生物电效应材料在骨组织工程支架设计中的应用

背景:骨具有生物电效应,然而骨缺损的发生会导致骨骼内源性生物电的缺失。具有生物电效应的骨组织工程支架植入骨缺损处会补足缺失的电信号,加速骨缺损的修复。目的:文章介绍了骨组织的生物电效应,阐述了电刺激对骨缺损的修复作用,总结了生物电效应应用于骨组织工程的研究进展,以期为骨组织工程的研究提供新的思路。方法:以“bioelectrical effect,bioelectrical materials,electrical stimulation,bone tissue engineering,bone scaffold,bone defect,bone repair,osteogenesis”为英文检索词,以“生物电效应,生物电支架,电刺激,骨组织工程,骨支架,骨缺损,骨修复,骨再生”为中文检索词,在中国知网、万方、PubMed、Web of Science和ScienceDirect数据库检索与生物电效应骨组织工程支架相关的文献,最终纳入87篇进行系统归纳、总结和分析。结果与结论:①生物电效应结合体外电刺激设计骨组织工程支架是一种理想可行的方法,主要涉及的材料包括金属材料、石墨烯材料、天然生物衍生材料以及人工合成生物材料;目前运用最广泛的导电材料是石墨烯材料,得益于自身的超强导电性能、大比表面积、同细胞及骨骼的良好生物相容性以及优异的力学性能。②石墨烯材料主要是作为修饰材料引入支架以增强整体支架的电导率,同时其大表面积和丰富的官能团能够促进生物活性物质的装载和释放。③然而生物电效应的骨组织工程支架尚存一些重大挑战需要克服:满足导电性能的同时还需考虑支架的综合性能;缺乏统一、标准化的生物电效应骨组织工程支架的制备方式;体外电刺激干预系统尚不够成熟;缺乏个体化指导支架的选择以实现针对不同病理情况的患者选择并设计最适宜的支架。④研究者们在设计导电支架时,要深入考虑支架的综合效应,譬如生物相容性、力学性能以及生物降解性能等,而此种综合性能可以通过多种材料的复合来实现。⑤除此之外,临床转化应该是导电支架设计的最终考量,在评估出电刺激作用于人体且有利于骨缺损修复的安全电流阈值的基础之上,设计动物实验以及基础实验,然后应用于临床,从而在未来实现生物电效应骨组织工程支架应用于临床的终极目标。

高强度皮秒脉冲电场诱导HeLa细胞生物电效应分析

为研究高强度ps脉冲电场(psPEF)诱导HeLa细胞的生物电效应,将脉冲电场参数组合(电场强度为250kV/cm,脉宽为800ps,脉冲个数为1 000、3 000、5 000,频率为3Hz)作用于人宫颈癌HeLa细胞。利用噻唑蓝(methyl thiazolyl tetrazolium,MTT)比色法检测ps脉冲对细胞的生长抑制情况;钙离子指示剂(Fluo-3/AM)探针标记细胞,激光共聚焦显微镜检测细胞内钙离子体积分数的改变;蛋白质印迹法检测促凋亡蛋白Bax与凋亡抑制蛋白Bcl-2释放水平的改变。实验发现:细胞死亡率与施加脉冲个数正相关,且处理后12h抑制率最高;激光扫描共聚焦半定量分析显示,处理组细胞荧光强度明显高于对照组(检验水准P<0.05);蛋白质印迹法检测结果表明,处理组细胞内Bax表达量增加(P<0.05),Bcl-2释放量略有降低。上述结果表明:高强度ps脉冲通过诱导细胞凋亡进而抑制了HeLa细胞的增殖。

含色散和电穿孔效应的球形细胞在纳秒脉冲下的生物电效应仿真

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。

高压纳秒脉冲电场的细胞器生物电效应综述

纳秒级高压脉冲电场的生物医学应用是近年来新兴的交叉学科研究领域,相比于微秒和毫秒级脉冲电场,高压纳秒脉冲电场不仅能够导致细胞膜结构极化和介电击穿,产生膜电穿孔,还可以穿透至细胞内部,引发诸如细胞骨架解聚、胞内钙离子释放及线粒体膜电位耗散等细胞器生物电效应,吸引了学术界的广泛关注.本文首先介绍高压纳秒脉冲电场及其细胞器生物电作用的物理模型;然后对高压纳秒脉冲电场与细胞骨架、线粒体、内质网、细胞核等亚细胞结构的相互作用研究进行综述和总结;强调高压纳秒脉冲电场的细胞器作用与细胞死亡、细胞间通信等生物效应之间的联系;最后,凝练当前高压纳秒脉冲电场在生物医学研究中的关键技术问题,并对未来潜在的研究方向进行展望.

磁——生物电效应对生物影响机理的探讨

生物体在磁场中作切割磁力线运动产生“磁———生物电”效应 ,将外界的物理能量转化为生物电能量 ,促进了细胞质运动加快、酶活性增强、蛋白质合成速度提高 ,使生物体生长发育加快。

生物电磁效应及其在生命搜索中的应用

所有生物体都有生物电和生物磁,文章简要介绍了生物电磁性的来源和广泛应用,重点介绍了在生命搜索中的应用和相应的超导量子干涉仪等检测设备。

生物电磁效应研究

首先介绍了国际非电离辐射防护委员会生物电磁学研究的主要成果和人体暴露于电磁场中的限值,其次对世界卫生组织数据库中关于移动通信频段生物电磁学研究的实验研究案例进行了概括,然后介绍了我国在电磁辐射防护领域的法规和标准的建设情况,最后从通信行业的实际需求提出一些研究建议。

一种超宽带高场强的生物电磁效应实验装置

对生物电磁效应相关实验工作的回顾表明,当前实验装置主要为窄频电磁辐射装置和脉冲电磁辐射装置,通用性不足。随着无线系统的发展,电磁环境频谱将横跨数千赫兹到毫米波,且为多频段复合电磁场,其中包含超宽带矢量调制的电磁场,有一些具有脉冲时隙特征,显然生物电磁效应实验需要模拟、复现这样的电磁环境,而传统的电磁辐射实验装置具有显著的局限性。为此提出基于超宽带同轴锥腔体的新实验装置方案,理论和实验测量都表明,新实验装置单一腔体就可以具备直流至40 GHz/67 GHz毫米波的超宽带电磁场生成能力,在相同的馈电功率条件下其激发的电场强度是天线的2倍以上,故而具备了超宽带、高场强两个特征,且可实现多频段复合电磁辐射,能够满足生物电磁效应实验中复杂电磁环境复现的需要。

电磁环境下生物效应的初步研究

首先研究了螺线管周围的磁场分布及其变化规律,模拟得到了理想情况下螺线管内细胞中的感应电场分布,将其应用于小白鼠的脉冲电磁场试验中,得到此时对生物体发生作用的磁场变化率dB/dt的数值,由此知道了电路中电流的波形,就可以得到空间中任意一点的磁场强度及其变化率,从而可将这种模拟计算应用于更微观的生物电磁试验中磁场的测量。这使生物电磁效应中的磁场的量化成为可能,为进一步的研究打下基础。

WPT电磁生物安全性研究现状及展望

生物电磁安全性是无线电能传输技术实用化和产业化需要解决的首要问题。本文首先对生物电磁效应进行简要介绍,然后系统梳理了目前电场式和磁场式无线电能传输技术生物安全性的研究现状,最后指出无线电能传输生物电磁安全性方面几个需重点关注的问题。

连续波生物雷达的实验和仿真

概述了基于生物电效应的人体生命特征探测假说。为了作进一步的探讨,设计和制作了一个X频段连续波雷达实验系统,通过实验测试和MATLAB数字信号处理,得到人体呼吸和心跳等生命特征信号。根据该假说和实验参数建立了连续波雷达系统的仿真模型,并在ADS平台上进行了仿真。仿真和实验结果表明,两者的信号特征基本一致。

激光生物学应用

Q631 98031629在光作用下恶性肿瘤发光的分子基础=Preliminarystudy of the shinning molecular base of malig-nant turnouts under photo action[刊。

裸鼠皮下人恶性黑色素瘤在纳秒脉冲电场下的凋亡机制

为研究ns脉冲电场(nsPEF)治疗在体肿瘤的生物电效应机制,以接种人黑色素瘤细胞A375的BALB/c裸鼠为研究对象,采用电压幅值为4kV、脉冲宽度为200ns、重复频率为1Hz的脉冲电场进行处理。用凝胶电泳法检测脉冲处理后的DNA Ladder分布情况表明,与对照组相比,处理组有明显阶梯状分布,即细胞发生凋亡。用TUNEL法检测肿瘤组织的凋亡情况表明,处理组表现出较高凋亡率(检验水准P<0.01)。用Western blot法和免疫组织化学方法检测脉冲处理后肿瘤组织中促凋亡蛋白Bax、凋亡抑制蛋白Bcl-2的表达量情况,2者共同表明,与对照组相比,处理组Bax表达量显著升高(P<0.01),而Bcl-2表达量明显降低(P<0.01)。实验结果揭示nsPEF通过Bax、Bcl-2基因调控作用来诱导肿瘤凋亡。

纳秒脉冲诱导SKOV3细胞凋亡的死亡受体途径分析

ns脉冲电场独特的诱导肿瘤细胞凋亡的生物电效应,引起了相关学者广泛的关注。为此,结合最新研究成果,侧重于ns脉冲对细胞膜结构和功能的影响,重点研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡的死亡受体途径。将优化的脉冲电场参数组合(电压幅值为9kV,脉宽为100ns,脉冲为30个,频率为1Hz)作用于人卵巢浆液性囊腺癌细胞SKOV3。利用流式细胞术和凝胶电泳法检测细胞凋亡、坏死情况;逆转录聚合酶链式扩增反应(reverse transcription-polymerase chain reaction,RT-PCR)法检测Fas、FasL、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-8(cysteine aspartic acid specific protease-8,Caspase-8)和Bid的信使核糖核酸(messager ribonucleic acid,mRNA)释放水平;蛋白质印迹(western blot)法检测Fas、FasL、Caspase-8和Bid蛋白释放水平。实验结果表明:ns脉冲诱导SKOV3凋亡时引起了Fas、FasL、Caspase-8和Bid等释放水平的升高,从而诱导死亡受体凋亡信号通路。该研究结果大大拓展了ns脉冲诱导凋亡的机制研究,从而为临床肿瘤治疗提供理论支撑。

基于测量信号的不可逆电穿孔动态过程数值模拟及分析

近年来,脉冲电场以其独特的生物医学效应及治疗作用在肿瘤的局部微创治疗中展现出广阔的应用前景,运用切实和准确的数值模型实现对脉冲电场引起的电穿孔效应和组织消融效果的有效评估是进一步推广其应用的关键技术和手段。该文提出一种基于低压脉冲测量的方式来获取电穿孔组织消融的动态变化过程,建立考虑时间因素、电场累积效应和热场累积效应的动态电导率数值模型,模拟脉冲施加过程中组织的实时电特性变化。模型计算结果与实验数据的误差在5%以内,具有较好的准确性和可行性,可用于预测不同脉冲参数的脉冲电场作用下组织的电穿孔动态变化,以及电热耦合场的动态时空分布,为后期治疗计划的进一步完善提供切合实际的方法和数据支持。

连续波雷达生命特征探测机理的分析与讨论

通过理论分析和计算机仿真,指出用多普勒雷达理论研究生命特征探测时,在由基带信号获取心跳和呼吸信号的方法,以及呼吸和心跳信号的幅度差别两方面,理论与实验存在不一致性。提出了一种基于生物电效应的连续波雷达探测生命特征的观点,并通过电磁散射理论分析表明,可以将系统表示为以调幅-调相波为特征的简单数学模型。

不同磁感应强度的微秒脉冲磁场对卵巢癌细胞SKOV3的影响

雷电μs脉冲电磁场的危害越来越严重,却鲜有人研究此μs脉冲电磁场对人的影响。为研究μs脉冲磁场的生物电磁效应机制以及对人体健康的影响,使用人卵巢癌细胞株SKOV3作为实验对象,采用实验室自制的μs脉冲磁场发生器产生不同磁感应强度的μs脉冲磁场（磁感应强度为1~200 m T,上升时间为800 ns,脉冲宽度为8.4μs,频率为8 Hz）处理细胞3 d时间,每天间隔12 h时间处理1次,每次处理时间为1 h。处理结束后24 h时间分别使用噻唑蓝（MTT）和流式细胞术（flow cytometry method,FCM）来检测细胞的增殖抑制率和凋亡率。结果显示：增殖抑制率与脉冲磁场的磁感应强度不呈现趋势变化关系,且增殖抑制率均低于5%,μs脉冲磁场对SKOV3细胞的增殖抑制率不具有统计学意义（概率P〉0.05）;肿瘤细胞的凋亡率与脉冲磁场的磁感应强度也不呈现趋势变化关系,且凋亡率均低于12%,脉冲磁场对SKOV3细胞的凋亡也不具有统计学意义（概率P〉0.05）。研究结果揭示：不同磁感应强度（1~200 m T）的μs脉冲磁场对卵巢癌细胞SKOV3无显著影响。

SQUID在被动生命信号检测中的应用前景

从生物电磁效应的概念出发,简要介绍了人体及其周围的电磁特性;重点介绍了能探测人体电磁信号的超导量子干涉仪;通过灵敏度分析证实了SQUID可以用来探测微弱的人体电磁信号;提出了将已经广泛应用于医学的SQUID转而通过探测人体电磁信号来进行被动生命信号检测的应用研究;希望能为地震灾害与煤矿瓦斯灾害等搜救工作提供一定的帮助。

荧光光谱法研究低频脉冲电场对胰岛素分子的作用

胰岛素作为一种胞间信号分子 ,对于生命信息的传递起着极为重要的作用。探讨低频脉冲电场对胰岛素分子的作用 ,对于从细胞信号系统的角度来解释生物电磁效应有着十分重要的意义。在实验中 ,对照组和场暴露组之间荧光峰值强度的差别表明了低频脉冲电场改变了胰岛素分子的构象 ,低频脉冲电场可能通过破坏胰岛素分子内的部分氢键和重新形成某些氢键来改变它的构象。