纳秒级高压陡脉冲装置及其诱导肿瘤细胞凋亡效应的研究

摘要

为了进一步研究纳秒级陡脉冲对细胞的窗口效应和不可逆性电击穿效应，本文研制了一台输出能量可调节的纳秒级陡脉冲发生装置，并应用该装置进行了大量的医学细胞实验以进一步验证纳秒级陡脉冲诱导细胞凋亡。 首先，将传统的脉冲功率技术中陡脉冲产生的基本原理与现代电力电子技术成果相结合，研制成功了一台纳秒级陡脉冲发生器。通过开关式稳压电源产生高压直流，并控制该电压对电容器进行充放电就能输出指数衰减陡脉冲波形。输出陡脉冲具有较快的前沿时间，无论是在实验室以纯电阻为负载，还是在细胞实验时以细胞悬液为负载，装置输出陡脉冲的前沿都达到30～50ns。该装置性能稳定，可操作性强，能精确的控制输出脉冲的能量。具体为：脉冲峰值1kV～25kV连续可调，脉冲重复频率1～20Hz连续可调，脉冲宽度100ns～340ns分5级可调。这些参数调节方便、灵敏，并且互相独立，互不干扰。 然后，应用该陡脉冲装置，使用自制的铂金电极槽，以人浆液囊腺性卵巢癌细胞SKOV3为实验研究对象，进行了大量的实验研究。具体采用了MTT法观测细胞活性；通过AO/EB荧光检测、透射电镜和扫描电镜观察了凋亡细胞形态学上的变化；用流式细胞观测法研究了高中低场强陡脉冲对肿瘤凋亡率的影响；最后用激光扫描共聚焦显微镜检测纳秒级陡脉冲对SKOV3细胞[ca<'2+>]<,i>的影响及[Ca<'2+>]<,i>变化时的Ca<'2+> 来源。 实验结果表明，10kV/cm-100ns级的陡脉冲能够诱导肿瘤细胞发生凋亡，而且其凋亡机制之一可能是通过激活细胞内钙库，引起细胞内钙离子升高，从而介导凋亡信号通路。

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1绪论

1.1陡脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的意义

1.1.1恶性肿瘤及其危害

1.1.2传统疗法的优缺点

1.1.3诱导肿瘤细胞凋亡的意义

1.2陡脉冲治疗肿瘤的国内外研究现状及发展趋势

1.2.1电穿孔效应

1.2.2内处理效应

1.2.3窗口效应及其发展趋势

1.3本论文研究的主要内容及目标

2高压陡脉冲发生器的工作原理及仿真

2.1高压陡脉冲发生器的实现方式

2.2装置的总体原理及理论分析

2.2.1理论分析

2.2.2仿真研究

2.3杂散参数对输出波形的影响

2.3.1理论分析

2.3.2仿真研究

2.4本章小结

3 25kV纳秒级脉冲发生器的设计和调试

3.1主电路的设计

3.1.1参数计算

3.1.2高压主开关的选择

3.2氢闸流管开关结构及其工作原理

3.2.1氢闸流管的结构特点

3.2.2氢闸流管的工作原理

3.2.3氢闸流管的选择

3.3 ZQM3-1000/25型氢闸流管触发电路的设计

3.3.1触发电路的设计原理及实现方法

3.3.2IGBT的选择

3.3.3 IGBT驱动电路的设计

3.4装置的实验室调试

3.5本章小结

4纳秒级陡脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的实验研究

4.1细胞生物学技术

4.2电极的设计

4.3纳秒级陡脉冲诱导肿瘤细胞凋亡的实验研究

4.3.1 SKOV3癌细胞的培养

4.3.2纳秒级陡脉冲对肿瘤细胞SKOV3的生长抑制作用

4.3.3 AO/EB荧光检测

4.3.4透射电镜下观察SKOV3癌细胞超微结构的变化

4.3.5扫描电镜下观察SKOV3癌细胞细胞膜的变化

4.3.6用流式细胞术观察陡脉冲诱导SKOV3癌细胞的凋亡率

4.3.7陡脉冲对肿瘤细胞钙离子浓度[Ca2+]i的影响

4.3.8 CaCl2对肿瘤细胞[Ca2+]i的影响

4.4本章小结

5总结与展望

致 谢

参考文献

附录