电磁辐照下细胞无机离子跨膜输运的理论与实验研究

发布时间：2020-12-31 09:40

　　为了实现电磁辐射在心脏病治疗、神经衰退修复、肿瘤消融、微生物灭活等生命科学与生物医学领域的应用,新兴的电磁辐照下非热电磁生物效应的研究日趋活跃。本文以电磁辐照下无机离子跨细胞膜输运为研究课题,重点对纳秒脉冲电场和太赫兹电磁场辐照下钙离子经生理通道跨膜输运的生物物理过程、以及钡离子跨膜输运对细胞膜纳米孔检测的实验方法进行了研究,主要工作和创新点如下:1.提出了细胞膜生理通道钙离子输运流体模型,给出了钙离子经细胞膜压控通道、主动运输通道的跨膜输运、以及纳秒脉冲电场作用下跨膜输运的钙离子流引起细胞内钙离子浓度变化的数值模拟算法,依此对纳秒脉冲电场作用下钙离子经细胞膜生理通道的输运进行了数值模拟,通过将数值结果与报道的实验现象进行比较,侧面验证了理论模型的正确性,并给出了纳秒脉冲电场的脉宽和电场幅值对生理通道输运的钙离子流、以及相应的细胞内钙离子浓度变化的非线性调控关系。2.从相对论电磁理论出发,提出了细胞、及离子通道层面上生理离子与太赫兹场电磁互作用理论,并结合热力学原理,给出了细胞生理环境对太赫兹电磁辐照的吸收损耗的数值计算方法;然后,利用细胞层面生理离子与太赫兹场的电磁互作用理论,结合上... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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【部分图文】：

nsPEF作用后几秒时间内多发性骨髓瘤细胞膜磷脂酰丝氨酸（PS）外显化的荧光检测图

电子科技大学博士学位论文20电场分布。比较图2-9与图2-1可以发现，电场的x分量和y分量均主要分布在细胞膜，在细胞膜上形成生理膜电位，计算得到的膜电位大约为-60mV，这与NG108-15细胞的膜电位实验测量值[58,59]基本吻合。此外，在细胞外远离细胞的区域，电场几乎为零，这与媒质电中性的特性相吻合。x-轴（网格）y-轴（网格）图2-8静息条件下NG108-15细胞区域内生理离子产生的电位分布，左上角顶点的电位点选择为零电位点(a)(b)图2-9静息条件下细胞区域内生理离子的电场分布。电场值由图右侧的彩色条表征，单位为V/m.(a)电场的x分量，数值为正代表电场沿x轴正方向；(b)电场的y分量，数值为正代表电场沿y轴正方向2.3.2纳秒脉冲电场作用下细胞膜电位变化2.3.2.1600ns，16.2kV/cm脉冲电场下膜电位的变化如图2-10,在600ns、16.2kV/cm脉冲电场作用下，4个压控钙离子模型通道C1、C2、C3和C4处的膜电位超过低压门控钙离子通道的激活阈值，因而这些通道打开。这表明纳秒脉冲电场辐照能够激活钙离子压控通道，这一结果与文献[53]中的实验现象相吻合。

第三章太赫兹电磁辐照与生理离子互作用的理论研究33(a)(b)图3-1细胞在0.1–10THz频率范围内的介电常数。（a）介电常数实部’；（b）介电常数虚部’’(a)(b)图3-2细胞外环境在0.1–10THz频率范围内的介电常数。（a）介电常数实部’；（b）介电常数虚部’’太赫兹波对离子q1的磁场作用力FEM-M为，_1022,,sin,,EMMFrtqvtHrtvtHrt(3-15)式中，H2(r,t)为t时刻太赫兹波在空间位置r处的磁场，μ0为真空中磁导率。对于在细胞溶液环境中传播的横电磁平面波，电场和磁场之比为，""22000,/,/ppErtHrtfif(3-16)其中，p表示细胞内或细胞外生理溶液环境，εp’(f)和εp”(f)分别为频率f下的相对介电常数εp(f)的实部和虚部。方程（3-15）左右两边同时除以（3-14），并且将方程（3-16）代入，整理后，得到太赫兹波对离子q1的磁场作用力与电场作用力之比，""__2,/,sin,,/EMMEMEppFrtFrtvtfifvtHrtc(3-17)


本文编号：2949394