Времени тепловой релаксации пигментной частицы

Время тепловой релаксация (ВТР) пигментной частицы — это время, за которое нагретая частица остывает на 50-63%, выделив тепло окружающим тканям.

Чтобы разрушить пигмент, но не повредить окружающие клетки, время импульса лазера должно быть меньше чем ВТР этой частицы.

ВТР некоторых веществ.

Меланосома -пигментные клетки кожи, размер около 0,5–1 мкм., имеют более сложную структуру. Время тепловой релаксации меланосомы составляет примерно 0,5 – 5 микросекунд (мкс.).

Пигменты тату и татуажа, размер от 40 до 200 нм время тепловой релаксации от 0,5 до 10 микросекунд (мкс.).

Механизм фототермолиза.

Механизм фототермолиза.

Когда ультракороткий импульс лазера Q-switched попадает на пигмент, происходит следующее:

1 Селективное поглощение
Фотоны лазерного луча проникают в кожу.
Большинство тканей кожи, дерма, коллаген, «прозрачны» для луча ND YAG, 1064 нм. Но меланосомы содержащие меланин - хромофор, который поглощает такое излучение в 100–1000 раз эффективнее, чем окружающие ткани.

2. Нагрев: ультрабыстрый нагрев светом – фототермия.
Если длительность лазерного импульса меньше ВТР фотохрома, энергия луча поглощается пигментом и преобразуясь в тепловую энергию, не успевает рассеяться в окружающие ткани. Частица за несколько наносекунд нагревается до 70–100°C, в центре - до нескольких сотен градусов, что многократно выше Т разрушения белковой молекулы.

3. Взрыв-ударная акустическая (механическая) волна.

Возникает механическая-акустическая ударная волна, которая разрывает пигмент и клеточные структуры, содержащие его.
(Optimizing Outcomes of Laser Tattoo Removal Jeremy B. Green, MD; Andrei I. Metelitsa, MD, FRCPC DisclosuresSkin Therapy Letter. 2011;16(10)

4. Термомеханическое воздействие.
А. Термическое действие приводит к денатурации белков и повреждению клеточных структур.
Б. Механическое воздействие ударной волны разрушается фотохром на фрагменты - фрагментация пигментной частицы.

Энергия взрыва вызывает образование микропузырьков пара в цитоплазме, который расширяется в момент нагрева при этом физически разрывая клеточные структуры и схлопываются при остывании.
Тепловая энергия процесса рассеивается в межклеточную жидкость, цитоплазму, окружающие клетки, ткани.

В результате процесса фототермолиза частица фотохрома фрагментируется и клеточные структуры содержащие ее разрушены.

Для сферической частицы время релаксации рассчитывается по формуле :
ВТР = d²/(4⋅α)

d - диаметр частицы (0.5–1 мкм, меланосома)
α - температуропроводность ткани

Для меланина ВТР ≈ 0.5 – 5 микросекунд (мкс).

Поэтому для удаления пигмента используют лазеры с длительностью импульса в наносекундах (нс) — это в 1000 раз быстрее, чем ВТР частицы.

Теория не идеально работает в реальности

На практике механизм фототермолиза имеет ограничения.

Конкуренция хромофоров.
Длинны волн 532–755 нм хорошо поглощаются эумеланином, гемоглобином, эти пигменты в коже составляют конкуренцию целевым фотохромам.

Эпидермальный щит.
Меланин и в верхнем слое кожи - эпидермисе будет поглощать часть энергии, нагревая поверхность.

Размер частиц.
ВТР вещества увеличивается с квадратом диаметра. Крупные частицы татуировки остывают дольше, чем мелкие. Поэтому для тату с крупными частицами пигмента ВТР выше.