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。
为进一步探究电穿孔理论机制,通过COMSOL建立单细胞电穿孔二维轴对称模型,该模型同时纳入表征微孔密度的电穿孔渐进方程和表征微孔动态演变过程的孔径变化方程,且模型的轴对称性使穿孔面积的计算更为准确,从而得到微孔的时空分布特性,并在此基础上探讨场强和脉宽对该特性的影响。结果表明:脉宽100μs、场强2 k V/cm的脉冲作用下,产生微孔7862个,穿孔面积达细胞表面积的6.3%,电穿孔各参量的时空分布规律与文献结果一致,从而可验证所建模型的有效性;在1~5 k V/cm范围内增大脉冲场强,微孔数与场强成正比,孔径则与场强成反比,孔面积与细胞面积之比从1.3%增至12.9%;对两组能量相同的纳秒脉冲和微秒脉冲进行比较,发现脉冲结束时前者产生的微孔数是后者的353.1倍,而在细胞膜上最靠近电极的点,后者的孔径是前者的19.3倍,说明纳秒脉冲有利于微孔数增加,而微秒脉冲有利于孔径扩大。仿真结果表明,微孔特性决定电穿孔的发生和发展过程,微孔特性的精确计算是阐释电穿孔效应的关键所在。
