论文题目: 外电场作用下悬液中细胞膜电压变化建模研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 电路与系统
作者: 覃玉荣
导师: 赖声礼,江悦华
关键词: 外电场,生物效应,细胞膜电压,计算模型
文献来源: 华南理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 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
论文目录:
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 细胞膜离子通道
1.1.2 细胞膜电压
1.1.3 细胞膜电压变化对离子通透性的影响
1.1.4 细胞膜电压变化对细胞生物效应的影响
1.2 研究意义
1.2.1 在生物领域的应用
1.2.2 在医学领域的应用
1.2.3 为细胞的生物效应研究提供重要的理论基础
1.3 外电场作用下细胞膜电压计算模型研究进展
1.3.1 外电场中单细胞膜电压变化计算模型研究进展
1.3.2 外电场中悬液细胞膜电压计算模型研究进展
1.4 论文的主要研究内容和框架
第二章 外加直流电场作用下悬液细胞膜电压计算模型
2.1 引言
2.2 单细胞的物理模型及其跨膜电压
2.3 直流电场中悬液的有效电导率
2.4 均匀悬液中细胞跨膜电压计算模型的建立
2.4.1 低浓度悬液中细胞跨膜电压计算模型的建立
2.4.2 高浓度悬液中细胞跨膜电压计算模型的建立
2.5 讨论
2.6 本章小结
第三章 时变场作用下悬液细胞跨膜电压计算模型
3.1 引言
3.2 介质有效电导率
3.3 细胞悬液的平均场
3.4 均匀悬液中细胞膜电压计算模型的建立
3.4.1 低于膜驰豫频率的外电场作用下悬液细胞膜电压计算模型的建立
3.4.2 微波作用下悬液细胞膜电压计算模型的建立
3.5 讨论
3.6 本章小结
第四章 强直流脉冲场作用下悬液中穿孔细胞膜电压计算模型
4.1 引言
4.2 穿孔单细胞的电导率
4.3 穿孔单细胞的膜电压计算模型
4.4 均匀悬液中穿孔细胞跨膜电压计算模型的建立
4.4.1 穿孔细胞悬液的有效电导率
4.4.2 穿孔细胞跨膜电压计算模型的建立
4.5 讨论
4.6 本章小结
第五章 细胞膜电压变化对细胞膜损耗功率的影响
5.1 引言
5.2 外加电场作用下单细胞膜损耗功率
5.3 外电场作用下悬液细胞膜损耗功率计算模型的建立
5.4 讨论
5.5 本章小结
第六章 毫米波辐射对K562 细胞膜电压变化的影响
6.1 引言
6.2 材料和方法
6.2.1 实验细胞株
6.2.3 实验方法
6.3 结果
6.3.1 不同浓度下有(无)毫米波作用下的K562 膜电压荧光图
6.3.2 不同浓度下K562 细胞有(无)毫米波作用的荧光值变化
6.3.3 毫米波照射下不同浓度K562 细胞膜电压荧光变化比较
6.4 讨论
6.4.1 计算细胞膜电压
6.4.2 细胞膜电压变化对膜离子通透性影响的理论基础
6.4.3 机理初探
6.5 本章小结
第七章 毫米波辐射下细胞浓度对膜电压和细胞凋亡率的影响
7.1 引言
7.2 材料和方法
7.2.1 实验细胞株
7.2.2 主要试剂和仪器
7.2.3 实验方法
7.2.3.1 细胞株培养
7.2.3.2 毫米波辐射处理 K562 细胞悬液
7.2.3.3 流式细胞仪检测细胞凋亡率
7.2.3.4 统计处理
7.3 实验结果
7.3.1 不同浓度K562 细胞DNA 含量的流式细胞仪分析曲线
7.3.2 毫米波辐射下不同浓度K562 细胞的凋亡率
7.4 讨论
7.4.1 计算毫米波作用下悬液细胞膜电压
7.4.2 细胞电磁非热效应的理论基础
7.4.3 机理初探
7.5 本章小结
第八章 细胞浓度变化对穿孔K562 细胞膜电压的影响
8.1 引言
8.2 材料和方法
8.2.1 实验细胞株
8.2.2 主要试剂和仪器
8.2.3 实验方法
8.3 结果
8.4 讨论
8.4.1 不同浓度细胞膜电压及损耗功率的比较
8.4.2 机理初探
8.5 本章小结
结束语
1. 论文研究工作总结
2. 待研究的问题和展望
附录
参考文献
攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文
发布时间: 2005-08-19
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