近年來,脈沖電場在生物醫(yī)學領(lǐng)域中的應用逐漸受到科學家、工程師、醫(yī)師的廣泛關(guān)注,其中不可逆電穿孔作為一種非熱腫瘤消融的物理手段,在腫瘤治療領(lǐng)域中具有以下優(yōu)勢:快捷、可視、可控、微創(chuàng)、選擇性和非熱機理,因此已在臨床中取得了良好的治療效果,具有廣闊的應用前景。然而不可逆電穿孔技術(shù)在臨床腫瘤治療中仍存在難點問題亟需解決,目前采用傳統(tǒng)脈沖治療大尺寸腫瘤時,產(chǎn)生的消融區(qū)域相對較小,因此在腫瘤治療時將有可能出現(xiàn)無法完全覆蓋其目標組織的情況,導致消融不徹底。上述問題的解決,能夠進一步推進不可逆電穿孔腫瘤治療的臨床應用,對廣大腫瘤患者的治療具有重要意義。臨床中為保證治療微創(chuàng)性,一般采用針電極傳遞脈沖,組織中形成的電場可在針電極周圍產(chǎn)生消融區(qū)域,同時在消融區(qū)域外圍也會產(chǎn)生可逆電穿孔區(qū)域。治療結(jié)束后,可逆電穿孔區(qū)域恢復,導致消融區(qū)域無法進一步擴大�；诖�,本論文在國家自然科學基金面上項目（51877022）、重慶市杰出青年基金項目（批準號:cstc2014jcyjjq90001）和中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項項目（批準號:2018CDPTCG0001/24）的支持下,提出了采用協(xié)同脈沖方法擴大組織消融區(qū)域,深... 

【文章來源】：重慶大學重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

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A–D：基于分子動力學仿真以POPC脂質(zhì)雙分子層系統(tǒng)為對象研究微孔的形成

1緒論3simulationtimeonporeformationprocessislessthan5ns[15]在實驗過程中，施加數(shù)百V/cm電場強度的微秒脈沖電場也能夠產(chǎn)生電穿孔。脈沖電場作用下微孔的尺寸很小，很難基于熒光顯微鏡或者光學顯微鏡直觀檢測微孔的存在，但可以采用掃描電子顯微鏡觀察電場作用后微孔是否存在。Chang和Reese[29]等人采用快速冷凍電子顯微鏡觀測射頻電場作用后人紅細胞膜上是否存在微孔，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電場作用后的3ms內(nèi)，類似于火山口形狀的微孔出現(xiàn)在人紅細胞膜上，并且這些微孔足以讓大分子（如DNA等）物質(zhì)進入到細胞內(nèi)部。微孔的尺寸在20ms內(nèi)能夠迅速的擴大到20-120nm，但是在數(shù)秒后開始縮小和閉合。上述實驗表明了電場作用下細胞膜上能夠產(chǎn)生納米級的微孔。Edward等人[30]研究脈沖電場（幅值為2500V，寬度為100μs，90個脈沖）作用下能否在新西蘭大白兔肝臟和約克夏豬肝臟細胞膜上引起納米級孔洞，掃描電子顯微鏡檢測結(jié)果表明，在脈沖電場作用下，實驗組中細胞膜上出現(xiàn)了大量的微孔，微孔的邊界清晰，呈凹面圓形，但是在正常對照組中并沒有微孔存在（圖1.2）。圖1.2脈沖電場作用后掃描電子顯微鏡下正常兔肝細胞膜（A和C）與脈沖處理后兔肝細胞膜（B和D）形態(tài)結(jié)構(gòu)圖[30]Fig.1.2thecellmembranemorphologyofrabbitliveratnormalstatus(AandC)andafterpulsestimulation(BandD)underthescanningelectronmicroscope[30]仿真和實驗都表明脈沖電場能夠在細胞膜上產(chǎn)生微孔，電穿孔的理論模型研究中可以基于細胞各組分的介電參數(shù)并結(jié)合電穿孔方程建立等效模型描述電穿孔與各脈沖電場參數(shù)間的關(guān)系[31]。

重慶大學博士學位論文4在細胞的正常生理活動下，細胞膜上一般會存在靜息電壓（restingtransmembranevoltage），用于運載離子等進入細胞內(nèi)部。靜息電壓的幅值會由于細胞種類的不同而有所區(qū)別，一般為數(shù)十mV。在細胞正常生理活動中，細胞膜的電氣特征呈絕緣特性，如圖1.3所示，細胞膜可等效為電容元件，在電場作用下，細胞膜兩側(cè)的離子進行重排與集聚，從而引起較高的跨膜電壓（TMV，TransmembraneVoltage）。電場引起的跨膜電壓與靜息電壓有本質(zhì)的區(qū)別，靜息電壓在細胞膜上各點是相同的，但是電場引起的跨膜電壓在細胞膜上各點的幅值不同[32]~[35]。當細胞膜上的跨膜電壓超過一定閾值時，細胞膜上發(fā)生電穿孔，導致細胞膜的通透性瞬間激增[36]~[37]。圖1.3脈沖作用下細胞膜電氣擊穿過程Fig.1.3Electricbreakdownofcellmemabrneundertheelectricpulse跨膜電壓（TMV）的理論計算可采用拉普拉斯方程求解，計算得出的結(jié)果通過電壓敏感性膜染料進行實驗驗證[37]~[38]。針對簡化的單個球形細胞（圖1.4），可采用如下公式進行計算[39]：mt/1.5cos(1e)restTMVERU（1.1）其中E為電場強度，R為細胞半徑，θ為電場方向與細胞膜徑向分量的夾角，t為脈沖寬度，τm為細胞膜的充電常數(shù)，Urest為細胞膜靜息電壓。從式1.1中可以看出，電場引起的跨膜電壓并不是即刻建立的，需要一定的充電時間（圖1.5）。充電時間常數(shù)與細胞膜、細胞外液與細胞內(nèi)液的電氣特性相關(guān)，而且也與細胞的尺寸相關(guān)。例如，10μm的球形細胞放置在電導率為1S/m的生理鹽水溶液中，細胞膜的充電時間在數(shù)百納秒左右[40]。從公式1.1中也可以看出電場引起的跨膜電壓在不同細胞膜位置上的幅值是不同的（圖1.5），離電極最近點的跨膜電壓幅值最大，而離電極最遠?

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3393024