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纳秒脉冲电场在工业应用、环境保护和生物医学等领域有着广阔的应用前景,但迄今为止还没有便携且多参数可调适于医用的纳秒脉冲发生器,因此,研制一台高性能多参数可调的纳秒脉冲发生器具有重要的科学意义和应用价值。本文设计了一台基于单传输线产生脉冲基本原理的高压纳秒脉冲发生器,用集中参数的电感电容模拟单传输线,研制出了基于LC网络的高压纳秒脉冲方波发生器。该发生器主要由高压直流电源、纳秒脉冲形成系统和脉冲整形及计数系统三部分组成,输出脉冲幅值(4～15kV)连续可调、脉宽(50～500ns)可变、重复频率(1～10Hz)和脉冲个数等参数可控,上升沿～8ns,并具有液晶显示和保护功能。对纳秒脉冲发生器进行实验室总体调试和输出波形的测量结果表明该装置调节方便、性能稳定,满足生物医学实验要求。生物医学实验验证了该仪器性能稳定、参数调节方便,证实了纳秒脉冲电场能够有效诱导人卵巢腺癌SKOV3细胞凋亡。分析各组参数正交设计凋亡实验结果,初步寻找出较优的诱导凋亡脉冲参数组合,并以此参数为基础,采用流式细胞术检测、扫描电子显微镜观察、AO(吖啶橙)/EB(溴化乙啶)荧光检测、Hoechst 33342核染色法检测、DNA凝脉电泳等手段,分别从统计学和形态学上证实了纳秒脉冲电场能有效诱导肿瘤细胞凋亡,为更深入的研究奠定了基础。为将研究成果更早推向医学应用,需要对纳秒脉冲电场诱导凋亡的机理进行研究。纳秒脉冲电场通过诱导细胞器膜电穿孔进而导致细胞凋亡,因此研究纳秒脉冲电场诱导凋亡机理的关键在于对细胞器膜电穿孔机理的分析。本文采用分子动力学方法从原子水平上探究了纳秒脉冲电场作用下细胞脂质双分子层膜电穿孔形成及其孔径随时间变化的过程,分析了电穿孔的形成机理。研究结果表明,在脉冲电场作用下脂质分子的偶极子振动和转动导致脂质双分子层膜首先出现初始缺陷进而诱导脂质双分子层膜电穿孔;电穿孔初期的多个微孔间存在耦合关系;电穿孔在4～5ns内形成并达到动态稳定。计算结果与细胞脂质双分子层膜的粗粒化模型计算吻合较好。