超声作用细胞膜结构的物理机制及生物效应研究

The intrinsic physical mechanism and control method of the formation of reversible microporous structure of cell membrane and permeability induced by interaction between ultrasound and cell is the key fundamental problem for solving ultrasound mediated drug delivery. This project will start from the interaction between ultrasonic and lipid bilayer, establish the model of membrane vibration, estimate the values of threshold of the pressure through the microflow theory, the free space microbubble motion equation and the vibration model of microbubble. Explore the influence the formation of microporous structure on the cell membrane structure of ultrasonic frequency, power, ultrasonic time, cavitation bubbles and other parameters and reveal its internal physical mechanism; By studying the interaction between ultrasound and cells and lipid bilayers, analysis the effect during the formation process of sonoporation and permeability of ultrasonic parameters and excitation signal in the medium of cell size, material parameters, tissue fluid viscosity and cavitation kinetic parameters. Detecting the formation process of porous in membrane and examine the exact position and identify the corresponding components. Finally master the key conditions of reasons of the microporous and obtain the effective control method. This subject lays the foundation for the study of the biological effects between ultrasound and cell, and provides the theoretical basis and experimental support for the development of new drug carrier to enhance the drug targeting.

超声波作用细胞膜形成可逆性微孔影响膜内外物质通透性，探究此过程中涉及的物理机制和控制方法是阐释超声波介导药物靶向治疗相关疾病的关键环节问题。本项目从超声波作用脂质双层膜出发，建立细胞膜振动模型，利用微流基本理论、无界自由空间微气泡运动、振动方程对脂双层膜在超声场作用下的模态以及所能承受的声压阈值进行估算，探究超声频率、功率、作用时间、空化气泡等参数对细胞膜结构变化的影响，揭示其物理机理；用超声作用培养的细胞，研究超声参数、介质中微泡尺寸、材料和组织液的粘度等空化动力学参量对细胞膜声致穿孔与物质通透性的影响；设计实验系统，监测膜微孔形成的过程，记录位置并识别对应组分，筛选出声致穿孔和通透性变化的决定因素并达到有效控制。该课题的开展对于研究超声波作用细胞膜的生物学效应奠定理论和实验基础，为设计新型的药物脂质载体增强药物靶向性等方面提供新的理论依据和实验支持。

超声波辐射法被广泛用于医疗、食品、工业、降解和生物技术等领域。细胞是生物体的基本结构和功能单位，利用超声波辐射技术作用细胞及分子复合体结构的物理机理是本项目的研究重点。超声波空化作用产生的射流使剪切力作用于细胞膜，水力剪切力破碎细胞。.本文通过有限元的方法仿真模拟研究了超声波辐射实验的容器和探头深度，以及细胞在破裂气泡的射流和超声波作用下的形变。主要的研究结果如下：.（1）通过软件求解亥姆霍兹方程，研究了超声探头位置、容器形状和输入功率对反应器中声压分布的影响。研究中使用了三种不同类型的玻璃容器，分别是烧杯、锥形瓶和圆底烧瓶。当探头和容器底部之间的距离减少时，三个容器中的声压最大值将逐渐增加。当距离减小时，圆底烧瓶中的高声压区面积没有明显变化，而烧杯和锥形瓶中的高声压区面积急剧增加，这说明使用圆底烧瓶可以减少死区对声波辐射的影响。功率的变化增加了容器中负声压峰值的数值，提高了超声空化的响应效率。通过铝箔纸腐蚀试验得出，在实际实验条件下使用锥形瓶的空化效果比使用烧杯的效果好。.（2）在上述研究的基础上，提出了气泡-细胞模型。求解亥姆霍兹方程和运动平衡方程，研究了气泡团与细胞之间的距离、气泡的半径以及气泡介质对细胞变形程度的影响。超声换能器应用于圆底烧瓶中，气泡-细胞模型位于超声探头的一侧。当气泡团与细胞之间的距离逐渐增大时，细胞的变形程度反映为先增大后减小，在气泡和细胞距离D=2时达到最大变形。当气泡的半径改变时，在任何距离的情况下，低频超声都有一个 “恒定频率”，在这个频率下，细胞的变形会很剧烈。然而，当气泡介质改变时，细胞的变形程度没有明显变化。换句话说，气泡-细胞模型结构的变化会影响细胞的变形程度，但在没有结构变化的情况下，细胞的变形程度变化非常小。.本项目同时还对超声波作用分子间相互作用，以及用多光谱方法检测方法的建立进行了研究，为超声波在细胞分子水平应用提供一定的理论参考。