ДЕГИДРАТАЦИЯ БИОТКАНЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ КОМПРЕССИИ

БИОФИЗИКА И МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА

УДК 535.2:535.8

Дегидратация биотканей в процессе их компрессии

О. А. Зюрюкина, Ю. П. Синичкин

Зюрюкина Ольга Анатольевна, аспирант кафедры оптики и биофотоники, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, oazyuryukina@yandex.ru

Синичкин Юрий Петрович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры оптики и биофотоники, заведующий лабораторией оптической медицинской диагностики Научно-образовательного института оптики и биофотоники, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, yusin49@gmail.com

Представлены результаты мониторинга изменения оптических свойств и геометрических параметров образцов ex vivo мышечной ткани коровы в процессе дегидратации, вызванной их компрессией. Степень дегидратации образцов оценивалась по изменению их массы в процессе сушки или по массе вытесненной воды из образцов, подверженных компрессии. Приведены результаты сравнения динамики степени дегидратации образцов со спектральными изменениями в их диффузном отражении. Отмечено, что временное изменение коэффициентов диффузного отражения высушенных образцов и образцов, подверженных компрессии, носят противоположный характер: при наложении компрессии диффузное отражение уменьшается, а в процессе сушки увеличивается, что объясняется разными изменениями в физической структуре образцов. Рассматривается возможность оценки изменения дегидратации образцов ткани в условиях компрессии по спектрам их диффузного отражения.

Поступила в редакцию: 12.02.2020 / Принята: 05.03.2020 / Опубликована: 01.06.2020 Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0)

DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2020-20-2-92-102 Введение

«Оптическое просветление биотканей», основанное на уменьшении их рассеивающих и поглощающих свойств, увеличивает как глубину проникновения света в ткань, так и интенсивность света в более глубоких областях ткани, потенциально улучшая возможности различных оптических диагностических и терапевтических методик. В настоящее время широко используется метод иммерсионного просветления биотканей, когда в биоткань вводятся гиперосмотические иммерсионные агенты, вызывающие диффузию воды из внутритканевого пространства и частично замещающие собой внутритканевую жидкость. К потенциальным механизмам уменьшения рассеяния света в тканях относят водный транспорт из компонентов тканей, перемещения воды внутри ткани, замена

межклеточной воды химическим агентом с более высоким показателем преломления, структурная модификация или диссоциация коллаге-новых волокон [1]. Альтернативным методом оптического просветления биотканей является компрессионный метод просветления [2-22], основными механизмами которого предполагаются дегидратация ткани из-за транспорта воды из области приложения внешней компрессии и структурные изменения ткани. Ключевыми процессами, определяющими механизмы иммерсионного и компрессионного просветления биоткани, являются осмотическая дегидратация ткани под действием иммерсионного агента или дегидратация биоткани из-за транспорта воды из области приложения внешней компрессии.

В публикациях по компрессионному методу просветления биотканей в основном рассматриваются: 1) влияние внешнего механического давления на спектры пропускания и диффузного отражения образцов тканей [3-10, 14, 15, 18-20]; 2) изменения в оптических параметрах (коэффициентах поглощения и рассеяния) тканей [3, 5, 11, 12, 15, 18]; 3) физические механизмы, приводящие к изменениям оптических параметров [2, 11-13, 16-19, 21, 22].

Вопросы влияния компрессии на оптические свойства мягких тканей и возможные механизмы изменений оптических свойств биотканей в условиях компрессии рассматривались в работах [3, 5]. В общем отмечается, что при компрессии уменьшается диффузное отражение, уменьшение отражения обусловлено уменьшением толщины образцов тканей (до 72%) и уменьшением веса образцов тканей (до 40%); коэффициенты поглощения и рассеяния увеличиваются с ростом давления; эффекты компрессии на оптические свойства тканей необратимы.

Возможные механизмы, отвечающие за изменение оптических свойств, связываются авторами с изменением толщины или веса тканей и непосредственно связаны с их дегидратацией. Компрессия уменьшает толщину образца и вызывает вытекание жидкости из образцов, при этом изменения в толщине тканей и содержании воды влияют на оптические свойства образцов разными путями.

В условиях компрессии увеличивается плотность поглощающих или рассеивающих центров, что является результатом уменьшения пространства между клеточными компонентами. Так как сечения рассеяния или поглощения остаются постоянными или слегка уменьшаются, то в

результате воздействия компрессии коэффициенты поглощения и рассеяния увеличиваются. Увеличение объемной концентрации воды из-за уменьшения толщины ткани может также быть причиной увеличения коэффициента поглощения при наложении компрессии.

Коэффициенты поглощения для сжатых образцов имеют большую величину, даже если они имеют схожие толщины с образцами без компрессии. Это является следствием того, что физические структуры несжатых образцов (даже если они дегидратированы) более рыхлые по сравнению со структурами сжатых образцов, которые более плотные и компактные [4].

Изменения в физической структуре мягкой ткани являются одной из причин изменения оптических свойств ткани под действием компрессии. Изменения будут необратимыми, если структура не возвращается в исходное состояние после ком -прессии. Если толщина ткани не возвращается в свое начальное состояние после снятия ком -прессии, то это может быть объяснением того, что изменения оптических свойств в результате компрессии необратимы.

Динамика объемной фракции воды в процессе компрессии образцов ткани анализировалась авторами работы [13] на основе экспериментов с ex vivo кожей свиньи, проведенных методом ОКТ. Анализ проводился в предположении, что кожа может быть представлена как двухкомпонентная смесь воды и белка. Результаты сравнивалась с результатами весовых измерений образцов в процессе компрессии и в процессе сушки образцов. Получено, что локализованная механическая компрессия образцов кожи уменьшает толщину ткани (более чем в два раза), уменьшает содержание воды в образцах (объемная доля уменьшалась более чем в три раза) и увеличивает величину показателя преломления образцов (от 1.39 до 1.50). При этом отмечается, что компрессия приводит к тем же эффектам, что и в случае дегидратации образцов при их воздушной иммерсии (сушке). Локальная механическая компрессия не только уменьшает рассеяние в коже благодаря уменьшению содержания в дермальной коллагеновой матрице не связанной воды, в результате чего белковая структура становится более плотно упакованной, что приводит к лучшему согласованию показателей преломления компонентов биоткани, но и уменьшает поглощение образцов.

Корреляция увеличения локального механического давления с уменьшением приведенного коэффициента преломления в течение времени

компрессии отмечается авторами работы [15]. Вдавливание источника освещения в биоткань увеличивало пропускание света через ткань, при этом величина относительного пропускания увеличивается как функция деформации сдавливания (относительного изменения толщины). Приведенный коэффициент рассеяния уменьшался на 12.0% при относительном уменьшении толщины на 0.44 и на 35.6% при деформации 0.71. Увеличение деформации до 0.45 уменьшало приведенный коэффициент рассеяния на ~15%.

Подробные исследования влияния давления волоконно-оптического датчика на оптические свойства биоткани приведены в [17], при этом акцент сделан на изменениях в содержании воды. Объектами исследований являлись образцы in vitro кожи свиньи и in vivo кожи человека. Результаты проведенных исследований показали, что контактное давление датчика при достижении определенного порога и длительности может значительно повлиять на спектр отражения. Так как биоткань с высоким содержанием воды в значительной степени не сжимаема, то авторами предлагается механизм изменения оптических характеристик биоткани при ее компрессии, связанный с деформацией биоткани и вытеснением воды из области сжатой ткани. Количество воды, вытесненной из области локализованного давления, является основным фактором вариаций спектров отражения. Моделирование таких вариаций проводилось на основе двухфазной модели кожи, согласно которой кожа представляет собой совокупность несжимаемой эластичной твердой матрицы, образованной главным образом из эластичных волокон и клеток, которые играют главную роль в нелинейном механическом отклике биоткани на внешние воздействия, и заполняющей твердую матрицу жидкости. Результаты показали, что изменения свободной и связанной воды в ткани связаны с давлением нелинейным образом. В случае кожи свиньи in vitro наложение компрессии ведет к вытеснению свободной воды из области компрессии, в то время как перемещение связанной воды затруднено. При давлении около 400 кПа содержание связанной воды уменьшается на 30%, что, по мнению авторов, связано с деформацией ткани. Показано, что временные изменения содержания свободной и связанной воды в коже свиньи ex vivo происходят в течение времени порядка 6 мин после наложения компрессии, после чего процесс стабилизируется, при этом время стабилизации зависело от величины прикладываемого давления. На ранних стадиях деформации ткани при определенном давлении основная вода выходит из области компрессии с высокой скоростью из-за большого напряжения внутри ткани. Из-за релаксации напряжения биотканей деформация и скорость миграции основной воды постепенно уменьшается. По истечении определенного времени, зависящего от величины компрессии, деформация ткани и транспорт основной воды становятся постоянными.

Несмотря на то, что деформация ткани под действием компрессии дает значительный вклад в эффект оптического просветления, этого вклада недостаточно для экспериментально отмеченного увеличения пропускания света сжатыми средами. В результате проведенных исследований [12] получено, что увеличение пропускания продолжается увеличиваться даже при условии, что толщина ткани сохраняется постоянной. Механическое просветление может быть функцией относительного изменения толщины ткани (деформации сдавливания), а не просто абсолютного уменьшения толщины ткани из-за приложенного давления.

Это говорит о том, что механизмов оптического просветления может быть больше, чем простое уменьшение толщины. Авторы [2] отмечают, что дегидратация является важным механизмом оптического просветления с использованием химических агентов, и проводят анализ, каким образом дегидратация может давать вклад в уменьшение рассеяния света. Объяснение механизма оптического просветления дает выражение, связывающее приведенный коэффициент рассеяния с объемной фракцией рассеивающих частиц. Параболическая зависимость приведенного коэффициента рассеяния от плотности упаковки рассеивающих частиц показывает, что эффекты дегидратации модифицируют плотность упаковки рассеивающих частиц. Связь показателей преломления и изменения в форме или структуре рассеивающих частиц влияют на поперечное сечение рассеяния. По мнению авторов, просветление биоткани обратно пропорционально ее состоянию гидратации. Эти результаты хорошо согласуются с отмеченной авторами [21, 22] корреляцией между водными потерями и просветляющей способностью химических агентов для образцов мышечной ткани и желудка свиньи.

Дегидратация может уменьшить рассеяние света путем увеличения объемной фракции рассеивающих частиц. Обезвоживание биоткани

делает коллагеновые фибриллы и органеллы более тесно упакованными, но не вызывает значительных изменений в их размерах. Так как естественная плотность коллагеновых фибрилл составляет величину порядка 65% и возрастает из-за дегидратации до 90%, то такие структурные изменения могут дать 60%-ное уменьшение приведенного коэффициента рассеяния в предположении, что показатель преломления базовой субстанции не меняется. Вклад в оптическое просветление может также дать уменьшение рассогласования показателей преломления между фибриллами и межфибриллярного пространства, вызванное увеличением концентрации протеогликанов (или экзогенных иммерсионных субстанций) [23].

Количественные измерения дегидратации биотканей в результате внешней компрессии весьма затруднительны, особенно если исследуется in vivo биоткань. Если дегидратацию ex vivo образцов биотканей можно оценить путем их весовых измерений в процессах высушивания или компрессии, то в условиях in vivo такие измерения невозможны, и единственным измеряемым параметром в спектральных экспериментах является коэффициент диффузного отражения биоткани. Вода вносит существенный вклад в формирование спектра диффузного отражения биологической ткани. Изменение содержания воды в биоткани отчетливо проявляется в спектрах диффузного отражения как результат изменения поглощающих и рассеивающих свойств ткани. Дегидратация ткани уменьшает ее поглощение в инфракрасной области и изменяет рассеяние ткани в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Влияние внешней механической компрессии на содержание воды в кожной ткани человека in vivo рассматривается в работах [19, 20]. В данной работе представлены результаты исследования влияния дегидратации образцов ex vivo мышечной ткани коровы в процессе их высушивания и наложения компрессии на спектры их диффузного отражения с целью выявления корреляции между спектрами диффузного отражения биотканей и их дегидратацией.

Экспериментальная установка,

материалы и методы

Измерения спектров диффузного отражения образцов биоткани осуществлялись с помощью установки, состоящей из осветительного устройства HL-2000 (Ocean Optics, США), волоконно-оптического датчика и двух волоконно-оптических спектрометров USB4000 (Ocean Optics, США) и NIRQuest512-2.2 (Ocean Optics, США), сопряженных с персональными компьютерами. Установка обеспечивала регистрацию спектров в диапазоне от 400 до 2000 нм и подробно описана в работе [20].

В работе использовался волоконно-оптический датчик R400-7-VIS/NIR (Ocean Optics, США). Для исследования поведения жидкостей в образцах мышечной ткани под влиянием внешнего механического давления была изготовлена специальная насадка на датчик с кюветой цилиндрической формы (рис. 1). Прорези в дне и стенках кюветы служили для отведения жидкости, выдавливаемой из ткани под действием внешней механической компрессии. Насадка и кювета были смоделированы с помощью программы Autodesk Fusion 360 и распечатаны на 3Б-принтере из черного пластика PLA.

Используемые в экспериментах образцы мышечной ткани коровы вырезались из одного объема биоткани, при этом в измерениях с высушиванием образцы имели прямоугольную

Pressure

II II lili

Рис. 1. Схема насадки для выдавливания жидкости из образцов мышечной ткани: 1 - кювета, 2 - насадка, 3 - волоконно-оптический датчик, 4 - образец биоткани

Fig. 1. Scheme of nozzles for squeezing fluid from muscle tissue samples: 1 - cuvette, 2 - nozzle, 3 - fiber-optic sensor, 4 - tissue sample

форму размером 20 х 20 х 25 мм3. Были проведены шесть экспериментов, в которых 8 образцов высушивались в течение нескольких часов при температуре порядка 60°, при этом каждый час образцы взвешивались и регистрировались их спектры диффузного отражения. Результаты усреднялись.

В случае экспериментов с компрессией образцы мышечной ткани вырезались в форме цилиндров диаметром ~ 20 мм и толщиной ~ 25 мм, которые помещались в кювету и подвергались внешнему давлению с помощью насадки. После приложения давления в течение времени порядка 6 мин регистрировались спектры отражения с временным шагом, равным 2 с, по истечении которого внешний цилиндр с образцом биоткани взвешивался. В результате сдавливания образца из него (и из внешнего цилиндра, соответственно) выходила вода, которая в весовых измерениях участия не принимала. Результаты измерений усреднялись.

Результаты и их обсуждение

Динамика содержания воды в образцах ткани в процессе их высушивания может быть определена с помощью временных измерений веса образца, №((). Образцы взвешивались каждый час. В предположении, что уменьшение веса образца происходит благодаря только испарению воды, можно считать, что весом полностью

обезвоженного образца может служить вес полностью сухого образца, Г0. Для оценки степени дегидратации биоткани в процессе высушивания можно рассмотреть схожий процесс дегидратации кожи под действием осмотических оптических просветляющих агентов [24]. Следуя авторам [24], степень дегидратации биоткани можно определить как

=Г Га=оГ0 (!-ехр И &В (!)

где = 0) - начальный вес образца, разность

= 0) - Г0) показывает количество воды, покинувшее биоткань в результате дегидратации, при этом временную зависимость степени дегидратации И0 можно записать в следующем виде:

Нв (0 = Ав (! - ехр /т0)), (2)

где Ав- безразмерный параметр, характеризует максимальную степень дегидратации, тв - постоянная времени дегидратации, характеризующая скорость процесса.

Зависимость веса образцов от времени сушки представлена на рис. 2. Видно, что по истечении 17 ч сушки вес образцов уменьшился в среднем на 70%, т.е. масса ушедшей воды составляла около 70%. Эта цифра соответствует степени гидратации образцов перед экспериментами. По мере высушивания образцов степень гидратации уменьшалась, что отмечено на рис. 2.

~ 0,6-ш>

&I 0,5 ■ 2 0,4-|

I 0,3-ео

Рис. 2. Временные изменения нормированного веса (1) и степени дегидратации (2)

образцов мышечной ткани в процессе их сушки Fig. 2. Temporary changes in weight (1) and dehydration degree (2) of muscle samples

during their drying

Дегидратация образцов в процессе их сушки сопровождалась увеличением их диффузного отражения. Динамика коэффициента отражения образцов в процессе их сушки на отдельных длинах волн показана на рис. 3. После 3 ч сушки образцов

их шероховатость затвердевших поверхностей приводила к значительным ошибкам при регистрации отраженного света, величина которого, как известно [25], сильно зависит от промежутка между торцом датчика и поверхностью образца.

<5 24

Рис. 3. Временные изменения диффузного отражения образцов в процессе их сушки: 1 - X = 800 нм, 2 - X = 1070 нм Fig. 3. Temporary changes in diffuse reflectance of samples during their drying: 1 - X = 800 nm, 2 - X = 1070 nm

Сдавливание образцов биоткани должно приводить к изменению их физических, в том числе оптических, параметров, которые обусловлены рядом причин, среди которых деформация образцов, изменение их плотности, количество содержащейся в них воды. Информация о весе образцов и степени их дегидратации в результате компрессии, полученная с учетом соотношений (1) и (2), приведена на рис. 4.

Из рис. 4 видно, что при давлении на образцы порядка 110 кПа вес образцов уменьшается на 45%. Это уменьшение веса образцов обусловлено вытеснением воды из образцов и их дегидратацией. Максимальная степень дегидратации образцов при их компрессии, как видно из рис. 4, составляла величину порядка 50%.

Отличительной особенностью поведения спектра диффузного отражения образцов после наложения компрессии является его монотонное уменьшение по двухэкспоненциальному закону [20]. В первоначальный момент приложения

давления происходит резкая деформация и сжатие коллагеновой матрицы ткани (согласно двухфазной модели). Этот процесс происходит в течение нескольких секунд. В дальнейшем на спектр диффузного отражения начинает влиять дегидратация биоткани в области приложения внешнего давления, что в эксперименте отражается в появлении воды, вытекающей из кюветы датчика. Характерные времена экспоненциального уменьшения коэффициентов отражения в спектральной области 600-900 нм после наложения компрессии являются не чем иными, как временами дегидратации образца ткани.

На рис. 5 приведены временные изменения коэффициента диффузного отражения образца ткани на длине волны X = 900 нм при последовательном увеличении приложенной компрессии (времена изменения компрессии показаны стрелками), которая хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью (рис. 6). На рис. 6 приведена также информация о состоянии

Pressure, кРа

Рис. 4. Временные изменения веса (1) и степени дегидратации (2) образцов мышечной ткани в процессе их сжатия Fig. 4. Temporary changes in weight (1) and dehydration degree (2) of muscle samples

during their compression

Рис. 5. Временные изменения коэффициента диффузного отражения образца ткани при наложении компрессии разной величины. X = 900 нм. Стрелками показаны

времена изменения компрессии Fig. 5. Temporary changes in diffuse reflectance of a tissue sample under compression of different values. X = 900 nm. The arrows indicate the times of compression changes

дегидратации образцов ткани в условиях компрессии в виде зависимости веса образцов от величины приложенной компрессии.

Нужно отметить различие во временном поведении спектров диффузного отражения

образцов ткани в процессе ее дегидратации в результате сушки и компрессии. В отличие от дегидратации образцов биоткани в процессе сушки при сжатии образцов коэффициент диффузного отражения уменьшается. Этот факт можно объ160 80

Pressure, кРа

Рис. 6. Временные изменения веса (1) и коэффициента диффузного отражения (2) образцов мышечной ткани в зависимости от приложенной компрессии. X = 900 нм Fig. 6. Temporal changes in weight (1) and diffuse reflectance coefficient (2) of muscle tissue samples depending on applied compression. X = 900 nm

яснить отличием в физических структурах образцов при дегидратации [2]. Сжатые образцы очень плотные и компактные, при этом уплотнение рассеивающих частиц приводит к изменению объемной фракции рассеивающих частиц р8 и, как следствие, к изменению приведенного коэфI

фициента рассеяния /, которые связаны между собой соотношением [2, 23]:

_Ps (1 -PS )

где Ур - объем рассеивающей частицы, ст3 -поперечное сечение приведенного рассеяния, зависящее от длины волны света, радиуса рассеивающей частицы и показателей преломления рассеивающей частицы и окружающей среды. Эта зависимость имеет вид параболы с максиI

мумом / при р3 = 0.5 и обращением в ноль при (р5 = 0 и р8 = 1, т.е. когда среда становится однофазной.

В случае компрессии образцов увеличение фракции рассеивателей происходит в области рs < 0.5 и ведет к уменьшению приведенного коэффициента рассеяния и, как следствие, к уменьшению коэффициента диффузного отражения. В отличие от сжатых образов физические структуры несжатых образцов под микроскопом выглядят как «рыхлые» [2]. Удаление воды путем

выпаривания (сушки) уплотняет ткань в меньшей степени, компоненты ткани могут оставаться рыхлыми даже после дегидратации, так что сухой образец остается менее плотный по сравнению с сжатым. Увеличение фракции рассеивателей происходит в области р8 > 0.5 и ведет к увеличению приведенного коэффициента рассеяния и, соответственно, диффузного отражения [23, 26]. Более того, в объеме сухого образца могут образовываться воздушные полости, что в результате может привести к увеличению рассогласования показателей преломления компонентов биоткани (путем замены показателя преломления воды на меньший по величине показатель преломления воздуха), увеличению рассеяния и коэффициента диффузного отражения [2, 27].

Данные, приведенные на рис. 6, показывают, что поведение коэффициента диффузного отражения образца ткани коррелирует с процессом уменьшения веса образца при его компрессии. Оба процесса носят экспоненциальный характер, при этом уменьшение коэффициента отражения обусловлено дегидратацией образца. Относительное уменьшение коэффициента отражения по величине отличается от относительного уменьшения веса образца, что связано с тем, что диффузное отражение образца зависит от его рассеивающих и поглощающих свойств [28], т.е. зависит от длины волны зондирующего света. Увеличение

поглощения образца приводит к увеличению относительного уменьшения коэффициента отражения по величине, поэтому выбор длины волны зондирующего света (где поглощение больше) может дать и количественно совпадение между зависимостями, приведенными на рис. б.

Заключение

Дегидратация ex vivo образцов мышечной ткани коровы в процессе их сушки или компрессии сопровождается разным характером временного поведения диффузного отражения образцов: в первом случае диффузное отражение увеличивается, а во втором - уменьшается. Этот результат обусловлен разными физическими структурами высушенного и сдавленного образца, которые приводят к разной плотности рассеивателей в образце и, как следствие, двух-компонентной модели, к разной величине фракции рассеивателей в среде и разному поведению приведенного коэффициента рассеяния.

Оценить степень дегидратации образцов ткани в результате их компрессии можно на основе анализа изменений диффузного отражения образцов. Процессы уменьшения диффузного отражения образца ткани и уменьшения их веса в результате компрессии коррелируют. Оба процесса носят экспоненциальный характер, при этом уменьшение коэффициента отражения обусловлено дегидратацией образца. Выбор длины волны зондирующего света может дать не только качественное, но и количественное совпадение между двумя процессами.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 19-32-90177).

Список литературы

Optical clearing of human skin: comparative study of permeability and dehydration of intact and photother-mally perforated skin // J. Biomed. Opt. 2008. Vol. 13, № 2. P. 021102.

Образец для цитирования:

Зюрюкина О. А., Синичкин Ю. П. Дегидратация биотканей в процессе их компрессии // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2020. Т. 20, вып. 2. С. 92-102. БО!: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2020-20-2-92-102

Dehydration of Biotissues During Their Compression O. A. Zyuryukina, Yu. P. Sinichkin

Ol&ga A. Zyuryukina, https://orcid.org/0000-0003-0780-555X, Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia, oazyuryukina@yandex.ru

Yury P. Sinichkin, https://orcid.org/0000-0001-7554-5038, Saratov State University, 83 Astrakhanskaya St., Saratov 410012, Russia, yusin49@gmail.com

Background and Objectives: Dehydration of tissue is one of the possible mechanisms of mechanical tissue optical clearing. In this study we investigated the effects of dehydration of ex vivo cow muscle tissue samples during their compression on diffuse reflectance spectra of the tissue. The purpose of research was to identify the correlation between the diffuse reflectance of the tissue and its dehydration. Materials and Methods: The dehydration of tissue samples of 20x20x20 mm3 in size was carried out by drying the samples for 17 hours and the dehydration of cylindrical tissue samples with diameter 20 mm and thickness of 25 mm was carried by compressing the samples in a specially designed cell with a nozzle on a fiber optic sensor. In the first case the samples were weighed every hour and the diffuse reflectance spectrum was recorded. In the second case the compression value changed every 6 minutes, before which the samples were weighed and the diffuse reflectance spectrum was also recorded. Results: The dynamics of the reduced weight of the samples both in the dying process and in the compression process were determined. At the end of the drying process, the weights of the samples decreased by 70%. This value corresponded to the degree of hydration of the samples before the experiments. When the pressure on the sample was about 110 kPa, the weights of the samples

decreased by 45%. The maximum degree of dehydration of the samples during compression was about 50%. The dehydration of the samples during their drying was accompanied by an increase in their diffuse reflectance. On the contrary, the application of compression led to a decrease in the diffuse reflectance according to a two-exponential law, which is may be explained by the difference in the physical structures of the dehydrated samples. Conclusion: The processes of reducing the diffuse reflectance of the sample and its weight during compression correlate well. As a result, the analysis of changes in the diffuse reflectance of the tissue sample as a result of its compression allows us to evaluate changes in the hydration of the sample. The choice of the wavelength of the probe light can give not only a qualitative, but also quantitative agreement between the two processes. Keywords: muscul tissue, dehydration, compression, diffuse reflection, optical clearing.

Received: 12.02.2020 / Accepted: 05.03.2020 / Published: 01.06.2020

This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0)

Acknowledgements: This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research (project No. 19-32-90177).

References

Cite this article as:

Zyuryukina O. A., Sinichkin Yu. P. Dehydration of Biotissues During Their Compression. Izv. Saratov Univ. (N. S.), Ser. Physics, 2020, vol. 20, iss. 2, pp. 92-102 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2020-20-2-92-102