發(fā)布時(shí)間：2018-03-11 16:21

  本文選題：飛秒脈沖激光　切入點(diǎn)：微氣泡　出處：《上海交通大學(xué)》2010年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】： 超聲技術(shù)已經(jīng)被證明能夠暫時(shí)性的增強(qiáng)細(xì)胞膜的滲透性。在超聲對(duì)比度增強(qiáng)劑如微氣泡的輔助下,超聲能量在細(xì)胞膜上通過(guò)機(jī)械作用在細(xì)胞膜上造成一定的損傷或者穿孔,從而提高細(xì)胞質(zhì)膜的滲透率,使得原來(lái)不可能滲透過(guò)細(xì)胞膜的治療物質(zhì),如:治療藥物、基因、蛋白質(zhì)及其它生物大分子等通過(guò)細(xì)胞膜上的穿孔運(yùn)輸至細(xì)胞內(nèi),這一過(guò)程被稱(chēng)為聲致穿孔效應(yīng)。 由于沒(méi)有合適的控制及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù),細(xì)胞水平上的單一微氣泡的聲致穿孔效應(yīng)對(duì)細(xì)胞膜的滲透率暫時(shí)性增強(qiáng)機(jī)制還不是很清楚。傳統(tǒng)研究聲致穿孔效應(yīng)的方法有以下3個(gè)缺點(diǎn):1、不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的可控的單一氣泡與細(xì)胞相互作用;2,不能實(shí)時(shí)地對(duì)聲致穿孔效應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行觀(guān)察;3、無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量細(xì)胞對(duì)聲致穿孔效應(yīng)的反應(yīng)。 本研究的研究?jī)?nèi)容主要包含2個(gè)方面:1、微米尺度的單一微氣泡的非接觸式三維操控; 2、可控的單一微氣泡的聲致穿孔效應(yīng)對(duì)細(xì)胞膜的滲透率暫時(shí)性增強(qiáng)機(jī)制。 在本課題中我們使用高速光學(xué)攝像技術(shù)及高頻超聲成像技術(shù),研究了高能飛秒脈沖激光在水中自聚焦發(fā)生光學(xué)誘導(dǎo)擊穿、產(chǎn)生并捕獲微氣泡的動(dòng)態(tài)過(guò)程。我們還應(yīng)用超聲技術(shù)定量研究了飛秒脈沖激光束對(duì)捕獲的微氣泡的橫向束縛力。通過(guò)光學(xué)技術(shù)與超聲技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了微米尺度的單一微氣泡的非接觸式三維操控。 我們用能量較低的超聲波將被捕獲在光束內(nèi)的微氣泡放置到靶向細(xì)胞附近指定的位置(控制精度達(dá)到微米量級(jí))。在高能超聲的作用下,微氣泡劇烈收縮、膨脹最終崩滅,與細(xì)胞發(fā)生相互作用在細(xì)胞膜上產(chǎn)生穿孔從而使細(xì)胞膜的滲透性增強(qiáng)。我們采用了四種獨(dú)立的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手段對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè):1)M-mode超聲成像;2)B-mode超聲成像;3)高速光學(xué)攝像技術(shù);4)電壓鉗技術(shù)。我們研究了各種物理參數(shù)對(duì)聲致穿孔效應(yīng)的影響,包括:1)超聲能量;2)脈沖重復(fù)頻率PRF (Pulse repetition frequency); 3)超聲脈沖數(shù)量;4)微氣泡與細(xì)胞壁的間距等。 通過(guò)本課題的研究,取得的主要成果如下:1)闡述了自聚焦飛秒脈沖激光在水中產(chǎn)生并捕獲微氣泡的動(dòng)態(tài)過(guò)程;2)應(yīng)用飛秒脈沖激光及超聲技術(shù),首次實(shí)現(xiàn)了微氣泡非接觸式三維操控,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光鑷技術(shù)的不足;3)分析在單一細(xì)胞水平上,聲致穿孔效應(yīng)與空穴效應(yīng)之間的聯(lián)系;4)定量分析微氣泡通過(guò)聲孔作用于細(xì)胞膜發(fā)生作用的有效距離;5)確定了聲致穿孔效應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程并確定其最優(yōu)化參數(shù)。
[Abstract]:Ultrasound technology has been shown to temporarily enhance cell membrane permeability. With the aid of ultrasound contrast enhancers such as microbubbles, ultrasonic energy causes certain damage or perforation to the cell membrane through mechanical action on the cell membrane. Thus increasing the permeability of the cytoplasmic membrane, making it impossible to penetrate the membrane of the treatment substances, such as therapeutic drugs, genes, proteins and other biological macromolecules through the perforation of the cell membrane into the cell. This process is called acoustic perforation effect. In the absence of proper control and real-time monitoring technology, The effect of acoustical perforation of a single microbubble at the cellular level on the mechanism of transient enhancement of cell membrane permeability is not well understood. The traditional method of studying acoustic-induced perforation has the following three disadvantages: 1, which cannot be realized in real sense. Can not observe the dynamic process of acousto-induced perforation in real time, and can not measure the response of cells to acousto-induced perforation in real time. The main contents of this study include two aspects: 1) the non-contact three-dimensional manipulation of a single micro-bubble on a micron scale; 2. The temporary enhancement mechanism of membrane permeability due to the sound-induced perforation effect of a controllable single micro-bubble. In this paper, we study the optical induced breakdown of high energy femtosecond pulse laser in water by using high speed optical camera and high frequency ultrasonic imaging. The transverse binding force of femtosecond pulse laser beam to the captured microbubble is also quantitatively studied by ultrasonic technique. The micron scale is realized by combining optical technology with ultrasonic technology. The non-contact three-dimensional manipulation of a single micro bubble. We use low-energy ultrasound to place microbubbles trapped in a beam of light at a certain location near the target cell (control accuracy is of a micron order of magnitude). Under the action of high-intensity ultrasound, the microbubble shrinks violently, and the expansion eventually collapses. Interaction with the cell causes perforation on the cell membrane to enhance the permeability of the cell membrane. We have used four independent real-time monitoring methods to monitor this process. The influence of various physical parameters on the acousto-induced perforation effect has been studied. These include: 1) ultrasonic energy 2) pulse repetition rate PRF pulse repetition frequency, 3) ultrasonic pulse number 4) the distance between microbubbles and cell walls, etc. The main achievements of this paper are as follows: 1) the dynamic process of self-focusing femtosecond pulse laser producing and capturing microbubbles in water is described. (2) femtosecond pulse laser and ultrasonic technology are used. For the first time, the non-contact three-dimensional manipulation of microbubbles is realized, which makes up for the deficiency of traditional optical tweezers. The relationship between acoustical perforation effect and hole effect) quantitative analysis of the effective distance from which the microbubble acts on the cell membrane through the acoustical hole 5) the dynamic process of the acousto-induced perforation effect is determined and its optimum parameters are determined.
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類(lèi)號(hào)】：R312

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