【摘 要】
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高压纳秒脉冲电场诱导细胞电穿孔效应已用于肿瘤消融、食品灭菌等一系列领域。由于纳秒脉冲电场致细胞电穿孔微观机制不明确,导致在实际应用中涉及众多参数优化的治疗计划设定工作非常困难。在脉冲电场作用下,细胞除了发生电穿孔也会随电场力而发生定向形变,即电形变,后者将严重影响电穿孔进程,进而影响最终纳秒脉冲参数的优化选择。据此,本论文从仿真角度研究纳秒脉冲致细胞电穿孔和电形变的电场作用机制,以期为纳秒脉冲实际
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高压纳秒脉冲电场诱导细胞电穿孔效应已用于肿瘤消融、食品灭菌等一系列领域。由于纳秒脉冲电场致细胞电穿孔微观机制不明确,导致在实际应用中涉及众多参数优化的治疗计划设定工作非常困难。在脉冲电场作用下,细胞除了发生电穿孔也会随电场力而发生定向形变,即电形变,后者将严重影响电穿孔进程,进而影响最终纳秒脉冲参数的优化选择。据此,本论文从仿真角度研究纳秒脉冲致细胞电穿孔和电形变的电场作用机制,以期为纳秒脉冲实际应用提供理论支撑和参数选择指导。本论文基于细胞三层介电模型,引入渐近Smouchowski电穿孔方程、麦克斯韦应力张量计算电形变、二阶德拜模型计算频率色散,建立纳秒脉冲电场下细胞电穿孔-电形变仿真模型。主要工作和成果如下:1.搭建各向同性球形细胞电穿孔-电形变仿真模型并进行仿真计算。研究表明:RPMI-1640培养液中的球形细胞模型纳入电形变后极点孔隙密度下降2.44%,细胞整体电穿孔面积不变,纳入频率色散后极点孔隙密度进一步下降38.72%,电穿孔面积增加0.23%;电穿孔缓冲液中的球形细胞纳入电形变则极点孔隙密度下降1.86%,电穿孔面积增加0.83%,纳入频率色散后极点孔隙密度进一步下降41.32%,电穿孔面积也进一步增加0.24%。进一步研究发现,细胞内外电导率相差越大细胞的形变越明显,细胞内外电导率之比和细胞电穿孔时间和细胞极点孔隙密度呈正相关,和细胞膜电穿孔面积呈负相关。2.搭建各向异性球形细胞电穿孔-电形变仿真模型并进行仿真计算。研究表明:纳入法向电穿孔后,RPMI-1640培养液中细胞形变程度减小,电穿孔缓冲液中细胞形变程度增加,细胞极点孔隙密度增加2.7990×1012 1/m~2;纳入切向频率色散后,RPMI-1640培养液和电穿孔缓冲液中的细胞形变程度均增加,细胞极点孔隙密度分别增加61.79%和74.68%,电穿孔时间分别增加了1.6868 ns和1.8360 ns。采用各向异性模型后细胞的电形变程度增加,细胞整体电穿孔面积减小。3.通过吉利斯超级公式建立良性肿瘤细胞MOSE-E、恶性肿瘤细胞MOSE-L、进袭性/侵袭性肿瘤细胞MOSE-LTICν的各向异性癌样细胞电穿孔-电形变仿真模型。结果显示:癌样细胞在电穿孔缓冲液中体积膨胀,在RPMI-1640培养液中MOSE-E和MOSE-L细胞模型体积收缩而MOSE-LTICν细胞体积先膨胀后收缩再膨胀。相比于球形MOSE-E细胞,具有不规则几何的癌样细胞MOSE-L模型在RPMI-1640培养液和电穿孔缓冲液中整体电穿孔面积减少了3.10～6.02%和10.93～11.83%,MOSE-LTICν模型则减少了2.18～2.99%和8.68～11.68%。综上所述,本文深入研究了纳秒脉冲电场作用下生物细胞电穿孔和电形变的电场作用机制,为纳秒脉冲电场临床实际应用提供理论支撑和参数选择指导。
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