Исследование объектов биологического происхождения

Опубликовано в Металлография.

Принято считать, что металлографические микроскопы позволяют исследовать только металловедческие объекты – металлы и сплавы. В принципе это правильно. Каждый тип микроскопов предназначен для исследования определенных объектов. Конструкция определенного типа микроскопа позволяет получить изображение объекта определенного рода наилучшим образом. Но есть и исключения.
Традиционно биологические объекты исследуются в проходящем свете, и образец должен быть выполнен в виде тонкого среза. Тем не менее, схема освещения «на отражение» в металлографическом микроскопе позволяет исследовать некоторые объекты биологического происхождения [1]. При этом следует помнить, что металлографические методы контрастирования позволяют получить изображение поверхности биологических объектов на определенном масштабном уровне; вид «картинки» при этом будет определяться возможностями металлографического микроскопа.
Не все изображения биологических объектов, здесь представленные, прокомментированы с точки зрения структуры самих объектов, поскольку мы являемся специалистами в области металловедения.
Из биологического объекта трудно или практически невозможно изготовить шлиф со светоотражающей поверхностью, поэтому при его исследовании ключевым фактором является возможность контрастирования изображения. Для биологических объектов наиболее результативным является освещение по методу темного поля, когда исследуемая поверхность освещается полым конусом света. Преимуществом такого вида анализа является возможность исследования именно неплоскостных объектов, а также объектов окрашенных, поскольку темное поле показывает цвет окрашенных объектов. В частности, темнопольное изображение может быть успешно использовано для исследования поверхности дерева (рис.1). На этом рисунке приводится один и тот же участок структуры древесины в светлом и темном поле. Видно, что применение темного поля успешно для выявления фрагментов структуры, имеющих разный цвет.

bio1 bio2
                                                 а                                                 б

Рисунок 1. Структура поверхности дерева (береза) в светлом (а) и темном (б) поле.

Поскольку биологические объекты, в отличие от металлографических, оформлены неплоскими поверхностями, возможно выявление объекта целиком, как в случае с изломом березовой сережки (рис.2) или «котика» (рис.3). В светлом поле изображение неконтрастное, а учитывая его недостаточную освещенность, применение диафрагм не результативно. В темном поле объект виден во всех деталях и в естественном цвете. 

bio3 bio4
                                                а                                                  б

Рисунок 2. Излом березовой сережки в светлом (а) и темном (б) поле.

bio5 bio6
                                              а                                                  б

Рисунок 3. Поверхность «котика», верба; а - светлое поле, б - темное поле 

То же самое касается зерна пшеницы (рис.4). Светлое поле в данном случае не информативно.

bio7 bio8
                                               а                                                 б

Рисунок 4. Поверхность долевого (а) и поперечного (б) среза зерна пшеницы в темном поле

bio9 bio10
                                                 а                                               б

Рисунок 5. Бумага: а – светлое поле, б – темное поле

bio11 bio12
                                            а                                                  б 


Рисунок 6. Окрашенная писчая бумага (SvetoCopy, 80 g/m2, white) (а); мелованная, белая (б); темное поле

При исследовании типографской бумаги (рис.5) существенным является ее цвет, степень окрашивания и т.д. Неокрашенная бумага является наихудшей для наблюдения как в светлом, так и в темном поле; для нее существует практически единственное увеличение (200х), когда поверхность бумаги выявляется наилучшим образом. Более результативно наблюдение окрашенной писчей бумаги (рис.6,а), когда возможно рассмотреть структуру волокон. С помощью металлографического микроскопа возможно различить сорта бумаги в зависимости от того, как они проявляются при различных способах освещения поверхности; это представлено в монографии «Практика металлографического исследования материалов», представленной на данном сайте в разделе «Публикации». Наилучшим образом выявляется структура бумаги с наименее гладкой поверхностью - фильтровальная. Поверхность мелованной бумаги практически не видна в темном поле (рис.6,б), поскольку является достаточно гладкой, не имеющей неплоскостных участков.

Более практическое приложение имеет исследование биометаллического композита [2-4]. В настоящее время широко распространено протезирование суставов. В качестве составной части эндопротезов используется пористый титан, непосредственно контактирующий с костной тканью. Повышение надежности работы эндопротезов достигается за счет формирования контактного слоя на границе костная ткань – титан при заполнении пор титана органической костной тканью. Качественная идентификация структурных составляющих на изломе контактного слоя (по аналогии с другими объектами материаловедческого профиля) позволяет заключить, что блестящая фаза относится к металлической составляющей - титану; матовая составляющая является неметаллической (или подобной аморфной) (рис.7). Единственным вариантом неметаллической составляющей в данном случае является костная ткань. Исследование шлифа в зоне контакта костная ткань-металл позволяет выявить структуру биометаллического композита. Подтверждением идентичности неметаллической составляющей композита и костной ткани является рис. 8, где представлена костная ткань в окружении металлической матрицы (титан), а также ламеллярная структура остеона, полученная биологическим препарированием (срез). Металлографический анализ может быть дополнен рентгеноструктурным анализом. В составе композиционного слоя присутствуют титан и соединение состава Ca9HPO4(PO4)5OH, отвечающее составу костной ткани.

bio13  bio14 
                                           а                                                    б 

Рис.7. Расположение органической ткани в порах титана; а – неполное заполнение, б – полное заполнение; излом, темное поле.

bio15 bio16
                                           а                                                 б

Рис. 8. Структура остеона: выявленная металлографически (а); тонкий срез, данные Интернета (б).

Еще одним интересным объектом являются микроскопические грибы. На рис.9 показана структура поверхности мицелиального шарика диаметром 1-3 мм. На рис. 9,а показана структура на «макушке» шарика; наилучшая резкость – в центре, по краям изображение теряет резкость, поскольку глубина резкости объективов металлографического микроскопа невелика. На рис.9,б показан край такого шарика; видно, что никаких образований на поверхности шарика нет. На стадии спороношения изменения на кромке шарика видны в светлом поле (рис. 10). Если же рассматривать поверхности шарика (рис.11,а), то в светлом поле структуру рассмотреть не удается. В темном поле проявляются особенности структуры (рис. 11,б).

bio17  bio18 
                                              а                                                 б 

Рисунок 9. Поверхность пеллеты (мицелиальный шарик) микроскопического гриба Aspergillus niger (а); видимая кромка шарика (б); темное поле

bio19  bio20 
                                          а                                                 б
bio21  
                                            в  

Рисунок 10. Мицелиальный шарик на стадии спороношения: а,б - кромка, светлое поле; в – споры; светлое поле.

bio22  bio23 
                                                а                                              б 

Рисунок 11. Мицелиальный шарик на стадии спороношения; поверхность, а - светлое поле, б – темное поле.

1. Анисович А.Г., Румянцева И.Н. Практика металлографического исследования материалов. Минск: Беларуская навука, 2013.
2. Руцкий В.А., Анисович А.Г., Румянцева И.Н., Маслов А.П. Исследование структуры биометаллического композита «костная ткань-губчатый титан» методами металлографического анализа. Журнал Гродненского университета, 2010, 230(2), с.97-99.
3. Руцкий А.В., Маслов А.П , Анисович А.Г, Румянцева И.Н. Особенности структуры биометаллического композита «костная ткань-губчатый титан» остеоинтегрированных эндопротезов. SLPS.ARSmedica, 2010, 29 (9), с. 404-407.
4. Руцкий А.В., Анисович А.Г., Румянцева И.Н., Урбан Т.П., Маслов А.П. Исследование контактного слоя биометаллического композита «костная ткань-губчатый титан». Медицина, 2010, 4, с. 46-50.