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外电场作用下悬液中细胞膜电压变化建模研究

覃玉荣  
【摘要】:细胞膜电压是反映细胞生命活力和功能的一个良好指标。在外加电场作用下,细胞膜电压的改变导致了胞内外离子的穿膜运动,打破了维持细胞正常生命活动的离子分布的平衡状态,从而引起细胞产生有利于或不利于其存活的生理和生化状态的改变。因此,建立外电场作用下细胞膜电压计算模型,掌握细胞膜电压变化规律,对更好研究细胞电磁生物效应及其在生物、医学领域的应用具有重要指导意义。外电场中单细胞膜电压计算模型早为人们熟知。然而对于属于多细胞系统的细胞悬液,细胞分布的不均匀性、以及细胞间相互作用的复杂性,使得精确建立悬液中细胞膜电压计算模型非常困难。为此,论文用场近似等效方法,初步解决了该建模难题。首先根据有效介质理论,计算不同外加电场作用下的细胞悬液的有效电导率。然后根据Laplace 方程确定细胞悬液中的平均场。再次用场近似等效方法,确定悬液中一个细胞局部的实际场分布和独立处于外加场中单细胞场分布近似等效的条件。最后借助于单细胞膜电压计算公式,建立了外电场作用下悬液细胞膜电压近似计算模型。包括: 根据Maxwell、Bruggeman 和Tobias 等效公式,以及计算单细胞膜电压的Schwan 公式,建立了直流电场作用下,不同浓度均匀悬液中细胞膜电压计算模型。用该模型计算了悬液细胞膜电压并和其他学者的数值解进行比较,结果基本符合。 基于Maxwell-Wagner和Bruggeman-Hanai等效公式,考虑不同外加时变场作用下,细胞膜以及膜内外溶液的电导率和介电常数取值不同的特点,根据时变场作用下单细胞膜电压的第一、第二以及扩展的第二计算模型,分别建立了频率f ≤100KHz;100KHz≤f ≤100MHz; f ≥100MHz时,外加时变场作用下均匀悬液中细胞膜电压计算模型。 针对穿孔时细胞膜电导率大幅度增加且不均匀分布的特点,用电导率均匀分布的小球等效每个穿孔细胞,然后用Maxwell和Tobias等效公式,确定不同浓度下悬液中穿孔细胞的平均场,再基于穿孔单细胞膜电压计算公式,建立了强直流脉冲电场作用下均匀悬液中穿孔细胞膜电压计算模型。 论文所建的膜电压计算模型表明,在外电场作用下,均匀悬液中细胞膜电压变化除和外加场的大小、细胞半径、细胞浓度以及细胞排列方式、场点位置有关外,对于时变场,膜电压还和细胞膜介电常数以及膜内外溶


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