6. ÖSSZEFOGLALÁS

            Az értekezésben az ultrahang sejtbiológiai és fizikai hatásaival, akusztikai jelenségek kialakulásának körülményeivel, illetve azok biológiai hatásaival, az ultrahang által okozott hőképződéssel foglalkoztunk. A kutatás alapvető, fő vizsgálati célja a különböző mikroorganizmusok túlélési dinamikájának ultrahangkezelés melletti tanulmányozása volt, a szelektív ultrahanghatás kritériumainak megfogalmazásáért. A kutatás során összesen háromféle ultrahangrendszer került megtervezésre és kivitelezésre a nagyfrekvenciás, magas intenzitású aktív ultrahang kategóriában, mely rendszerek sejtbiológiai és fizikai vizsgálatokban kerültek összevetésre. Az ultrahangrendszerek speciális kiegészítő egységei voltak a kavitáció hangtérbeli kialakulásának detektálása érdekében kialakított műszeres kavitáció detektálási rendszer, és azok járulékos egységei. Az ultrahangrendszerek további kiegészítő rendszereinek tekinthetőek a folyadékáramoltatásos rendszerek, melyek egy esetben magát a teljes kezelt anyagmennyiséget, másik esetben a sejtanalitikai rendszert foglalták magukban. Sejtanalitikai rendszerek annak érdekében kerültek kifejlesztésre és tesztelésre, hogy a sejtbiológiai hatások értékelése gyorsabban és egyszerűbben kivitelezhetővé váljék. A sejtanalitikai rendszerek jelfeldolgozó egységei analóg és digitális elven alapultak. Az ultrahang hőhatásának vizsgálata infra és termoelemes hőmérőrendszerek összevetésével történt, melyek közül az infrahőmérős hőmérséklet meghatározás segítségével, ultrahangtérben három kísérletsorozat folyt, melynek kapcsán derült fény a hangtérben kialakuló akusztikai jelenségek szerepének fontosságára. Az ultrahang hőhatásának meghatározásáért szono-termogramok és differenciál szono-termogramok kerültek kifejlesztésre és alkalmazásra. A cél annak megállapítása volt, hogy a szuszpendáló szer és a szuszpenzió hőmérséklete azonos kezelési körülmények mellett hogyan viszonyul egymáshoz. A hőkezelés mikrobiológiai hatására vonatkozó képletek és egyenletek átalakításával új lehetőség nyílt az ultrahang biológiai hatásainak értékelésére. Módszereket, eljárásokat dolgoztunk ki a kavitációs határkoncentráció ultrahangtérbeli meghatározására, illetve az ultrahangtérben kialakuló visszakavitálási, vagy kavitáció kialakulási jelenségeket megfogalmaztuk, eljárást dolgoztunk ki azok meghatározására, illetve meg is mértük azokat az alkalmazott modellanyagok esetében. Különböző teljesítményszintek és kiinduló Saccharomyces cerevisiae élesztőgomba csíraszámok mellett vizsgáltuk az akusztikai jelenségek kialakulási törvényszerűségeit, illetve módszereket, eljárásokat dolgoztunk ki az akusztikai jelenségek vizsgálatára. Bizonyítást nyert, hogy az akusztikai jelenségeknek úgy, mint az akusztikai áramlásnak, az állóhullámnak és a kavitációnak eltérő hatása van a modell élesztőgomba túlélési dinamikájára, továbbá, hogy ezen akusztikai jelenségek célirányosan befolyásolhatóak, illetve meghatározhatóak a kísérleti körülmények közötti befolyásoló paraméterek. Az élesztőgombánál mért túlélési dinamika eredmények további értelmezhetősége és összehasonlíthatósága miatt feltételesen kórokozó Pseudomonas aeruginosa baktériummal is elvégeztük az ultrahang besugárzási kísérleteket.

A kísérletek eredményeiként, a két modell mikroorganizmus túlélési dinamikájában eltéréseket mutattunk ki az alkalmazott azonos kísérleti körülmények melletti kavitációs jelenség hatására, így lehetővé válhat a szelektív ultrahangkezelés megvalósítása. A fajon belüli szelektivitás annál is inkább lehetővé vált, mivel alacsonyabb intenzitású, rövidebb periódusú ultrahangkezelés serkentően hat a baktérium szaporodására.

A szelektív ultrahanghatás miatt, az ultrahang provizórikus felhasználási lehetőségei is előtérbe kerülhetnek, az élelmiszerkárosító mikroorganizmusok besugárzásának, kiirtásának, vizsgálatának, sőt a humán test folyadékaiban lévő káros sejtek inaktiválásának az irányában, a hasznos sejtek érintetlenül hagyása, vagy serkentése mellett.

7. SUMMARY

In this dissertation we dealt with the cell biology and physical effects of ultrasound, with the conditions for the formation of acoustic phenomena and the biological effects of these phenomena, with heat generated by ultrasound.

Our primary goal with these investigations was to study the survival dynamics of different microorganisms during their irradiation with ultrasound in order to define the criteria for selective ultrasound effects.

We designed and built three ultrasound systems of different type. All of them were operating in the high intensity active ultrasound category. We compared there three ultrasound systems in cell biology related and physical experiments. The ultrasound generating systems were supplemented with the following special units: analogue cavitation detecting systems for detecting the formation of cavitation in the ultrasound field, and their auxiliary equipment. The liquid circulating system can also be considered as another auxiliary system of the ultrasound arrangement. In one experiment this liquid circulating system contained all the irradiated materials, in another case this system contained the cell analytical system.

We developed and tested cell analytical systems for facilitating the evaluation of the cell biology effects. Both analogous and digital signal processing units were used as elements of the cell analytical systems. For studying the effect of heat generated by ultrasound, we compared two thermometer systems based on infrared and thermocouple sensors, respectively. Three sets of experiments were carried out in the ultrasound field by using the infrared based temperature measurement system. Results of the se experiments highlighted the importance of the acoustic phenomena occurring in the ultrasound field.

In relation to the heat generation we developed sono-thermograms and differential sono-thermograms by using a new principle. We used these diagrams to determine the relationship between the suspension media and the suspension temperature under the same irradiation conditions.

We modified several formulas and equations used in microbiological studies for calculating the effect of heat so that they shall be suitable for evaluating the biological effects of ultrasound. We developed methods and procedures for determining the threshold concentration in the ultrasound field where the cavitation occurs. We clarified the reverse cavitation and cavitation formation phenomena and developed a procedure for determining these processes. In addition we carried out measurements aimed at determining the parameters of these phenomena for different model materials.

We studied the rules controlling the development of the acoustic phenomena at different ultrasound output levels and different starting Saccharomyces cerevisiae yeast cell concentrations, and we worked out methods and procedures for examining these acoustic phenomena. We demonstrated that that the different acoustic phenomena, namely acoustic streaming, standing wave and cavitation have different effects on the survival dynamics of the yeast used as a model. We also showed that these acoustic phenomena can be affected advisedly and determined the variables affecting these phenomena. For the purpose of providing more data for interpreting the survival dynamics measured with yeast and for establishing a basis of comparison, We performed the experiments with a human bacteria strain, Pseudomonas aeruginosa.

As a result of these experiments we showed differences in the survival dynamics of the two model microorganisms under the same experimental conditions in the range of cavitation. This makes the selective ultrasonic treatment possible. The selectivity can even be more expressed as if ultrasound of low output was applied for shorter periods it stimulated the reproduction of the bacteria.

Due to the selective effect of ultrasound, there are some ad hoc options for its use in the areas of irradiation, extermination, examination of food damaging microbes, or even deactivation of the detrimental cells in human body liquids without affecting, or even stimulating, the useful cells.

8. Új tudományos eredmények

8.1. Megállapítottam, hogy állandó hőmérsékletű folyadékáramoltatásos és nem állandó hőmérsékletű töltő-ürítő ultrahangrendszerekben a Saccharomyces cerevisiae „D” értékei, az alkalmazott teljesítményekkel fordított arányban állnak, illetve a nem állandó hőmérsékletű ultrahangrendszerben a „D” értékek a kiinduló sejtkoncentrációkkal egyenes arányban változnak alacsonyabb, illetve fordított arányban változnak magasabb ultrahang teljesítmények mellett.

8.2. Megállapítottam, hogy az ultrahangos kavitáció felel a vízben jelentkező fokozott hőképződésért, de nem csak a hőhatás felel az ultrahang biológiai hatásaiért.

8.3 Megállapítottam, hogy a kavitációs határkoncentráció, 3-12W/cm² között egyenes arányban változik minden alkalmazott modellanyag esetén a teljesítménnyel, illetve ennek és a kavitáció kialakulási időintervallumnak az ismeretében meghatározható az adott anyag.

8.4. Megállapítottam, hogy a kavitáció kialakulási időintervallum egyenes arányban változik az alkalmazott részecskekoncentrációval, azonban nem változik a teljesítménnyel, a kavitációs határkoncentráció mindig azonos mértékű változtatásakor.

8.5. Megállapítottam, hogy a Saccharomyces cerevisiae „D” értékei a kiinduló sejtkoncentrációkhoz fordítottan aránylanak az akusztikai áramlás és állóhullám mellett, illetve egyenesen aránylanak a kavitáció akusztikai jelensége mellett 1,72*10⁷-5,37*10⁷/ml sejtkoncentráció és 9W/cm² teljesítményszinten.

8.6. Bebizonyítottam, hogy az alkalmazott analóg sejtanalitikai rendszerrel a Saccharomyces cerevisiae túlélési dinamikája egyszerűbben gyorsabban követhető, mint azonos körülmények mellett, manuális elemzéssel.

8.7. Megállapítottam, hogy a Pseudomonas aeruginosa baktérium „D” értékei a vizsgált 5,5*10⁷-1,24*10⁷ tartományban a kiinduló sejtkoncentrációval fordított arányban állnak kavitáció mellett 6 és 9W/cm² teljesítményszinten.

8.8. Megállapítható, hogy a vizsgált baktérium és az élesztőgomba kavitációval szemben tanúsított ellentétes túlélési dinamikája, a fajok közti szelektív sejtbiológiai ultrahangkezelés lehetőségét bizonyíthatja.

8.9. Új berendezés és eszköz a folyadékáramoltatásos ultrahangrendszer, a nem állandó hőmérsékletű ultrahang rendszer, az ultrahang hőhatásának vizsgálatakor kifejlesztett ultrahang és detektor rendszerek, a műszeres kavitáció detektor és az analóg és digitális sejtanalitikai rendszerek.

8.10. Új tudományos módszerek a szono-termogramok és differenciál szono-termogramok, a kavitációs határkoncentráció meghatározásának alap és kiegészítő módszerei, a kavitáció kialakulási időpillanat meghatározásának, a szimultán akusztikai jelenség – sejtbiológiai hatás vizsgálat módszerei, a sejtanalitikai eljárások Saccharomyces cerevisiae ultrahangtérbeli túlélésének vizsgálatára.

9. KIVONAT

Akusztikai kavitáció kialakulásának koncentrációfüggése szuszpenziókban

Vizsgálatunk tárgya, hogy a szuszpenziók kvalitatív és kvantitatív tulajdonságai hogyan befolyásolják az ultrahangtérben kialakuló akusztikai jelenségek bekövetkezését és azok küszübértékeit. Vizsgálati alap jelenségként az akusztikus kavitációt választottuk. A vizsgálatokhoz kereskedelmi forgalomban kapható préselt, illetve szárított Saccharomyces cerevisiae pékélesztőt, valamint az élesztő átmérőjével megegyező átmérőjű dolomitszemcsékből álló szuszpenziót használtunk. A kísérletek az ultrahangkezelő edényben 1,117MHz frekvenciáján, 0-12W/cm²  teljesítmény mellett zajlottak. A hangtérbe sugárzott vezető hullámok longitudinális típusúak. Vizsgáltuk különböző ultrahang teljesítmények mellett a kavitáció megszüntetéséhez szükséges hangtérbeli szemcsekoncentráció g/l mennyiségét, tehát a „kavitációs határ koncentrációt”, valamint e mennyiségek 1,5-szeresének felhasználásával a kísérletek beindításától a kavitáció ismételt kialakulásáig eltelt időintervallumot, a „kavitáció kialakulási időpillanatot”. A két érték jellemzi a rendszerben kialakuló hullámjelenségeket, a hullámjelenségek pedig az ultrahang hatásait. A dolgozat alkalmas az ultrahang felhasználási területének szemcseanalitikai, szelektív részecskemanipulációs, biológiai extrakciós, sejt inaktiválási és fermentációs technikák felé történő további kibővítésére.

Occurence of acoustical cavitation in suspensions and its dependence of this particle concentration

In our experiments we studied how the qualitative and quantitative properties of water based suspensions effect the occurrence and threshold levels of the ultrasonic phenomena, standing wave, acoustic streaming and especially cavitation. In our experiments commercial pressed (hydrated) and lyophilized (dehydrated) baker’s yeast (Saccharomyces cerevisiae), and a dolomite suspension that has the same average particle size as of the yeast were used. The experiments were conducted  in the ultrasonic treating vessel under the conditions of 1.117MHz frequency and 0-12W/cm² ultrasound output. We examined the levels of particle concentration (g/l) in the ultrasound field that were needed to terminate cavitation (that is the cavitation threshold concentration), and we measured the length of time that passed from the start of the experiment until the restart of cavitation, which is the time period required for the formation of cavitation. These experiments were carried out under concentration levels that were 1.5 times higher than the cavitation threshold concentrations.  The acoustic phenomena taking place in the ultrasound field, and through these, the effects of ultrasound can be characterized by these two measures. This study is suitable for further expanding the application area of ultrasound towards particle analysis, selective particle manipulation, biological extraction, cell inactivation and fermentation techniques.

10. KÖSZÖNETNYILVÁNíTÁS

Köszönetemet fejezem ki mindazoknak, akik e dolgozat elkészítésében segítettek. Köszönöm Prof. Dr. Neményi Miklós DSc, egyetemi tanár, témavezető segítségét. Köszönetet mondok Prof. Dr. Greguss Pálnak és feleségének Edit Asszonynak, akik támogattak munkámban és konzultációs lehetőséget biztosítottak. Köszönöm a NYME-MÉK Élelmiszertudományi Intézet vezetőjének, Prof. Dr. Szigeti Jenőnek és munkatársainak a mikrobiológiai munkánkhoz nyújtott segítséget, illetve a konzultációs lehetőséget. Továbbá köszönetemet fejezem ki, Prof. Dr. Sitkei György akadémikusnak, aki a kísérletek módszertanában nyújtott segítséget, illetve Prof. Dr. Deák Tibor DSc, egyetemi tanárnak, a munkánk helyességében való megerősítéséért.

            Köszönetemet fejezem ki Bata János és Hrehorovszky József híradástechnikai műszerészeknek, az ultrahang berendezések elkészítéséért. Köszönettel tartozom a Kőporc Fejlesztés KFT. Ügyvezető igazgatójának, Dr. Balázs Lászlónak a piezoelektromos kerámiák rendelkezésemre bocsátásáért, illetve a konzultációs lehetőségekért, továbbá a BMGE Atomfizikai Intézet, Felületi Optika Tanszékről Dr. Maák Pálnak és munkatársainak, illetve Varga Dénes finommechanikai műhelyvezetőnek, akik a sugárzó beméréséhez és kivitelezéséhez járultak hozzá. Köszönetemet fejezem ki Viczián Ferenc üvegtechnikusnak, aki a besugárzó edény elkészítésében nyújtott segítséget. 

            Köszönetet mondok Dr. habil. Szűcs Mihálynak, az Idrisi szoftver használatáért.

            Köszönetemet fejezem ki, Szüleimnek, akik munkám során anyagilag támogattak.