大氣壓低溫等離子體(Cold Atmospheric Plasma,CAP)由于具有化學(xué)活性強(qiáng)、操作參數(shù)多變、產(chǎn)生方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在多個(gè)領(lǐng)域受到越來越廣泛的應(yīng)用,例如化工、航天、生物醫(yī)學(xué)以及材料表面處理等。近年來,由于CAP含有的多種活性粒子(包括活性氧粒子Reactive Oxygen species,ROS和活性氮粒子Reactive Nitrogen species,RNS)能與生物大分子產(chǎn)生相互作用,因此其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到高度重視。尤其是將CAP運(yùn)用于癌癥治療方面,相比于傳統(tǒng)治療方法有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。盡管大量研究已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了 CAP治療癌癥的有效性,但是受到實(shí)驗(yàn)檢測(cè)手段的限制,CAP選擇性凋亡癌細(xì)胞的微觀機(jī)制仍不清楚。分子動(dòng)力學(xué)模擬作為一種研究手段,能夠從分子層面分析和探索大氣壓低溫等離子體中活性粒子與癌細(xì)胞間相互作用的微觀機(jī)制。借助高性能計(jì)算機(jī),我們將模擬不同條件下CAP中多種活性粒子穿過癌細(xì)胞細(xì)胞膜的微觀過程,并分析這個(gè)過程中活性粒子與細(xì)胞膜中多種物質(zhì)的相互作用。這將有助于CAP選擇性凋亡癌細(xì)胞理論的完善,并對(duì)CAP的實(shí)驗(yàn)與臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)。本文的主要內(nèi)容包括以下方面:(1)綜述了 CAP在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,整合并分析CAP在治療癌癥方面的研究現(xiàn)狀以及歸納概括其選擇性凋亡癌細(xì)胞的原因。介紹分子動(dòng)力學(xué)模擬在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用,并且論證其用于分析活性粒子透膜過程的可行性。運(yùn)用PACKMOL軟件對(duì)兩種細(xì)胞膜模型進(jìn)行建模,并且運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行進(jìn)一步的分析研究。(2)運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究不同種類ROS(OH、HO2、H202、O2)在膜水界面的分布與滲透過程,并從微觀層面研究膜的形態(tài)和通透性變化。結(jié)果表明,不同種類的活性氧對(duì)磷脂和膽固醇的氧化率有很大差異。同時(shí),細(xì)胞膜中磷脂的排列也受到等離子體產(chǎn)生的ROS影響。濃度會(huì)影響ROS在膜水界面的分布,從而影響與磷脂、膽固醇接觸的概率,從而影響CAP破壞細(xì)胞膜的效率。疏水性的O2分子最容易穿透雙層膜并停留在雙層膜內(nèi),與磷脂的不飽和區(qū)接觸的概率最高,因此在氧化過程中起著最重要的作用。膽固醇的雙鍵區(qū)域最容易被HO2氧化。磷脂頭部區(qū)域的活性氧使細(xì)胞膜厚度減小,雙層膜內(nèi)的活性氧使磷脂排列稀疏,從而增大了膜面積。自然條件下。疏水性分子(O2)最有可能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,而雙層膜對(duì)親水分子(OH,HO2,H2O2)具有很強(qiáng)的屏障作用。其中,H2O2由于氫鍵作用具有最高的跨膜勢(shì)能,而OH與HO2跨膜所需能量基本相同。在等離子體處理下,HO2跨膜所需能量顯著降低,而其他種類的ROS變化不大。(3)運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬分析大氣壓低溫等離子體產(chǎn)生的ROS在含有水通道蛋白-1(Aquaporin-1,AQP1)的細(xì)胞膜中的分布和滲透行為。研究這些ROS在跨膜過程中對(duì)AQP1構(gòu)象的影響,進(jìn)一步了解它們對(duì)AQP1轉(zhuǎn)運(yùn)功能的影響。由模擬結(jié)果可知,CAP產(chǎn)生的ROS可以通過AQPI穿過細(xì)胞膜,這種方式比通過脂質(zhì)雙分子層進(jìn)行跨膜法更高效。OH和HO2通過AQP1形成的水通道進(jìn)行跨膜的自由能勢(shì)壘相似,明顯低于H2O2。在跨膜過程中,CAP產(chǎn)生的ROS會(huì)影響AQP1的構(gòu)象,這主要是由溶劑性質(zhì)的變化引起的。H2O2主要分布在水層中,對(duì)AQP1附近的溶劑性質(zhì)變化作用較小。OH和HO2對(duì)水通道兩端的溶劑性能影響很大。疏水性的O2分子直接分布在AQP1內(nèi)部,不會(huì)改變?nèi)軇┑男再|(zhì)。CAP產(chǎn)生的ROS不影響AQP1對(duì)溶劑的通透性,但是OH、HO2和O2干擾了 ar/R區(qū)域氨基酸間氫鍵的形成,影響了其過濾功能。本研究表明,ROS通過AQP1運(yùn)輸是其跨膜的重要途徑,這種途徑比通過脂質(zhì)雙分子層進(jìn)行跨膜更高效。這一發(fā)現(xiàn)為研究CAP選擇性凋亡癌細(xì)胞的機(jī)制提供了新的思路,因?yàn)橛凶C據(jù)表明在癌細(xì)胞細(xì)胞膜上分布更多的AQP,使得ROS更容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。然而,這些ROS會(huì)在跨膜過程中影響AQP1的構(gòu)象,但這種構(gòu)象變化對(duì)水通道的功能及其通透性的影響很小。這一結(jié)論為等離子體醫(yī)學(xué)中等離子體劑量(電離時(shí)間和治療時(shí)間)的選擇提供了指導(dǎo),從而促進(jìn)CAP在實(shí)驗(yàn)及臨床中應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：R730.4
【部分圖文】：

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文??１．２大氣壓低溫等離子體??１．２．１等離子體概述??等離子體是物質(zhì)在自然界中存在的四種基本形態(tài)之一。相比于固體、液體和??氣體，等離子體中的原子高度電離，形成大量帶電離子和電子，使得等離子體具??有很高的電導(dǎo)率。同時(shí)，正離子和電子的數(shù)量是大致相等的，因此等離子體總體??呈現(xiàn)為電中性。??在人造條件下產(chǎn)生等離子體的方法有很多，例如核聚變、核裂變和各種放??電等都能產(chǎn)生溫度、密度各異的等離子體。因此對(duì)等離子體的分類標(biāo)準(zhǔn)有很??多，不同類型的等離子體用途也多種多樣。根據(jù)溫度能夠?qū)⒌入x子體分為高溫??等離子體和低溫等離子體。高溫等離子的溫度范圍大約在１０６？１０８Ｋ，其內(nèi)部原??子幾乎完全電離，電子溫度、離子溫度和中性粒子溫度基本相同，常產(chǎn)生于核??聚變、核裂變等。低溫等離子體又分為熱等離子體和ＣＡＰ，熱等離子體的溫度??范圍在１０３￣１０５Ｋ，而冷等離子的溫度范圍在１０２？１０５Ｋ。低溫等離子體往往在??各種放電過程中產(chǎn)生。等離子的分類標(biāo)準(zhǔn)還包括電離度、粒子密度、等離子體??所處狀態(tài)等，如圖１－２所示。??火焰?閃電??極光?太陽??圖１－１大自然中常見的等離子體??２??

于特定氣體（例如氬氣、氦氣、氮?dú)�、氧氣或者多種氣體??混合物等）產(chǎn)生，這個(gè)過程中往往伴隨著大量紫外線、電場(chǎng)的產(chǎn)生。這些電磁輻??射也會(huì)在ＣＡＰ的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮協(xié)同作用。??等離子體??存在方式?粒子密度?電離度?熱力學(xué)平衡??「＾＾丨??Ｉ天然等離子體丨｜致密等離子體丨｜弱電離等離子體１１等離子體??ｉｉ?１?ｉｉ?｜丨ｉｉ?ｉｉ?１１局部熱力學(xué)平衡Ｉ??Ｉ，?，，?Ｉ，?，，１，?，１?＂賴?１｜??ＩＩ?Ｉ」ＩＩ?ｌｊ?ＩＩ?ＩＩ?Ｉ?等系￥體?Ｉ??圖１－２等離子體的分類??１．２．２大氣壓低溫等離子體的產(chǎn)生方式??目前，大氣壓低溫等離子的產(chǎn)生方式主要有介質(zhì)阻擋放電（Ｄｉｅｌｅｃｔｎｃ?Ｂａｒｒｉｅｒ??Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，?ＤＢＤ）和等離子體射流（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ?Ｐｒｅｓｓｕｒｅ?Ｐｌａｓｍａ?Ｊｅｔ，?ＡＰＰＪ）兩種。介??質(zhì)阻擋放電是將特定氣體輸送到兩個(gè)電極之間，通過在電極間施加高頻高壓的電??壓，從而使氣體電離。這樣產(chǎn)生ＣＡＰ面積較大，適用于大范圍的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，??例如大量的果蔬農(nóng)殘?zhí)幚�、大面積的殺菌等。但是這種類型的ＣＡＰ處于彌散的??狀態(tài)，其氣體組成并不均勻，濕度溫度等參數(shù)也無法精確控制，因此操作穩(wěn)定性??并不好。等離子體射流是將氣體輸送到一個(gè)空腔當(dāng)中，設(shè)計(jì)圓筒狀電極或是其他??合理的電極方案，使得電離發(fā)生在空腔內(nèi)，再通過另外一個(gè)噴嘴噴射出來，如圖??３??

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文??１－３所示。這樣產(chǎn)生的ＣＡＰ組成穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的定點(diǎn)處理，適用于小范圍，??高精度的生物醫(yī)學(xué)場(chǎng)景應(yīng)用。??總而言之，這兩種主要的大氣壓低溫等離子體產(chǎn)生方式各有利弊，在實(shí)際使??用場(chǎng)景中要綜合各方面因素選用合適的等離子體產(chǎn)生裝置，從而達(dá)到更好的作用??效果。??Ａ?環(huán)酸極?ｂ??１—２—Ｉ＂?ＢＨ１??圖１－３典型的大氣壓低溫等離子體射流裝置示意圖（Ａ）??射流裝置產(chǎn)生等離子體射流的照片（Ｂ）??１．２．３大氣壓低溫等離子體的生物應(yīng)用??等離子體醫(yī)學(xué)是研究等離子體對(duì)生物體（病毒、細(xì)菌、細(xì)胞、組織、器官、??皮膚等）的作用效應(yīng)的一門新興學(xué)科。由于ＣＡＰ具有安全、無殘留、無毒性、??成本低廉等多種優(yōu)勢(shì)，在病菌滅活、血液凝結(jié)、癌癥治療等多個(gè)領(lǐng)域受到了廣泛??應(yīng)用，目前較為主要的應(yīng)用領(lǐng)域有以下幾個(gè)方面。??（１）病菌滅活：大氣壓低溫等離子體滅活病菌是等離子體醫(yī)學(xué)中最先開始??的工作，也是相關(guān)研究工作最完善、最豐富的應(yīng)用領(lǐng)域。從Ｌａｒｏｕｓｓｉ課題組使用??介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行殺菌實(shí)驗(yàn)開始，ＣＡＰ己經(jīng)被證實(shí)對(duì)革蘭陽氏??菌、革蘭陰氏菌、真菌等都具有良好的殺滅效果。同時(shí)，大氣壓低溫等離子體在??口腔醫(yī)學(xué)方面也具有極大的應(yīng)用價(jià)值。研究人員使用ＣＡＰ進(jìn)行牙科器械的消毒??清潔，牙齒根管的滅菌消毒和牙齒表面污垢的去除，均得到了極好的作用效果［１１＿??１４１。傳統(tǒng)的滅菌方法，例如高溫滅菌、輻射滅菌等，有著處理周期長(zhǎng)、產(chǎn)生環(huán)境??危害性副產(chǎn)物、溫度高等缺點(diǎn)。而大氣壓低溫等離子體滅菌效率極高，溫度接近??于室溫，且產(chǎn)生的副產(chǎn)物不會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成危害，因此在食品加工、口腔醫(yī)??學(xué)、器
【參考文獻(xiàn)】

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1 朱公建;閔建平;王濤;王海濤;張秀莉;郭歡;Jim Watson;;氧化劑、抗氧化劑與目前轉(zhuǎn)移癌的難治性[J];甘肅醫(yī)藥;2013年05期

2 魏凱,劉磊,李曉松,郭慶祥;量子力學(xué)和分子力學(xué)聯(lián)用方法[J];化學(xué)物理學(xué)報(bào);2005年05期

3 文玉華,朱如曾,周富信,王崇愚;分子動(dòng)力學(xué)模擬的主要技術(shù)[J];力學(xué)進(jìn)展;2003年01期

4 朱維良,蔣華良,陳凱先,嵇汝運(yùn),曹陽;生物大分子體系量子化學(xué)計(jì)算方法新進(jìn)展[J];化學(xué)進(jìn)展;1999年04期

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