含色散和电穿孔效应的球形细胞在纳秒脉冲下的生物电效应仿真

发布时间：2020-10-25 05:31

　　 为准确研究纳秒脉冲(nanosecond pulses electric field,ns PEF)作用下细胞跨膜电位的分布规律,采用多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics建立球形细胞五层介电模型,同时引入色散(dispersion,DP)和电穿孔(electroporation,EP)效应来研究纳秒脉冲下的细胞生物电效应。结果表明,在电穿孔的基础上引入色散效应,使得细胞膜上点A1跨膜电位(trans-membranepotential,TMP)达到峰值的速度明显加快,核膜上点B1的跨膜电位在0～100ns区间明显增大;微孔密度、跨膜电位的时空变化结果表明,点A1首先在2ns左右发生电穿孔,随后点A2—A5依次发生电穿孔,最终细胞膜上至少2/3区域发生电穿孔。研究结果从理论上证明了只有同时引入色散和电穿孔效应才能正确预测纳秒脉冲的生物电效应。
【部分图文】：

电介质材料的介电参数(电导率、介电常数)受各种因素(如温度、压力、外加电场频率等)的影响，其中介电参数随外加电场频率变化的现象称为电介质材料的频率色散效应。通常情况下细胞各组分的频率色散效应由Debye方程定量描述，从时域角度来看细胞各组分极化强度为电场及其各阶时间导数的函数，可将频率色散效应由频域转换为时域，从而计算时域色散效应，该部分详见文献[11]。细胞膜和核膜色散效应的时域表达式为式中：P为细胞膜及核膜上的极化强度；E为外加场强；ε0为真空介电常数；εm0为低频介电常数，εm0=ε∞+Δε1+Δε2；其余参数见表1。

目前尚未得到包含电穿孔或者色散效应时球形细胞跨膜电位的时域解析解，在进行该部分仿真验证时，仿真模型既未包含色散效应又未引入电穿孔效应。一阶Schwan方程是计算脉冲电场作用下球形细胞跨膜电位的经典方程[12]，该方程既未包含色散效应又未包含电穿孔效应，因此能够与仿真结果进行比较来验证本文仿真方法的正确性。图2给出了脉宽100μs、场强10 kV/cm微秒脉冲作用下，细胞膜上点A1跨膜电位及相应误差随时间的变化规律。通过分析比对发现：仿真解和解析解曲线基本相符，二者最大误差为0.177 V，相对误差≤5%，从而证明了本文仿真方法的正确性。此外，可以看出解析解略高于仿真解，这是由于一阶Schwan方程没有考虑(胞膜除外)其他结构的介电常数，导致结果偏高。为了进一步验证仿真结果，采用本文的仿真方法对文献[10]中脉宽600 ns的纳秒脉冲作用时(仅含电穿孔效应)球形细胞的跨膜电位分布进行了计算，得到跨膜电位沿细胞弧长的分布规律与文献中结果基本一致，前者在点A1的跨膜电位略低于后者，二者最大相对误差≤5%，进一步证实了本文仿真方法的正确性。

图5给出了细胞膜上点A1极化强度随时间的变化规律，极化强度随时间的变化规律与输入纳秒脉冲波形相似，在上升沿和下降沿有所变缓。脉冲电场上升沿和下降沿包含丰富的高频信息，导致该时间段细胞膜介电常数较低，较低的介电常数则对应着较低的极化强度；在脉冲平顶部分细胞膜相对介电常数为低频值5，对应极化强度为3.5×10–5 C/m2。此外，由式(3)可知，极化强度随时间的变化规律与外加脉冲电场正相关，从侧面证实了仿真结果的正确性。由于细胞膜和核膜极化强度在空间各点的分布规律相同，因此只给出了点A1极化强度随时间的变化规律。图4 点B1跨膜电位的变化规律
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本文编号：2855536