摘要
电磁场生物学效应分为热效应和非热效应这两类。在细胞层面上，非热效应现象有：细胞的形变、融合、旋转、离子的跨膜迁移等，这些效应会直接影响生物体的生理、生化功能。本文研究外电场对细胞形变和离子跨膜迁移的影响，其结果可以作为电磁场非热生物学效应机理研究的基础理论，对电磁场在生物医学领域的应用也可以提供有价值的参考。本文的主要工作： 1.电场对各向同性单个细胞形变影响的研究。基于单球壳细胞模型，在介质无耗的情况下，通过细胞相对伸长模量的变化，数值分析了细胞膜介电常数、电导率、细胞膜厚度和外场频率对细胞形变影响；在考虑构成细胞介质色散的情况下，应用克劳修斯-莫索蒂因子，数值分析了细胞参数对介电泳因子的影响。结果表明：在介质无耗时，细胞膜介电常数、厚度和外场频率是引起细胞形变的主要因素；考虑介质色散时，当外场频率小于恒力频率范围，细胞大小是影响电泳力的主要因素，当外场频率大于恒力频率范围，电泳力主要受细胞外液介电常数和内液电导率影响，且低频电场更容易引起细胞的生物学效应。 2.电场对各向异性单个细胞表面电场应力影响的研究。考虑细胞膜电各向异性的情况下，以单个细胞为研究对象，采用麦克斯韦应力张量法，数值分析了细胞膜法向介电常数、外加电场频率对细胞形变的影响。结果表明：在细胞膜上不同位置处，膜法向介电常数‖?对电场应力的影响不同，同一位置处，法向介电常数越大，作用在细胞上电场强度的法向分量越大，切向应力越大；在频率较低时，频率几乎不影响作用在细胞上的电场应力，在一定的频率范围内，频率影响作用在细胞上电场应力的大小和方向，电场应力和细胞形变存在频率窗现象。 3.电场与多个各向同性球形细胞相互作用的分析。通过ANSYS Maxwell软件求解得到细胞在不同间距、排列方式下，空间电场线、电场分布云图以及细胞表面力密度分布；利用麦克斯韦应力张量法，数值分析了间距、排列方式对电场应力分布的影响。结果表明：细胞数目、间距和排列方式都会影响细胞表面电场应力的分布，细胞在电场作用下发生的形变与细胞表面所受电场应力有关。 4.电场对离子跨膜迁移影响的研究。对于由无耗介质构成的细胞，基于生物电磁学理论，分析变化的电场对细胞跨膜电位的影响，利用能斯托和玻尔兹曼公式，数值分析外电场频率、细胞参数对细胞膜一侧离子浓度相对变化量的影响。结果显示：细胞的几何参数、电参数和外加电场的频率影响细胞的跨膜电位、细胞膜一侧离子浓度的变化。对于一定细胞，细胞的跨膜电位、细胞膜一侧离子浓度变化存在频率窗现象。
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