ĐỘ dẫn điện của tế bào và mô

Độ dẫn điện của tế bào và mô trong những điều kiện nhất định là một đại lượng không đổi – đặc trưng cho trạng thái sinh lý và chức năng của tế bào. Nghiên cứu tính dẫn điện của tế bào và mô nhằm 2 mục đích chính: Tìm hiểu một số đặc tính vật lý của vật chất sống. Nghiên cứu sự biến đổi các thông số điện liên quan đến chức năng của hệ. Các đối tượng sinh vật thuộc loại các chất bán dẫn. Với dòng điện 1 chiều, điện trở của các tế bào động thực vật cũng như của các mô có giá trị khoảng 106 – 107 .cm, hồng cầu: 1012 .cm. Với dòng điện xoay chiều, điện trở của hệ sinh vật nhỏ hơn. Khi cho dòng điện không đổi chạy qua cơ thể sinh vật người ta thấy 1 số hiện tượng, quy luật tương tự như khi dòng điện không đổi chạy qua kim loại và chất điện ly.

ĐỘ DẪN ĐIỆN CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ

Mở đầu

Độ dẫn điện của tế bào và mô trong những điều kiện nhất định là một đại lượng không đổi – đặc trưng cho trạng thái sinh lý và

chức năng của tế bào.

Nghiên cứu tính dẫn điện của tế bào và mô nhằm 2 mục đích chính:

1 Tìm hiểu một số đặc tính vật lý của vật chất sống

2 Nghiên cứu sự biến đổi các thông số điện liên quan đến chức năng của

hệ

Hoberơ là người đầu tiên nghiên cứu độ dẫn điện của máu (TK 19), sau đó

Osterohout nghiên cứu độ dẫn điện của da ếch và tế bào thực vật

Trong những năm gần đây, phương pháp đo độ dẫn điện chủ yếu

được sử dụng để xác định các quá trình tổn thương của hệ sinh học.

ĐỘ DẪN ĐIỆN CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ

Các đối tượng sinh vật thuộc loại các chất bán dẫn.

Với dòng điện 1 chiều, điện trở của các tế bào động thực vật cũng như của các mô có giá trị khoảng 106 – 107 Ω cm, hồng cầu: 1012

Ω cm.

Với dòng điện xoay chiều, điện trở của hệ sinh vật nhỏ hơn.

Khi cho dòng điện không đổi chạy qua

cơ thể sinh vật người ta thấy 1 số hiện

tượng, quy luật tương tự như khi dòng

điện không đổi chạy qua kim loại và

chất điện ly

Dòng điện không đổi qua 1 vài môi trường

1 Dòng điện trong kim loại: dòng chuyển dời có hướng của các

electron tự do dưới tác dụng của điện trường ngoài.

Nguyên nhân của điện trở là sự cản trở chuyển động có hướng của

các electron gây ra bởi các nút tinh thể kim loại.

Điện trở của 1 dây dẫn kim loại phụ thuộc vào kích thước, bản chất và nhiệt

độ của nó Ta có mối liên hệ:

2 Dòng điện trong chất điện phân

Sự điện ly của các phân tử trong dung dịch

Những chất hòa tan có khả năng phân ly thành các ion trong dung môi gọi là

chất điện phân hay chât điện ly

Chỉ có các dung dịch mà các phân tử của chất hòa tan bị phân ly thành các ion âm và dương mới có khả năng dẫn điện

Song song với quá trình phân ly của các ion trong dung dịch điện ly, còn tồn tại sự tái hợp: sự va chạm của 2 ion âm và dương trong quá trình chuyển động nhiệt có thể kết hợp thành phân tử trung hòa

 Trong dung dịch chất điện phân có sự cân bằng động của 2 quá trình phân ly và tái hợp

ĐIỆN TRỞ CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU.

Khi cho dòng điện 1 chiều đi qua tế bào và mô, người ta thấy cường độ

dòng điện (I) bị thay đổi – ngay sau khi nối mạch I giảm liên tục cho đến khi

đạt được 1 giá trị nào đó nhỏ hơn I ban đầu (tương tự như khi cho dòng

điện đi qua dung dịch chất điện phân)

I

P = f(t)

Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện theo thời gian

Nguyên nhân: khi có dòng điện 1 chiều

chạy qua, trong hệ xuất hiện một dòng điện ngược chiều, dòng điện này lớn dần cho tới khi đạt được 1 giá trị không đổi

Định luật Ohm đối với hệ sinh học

Hiện tượng này cũng giống khi cho dòng điện 1 chiều đi qua chất điện

phân Nguồn gốc của dòng điện ngược chiều trong dung dịch điện phân là hiện tượng phân cực hệ sống có khả năng phân cực

Lượng điện được tích lũy trong hệ sống không thể chỉ do điện dung tĩnh,

mà còn có điện dung phân cực tham gia

Đặc trưng của tế bào sống không bị tổn thương: có giá trị điện dung phân cực rất cao Nếu tế bào bị tổn thương hay chết thì điện dung phân cực nhỏ

ĐIỆN TRỞ CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU

Các đối tượng sinh vật rất nhạy cảm với dòng điện 1 chiều.

ĐIỆN TRỞ CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Đặc điểm của hệ sống:

• Điện trở của hệ đối với dòng điện xoay chiều thấp hơn dòng điện 1 chiều

• Điện trở không phụ thuộc vào cường độ dòng điện xoay chiều nếu

cường độ nhỏ hơn ngưỡng kích thích

• Ở trạng thái sinh lý bình thường, điện trở của hệ phụ thuộc vào cường

độ (trên ngưỡng) và phụ thuộc vào tần số của dòng điện xoay chiều

• Ở một tần số nhất định nào đó, điện trở của tế bào và mô không thay đổi

nếu trạng thái sinh lý của tế bào không thay đổi

Sự thay đổi điện trở ở các tần số khác nhau

(1920, Philipxôn, tế bào cơ)

Khi t bế ào bị tổn thương thì điện trở giảm

R

ω

Tính chất chung: Độ dẫn điện của hệ tăng

dần và đạt 1 giá trị cực đại khi tần số dòng điện xoay chiều tăng lên

Thông thường, độ dẫn điện cực đại ở 106Hz

ĐIỆN TRỞ CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ ĐỐI VỚI DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

Sự phụ thuộc độ dẫn điện vào tần số cũng như khả năng phân cực chỉ

đặc trưng cho tế bào sống

Tế bào bị tổn thương càng nặng thì tính chất trên thể hiện càng yếu

Nghiên cứu điện trở của tế bào và mô ở các tần số khác nhau  có thể đánh giá trạng thái sinh lý của tế bào và mô

mà không gây tổn thương – sử dụng khi cần cấy hoặc truyền vào cơ thể người

R

ω

Sự phụ thuộc điện trở của mô thực vật

vào trạng thái sinh lý

Bình thường

Đun ở 100 0 trong 20 phút Đun ở 50 0 trong 4 phút Đun ở 50 o trong 2 phút

Trong cùng 1 cơ thể, k tỷ lệ với cường độ trao đổi chất của từng loại mô Ở

cơ quan có cường độ trao đổi chất cao (gan, lách) k có giá trị lớn Ở cơ, nơi

có cường độ trao đổi chất thấp hơn thì k có giá trị thấp hơn

k =

Điện trở của mô ở các tần số khác nhau

Đo hệ số k của cơ ở các trạng thái sinh

lý khác nhau:

Ở vùng cao tần (ω>>0) – điện trở của

cơ không thay đổi trong vòng 30 giờ

Ở vùng âm tần: điện trở của cơ thay đổi

5 lần

Sự thay đổi độ dẫn điện của tế bào và mô là do khả năng

phân cực của chúng.

TỔNG TRỞ CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ

Trong hệ sống tồn tại cả điện trở Ohm và điện dung

Đối với dòng điện 1 chiều, điện trở của hệ lớn là do sự có mặt của thành phần điện dung, không cho dòng điện 1 chiều chạy

qua

Với dòng xoay chiều, phải xét cả 2 loại điện trở: điện trở thuần hầu như không phụ thuộc vào tần số dòng điện đi qua, còn điện trở kháng sẽ giảm khi tần số dòng điện tăng  giảm trở của toàn

Tuy vậy, việc xác định điện trở của tế bào và mô có ý nghĩa lớn về mặt

lý thuyết cũng như thực tiễn trong y học và sinh học.

Để xác định được thông số về điện trở thuần, điện trở kháng của các hệ thống sống là một việc làm không đơn giản Thông thường, ta gặp phải những khó khăn và phức tạp trong khi đo vì:

- Đối tượng sống là một hệ đa pha và tổ chức không đồng nhất về cấu trúc.

- Thể tích tế bào không cố định mà có thể biến đổi tuỳ theo trạng thái sinh lý của đối tượng khi khảo sát.

- Bề mặt tế bào có một lớp vỏ protéin bao bọc, lớp màng bảo vệ tế bào có độ

điện dẫn rất lớn.

- Ngoài ra, dòng điện đi vào mô chủ yếu chạy qua lớp gian bào có độ dẫn điện tôt

vì bản thân nó chứa nhiều loại ion với nồng độ rất cao.

- Các vi điện cực làm tổn thương màng

Mô hình vật lý tương đương

CR

R- điện trở gian bào;

R i -điện trở nội bào

R m - điện trở màng

C- điện dung màng

CƠ CHẾ PHÂN CỰC TRONG HỆ THỐNG SỐNG

Phân cực trên bề mặt tế bào

Phân cực trong toàn bộ thể tích tế bào

Sự phân cực không chỉ do các ion tham

ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU SINH HỌC VÀ Y HỌC

Pp đo điện trở : sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu các quá trình xảy ra trong

tế bào và mô dưới tác dụng của các yếu tố vật lý, hoá học, trong quá trình bệnh lý (vd: quá trình viêm)

Nghiên cứu các tổn thương do tia phóng xạ ion hoá gây ra – ngay ở giai đoạn đầu tiên của tổn thương đã có sự thay đổi về tính dẫn điện của tế

ỨNG DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN

TRONG ĐIỀU TRỊ

ỨNG DỤNG CỦA DÒNG ĐIỆN TRONG ĐIỀU TRỊ

1 Các loại dòng điện dùng trong điều trị

• Dòng điện 1 chiều

• Dòng điện xoay chiều (các xung điện)

Xung vuông Xung Faradic

a Điện giải liệu pháp:

• Xuất hiện các hiện tượng hóa học: xảy ra ở cực âm và cực

dương  tác dụng điện hóa  ứng dụng để điều trị bệnh.

• Đặt các điện cực trực tiếp vào vị trí cần điều trị, chọn điện cực phù hợp với mục đích (phân cực or không phân cực) và các phức hợp hóa chất thích hợp để điều trị các bệnh tương ứng

ứng dụng điều trị

Ion liệu pháp dùng tính chất trên để đưa các thuốc cần thiết dưới dạng ion vào

cơ thể (Thí nghiệm Leduc)

Các ion vào cơ thể theo cách này không thấm sâu được  có tác dụng tại

chỗ và nông (ngoài da)

Tuy nhiên, nhờ sự thâm nhập qua đường bạch huyết or mạch máu, cũng có thể xảy ra tác dụng sâu

Ví dụ: ion liệu pháp qua não tuỷ: đưa Ca+ vào trung ương thần kinh trong

điều trị bệnh liệt nửa người

Tẩm dung dịch CaCl 2 1%, 2 điện cực dương đặt trên 2 mắt, điện cực âm đặt ở gáy, và cho dòng điện 1-2 mA chạy qua

Liệu pháp dựa trên tác dụng sinh lý gây ra khi cho dòng điện 1 chiều

đi qua hệ sống như:

•Làm giảm ngưỡng kích thích của sợi cơ vận động

•Giảm tính đáp ứng của thần kinh cảm giác  giảm đau

•Gây giãn mạch

•Tăng cường trao đổi chất

2 Ứng dụng của dòng điện xoay chiều (hạ tần và trung tần) và tác dụng điều trị

•Kích thích co cơ: dòng xoay chiều có xung ngắn và tần số từ 40 – 180 Hz làm cơ co và mệt nhanh  Tác dụng này được sử dụng trong điều trị các bệnh thoái hoá thần kinh vận động chống teo cơ Ngoài ra việc kích thích co

cơ cũng làm tăng lưu thông máu, hồi phục dinh dưỡng cơ

•Các xung vuông có tần số và cường độ thích hợp được dùng để gây

“choáng điện” – một cơn co giật nhân tạo bằng kích thích điện xuyên qua

sọ - trong điều trị một số bệnh tinh thần có chu kỳ

•Xung vuông biên độ 150V, kéo dài 1-2 ms có thể kích thích tim từ ngoài

lồng ngực  dùng cấp cứu trong trường hợp ngừng tim

•Dùng kích thích tim trong trường hợp bệnh nhân bị đau tim: bệnh nhân

được gắn 1 máy đảm bảo nhịp tim thường xuyên (pacemaker) – một loại máy phát xung điện kích thích có kích thước nhỏ, chạy pin và các điện cực kích thích có thể bố trí ngay trên màng tim

3 Tác dụng của dòng điện cao tần và ứng dụng điều trị

•Năng lượng của dòng cao tần được biến thành nhiệt năng tại nơi có dòng điện đi qua

•Sự phân bố nhiệt trong cơ thể không đồng đều và phụ thuộc vào tần số, với sóng ngắn nhiệt giữ nhiều ở tổ chức mỡ và ít ở tổ chức cơ…

Tác dụng nhiệt làm tăng lưu thông máu, dịu đau, tăng cường chuyển hoá vật

chất, giảm ngưỡng kích thích vận động, thư giãn thần kinh, cơ

Dòng điện cao tần với bước sóng 200m cung cấp nhiệt năng cao  Dòng

nhiệt điện thường được chỉ định để điều trị các bệnh viêm thần kinh,

bệnh ngoài da, hoặc giảm đau ở các khớp nông (sóng cực ngắn)

Cắt đốt bằng nhiệt điện: tiêu diệt các tổ chức sống do tác dụng nhiệt của dòng cao tần Khi dòng nhiệt điện chạy qua cơ thể, các đường sức điện tập trung vào điện nhỏ  nhiệt lương lớn ở nơi tiếp xúc tiêu hủy các tổ chức

Trong phẫu thuật, dùng máy nhiệt điện có thể cắt đốt các tổ chức mà không gây chảy máu, không nhiễm trùng và để lại sẹo nhỏ trắng không dính