大气压介质阻挡等离子体放电模式转化及其与细胞相互作用的数值模拟研究

发布时间：2017-12-07 18:06

  本文关键词：大气压介质阻挡等离子体放电模式转化及其与细胞相互作用的数值模拟研究

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【摘要】：大气压冷等离子体可以在气体温度保持在室温附近的条件下产生大量的活性粒子,且其产生不需要昂贵复杂的真空设备,使用方便,具有极为广泛的应用。其中用等离子体处理生命组织和细胞,比如用于杀菌、诱导癌细胞凋亡等都是新兴的应用领域,在临床治疗中用冷等离子体取代药物或者辅助药物治疗,有望取得更好的治疗效果。细胞是生物体结构和功能的基本单位,研究等离子体与细胞的相互作用是等离子体医学的重要基础,对揭示等离子体生物医学应用的内在机理具有重要意义。本文首先熟悉了放电等离子体本身的特性,通过流体模拟并与实验结果相对比,系统研究了频率从kHz到MHz变化过程中大气压氦气介质阻挡放电的各种放电模式及其转化。然后将大气压介质阻挡等离子体的流体模型和细胞多层介电模型耦合起来,研究了大气压介质阻挡放电等离子体与细胞的相互作用。得到以下主要结论:大气压氦气介质阻挡放电的放电模式,在每种频域下可分为低功率模式和高功率模式,在25kHz至100kHz的低频域有汤森放电模式和辉光放电模式,在中频域200kHz至3MHz则有Ω模式和混合模式,而到了射频频域,在5MHz至15MHz的高频域则有Ω模式和α模式。中频域是低频和高频的一个过渡区域,其混合模式的特征是低频辉光放电和高频α模式特征的混合,混合模式的放电结构不如低频辉光放电模式和高频α模式的稳定,随着频率或电压的上升,其放电结构中α模式的特征逐步增大而低频辉光放电模式的特征逐步减小,最终过渡到射频频域的α模式,可以这样说,从低频域下辉光放电模式到中频域的混合放电模式,再到到高频域的α模式,这给出了随着频率的变化放电模式的完整演化。在大气压介质阻挡放电等离子体的作用下,细胞膜电压占据了细胞总体电压降落的绝大部分,细胞质、核质、核膜等其他各层的电压较小并且呈脉冲形式在放电期间出现峰值;当提高外施电压的幅值或频率时,细胞各层的电压会有所增加,但当提高电压幅值时细胞膜比核膜电压增加得快,而提高频率时核膜电压比细胞膜电压增加得快。对比正常细胞和肿瘤细胞,发现正常细胞总体所承受到的电压比肿瘤细胞小,这有利于正常细胞的外膜不被击穿。对于细胞内膜,在放电期间正常细胞的内膜电压比肿瘤细胞的要小,但是在非放电期间正常细胞的内膜电压比肿瘤细胞的要大,正常细胞内膜这种对电压冲击削峰填谷的特征有利于其不受电伤害。肿瘤细胞内外膜比正常细胞更容易击穿,通过外施2kV和7kV的电压发现,在两种外施电压下所有细胞内膜都没有击穿,而7kV时两种细胞外膜都发生了击穿,2kV时肿瘤细胞外膜击穿了而正常细胞外膜没有击穿,故可以通过参数选择来实现细胞选择性电穿孔。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O461.2

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本文编号：1263260