红外及太赫兹辐照下细胞膜生物效应的研究进展

太赫兹电磁波辐照,包括其短波段红外波辐照,因具有无创和非电离特性在生物科学中展现出广泛和重要的应用前景.细胞膜是生物细胞保持完整性和内稳态的重要生物屏障,也是太赫兹辐照时电磁场首先作用到的细胞结构,细胞膜对电磁场的响应是大部分太赫兹生物效应产生的机理.本文首先论述了太赫兹辐照应用的安全性及其在生命医药、神经调节以及人工智能领域中应用的新前景,然后从太赫兹电磁辐照下磷脂膜的介电响应特性、细胞膜离子通道蛋白的离子跨膜输运、磷脂膜上大分子及离子的跨膜输运、以及太赫兹辐照下细胞膜生物效应的潜在应用和作用四方面,对太赫兹电磁辐照下细胞膜生物效应领域的研究发展进行系统论述,同时介绍了太赫兹电磁辐照时能够开启细胞膜上压控钙离子通道、压控钾离子通道和主动运输的钙离子通道、以及在磷脂膜上产生亲水孔等科学发现.最后,总结并展望了太赫兹辐照下细胞膜生物效应研究的努力方向.

太赫兹波生物效应

太赫兹波能被生物组织中的水强烈吸收,能与生物组织中生物大分子和这些分子间的弱相互作用产生共振,因而太赫兹波在生物医学中有许多潜在的应用.尽管单个太赫兹光子能量很低,对生物组织没有电离损伤作用,但是随着强度增大,太赫兹波会对生物细胞和组织产生一系列生物效应.由于太赫兹波参数和受辐照生物材料等辐照条件不同,将导致不同的生物学效应,包括以热效应为主和以非热效应为主导致的生物学效应.本文讨论了这两种效应的物理机理,介绍了适合用于生物效应研究的现今主要的强太赫兹辐射源种类,综述了典型的太赫兹波的生物效应具体表现和已有的研究进展,展望了太赫兹波生物效应的潜在应用以及面临的挑战.

太赫兹辐射生物效应研究进展与展望

21世纪以来,太赫兹(terahertz,THz)技术的应用日益广泛,其成像和感应技术在医疗、军事、安保方面的应用研究不断深入。为了安全有效地应用太赫兹技术,特别是将太赫兹技术应用于诊断、活体成像、治疗、安检等领域,需要对太赫兹辐射的生物效应和安全性进行研究和评估,明确其生物效应特征和量效关系,获得致伤阈值。因此,THz生物效应研究成为本领域备受关注的热点。THz生物效应研究是开展THz应用研究的前提和必要条件,有助于加深对THz与生物系统相互作用机制的了解,也为未来THz技术的应用发展奠定基础。同时,从实际应用的角度来说,THz生物效应研究也是评价健康危害、建立安全标准、THz技术安全应用所必需的。本文将从THz辐射的热效应和非热效应两个方面,对THz生物效应研究进展进行综合阐述,并总结分析THz生物效应研究给我们的启示,对未来发展的方向进行展望。

太赫兹辐射及其生物效应研究进展

随着太赫兹源和探测技术的不断进步,太赫兹技术迅速发展并在众多领域有着广泛的应用前景.特别是在生物医学领域,太赫兹技术有望成为一种新型治疗手段.本文首先介绍了太赫兹的电磁波特点及3种太赫兹波产生方式.其次介绍了太赫兹辐射在生物上的两大效应:热效应和非热效应.最后从细胞和生物体两大层面上,详细介绍了太赫兹辐射对不同细胞的生物效应和一些相关分子通路改变,以及太赫兹辐射在不同生物体上的作用效果,为太赫兹生物相关研究人员提供参考.

COP-PDMS微流控芯片的制备及在太赫兹对肠道上皮细胞生物效应中的应用

用于细胞培养的常规培养皿无法直接用于激光共聚焦显微镜的观察,在很大程度上限制了细胞水平上的太赫兹生物效应研究的开展.本文采用了对太赫兹吸收率低的材料——环烯烃聚合物(COP),与聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行共键合,借用软蚀刻、光刻、等离子清洗和高温高压孵育技术将两种材料整合成新型微流控芯片,并利用该微流控芯片探索太赫兹对肠道细胞的生物效应.该微流控芯片可实现肠上皮细胞Caco-2的动态培养,原位免疫荧光染色及激光共聚焦显微镜的直接观察,为太赫兹细胞水平的生物效应研究提供了高效便捷的实验环境.研究中将微流控芯片中培养的肠上皮细胞Caco-2经15 mW/cm^(2)的0.1 THz波辐照10 min,免疫荧光染色结果显示细胞贴附生长的形态改变,胞间紧密连接蛋白ZO-1及桩蛋白Paxillin的水平及分布发生变化,提示太赫兹对细胞的胞外连接及胞间连接均可产生影响,可减弱细胞与培养界面的黏附.本研究设计制备的COP-PDMS共键合微流控芯片为探索太赫兹对细胞的生物效应提供了便捷有效的平台,有望在未来进一步用于太赫兹对细胞分子效应的实时研究.

太赫兹电磁生物效应及生物表征技术研究

太赫兹因其自身优异的穿透性和非电离特性受到研究人员的广泛关注。本文根据研究对象属性的不同,将太赫兹生物效应分为细胞膜的通透性、离子通道和基因表达三个层次的内容;又介绍了生物神经信号的研究进展;最后根据检测方式和信号处理方法的不同,将太赫兹生物表征技术分为太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术两大类。目前,太赫兹生物领域的研究尚处于起步阶段,本文尝试较为全面的对太赫兹生物效应、生物神经信号以及生物表征技术等领域的成果进行归纳和总结,旨在为太赫兹生物方面的研究提供参考。

太赫兹科学技术在生物医学中的应用研究

介绍了近十年来国内外太赫兹科学技术在生物医学领域的研究与应用进展。重点总结了太赫兹辐射的生物效应、太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术,在生物医学领域的研究与应用的3个大类的成果。有关太赫兹辐射的生物效应,分不同频率、不同功率和不同辐射时间下样品的生物学反应来介绍。又根据探测样品属性不同分为生物体、生物组织、生物细胞、生物细胞器和生物大分子等6个层次的内容。充分论证了太赫兹科学技术对生物医学的安全性和适用性。由于太赫兹光谱包含丰富的生物分子及分子间的组成信息和构象信息,在生物医学领域的研究与应用最多。对不同生物大分子的太赫兹特征频谱进行了解读,对太赫兹光谱技术的应用进行了梳理,目的为让更多的人了解太赫兹科学技术的优越性和应用前景。在太赫兹波成像技术方面,总结了其在癌变组织诊断、皮肤烧伤探测等方面的研究应用。为使迷人的太赫兹波科学与技术更好的服务于人类,尝试较为全面地对太赫兹科学技术在生物医学领域取得的研究成果进行归纳与总结,同时也探讨了现阶段在生物医学领域所存在的不足,以及今后努力的方向。

太赫兹波生物医学研究的现状与未来

20世纪90年代以来,一系列的电子学和光子学技术突破使得太赫兹(THz)技术从实验研究逐渐发展到非破坏性检测、安全、医疗、通信等重要领域的实际应用。新技术的发展广泛激发了研究太赫兹波与生物分子和组织间相互作用的兴趣。与此同时,尽管太赫兹技术得到了广泛应用,人们对太赫兹辐射的生物效应却知之甚少。可以肯定,与高能辐射(如紫外线、X射线、伽马射线等)和生物组织的相互作用所引起的生物损伤相比,太赫兹辐射将引起独特的非电离非热生物效应。本文介绍了生物介质的太赫兹波表征技术研究和生物效应研究,总结了太赫兹技术在生物医学中的最新进展,进一步分析了太赫兹生物医学未来的发展和所面临的关键科学问题。

低能铁离子束辐照氨基酸衍生物的红外光谱结构表征

利用傅里叶变换红外光谱 (FTIR)技术研究了能量为 110keV的Fe+离子束辐照L(+) 半胱氨酸盐酸盐单晶水合物固态样品的结构变化情况。对辐照样品的两次红外光谱分析结果有所不同 ,表明固态样品不同部位受低能铁离子束作用后可发生不同的分子改性 ;但二者又具有一定的相似性 ,都反映了原分子中氨基、羧基和巯基等基团的受损及硝基和酰胺基团等的生成。

太赫兹技术在生物医学中的应用

在人类可持续发展的道路上,生物医学研究始终处于核心地位。太赫兹(THz)技术依靠其自身的优势,在生物医学领域得到了广泛的应用。本文着重介绍了太赫兹表征技术以及太赫兹生物效应在生物医学方面的应用。太赫兹表征技术应用领域的介绍主要分为5个部分:氨基酸和多肽、DNA、蛋白质、癌症的检测和龋齿诊断等其他领域的应用。太赫兹生物效应的研究则集中于THz对机体组织和细胞的作用上。此外,本文简单介绍了化学计量学方法以及其与THz技术结合在生物医学方面的应用。最后总结了THz技术在生物医学领域的不足,并对进一步研究的方向进行了讨论。本文主要对太赫兹技术在生物医学方面的应用进行综述,为相关研究奠定了基础。

基于石墨纳米材料的电磁诱导势阱效应的室温太赫兹探测研究

基于石墨纳米材料,成功制备金属-石墨-金属结构电磁诱导势阱效应室温太赫兹探测器,实现了高性能的室温太赫兹探测。器件在0.035 THz的响应率达到20 kV/W,在0.1673 THz的响应率达到11 kV/W,器件在0.035 THz的噪声等效功率达到1.25pW/√Hz,在0.1673 THz的噪声等效功率达到2.27pW/√Hz。我们的研究结果为石墨烯太赫兹探测器提供新的思路。

太赫兹技术在生物医学应用中的安全性探讨

近十年来,太赫兹科学技术在生物医学领域得到了蓬勃发展和广泛应用。太赫兹技术因其独特的优势,为生物医学研究带来一种全新的、无标记的、非侵入的检测方法。与此同时,太赫兹辐射的安全性问题变得越发紧迫。该文重点总结了太赫兹辐射在生物体、生物组织、细胞和生物分子层次的生物学效应,对比总结了太赫兹不同频率、强度、时间条件下的生物学效应,并讨论了为加快太赫兹技术的临床应用所面临的挑战及未来努力的策略。

癌症组织的太赫兹波吸收特性及诊断治疗

癌症是由细胞生长失控而引起的一组疾病,全世界年死亡人数超过760万,由于其病因及病症的复杂性,多样化综合诊断和治疗对遏制或治愈癌症就尤为重要。太赫兹波(T-rays,THz),波长介于30μm-l mm(10THz-100GHz)之间,其独特的电磁波特性和新激发光源的发展使得太赫兹发挥对癌症的诊治功效成为可能。本文从太赫兹波特性出发,阐述了太赫兹波用于癌症诊断方面相关技术的发展和安全性问题,并从热杀伤和非线性共振等生物效应角度揭示太赫兹波在癌症诊断与治疗中的应用前景。

太赫兹生物效应的原理和应用

太赫兹技术在过去数十年间发展迅速,作为一种强大的生物大分子表征工具,太赫兹光谱和成像技术展现了其在诊断医学和临床医学中的广阔前景。通过太赫兹光谱系统可以对生物样本的特定成分进行定量分析,类似地,太赫兹成像系统可以给出样品中待测成分的空间分布。以太赫兹光学系统的类型为索引综述了太赫兹诊断医学方面一些具有代表性的研究,并从生物个体、组织、细胞到生物大分子的层面介绍了一些太赫兹生物效应的研究。尽管太赫兹临床医学领域仍处于尝试和初步探索的阶段,但已经呈现了很多具有应用潜力的开创性研究,如太赫兹辅助靶向药物跨膜运输和太赫兹癌细胞DNA去甲基等,为太赫兹技术的生物医学应用奠定了基础。最后总结太赫兹生物效应的研究现状,对该领域的重点研究方向和可能的突破点进行分析展望.

太赫兹波对乙酰胆碱合成位点的影响

突触间隙中的信息交流通过神经递质来完成,乙酰胆碱通过乙酰辅酶A与胆碱经乙酰胆碱转移酶(ChAT)催化合成,支配神经细胞的兴奋性冲动,维持脑部正常功能。胆碱通过氢键、范德瓦耳斯力与附近的氨基酸作用,生物大分子的谐振频率大多位于太赫兹频段。本文利用密度泛函理论计算,通过分析胆碱与酶蛋白活性位点的红外吸收谱,反映胆碱进入酶蛋白前后振动模态的变化,利用分子动力学模拟对太赫兹波对胆碱与ChAT的结合产生的影响进行了分析,结果表明特定频率的太赫兹波有利于乙酰胆碱的酶催化合成。

太赫兹单极性皮秒脉冲串作用下细胞膜亲水孔输运生命离子流的研究

近年来研究发现太赫兹单极性皮秒脉冲串作用能够在细胞膜上生成亲水孔,然而,细胞膜亲水孔对生命离子跨膜输运的作用尚不清楚。本文在前期提出的细胞层面生理离子与太赫兹电磁辐照相互作用理论的基础上,利用Neu与Krass-owska电穿孔模型和广义修正的Poisson-Nernst-Planck模型,在整个细胞层面对太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用下细胞膜亲水孔跨膜输运的总离子流和跨膜输运钠、钾、氯三种细胞生理电信号变化相关的生命离子形成的离子流进行数值仿真研究,在离子流的数值研究中考虑了每种生命离子在溶液中的有效尺寸大小。数值结果揭示出,在太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用期间,细胞膜上生成的亲水孔输运的离子流主要由钠、钾和氯三种生命离子的离子流组成,同时,在亲水孔输运的每一种离子流中,细胞膜两侧电场引起的离子流分量远大于浓度差引起的离子流分量,但是对细胞内离子浓度变化的影响,膜两侧浓度差引起的离子流分量作用则大于电场引起的离子流分量作用。数值结果还显示,太赫兹单极性皮秒脉冲串持续作用10ns期间,细胞膜亲水孔输运的离子流没有引起细胞内这三种生命离子的浓度大幅度改变,说明细胞膜亲水孔没有引起钠、钾和氯三种生命离子生理浓度的失衡。整个作用期间细胞保持有良好的电生理状态和生理浓度的稳定性,亲水孔也没有产生细胞生理电信号变化。研究结果为太赫兹作用下细胞膜生物效应的应用奠定了基础。

太赫兹波辐射的生物效应研究进展

近年来,太赫兹技术得到快速发展,越来越广泛地应用于生物医学基础和应用研究。这些研究从生物大分子到细胞、组织、器官乃至生物个体,涵盖了生物的各个层次,但太赫兹生物效应研究仍有巨大发展空间。该文从生物个体、组织细胞及分子水平三方面综述了太赫兹辐射的生物效应领域最新进展,旨在为未来确定太赫兹辐射安全标准和太赫兹生物效应研究提供参考。

太赫兹生物医学应用研究现状

近年来,太赫兹(Terahertz,THz)技术在生物医学领域的应用研究发展迅速。科技工作者利用THz技术在生物分子、细胞、组织及生物个体等层面取得了一系列的重要研究成果,为生物医学研究和诊疗提供了新视角和手段。作者从THz光谱检测、成像及生物效应三个方面总结了THz技术在生物医学领域的研究现状,分析了THz技术在生物医学应用中所面临的挑战,并对未来的发展方向进行了展望。

太赫兹辐照细胞生物学效应研究进展

从成纤维细胞、上皮细胞、神经细胞、干细胞、淋巴细胞及生殖细胞几种常见的细胞系入手,详细阐述了太赫兹辐射对不同细胞的功能、蛋白表达及基因毒性等的影响。围绕辐照条件和响应机制,基于现有的细胞学研究成果,提出了针对太赫兹生物学研究及具体应用的建议。随着太赫兹理论在生物医学领域的不断发展和成熟,太赫兹技术必将对开创新型诊疗技术具有重要的意义。

吴氏治疗仪辐照对动物(家兔)创伤愈合影响

吴氏治疗仪是一种理疗仪,通过组合多种化合物基体发射波长为2.5～13μm的中远红外电磁波,进行辐照后在机体内将产生有利于治疗和康复的生物效应,从而达到治疗保健的目的。我们用吴氏治疗仪进行了辐照对创伤愈合的影响的实验研究,结果显示辐照对创伤愈合有一定的作用。