно до 250 нм и к 85% рассеянного света.

Увеличение размера Bcb могло быть связано с расположением этой липофильной молекулы в структуре бикосомы [18]. Учитывая низкую растворимость этого антиоксиданта в воде, ожидается, что эта молекула будет расположена в липофильной области бислоя бикосом. Следовательно, включение этой липофильной молекулы внутрь липидного бислоя бикосом будет способствовать небольшому увеличению размера наноструктур.

Образование FR под воздействием ИК-излучения

Генерацию FR в образцах кожи свиньи исследовали методом ЭПР с использованием зонда DMPO, поскольку он улавливает FR, образующиеся в ткани.На рис. 1 представлены спектры нативной свиной кожи до и после 120 мин ИК-излучения. Оба спектра представляют собой симметричную спектральную модель гидроксильного спинового аддукта ДМПО (ДМПО-ОН), и в целом в настоящей работе спектры, которые были получены для всех образцов кожи, показали аналогичные картины аддукта ДМПО-ОН [25,26].

Рис. 1

Спектры ЭПР кожи до (черная линия; цвет только в онлайн-версии) и после (красная линия) ИК-воздействия. Доза: 777,6 Дж / см ² .

Интенсивность спектра кожи после ИК-воздействия была выше, чем интенсивность спектра до ИК-излучения (рис.1). Этот факт был следствием образования FR в коже под воздействием ИК-излучения и продемонстрировал образование FR вблизи физиологических температур.

Известно, что второе интегральное значение спектра ЭПР пропорционально концентрации ФР [23,27]. Следовательно, для количественного определения FR в коже после ИК-излучения были рассчитаны вторые значения интегрирования спектров при разном времени облучения (рис. 2). На этом рисунке представлена ​​кинетическая эволюция концентрации FR на нативной и облученной инфракрасным излучением коже вблизи физиологических температур при воздействии инфракрасного излучения.Стандартное отклонение этих данных составляет от 1 до 2,5. На нативной коже концентрация FR со временем снижалась. Этот распад является типичной тенденцией для этих видов и является следствием разрушения радикалов [28,29]. Концентрация FR в коже, облученной ИК-излучением, была постоянной в течение первых минут, но примерно через 50 минут концентрация FR увеличилась, что привело к заключению, что образуются новые FR. Наконец, примерно через 80 минут облучения концентрация FR поддерживалась.Этот факт продемонстрировал способность ИК-излучения образовывать FR в коже при температуре кожи около 25-30 ° C.

Рис. 2

Концентрация FR для нативной и облученной кожи в разное время. Интенсивность излучения: 0,108 Вт / см ² .

Разница между начальными значениями FR может быть связана с тем, что кожа является биологическим образцом. Таким образом, даже если все куски кожи принадлежат одному и тому же животному и имеют одинаковые размеры и обработку, эти различия вполне ожидаемы.

Результаты, полученные на образцах кожи, обработанных Bcb, показаны на рис. 3. Стандартное отклонение этих данных составляет от 1 до 2,5. В целом, концентрация FR была ниже в коже, обработанной Bcb. Фактически, концентрация FR в коже, обработанной Bcb, поддерживалась в течение 120 мин. После 75-80 мин ИК-излучения наблюдалась четкая разница в концентрации FR между кожей, облученной ИК-излучением, и кожей, обработанной Bcb, что указывает на эффект поглощения этой липидной системой.Кроме того, важно отметить, что до облучения (время 0 мин) концентрация FR была также ниже в коже, обработанной Bcb, что указывает на нейтрализацию FR даже в отсутствие облучения.

Рис. 3

Концентрация FR при разном времени облучения для облученной кожи и для кожи, обработанной Bcb. Интенсивность излучения: 0,108 Вт / см ² .

Деградация коллагена под воздействием ИК-излучения

Установление необходимой дозы, вызывающей деградацию кожного коллагена

Известно, что высокие дозы ИК-излучения разрушают коллаген кожи, но на сегодняшний день необходимая доза ИК-излучения, вызывающая это разрушение, четко не определена [4,5,13].Следовательно, чтобы оценить возможный эффект защиты или восстановления Bcb от негативных воздействий на коллаген кожи, вызванных ИК-излучением, необходимо установить ИК-условия для разложения белка (см. Материалы и методы).

Регулярная шахматная структура коллагена вызывает периодические изменения электронной плотности, видимые при рассеянии рентгеновских лучей в виде острых пиков Брэгга [12,15]. Изучение этих пиков можно использовать для оценки организации коллагена кожи.

На рис. 4 показан результирующий профиль SAXS коллагена, когда образцы подвергались облучению с регулировкой инфракрасной лампы на различных расстояниях от образца (10, 15 и 30 см) и облучению в течение 30 минут каждый раз.Интенсивности облучения для каждого расстояния соответствуют 0,91, 0,48 и 0,16 Вт / см ² соответственно.

Рис. 4

Профили SAXS нативной кожи и кожи, облученной ИК-излучением в течение 30 минут на расстоянии 30 см (фиолетовая линия; цвет только в онлайн-версии), 15 см (зеленая линия) и 10 см (красная линия) от источник. Спектры были смещены по вертикальной оси для визуального сравнения. ИК: 800–1500 нм.

Когда кожа облучается на расстоянии от кожи до лампы 30 и 15 см, четко присутствуют пики коллагена, в то время как на 10 см потеря характерных пиков коллагена указывает на нарушение молекулярной дезорганизации белка.Температура кожи составляла 44 ° C, когда расстояние кожа-лампа было установлено равным 30 см, 68 ° C, когда расстояние кожа-лампа составляло 15 см, и 75 ° C, когда расстояние кожа-лампа составляло 10 см. Поэтому, чтобы оценить возможное защитное действие Bcb на кожу, расстояние кожа-лампа было зафиксировано на уровне 10 см. Затем, сохраняя фиксированное расстояние между инфракрасной лампой и образцом на уровне 10 см, на кожу наносили разное время облучения при регистрации профилей SAXS.

На рис. 5 показано постепенное разложение коллагена нативной кожи, подвергнутой ИК-излучению на фиксированном расстоянии между кожей и лампой (10 см) в разные периоды времени.На этом расстоянии интенсивность облучения кожи составляла 0,91 Вт / см ² , а дозы, соответствующие этим временам облучения, составляли 273, 546 и 819 Дж / см ² соответственно. После 5 и 10 минут облучения пики коллагена все еще наблюдались, но эти пики были короче по сравнению с пиками, полученными на нативной коже. Этот факт мог быть связан с дезорганизацией коллагена, которая была следствием деградации белка в это время облучения. Температура кожи при применении этих доз находилась в пределах 60-65 ° С.После 15 мин ИК-воздействия пиков коллагена не наблюдалось, что указывает на полную деградацию белка. Температура кожи при этой дозе составляла примерно 70 ° C.

Рис. 5

Профиль SAXS нативной кожи и кожи, облученной ИК-излучением на расстоянии кожа-лампа 10 см в течение 5 мин (фиолетовая линия; цвет только в онлайн-версии), 10 мин (красная линия) и 15 мин. (зеленая линия) показывает постепенную деградацию коллагена. Спектры были смещены по вертикальной оси для визуального сравнения.ИК: 800–1500 нм.

С этими результатами и для оценки возможного эффекта Bcb для защиты коллагена кожи расстояние между кожей и лампой было зафиксировано на уровне 10 см, а время облучения было зафиксировано на уровне 10 минут.

Защита коллагена с помощью Bcb

Образцы кожи обрабатывали системой Bcb, чтобы оценить ее защитный эффект на коллаген кожи от воздействия инфракрасного излучения. На рис. 6 показано постепенное разложение коллагена нативной кожи и кожи, обработанной Bcb, под воздействием инфракрасного излучения на фиксированном расстоянии кожа-лампа (10 см) в течение 10 мин.Характерные пики коллагена в профилях рентгеновского излучения указывают на изменение молекулярной организации коллагена в образцах кожи, подвергнутых воздействию инфракрасного света, по сравнению с нативной кожей, что демонстрирует повреждение, вызванное этим белком в это время облучения. Образцы кожи, предварительно обработанные Bcb и подвергнутые ИК-излучению, сохранили рентгеновский профиль с характерными чертами коллагена. Этот факт свидетельствовал бы о сохранении коллагеновых волокон кожи, обработанной этой системой, под воздействием инфракрасного излучения, указывая на мощную эффективность Bcb в сохранении коллагена.Температура кожи при этой дозе составляла примерно 60-65 ° C.

Рис. 6

Профили SAXS различных образцов кожи с соответствующими отражениями коллагена. Родная кожа (черный; цвет только в онлайн-версии), кожа, облученная инфракрасным излучением (красная) и кожа, обработанная Bcb (синий). Спектры были смещены по вертикальной оси для визуального сравнения. ИК: 800–1500 нм.

Обсуждение

Влияние ИК-излучения, формирующего FR в коже

Наиболее известным патологическим действием ИК-излучения на кожу (особенно IR-A) является сверхэкспрессия молекул ММП, которые оказывают разрушающее действие на коллаген кожи [4 , 10,13,30,31].До настоящего времени образование FR под действием ИК-излучения объяснялось в основном повышением температуры кожи, вызванным этим излучением [7,8,9,10,31], которое могло повысить температуру поверхности кожи до 43 ° C. Однако вопрос о том, вызывает ли ИК-излучение образование FR в коже напрямую или это результат теплового шока, вызванного ИК-излучением, на сегодняшний день не ясен. Недавнее исследование показало, что прямое тепловое воздействие на кожу не увеличивает экспрессию ММП так же, как это наблюдается при ИК-излучении [4].Это исследование демонстрирует, что воздействие тепла, производимого водяной баней, не вызывает тот же процесс, что и инфракрасное излучение [4]. Следовательно, важно оценивать эффект ИК-излучения независимо от тепла, производимого этим типом излучения, и, следовательно, потенциал этого эффекта для инициирования терапевтического или патологического воздействия на кожу. Самодельное устройство, используемое в этом исследовании, обеспечивает оптимальные условия для измерения образования FR in situ вблизи физиологических температур.Аппарат ИВЛ отводил тепло, исходящее от инфракрасной лампы, поэтому температура кожи поддерживалась в пределах 25-30 ° C, что позволяло нам оценить влияние инфракрасного излучения на кожу.

В некоторых исследованиях утверждается, что эти FR могут вызывать терапевтические или патологические эффекты на кожу в зависимости от применяемой дозы облучения. В низких дозах (1-10 Дж / см ² ) ИК-излучение стимулирует терапевтические эффекты, а в высоких дозах (> 120 Дж / см ² ) оно стимулирует патологические эффекты (примерно 1.5 часов под прямыми солнечными лучами в летнее время в Мюнхене, Германия) [4]. В наших экспериментах интенсивность облучения составила 0,108 Вт / см ² ; Таким образом, для достижения дозы 120 Дж / см ² необходимо 18 мин ИК-воздействия. Как показано в этом исследовании, концентрация FR вблизи физиологических температур аналогична концентрации FR до воздействия ИК в это время облучения (рис. 2, 3). Следовательно, возможность того, что эта концентрация FR вызывает патологические эффекты, может не приниматься во внимание.Вероятно, что в той дозе, которая использовалась при поддержании температуры от 25 до 30 ° C, энергии ИК-излучения недостаточно, чтобы вызвать негативное воздействие на кожу. Увеличение концентрации FR вблизи физиологических температур достигается примерно через 50 мин воздействия ИК-излучения, то есть когда доза составляет примерно 324 Дж / см ² .

Дозы, используемые в этой работе, значительно выше, чем в других работах, в которых формируются FR. Например, Zastrow et al. [10] регистрировали FR с использованием меньших доз, чем в нашей работе, но в этих условиях температура кожи была выше 40 ° C.Учитывая важную роль температуры в формировании FR и температуры кожи ниже 30 ° C в наших экспериментах, нам потребовалось увеличить дозу IR для создания FR в коже.

Кроме того, важно учитывать, что минимальная доза для увеличения концентрации FR выше при использовании ИК-излучения, чем при использовании УФ-излучения. Предыдущее исследование показало образование FR на коже, подвергшейся воздействию УФ-излучения в дозах около 25-30 Дж / см ² [17], что заметно ниже, чем доза ИК-излучения, использованная в этом исследовании.Это связано с разницей в значениях энергии инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Энергия УФ-излучения выше, чем ИК-излучения; таким образом, для увеличения концентрации FR в коже могут потребоваться высокие дозы ИК-излучения.

Таким образом, образование FR возможно при близких к физиологическим температурам во время воздействия ИК-излучения и не обязательно происходит при высоких температурах. Следовательно, можно рассматривать инициирование различных сигнальных путей, вызывающих терапевтические или патологические эффекты вблизи физиологических температур.

Стабильность кожного коллагена под действием инфракрасного излучения

Кожный коллаген составляет 75% от сухой массы ткани. Этот белок обеспечивает эластичность кожи и отвечает за целостность тканей [12]. Молекулы коллагена образованы тремя α-полипептидными цепями, сложенными вместе, чтобы сформировать тройную спиральную структуру. Сборка между этими тройными спиральными молекулами образует фибриллярные группы в кожном коллагене, а сборка между этими фибриллярными группами формирует коллагеновые волокна [12].Этот белок может быть поврежден действием ИК-излучения за счет сверхэкспрессии ММП, которая активируется FR [4,13,31]. Нарушения молекулярной структуры коллагена влияют на упаковку коллагеновых волокон в различных тканях (коже, кости, груди или сухожилиях), что связано с патологическим состоянием ткани [12,32]. Следовательно, состояние коллагена кожи можно оценить, изучая высоту пиков Брэгга, полученных с помощью метода SAXS.

Разложение коллагена кожи происходит при минимальной дозе 273 Дж / см ² , когда температура кожи составляет около 60 ° C.Полная деградация происходит при дозе 820 Дж / см ² , когда температура кожи достигает 70 ° C. Следовательно, чтобы вызвать деградацию коллагена кожи, необходимы тяжелые условия окружающей среды, которые обычно не являются частью повседневной жизни. Тем не менее, оптимизация условий для разложения коллагена кожи помогает оценить эффективность различных агентов, направленных на защиту структуры белка.

В данной работе деградация коллагена инфракрасным излучением при физиологических температурах не оценивалась.Фактически, учитывая, что коллаген имеет прочную структуру, нам необходимо ускорить деградацию этого белка с помощью инфракрасного излучения при высоких температурах. Дарвин и др. [13] показали деградацию коллагена in vivo, поддерживая физиологическое состояние кожи, используя измерения генерации второй гармоники. В этом исследовании добровольцы подвергались воздействию как минимум 2 часа каждый день в течение 4 недель. Эти условия не воспроизводятся для наших экспериментов in vitro. Состояние кусков кожи in vitro не могло сохраняться в течение 4 недель, и, учитывая отсутствие гомеостатического процесса, кожа могла быть повреждена (обезвоживание и возможные сигналы жжения).

В нашем исследовании отражения, полученные на расстоянии 30 см в течение 30 мин облучения, указывают на отсутствие деградации белка (рис. 4), хотя в этих условиях температура кожи составляла 44 ° C. Следовательно, можно предположить сохранение коллагена ниже этой температуры (включая физиологическую температуру) и при этой дозе (288 Дж / см ² ). В общем, деградация коллагена кожи при физиологической температуре и под воздействием ИК-излучения будет интересным исследованием в будущем.

Защита кожи от ИК-излучения с помощью Bcb

Нанесение Bcb на кожу снижает образование FR и деградацию коллагена, вызванную ИК-излучением. Этот защитный эффект, обеспечиваемый Bcb, может быть связан со свойствами β-каротина и характеристиками бикосомной системы.

β-Каротин, как было показано, является эффективным антиоксидантом в липидной среде, улавливая FR или подавляя радикалы синглетного кислорода и защищая структуру коллагена [9,13,17,33,34].Этот антиоксидант может действовать как восстанавливающий агент образования FR, вызванного ИК-излучением, и, следовательно, можно избежать деградации коллагена.

В бикосомах липидные молекулы, которые образуют эту систему, также могут нести ответственность за снижение FR в коже. Молекулы липидов поглощают инфракрасный свет на разных длинах волн [35], а бикосомы образованы исключительно липидами. Таким образом, различные структуры бикосом (дискоидные структуры и сферические пузырьки) поглощают ИК-излучение.Кроме того, в предыдущей работе мы продемонстрировали антирадикальный эффект этой системы без антиоксидантов на коже, подверженной УФ-видимому излучению, как следствие рассеивания света, вызванного липидами, образующими бикосомы [17]. Поэтому мы хотим упомянуть о возможном защитном эффекте бикосом. Вероятно, что синергетический эффект между β-каротином и структурой бикосом может быть ответственным за защитный эффект системы Bcb.

Чтобы понять защитный эффект бикосом, важно понять взаимодействие этой липидной системы с кожей.Внешние везикулы размером примерно 200 нм не могут проникать через поверхностный слой кожи, роговой слой, и, следовательно, они остаются на поверхности кожи так же, как описано для других липидных везикул [36 ]. При контакте с кожей двойной слой внешнего пузырька бикосом разрывается, и инкапсулированные диски (называемые бицеллами) высвобождаются. Благодаря небольшому размеру и толщине бицеллы способны проникать в кожу [37]. После включения в роговой слой, двуцеллы увеличиваются в размере в результате содержания воды внутри ткани и, наконец, они удерживаются в ткани [18,37,38].Это увеличение включает переход от бицелл к везикулам, и, следовательно, бицеллы удерживаются в ткани (а также β-каротин) [18,37,38]. Фактически, есть некоторые исследования, связанные с проникновением двуцелл в кожу, которые показывают проникновение этих систем глубже, чем роговой слой (около 30-40 мкм) [37,39]. Следовательно, бикосомы взаимодействуют с кожей на поверхности (с помощью внешнего пузырька) и внутри ткани (с помощью внутренних бицелл), и, таким образом, липиды и β-каротин могут оставаться на поверхности и внутри. кожа как резервуар ткани.

Интенсивность инфракрасного излучения, которое проникает в кожу, будет уменьшена из-за свойств системы Bcb, что уменьшит образование FR. Кроме того, учитывая, что ИК-излучение может проникать до дермы [4,5,13], проникновение этого излучения, вероятно, будет глубже, чем проникновение бикосом. Тем не менее, компоненты бикосом остаются в коже. Затем, благодаря свойствам поглощения инфракрасного излучения липидов, образующих бикосомы, и антиоксидантным свойствам β-каротина, радиация, которая достигает дермы, будет уменьшена, что может способствовать сохранению кожного коллагена.Таким образом, защитный эффект Bcb на глубоко расположенный коллаген основан на снижении интенсивности ИК-излучения, что позволяет обрабатывать дерму кожи бикосомами.

Выводы

ИК-устройство, присоединенное к спектрометру ЭПР, обеспечивает адекватные условия для выполнения измерений FR в образцах кожи. Образование FR под воздействием инфракрасного излучения не обязательно происходит при высоких температурах кожи — оно также возникает при температурах, близких к физиологическим. Следовательно, инициирование различных сигнальных путей, вызывающих терапевтические или патологические эффекты вблизи физиологических температур, может быть исследовано дополнительно.Для разложения коллагена кожи необходимы высокие температуры примерно 65 ° C, которые обычно не являются частью повседневной жизни.

Обработка Bcb уменьшает образование FR в коже, подвергнутой ИК-излучению, и сохраняет структуру коллагена. Этот факт демонстрирует высокую эффективность бикосомных систем в защите кожи от инфракрасного излучения.

Благодарность

Эта работа поддержана фондами CTQ 2013-44998-P.

Заявление об этике

Кожа, использованная в этом исследовании, была получена от свиньи, принесенной в жертву для медицинских экспериментов в соответствии с Руководством по уходу и использованию лабораторных животных , опубликованным Национальным институтом здравоохранения США (восьмое издание, 2011 г.).

Заявление о раскрытии информации

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Список литературы

1. Биниек К., Леви К., Даускардт Р. Х. Солнечное УФ-излучение снижает барьерную функцию кожи человека. Proc Natl Acad Sci USA 2012; 109: 17111-17116.
2. Холик М.Ф .: Солнечный свет, УФ-излучение, витамин D и рак кожи: сколько солнечного света нам нужно? Adv Exp Med Biol 2008; 624: 1-15.

3. Ичихаши М., Уэда М., Будиянто А., Бито Т., Ока М., Фукунага М., Цуру К., Хорикава Т.: повреждение кожи, вызванное ультрафиолетом.Токсикология 2003; 189: 21-39.

4. Ахалая М.Ю., Максимов Г., Рубин А., Ладеманн Дж., Дарвин М.: Молекулярные механизмы действия солнечного инфракрасного излучения и тепла на кожу человека. Aging Res Rev 2014; 16: 1-11.

5. Крутманн Дж., Морита А., Чанг Дж. Х .: Воздействие солнца: что молекулярная фотодерматология говорит нам о его хороших и плохих сторонах.Дж. Инвест Дерматол 2012; 132: 976-984.

6. Чо С., Шин М.Х., Ким Ю.К., Сео Дж-Э, Ли Ю.М., Парк С.-Х, Чунг Дж. Х .: Влияние инфракрасного излучения и тепла на старение кожи человека in vivo. J Investigation Dermatol Symp Proc 2009; 14: 15-19.

7. Дарвин М.Е., Хааг С.Ф., Ладеманн Дж., Застров Л., Стерри В., Мейнке М.С.: Образование свободных радикалов в коже человека во время облучения инфракрасным светом.Дж. Инвест Дерматол 2010; 130: 629-631.

8. Дарвин М., Хааг С., Мейнке М., Застров Л., Стерри В., Ладеманн Дж. Производство радикалов с помощью инфракрасного излучения А в тканях человека. Кожа Pharmacol Physiol 2010; 23: 40-46.

9. Дарвин М.Э., Флур Дж. В., Мейнке М.К., Застров Л., Стерри В., Ладеманн Дж .: Актуальный β-каротин защищает от свободных радикалов, индуцированных инфракрасным светом.Эксперимент Дерматол 2011; 20: 125-129.

10. Застров Л., Грот Н., Кляйн Ф., Кокотт Д., Ладеманн Дж., Реннеберг Р., Ферреро Л. Недостающее звено — индуцированное светом (280–1600 нм) образование свободных радикалов в коже человека. Кожа Pharmacol Physiol 2008; 22: 31-44.

11. Элиас П.М., Фейнгольд К.Р.: Кожный барьер.Нью-Йорк, Тейлор и Фрэнсис, 2006.

12. Коста М., Бенсени-Кейз Н., Кочера М., Тейшейра К.В., Альсина М., Кладера Дж., Лопес О., Фернандес М., Сабес М.: Диагностика применения некристаллической дифракции коллагеновых волокон: рак груди и кожные заболевания; in Ezquerra TA, Garcia-Gutierrez MC, Nogales A, Gomez M (eds): Применение синхротронного света к рассеянию и дифракции в материалах и науках о жизни.Берлин / Гейдельберг, Springer, 2009, стр. 265-280.

13. Darvin ME, Richter H, Ahlberg S, Haag SF, Meinke MC, Le Quintrec D, Doucet O, Lademann J: Влияние солнечного света на кожные коллагеновые / эластиновые волокна и каротиноиды: негативные эффекты можно уменьшить с помощью солнцезащитного крема.Журнал Биофотоника 2014; 7: 735-743.

14. Nam JJ, Lee KE, Kim YJ: ПММА или тальк, покрывающий оксид металла, в качестве нового блокатора IR ингибирует вызванное IR уменьшение коллагенов в дермальных фибробластах человека. Int J Cosmet Sci 2015; 37: 433-437.

15. Cocera M, Rodrıguez G, Rubio L, Barbosa-Barros L, Benseny-Cases N, Cladera J, Sabes M, Fauth F, de la Maza A, Lopez O: Характеристика состояний кожи с помощью некристаллической дифракции.Мягкая материя 2011; 7: 8605-8611.

16. Родригес Г., Рубио Л., Косера М., Эстельрих Дж., Понс Р., де ла Маза А., Лопес О.: Применение бицеллярных систем на коже: эффекты диффузии и молекулярной организации. Ленгмюр 2010; 26: 10578-10584.

17. Фернандес Э., Фахари Л., Родригес Г., Лопес-Иглесиас С., Кочера М., Барбоса-Баррос Л., де ла Маса А., Лопес О.: Бицеллы и бикосомы как поглотители свободных радикалов в коже.RSC Adv 2014; 4: 53109-53121.

18. Fernández E, Rodríguez G, Cócera M, Barbosa-Barros L, Alonso C, López-Iglesias C, Jawhari T., de la Maza A, López O: Продвинутые липидные системы, содержащие β-каротин: стабильность при УФ-видимом излучении и нанесение на свиная кожа in vitro. Phys Chem Chem Phys 2015; 17: 18710-18721.
19. Дарвин М., Застров Л., Стерри В., Ладеманн Дж .: Влияние добавок и местно применяемых антиоксидантных веществ на ткани человека. Кожа Pharmacol Physiol 2006; 19: 238-247.

20. Ладеманн Дж., Шанцер С., Мейнке М., Стерри В., Дарвин М.: Взаимодействие между каротиноидами и свободными радикалами в коже человека.Кожа Pharmacol Physiol 2011; 24: 238-244.

21. Lademann J, Patzelt A, Schanzer S, Richter H, Meinke M, Sterry W., Zastrow L, Doucet O, Vergou T., Darvin M: Поглощение антиоксидантов естественным питанием и добавками: плюсы и минусы с дерматологической точки зрения. Кожа Pharmacol Physiol 2011; 24: 269-273.
22. Шмитц К.С.: Введение в динамическое рассеяние света макромолекулами. Сан-Диего, Academic Press, 1990.

23. Станковский Дж., Хильцер В. Введение в магнитно-резонансную спектроскопию.Варшава, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2005.

24. Bouwstra JA, Gooris GS, Bras W, Talsma H: Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей: возможности и ограничения в характеристике пузырьков. Chem Phys Lipids 1993; 64: 83-98.

25. Buettner GR: Спиновый захват: параметры ESR спиновых аддуктов.Free Radic Biol Med 1987; 3: 259-303.

26. Haywood R, Rogge F, Lee M: Белковые, липидные и ДНК-радикалы для измерения повреждения кожи UVA и модуляции меланином. Free Radic Biol Med 2008; 44: 990-1000.

27. Итон Г.Р., Итон С.С., Барр Д.П., Вебер Р.Т.: Количественный ЭПР.Берлин, Springer Science & Business Media, 2010.

28. Herrling T, Jung K, Fuchs J: Роль меланина как защитника от свободных радикалов в коже и его роль как индикатора свободных радикалов в волосах. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc 2008; 69: 1429-1435.

29. Плонка П.М.: Электронный парамагнитный резонанс как уникальный инструмент для исследования кожи и волос.Exp Dermatol 2009; 18: 472-484.

30. Cho S, Lee MJ, Kim MS, Lee S, Kim YK, Lee DH, Lee CW, Cho KH, Chung JH: Инфракрасное излучение плюс видимый свет и тепло от естественного солнечного света участвуют в экспрессии MMP и проколлагена I типа, а также в инфильтрации. воспалительной клетки в коже человека in vivo.J Dermatol Sci 2008; 50: 123-133.

31. Schieke SM, Stege H, Kürten V, Grether-Beck S, Sies H, Krutmann J: Экспрессия матричной металлопротеиназы 1, индуцированная инфракрасным излучением A, опосредуется активацией киназы 1/2, регулируемой внеклеточными сигналами, в дермальных фибробластах человека. Дж. Инвест Дерматол 2002; 119: 1323-1329.
32. Proksch E, Segger D, Degwert J, Schunck M, Zague V, Oesser S: Пероральный прием определенных пептидов коллагена оказывает благотворное влияние на физиологию кожи человека: двойное слепое плацебо-контролируемое исследование. Кожа Pharmacol Physiol 2014; 27: 47-55.

33. Tsuchihashi H, Kigoshi M, Iwatsuki M, Niki E: Действие β-каротина как антиоксиданта против перекисного окисления липидов.Arch Biochem Biophys 1995; 323: 137-147.

34. Мюллер Л., Бем В.: Антиоксидантная активность соединений β-каротина в различных анализах in vitro. Молекулы 2011; 16: 1055-1069.

35. Тамм Л.К., Татулян С.А.: Инфракрасная спектроскопия белков и пептидов в липидных бислоях.Quart Rev Biophys 1997; 30: 365-429.

36. Muller RH, Petersen RD, Hommoss A, Pardeike J: Наноструктурированные липидные носители (NLC) в косметических продуктах для кожи. Adv Drug Deliv Rev 2007; 59: 522-530.

37. Родригес Дж., Барбоса-Баррос Л., Рубио Л., Кочера М., Фернандес-Кампос Ф., Кальпена А., Фернандес Е., Де Ла Маза А., Лопес О. Бицеллы: новые липидные наносистемы для дерматологических применений.Дж. Биомед Нанотех 2015; 11: 282-290.

38. Родригес Г., Барбоса-Баррос Л., Рубио Л., Косера М., Лопес-Иглесиас С., де ла Маза А., Лопес О. Бицеллярные системы как модификаторы липидной структуры кожи. Colloids Surf B Biointerfaces 2011; 84: 390-394.

39. Fernández E, Rodríguez G, Hostachy S, Clède S, Cócera M, Sandt C, Lambert F, de la Maza A, Policar C, López O: трис-карбонильное производное рения в качестве модельной молекулы для включения в фосфолипидные сборки для кожных аппликаций. .Colloids Surf B Biointerfaces 2015; 131: 102-107.

Автор Контакты

Эстибалиц Фернандес

Институт современной химии Каталонии (IQAC-CSIC)

Хорди Жирона 18-26

ES-08034 Барселона (Испания)

Электронная почта [email protected]

Подробности статьи / публикации

Предварительный просмотр первой страницы

Получено: 13 января 2016 г.
Принято: 19 мая 2016 г.
Опубликовано онлайн: 6 июля 2016 г.
Дата выпуска: сентябрь 2016 г.

Количество страниц для печати: 9
Количество фигур: 6
Количество столов: 1

ISSN: 1660-5527 (печатный)
eISSN: 1660-5535 (онлайн)

Для дополнительной информации: https: // www.karger.com/SPP

Авторские права / Дозировка препарата / Заявление об ограничении ответственности

Авторские права: Все права защищены. Никакая часть данной публикации не может быть переведена на другие языки, воспроизведена или использована в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая фотокопирование, запись, микрокопирование, или с помощью какой-либо системы хранения и поиска информации, без письменного разрешения издателя. .
Дозировка лекарств: авторы и издатель приложили все усилия, чтобы гарантировать, что выбор и дозировка лекарств, указанные в этом тексте, соответствуют текущим рекомендациям и практике на момент публикации.Однако с учетом продолжающихся исследований, изменений в правительственных постановлениях и постоянного потока информации, касающейся лекарственной терапии и реакций на них, читателю рекомендуется проверять листок-вкладыш для каждого препарата на предмет любых изменений показаний и дозировки, а также дополнительных предупреждений. и меры предосторожности. Это особенно важно, когда рекомендованным агентом является новое и / или редко применяемое лекарство.
Отказ от ответственности: утверждения, мнения и данные, содержащиеся в этой публикации, принадлежат исключительно отдельным авторам и соавторам, а не издателям и редакторам.Появление в публикации рекламы и / или ссылок на продукты не является гарантией, одобрением или одобрением рекламируемых продуктов или услуг или их эффективности, качества или безопасности. Издатель и редактор (-ы) не несут ответственности за любой ущерб, причиненный людям или имуществу в результате любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в контенте или рекламе.

.