為準(zhǔn)確研究納秒脈沖(nanosecond pulses electric field,ns PEF)作用下細(xì)胞跨膜電位的分布規(guī)律,采用多物理場仿真軟件COMSOLMultiphysics建立球形細(xì)胞五層介電模型,同時(shí)引入色散(dispersion,DP)和電穿孔(electroporation,EP)效應(yīng)來研究納秒脈沖下的細(xì)胞生物電效應(yīng)。結(jié)果表明,在電穿孔的基礎(chǔ)上引入色散效應(yīng),使得細(xì)胞膜上點(diǎn)A1跨膜電位(trans-membranepotential,TMP)達(dá)到峰值的速度明顯加快,核膜上點(diǎn)B1的跨膜電位在0～100ns區(qū)間明顯增大;微孔密度、跨膜電位的時(shí)空變化結(jié)果表明,點(diǎn)A1首先在2ns左右發(fā)生電穿孔,隨后點(diǎn)A2—A5依次發(fā)生電穿孔,最終細(xì)胞膜上至少2/3區(qū)域發(fā)生電穿孔。研究結(jié)果從理論上證明了只有同時(shí)引入色散和電穿孔效應(yīng)才能正確預(yù)測納秒脈沖的生物電效應(yīng)。
【部分圖文】：

電介質(zhì)材料的介電參數(shù)(電導(dǎo)率、介電常數(shù))受各種因素(如溫度、壓力、外加電場頻率等)的影響，其中介電參數(shù)隨外加電場頻率變化的現(xiàn)象稱為電介質(zhì)材料的頻率色散效應(yīng)。通常情況下細(xì)胞各組分的頻率色散效應(yīng)由Debye方程定量描述，從時(shí)域角度來看細(xì)胞各組分極化強(qiáng)度為電場及其各階時(shí)間導(dǎo)數(shù)的函數(shù)，可將頻率色散效應(yīng)由頻域轉(zhuǎn)換為時(shí)域，從而計(jì)算時(shí)域色散效應(yīng)，該部分詳見文獻(xiàn)[11]。細(xì)胞膜和核膜色散效應(yīng)的時(shí)域表達(dá)式為式中：P為細(xì)胞膜及核膜上的極化強(qiáng)度；E為外加場強(qiáng)；ε0為真空介電常數(shù)；εm0為低頻介電常數(shù)，εm0=ε∞+Δε1+Δε2；其余參數(shù)見表1。

目前尚未得到包含電穿孔或者色散效應(yīng)時(shí)球形細(xì)胞跨膜電位的時(shí)域解析解，在進(jìn)行該部分仿真驗(yàn)證時(shí)，仿真模型既未包含色散效應(yīng)又未引入電穿孔效應(yīng)。一階Schwan方程是計(jì)算脈沖電場作用下球形細(xì)胞跨膜電位的經(jīng)典方程[12]，該方程既未包含色散效應(yīng)又未包含電穿孔效應(yīng)，因此能夠與仿真結(jié)果進(jìn)行比較來驗(yàn)證本文仿真方法的正確性。圖2給出了脈寬100μs、場強(qiáng)10 kV/cm微秒脈沖作用下，細(xì)胞膜上點(diǎn)A1跨膜電位及相應(yīng)誤差隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過分析比對發(fā)現(xiàn)：仿真解和解析解曲線基本相符，二者最大誤差為0.177 V，相對誤差≤5%，從而證明了本文仿真方法的正確性。此外，可以看出解析解略高于仿真解，這是由于一階Schwan方程沒有考慮(胞膜除外)其他結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)，導(dǎo)致結(jié)果偏高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，采用本文的仿真方法對文獻(xiàn)[10]中脈寬600 ns的納秒脈沖作用時(shí)(僅含電穿孔效應(yīng))球形細(xì)胞的跨膜電位分布進(jìn)行了計(jì)算，得到跨膜電位沿細(xì)胞弧長的分布規(guī)律與文獻(xiàn)中結(jié)果基本一致，前者在點(diǎn)A1的跨膜電位略低于后者，二者最大相對誤差≤5%，進(jìn)一步證實(shí)了本文仿真方法的正確性。

圖5給出了細(xì)胞膜上點(diǎn)A1極化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，極化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律與輸入納秒脈沖波形相似，在上升沿和下降沿有所變緩。脈沖電場上升沿和下降沿包含豐富的高頻信息，導(dǎo)致該時(shí)間段細(xì)胞膜介電常數(shù)較低，較低的介電常數(shù)則對應(yīng)著較低的極化強(qiáng)度；在脈沖平頂部分細(xì)胞膜相對介電常數(shù)為低頻值5，對應(yīng)極化強(qiáng)度為3.5×10–5 C/m2。此外，由式(3)可知，極化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律與外加脈沖電場正相關(guān)，從側(cè)面證實(shí)了仿真結(jié)果的正確性。由于細(xì)胞膜和核膜極化強(qiáng)度在空間各點(diǎn)的分布規(guī)律相同，因此只給出了點(diǎn)A1極化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律。圖4 點(diǎn)B1跨膜電位的變化規(guī)律
【相似文獻(xiàn)】

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