细胞力学特性对电刺激的响应研究进展

 近40年，探索电刺激在生物医学中的应用引起了人们极大的兴趣，这种兴趣很大程度上来自于电刺激细胞实验研究方面取得的进展，其结果对研发疾病诊疗新技术具有参考意义。从直流电场、正弦电场、脉冲电场3个方面回顾电刺激细胞的实验设备，综述了电刺激对细胞弹性模量、细胞间应力、细胞黏附力、细胞膜系索力等力学特性的影响规律与生物学机理，以及电刺激在诱导细胞分化，凋亡，改变细胞迁移方向等方面的应用。总结了电刺激-细胞力学特性-细胞生物行为关联性研究的进展。直流电场可引导细胞迁移和排列；正弦电场可导致细胞膜和骨架的分离；脉冲电场可破坏细胞膜、细胞骨架、核膜、染色体端粒的结构，使细胞变形。探讨了目前细胞电刺激研究存在的问题，并对未来发展方向提出了建议。     

陡脉冲不可逆性电击穿恶性肿瘤细胞的机理

电场的基本特性是对处于场中的物质有力的作用.在陡脉冲电场作用下,细胞膜内外表面有很强的电场分布,同时由于细胞膜的介电常数与细胞外液、细胞质的不同,从电磁场理论出发,必然有作用于细胞膜表面的电场应力.仿真计算结果表明,外加电场的作用使得细胞膜受到来自细胞外液与细胞质两个方向的压力,作用在恶性肿瘤细胞膜上的电场应力的数量级比正常细胞大1个数量级.因此,在陡脉冲电场的作用下,恶性肿瘤细胞比正常细胞具有更大的敏感性,这种电场应力的作用势必对恶性肿瘤细胞膜造成巨大的损伤,使得细胞的生存环境和遗传物质受到严重破坏,并导致细胞发生不可逆性电击穿而死亡.     

电化学导流驱油提高低渗透油藏采收率机理研究

通过大量室内试验，详细分析研究了外加直流电场作用下对油水两相渗流规律及储层岩石性质的影响。研究结果表明：在外加电场作用下，使水驱油采收率、上相对渗透率提高，水相相对渗透率、含水率减小；同时外加直流电场可以改变储层岩石的孔隙结构和粘土矿物的结构、性质，并使储层岩石润湿性向亲水方向转化；影响这些变化的主要因素包括电位梯度、驱替流体矿化度、电场作用时期等，研究认为外加直流电场对提高低渗油田注水开发效果具有重要意义。     

直流电场对甲烷/空气预混火焰影响的机理研究

为明确直流电场对燃烧的作用机理,在常温、初始压力100kPa下,向定容燃烧弹内的网状电极加载3种电场,分别为两侧同为负直流电场、同为正直流电场以及左侧为负直流电场右侧为正直流电场,研究3种电场加载方式下的直流电场对甲烷/空气预混火焰燃烧特性的影响。结果表明:在3种电场加载方式下,火焰形变、平均火焰传播速度、压力峰值随着电压的增大均增大;当电压幅值相同时,两侧同为负电场对火焰促进效果最强,其次为左侧为负电场右侧为正电场,两侧同为正电场对火焰促进效果最弱。由模拟计算可知:电体积力随着电压的增大而增大,两电极同为负电场与正电场时,平均火焰传播速度增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.996、0.997,压力峰值增大率和电体积力之间的相关系数分别为0.989、0.971,说明电体积力与电场对火焰的促进作用密切相关;当电压幅值为10kV时,两电极同为负电场与正电场的离子风发展程度分别为0.153、0.019,说明正是由于离子风发展程度的不同导致了正负电场对燃烧促进作用不同。     

直流电场作用下心肌细胞膜电位计算模型

为研究直流电场作用对单心肌细胞膜电位变化的影响,基于电磁场理论和分离变量法,建立了单心肌细胞在直流电场作用下的膜电位计算模型。模型表明:对于心肌细胞膜上某点P,其膜电位变化与外电场强度、细胞横截面外膜半径、该点极径和外电场夹角的余弦值成正比。计算模型的建立为研究心肌细胞的电磁生物效应机理提供很有意义的理论依据。     

强电场脉冲致细胞膜电穿孔的观察

用强电场脉冲处理动物细胞后,可使小分子物质台盼蓝进入细胞内,通过扫描电镜观察到细胞膜上有电致孔洞,证实强电场脉冲能引起电穿孔,穿孔率较高,穿孔直径在0.05-1.5μm,经研究作者得到了较佳的实验条件,并得到了形态学证据初步分析了电穿孔形成的机理。     

植物细胞膜的分布电荷所产生的细胞壁应力

根据细胞膜双电层模型和电学、力学原理，推出了植物细胞膜上电荷产生的细胞壁应力的计算公式；分析了植物细胞壁厚度、细胞半径以及细胞膜上电荷面密度变化对细胞壁应力产生的影响．获得了细胞膜上电荷对细胞壁三个方向的应力都有影响。细胞膜上电荷产生的细胞壁沿半径方向的应力增量比细胞壁另外两个方向的应力增量小得多；在细胞壁增厚过程中细胞膜上电荷产生的细胞壁各点的应力的绝对值变小；细胞膜上电荷所引起的细胞壁应力与细胞壁厚度以及膜上电荷面密度的关系是非线性的；在其他条件不变的情况下，细胞越大，细胞膜上电荷对细胞壁上的应力影响越大等几点结论．图5，参9．     

流-固-电多物理场耦合模型的红细胞流变学研究

红细胞(red blood cell, RBC)受到流体应力发生机械形变的研究越发成熟,但在结合电场、声场、光场或热力场等多物理场的研究依旧不足.通过COMSOL有限元软件建立了流-固-电(流场、固体场和电场)的3场物理耦合模型,对球形和正常RBC 2种不同形状的RBC分别进行迁移模拟研究.与流-固耦合模型相比,发现电场形成的电渗流使细胞运动迁移时,球形细胞受到的von Mises应力高于正常细胞.电渗流效应形成180μm/s的流速导致RBC变为卷曲“C”形姿态,因形状差异,球形和正常RBC在遇到针尖障碍物时的旋转方向不同.针对本文提出的多物理场耦合模型,两种细胞运动轨迹的差异显示了电渗流对不同形状细胞实施空间分离的可行性.     

脉冲电场处理对钢的凝固组织和元素分布的影响

通过改变脉冲电场的电压对钢液进行处理,研究了脉冲电场处理对钢液凝固元素迁移特性和晶粒细化的影响.利用ImageJ软件统计分析了试样的晶粒数和晶粒分布,利用原位分析仪分析了钢中主要元素C、Si、Mn、P和S的分布与偏析情况,探讨了不同电压下脉冲电场对钢液凝固过程元素迁移特性的影响.实验结果表明,随着脉冲处理电压升高,晶粒明显得到细化,钢中元素Si、Mn和P具有相似的分布,而P和S具有相反的分布特性.     

BaTiO_3与PVDF热释电复合膜的研究

采用在成膜过程中加直流电场和不加电场两种方法制备了ＢａＴｉＯ３＋ＰＶＤＦＩ合薄膜，在１０ｋＶ／ｃｍ电场下制备的复合膜热探测优值ｐ／ε达到１．５×１０－７Ｃ／ｍ２·Ｋ，而无电场制备的复合膜只有１．２×１０－８Ｃ／ｍ２·Ｋ．实验表明在成膜过程中施加强直流电场，可以使铁电颗粒的ｃ轴转向，平行子电场的方向．ＢａＴｉＯ３颗粒的择优取向使复合膜易于极化，从而提高了复合膜的热释电性，并改善了老化性能．     

基于碳纳米线圈的细胞应激性测试探针

外界力、电刺激对细胞行为具有显著影响,细胞的力、电应激特性研究广受关注. 使用碳纳米线圈对单个活体细胞定量施加局域力学和电学刺激,探究了细胞的应激特性. 研究发现碳纳米线圈的局域力刺激可以引起细胞的整体响应,且受激响应程度与外力的作用形式和大小有关. 另外,细胞在碳纳米线圈施加的局域电刺激下会产生显著极性响应,并可在撤掉电刺激后逐渐恢复至初始状态,表明其生理结构和功能未受到破坏. 基于碳纳米线圈的非侵入性柔性生物探针具有安全可控、易操作和低成本等优点,在活体细胞对的应激和传导机制研究、细胞行为调控等领域具有广阔的应用前景.     

BCF的热氧稳定化研究

采用连续实验方法,借助X射线衍射、红外光谱、元素分析、力学测试等技术,系统地研究了热氧稳定化过程中聚丙烯腈纤维序态结构、化学结构与生物碳纤维吸附特性、力学性能的内在关联与作用.研究结果表明:聚丙烯腈基热氧稳定化纤维晶区尺寸、取向指数等结构参数与BCF比表面积、吸附特性及力学性能的优劣具有直接内在联系.在热氧稳定化过程中增加聚丙烯腈纤维热氧稳定化结构转化有益于改善生物碳纤维吸附特性,且与生物碳纤维力学性能的变化密切相关.     

单个活细胞图像分析系统的研制与应用

单个活细胞分析是生命科学领域的研究热点之一，按照单个活细胞分析的特殊要求，利用PI公司MicroMAX-5MHz-782Y型致冷CCD，研制了高性能数字图像系统，其具有高灵敏度、高时空分辨率、高精度等优点。建立了动态图像分析技术，适于半透明生物试样的三维重建技术等显微图像分析方法，并在单粒子追踪、脉冲电场刺激下鸡胚小脑粒细胞内Cn^2＋浓度空间分布测定等实验中得到了成功应用。实践证明，该系统比较适合单个活细胞的图像分析。     

电场对脂肪酶紫外光谱的影响及时效性研究

目的为静电宏观生物效应作用机理提供一定的理论依据。方法用不同电场强度处理脂肪酶5 min,处理后分别在第1 d和第10 d测定电场对脂肪酶紫外光谱的影响。结果脂肪酶紫外光谱发生了明显的变化,说明电场可以改变酶的构象。结论电场强度为1.0,2.0,4.0和6.0 kV/cm时,第1 d的紫外光谱的变化幅度强于第10 d的变化幅度;电场强度为3.0和5.0 kV/cm时,第1 d的变化幅度弱于第10 d的变化幅度。     

松质骨拉伸破坏细观分析

在对松质骨力学性能实验及拉伸扫描电镜观察实验的基础上,从细观的角度探讨松质骨的变和破坏现象。在此基础上,运用细观力学模型对松质骨压缩及拉伸的力学行为进行了分析,得出了弹性模量与相对密度的关系,与实验结果基本吻合。     

Contractile force measured in unskinned isolated adult rat heart fibres

A number of investigators have succeeded in preparing isolated cardiac cells by enzymatic digestion which tolerate external [Ca2+] in the millimolar range. However, a persistent problem with these preparations is that, unlike in situ adult ventricular fibres, the isolated fibres usually beat spontaneously. This spontaneity suggests persistent ionic leakage not present in situ. A preferable preparation for mechanical and electrical studies would be one which is quiescent but excitable in response to electrical stimulation and which does not undergo contracture with repeated stimulation. We report here a modified method of cardiac fibre isolation and perfusion which leaves the fibre membrane electrically excitable and moderately resistant to mechanical stress so that the attachment of suction micropipettes to the fibre is possible for force measurement and length control. Force generation in single isolated adult rat heart fibres is consistent with in situ contractile force. The negative staircase effect (treppe) characteristic of adult not heart tissue is present with increased frequency of stimulation. Isometric developed tension increases with fibre length as in in situ ventricular tissue.     

Auditory collusion and a coupled couple of outer hair cells.

The discrepancies between measured frequency responses of the basilar membrane in the inner ear and the frequency tuning found in psychophysical experiments led to Bekesy's idea of lateral inhibition in the auditory nervous system. We now know that basilar membrane tuning can account for neural tuning, and that sharpening of the passive travelling wave depends on the mechanical activity of outer hair cells (OHCs)3, but the mechanism by which OHCs enhance tuning remains unclear. OHCs generate voltage-dependent length changes at acoustic rates, which deform the cochlear partition. Here we use an electrical correlate of OHC mechanical activity, the motility-related gating current, to investigate mechano-electrical interactions among adjacent OHCs. We show that the motility caused by voltage stimulation of one cell in a group evokes gating currents in adjacent OHCs. The resulting polarization in adjacent cells is opposite to that within the stimulated cell, which may be indicative of lateral inhibition. Also such interactions promote distortion and suppression in the electrical and, consequently, the mechanical activity of OHCs. Lateral interactions may provide a basis for enhanced frequency selectivity in the basilar membrane of mammals.     

高压电场干燥技术原理的电流体动力学分析

高压电场干燥技术是作者自行研发的一项实用型的创新干燥技术,其技术特点是物料不升温,节省能源,设备造价低,特别适合热敏性物料的干燥.其物理机制是依靠电场能传质而实现干燥的.利用电流体动力学原理,针对高压电场对含水物料施加作用力进行分析,结果表明:电场能传质是由两种作用力作用的结果.     

小鼠电激怒实验中应用研制的智能化电刺激系统提高成模率的探索

摘要:目的 为提高小鼠电激怒模型制备成功率,研制了智能化电刺激系统以满足电激怒实验要求。 方法 电刺激系统由计算机窗口界面输入用户的控制参数,通过计算机系统与 STM32F103 单片机之间的 RS232 通讯,将用户输入的控制参数传入 STM32F103 单片机中,控制高压输出电路输出用户所需高压脉冲到鼠笼电极装置,以此激怒小鼠,并在动物实验中应用。 结果 制备小鼠激怒模型,通过采用计算机设定电刺激参数,使小鼠激怒模型制备的成功率达 90% ,并符合实验动物福利的“3R”原则要求,可以满足氯丙嗪对小鼠抗电激怒实验效果观察。 结论 研制的电刺激系统实现了计算机对刺激参数的智能化控制,技术性能可满足小鼠电激怒实验教学的要求。