含色散和电穿孔效应的球形细胞在纳秒脉冲下的生物电效应仿真

为准确研究纳秒脉冲(nanosecond pulses electric field,ns PEF)作用下细胞跨膜电位的分布规律,采用多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics建立球形细胞五层介电模型,同时引入色散(dispersion,DP)和电穿孔(electroporation,EP)效应来研究纳秒脉冲下的细胞生物电效应。结果表明,在电穿孔的基础上引入色散效应,使得细胞膜上点A1跨膜电位(trans-membranepotential,TMP)达到峰值的速度明显加快,核膜上点B1的跨膜电位在0～100ns区间明显增大;微孔密度、跨膜电位的时空变化结果表明,点A1首先在2ns左右发生电穿孔,随后点A2—A5依次发生电穿孔,最终细胞膜上至少2/3区域发生电穿孔。研究结果从理论上证明了只有同时引入色散和电穿孔效应才能正确预测纳秒脉冲的生物电效应。     

含电穿孔的细胞膜和核膜跨膜电位仿真

细胞膜和核膜跨膜电位的计算是实现电穿孔效应准确预测的关键所在。基于球形细胞全电路等效模型,引入介电参数阶跃模型来表征细胞膜的电穿孔效应,定量计算了包含细胞膜电穿孔效应的细胞膜和核膜跨膜电位的幅频特性。结果表明:频率大于104 Hz的脉冲电场作用时细胞膜的跨膜电位明显减小,尤其当频率大于108 Hz时,细胞膜的跨膜电位减小7 d B;频率小于106 Hz的脉冲电场作用时核膜的跨膜电位将显著增加,尤其当频率小于102 Hz时,核膜的跨膜电位增加高达19 d B。因此,当脉冲电场作用于生物细胞时,引入电穿孔效应才能准确揭示其跨膜电位的规律。     

脉冲电场诱导细胞内外膜电穿孔模型与跨膜电位的仿真

基于经典的球形单细胞3层介电模型,同时考虑细胞核对跨膜电位的影响,提出了更为合理和接近实际的球形单细胞的多层介电模型,给出了稳恒电场和任意时变脉冲电场作用下细胞膜和核膜跨膜电位的计算方法。仿真结果表明:当脉宽减小时核膜跨膜电位增加,而脉宽增大时细胞膜跨膜电位增强;当脉宽在100-500ns范围时能有效实现肿瘤细胞膜和核膜电穿孔,同时不影响正常细胞。计算结果与实验吻合得很好,为肿瘤的电化学疗法和基因疗法的临床应用提供了理论指导。     

细胞骨架在ns脉冲诱导肿瘤细胞凋亡中的作用

为了研究细胞骨架在ns脉冲诱导肿瘤细胞凋亡中的作用,将脉冲电场参数组合(电场强度10kV/cm,脉宽500ns,脉冲30个,频率1Hz)作用于细胞骨架裂解的Hep-G2细胞。利用Annexin-V和碘化丙碇(propidium i-odide,PI)双染法检测细胞凋亡和坏死情况;采用荧光分光光度计观测线粒体跨膜电位和细胞膜穿孔的变化情况。试验发现:肌动蛋白裂解后脉冲处理组的细胞凋亡和坏死大大降低(与单独脉冲处理组相比检验水平P<0.05),早期细胞凋亡由(16.94±2.87)%下降到(4.77±1.87)%;晚期凋亡和坏死由(20.94±3.09)%下降到(14.38±2.60)%;脉冲处理组和肌动蛋白裂解后脉冲处理组的细胞线粒体跨膜电位都出现下降,但后者的线粒体跨膜电位却明显高于前者(P<0.05);单独脉冲处理组和细胞骨架缺失后脉冲处理组二者在相同时间点时其PI荧光强度无明显差异,且PI荧光随时间而变化的规律亦相似。上述结果表明:细胞骨架的缺失抑制了ns脉冲诱导细胞凋亡的线粒体通路,进而降低细胞凋亡水平,但对细胞膜的穿孔情况无明显影响。     

ns脉冲诱导细胞内电处理机理的研究进展

脉宽为ns级、场强≥10 kV/cm的脉冲电场能够对细胞内部结构产生影响而不会导致细胞外膜穿孔,即细胞内电处理效应。尽管细胞内电处理效应的机理目前还不是很清楚,但国内外学者一致认为细胞内电处理的根本原因是ns脉冲电场在细胞内膜上诱导出的跨膜电位超过了穿孔临界值,从而导致内膜穿孔。基于以上研究详细介绍了目前关于细胞内外膜跨膜电位的计算模型、方法及仿真计算结果,探讨了细胞内电处理的机理。宽脉冲电场难以透过外膜进入细胞内部,主要作用在外膜上,导致外膜发生电穿孔。随着脉冲宽度变小,电场对内膜作用增强。当脉宽减小到ns级时,脉冲电场感应出的内膜跨膜电位比外膜大,电场主要作用于膜内细胞器,诱导内膜穿孔,细胞结构和功能改变,即进行细胞内电处理。     

低强度纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对人皮肤癌A375细胞的杀伤效果

为了探究低强度纳秒脉冲电场联合多壁碳纳米管对细胞的杀伤效果,在多壁碳纳米管毒性实验的基础上,分别采用CCK-8检测法和Annexin V/PI双染法研究引入多壁碳纳米管后不同幅值的纳秒脉冲电场对A375细胞活性、凋亡坏死率的影响。研究表明,当多壁碳纳米管质量浓度≤200mg/L时,其对细胞无毒性效应;只有当质量浓度≥300 mg/L时,其诱导的细胞毒性才具有剂量依赖性,即质量浓度越高,对细胞的毒性越强。固定频率为1 Hz、脉宽为300 ns、脉冲个数为100个时,凋亡率、坏死率随着场强的增加而增加,细胞活性随着场强的增加而减小。多壁碳纳米管的引入不影响上述变化规律,但是明显提高了对应的杀伤效果,可以在保持纳秒脉冲电场治疗肿瘤的优势前提下提高临床治疗中的电气安全性。     

细胞内外膜跨膜电位频率响应的仿真研究

为研究ns脉冲电场诱导细胞跨膜电位改变的效应,在提出一种球形单细胞内外膜跨膜电位频率响应模型后给出了细胞内外膜跨膜电位的仿真计算方法。通过对频率响应的仿真分析,发现外膜跨膜电位表现出一阶低通滤波器特性,而内膜跨膜电位表现出一阶带通滤波器特性。在内膜频率响应中心频率到上限截止频率的范围内,内膜跨膜电位大于外膜,同时能保持在较高水平,这将有利于诱导细胞内电处理效应。计算结果与实验结果相吻合,为ns脉冲电场治疗肿瘤的窗口参数合理选择提供了一定的理论依据。     

高频纳秒脉冲串作用下皮肤肿瘤热效应的多参数有限元仿真与实验

为综合传统微秒脉冲电场和纳秒脉冲电场治疗肿瘤的优点,提出一种高频纳秒脉冲串的脉冲形式来治疗肿瘤。研究此高频纳秒脉冲串在生物组织中产生的热效应,并通过多参数有限元方法对施加镊子电极的皮肤黑色素肿瘤的温度以及热损伤进行仿真。施加的电场强度范围为1~10k V/cm,脉宽范围为50~500ns,脉冲串内重复频率介于100k Hz和1MHz之间,一串脉冲的长度为100μs,脉冲串重复频率为1Hz。对于皮肤肿瘤,施加电场强度5k V/cm、脉宽500ns、脉冲串内重复频率1MHz的脉冲,1s后肿瘤的最高温度仅为37.4℃,热损伤可以忽略不计。对不同电场强度、脉宽、重复频率下皮肤黑色素肿瘤的温度和热损伤进行仿真计算,研究肿瘤温度以及热损伤与脉冲参数的关系,并确定使肿瘤不发生热损伤的脉冲参数范围。对裸鼠在体黑色素肿瘤的温度进行实测,肿瘤的温升结果与仿真中的平均温度变化较为一致。     

基于场-路复合模型的细胞内外膜跨膜电位时频特性

为研究脉冲电场的生物医学效应机理,基于多层介质电场模型建立了球形单细胞的场-路复合模型,提出了内外膜跨膜电位与外加电场之间传递函数的计算方法,分别分析了脉冲电场作用下内外膜跨膜电位的时域特性与频率特性.时域分析表明,不同的脉宽导致外加电场对内外膜具有不同的选择性作用.频域分析表明,细胞内外膜分别具有带通和低通滤波性能,...     

基于微带传输线的生物溶液处理用纳秒脉冲电场发生器研制

研究纳秒脉冲电场生物学效应需要相应的高压纳秒脉冲发生器。为此,基于微带传输线与固态开关技术,通过波传播过程分析阐释了Blumlein型微带传输线方波的形成原理;采用CST微波实验室仿真分析了微带传输线充电过程中的电场分布;制作了小型化的纳秒脉冲发生器样机,并搭建测试系统对其进行了性能测试。结果表明,在电转杯负载端得到的纳秒脉冲电压幅值在0~2 k V内可调(即对间隙距离为1 mm的电转杯负载,电场强度在0~20 k V/cm内可调),脉宽为100 ns,上升沿约为20 ns,重复频率在0~1 k Hz内可调。     

高频纳秒脉冲电场作用下多细胞系统穿孔特性仿真

为了研究高频纳秒脉冲电场(ns PEFs)杀伤肿瘤细胞的机理,结合笛卡尔传输网格(CTL)和动态电穿孔等效电路模型对1个典型的2维多细胞系统在ns PEFs作用下的穿孔特性进行了仿真。利用Pspice仿真软件建立了该多细胞系统电路模型,并分析了其穿孔数量和穿孔半径变化特性。首先施加了10个场强、频率和脉宽分别为5k V/cm、1 MHz和500 ns的高频纳秒脉冲到该多细胞系统模型,结果表明随脉冲个数增加穿孔区域分布变化不大,而穿孔半径分布有明显的累积效应,细胞外膜和细胞核膜上部分孔的半径逐渐增大。同时比较了电场强度为3、5和10 k V/cm时该系统中穿孔数量和最大孔径随脉冲个数增加的变化情况。结果显示场强增加时穿孔数量明显增加,特别是场强从3 k V/cm提高到10 k V/cm时,系统整个细胞核膜从未穿孔到穿孔数量增加到2.658 4×105个。另外,穿孔半径仍然存在累积效应。仿真结果说明适当参数的高频ns PEFs能使细胞核膜发生穿孔,并起到扩大细胞部分穿孔半径的作用,可为后续实验研究选择高频纳秒脉冲参数提供依据。     

基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

为制作生物医学用小型化、紧凑型ns脉冲发生器,结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术,研制了一台基于非平衡Blumlein型传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器。通过波传播过程分析非平衡Blumlein型多层微带传输线方波形成原理;介绍了相关固态开关的控制时序及其"截波"策略,以此实现50~100 ns的方波脉冲脉宽可调;阐释了非平衡Blumlein型多层微带传输线系统的负载阻抗可变的相关原理;并研制了一台小型纳秒脉冲发生器以进行相关性能测试。最终,在50Ω负载下的纳秒脉冲电压参数:幅值0~2 k V可调、脉宽50~100 ns可调、重复频率0~1 k Hz可调,上升时间约20 ns;此外,测试了500Ω负载下输出的纳秒脉冲电压幅值约为充电电压的2倍。     

纳秒级脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的窗口效应

ns级脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡用于肿瘤病变的治疗,展现出令人振奋的临床应用前景。由于ns级脉冲电场诱导的凋亡率高低与场强-脉宽等参数存在一定的选择性,使得目前脉冲参数的选择存在较大的盲目性。为寻求诱导肿瘤细胞有效凋亡的ns级脉冲电场参数,将不同参数组合(电压幅值9 kV,脉宽分别为1、50、100与200 ns,脉冲个数分别为10、30、60与80,频率1 Hz)的ns级脉冲电场作用于SKOV3细胞。利用AnnexinV/PI双染法检测细胞早期凋亡率和坏死率,DNA ladder凝胶电泳实验检测细胞晚期凋亡情况,AnnexinV/PI双染法以及DNA ladder凝胶电泳实验表明:细胞的早期凋亡率同施加的脉冲电场参数存在窗口效应,且脉冲参数为100 ns、30个脉冲时可得到最大的凋亡率与坏死率差值。     

脉冲参数对激活动作电位强度阈值影响的仿真研究

电刺激激活神经元动作电位的最小刺激强度(强度阈值)与所施加脉冲的参数有关。然而,目前学者大多关注于刺激脉宽对强度阈值的影响,而频率作为重要刺激参数,其对强度阈值的影响鲜有报道。为此,基于HH模型和电缆模型,建立神经元动作电位传输模型,在初步探索电脉冲刺激激活神经元动作电位阈值效应的基础上,系统探讨脉冲宽度、频率对该强度阈值的影响关系。研究结果表明:当刺激强度大于强度阈值时,动作电位激活并沿神经元轴向传导,轴向各处动作电位仅时延不同;当刺激强度小于该强度阈值时,无动作电位产生,轴向各处跨膜电位受外部刺激影响产生波动,且距离刺激点越远,波动越小。当刺激脉宽较宽(3 ms)、频率较低(100 Hz)时,电刺激激活动作电位的强度阈值几乎不随刺激参数的变化而变化;当脉宽较窄(3 ms)时,脉宽越宽,该强度阈值越低,且在对数坐标轴中随脉宽的增加线性下降;当频率较高(300 Hz)时,频率对强度阈值的影响与脉宽相似,强度阈值随频率的增加而显著下降,且在对数坐标轴中为线性降低。该研究可为后续电刺激疗法中脉冲发生器的设计和神经调控技术中刺激参数的选择提供理论支撑与指导。     

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中,纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成,主电路为10级模块化设计的Marx电路,使用MOSFET作为主开关和尾切开关;控制电路产生同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为:幅值0~8k V可调,脉宽100~1 000ns,重复频率1Hz~1k Hz,上升沿30ns左右,下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体,其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台,并能够产生稳定的等离子体,为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。     

陡脉冲电场对肝癌细胞线粒体跨膜电位的影响

为研究陡脉冲电场的凋亡效应,以人肝癌细胞为实验对象,采用激光共聚焦扫描显微镜观察陡脉冲电场作用下细胞内线粒体跨膜电位的实时变化。实验结果表明,陡脉冲电场能使线粒体跨膜电位下降,较高的电压峰值、较窄的脉冲宽度(600 V/100 ns)比较低的电压峰值、较宽的脉冲宽度(200V/1.6μs)能使线粒体跨膜电位更快地下降,并且在停止施加陡脉冲电场后线粒体跨膜电位仍然在不断下降,进而有可能使线粒体跨膜电位崩溃,从而诱导肝癌细胞凋亡,为陡脉冲杀伤肿瘤细胞提供了理论依据。     

利用DBD开关开展脉冲压缩技术研究

为输出1～2ns脉宽的脉冲,进行了利用脉冲形成线原理和DBD开关快速导通技术压缩SOS脉冲源输出波形的实验,结果表明:峰值功率450MW、脉宽6ns的脉冲输出可压缩为峰值功率约1GW、阻抗50Ω、脉宽1.8ns、脉冲前沿约0.9ns,运行重复频率2kHz。证明该脉冲压缩技术是实现高重复频率超宽谱源的有效方法。     

基于网格传输网络模型的高频纳秒脉冲串作用下单细胞穿孔特性仿真

为研究高频纳秒脉冲串作用下细胞的穿孔特性,采用Matlab仿真软件对含核膜的典型二维单细胞空间区域进行离散,建立其网格传输网络模型,并对模型中的单元节点赋予电传输与孔传输双向耦合特性,以空间每个节点的电位及内外膜上每对节点不同孔半径下的孔密度为未知量,建立常微分方程组并进行求解。仿真模拟单细胞在电场强度为5k V/cm、脉宽250ns、上升沿30ns、仿真总时长为10s的10串高频纳秒脉冲作用下的电穿孔动态变化过程,并研究了串内脉冲个数及频率对内外膜穿孔规律的影响。结果表明:多脉冲作用时,穿孔数量基本不变,穿孔半径有一定的累积效应;重复脉冲串可以在一定程度上延缓孔数量衰减的幅度;增加串内脉冲个数可少量增加外膜孔数量,不会影响核膜孔数量;增加串内脉冲频率基本不会影响外膜孔数量,但可大幅度增加核膜孔数量。本文的仿真结果进一步丰富了脉冲电场作用于生物细胞的穿孔机制。     

一种纳秒级高压脉冲发生器的研制

电声脉冲法(PEA)是一种目前较为流行的空间电荷分布测量技术,使用该法的一个前提条件是必须产生一个幅值大于400 V、脉宽小于20 ns的高压脉冲。笔者研制了一种纳秒级高压脉冲发生器,利用水银继电器作为开关,贮能电容通过此开关对匹配负载放电,经试验能产生脉冲幅值600 V、脉宽小于10 ns的陡脉冲电压信号。