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大鼠肝脏组织不可逆电穿孔消融能量效应和热效应研究

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介入放射学杂志 2022年第3期31卷 267-271页

作者：朱金俊黄伟伟包家立胡亚楠浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

目的研究梯度能量不可逆电穿孔(IRE)在肝脏组织消融中的能量效应和热效应。方法对大鼠肝组织分别施加5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70 J梯度能量电脉冲。3 d后观察消融区域病理反应,统计消融面积,建立消融面积和能量效应公... 详细信息

目的研究梯度能量不可逆电穿孔(IRE)在肝脏组织消融中的能量效应和热效应。方法对大鼠肝组织分别施加5、10、15、20、25、30、35、40、50、60、70 J梯度能量电脉冲。3 d后观察消融区域病理反应,统计消融面积,建立消融面积和能量效应公式。实时测量IRE过程中所产生的热效应,并提出一种预测消融后组织温度的仿真方法。结果经IRE处理后,大鼠肝脏组织内形成边界明显的消融区域。随着IRE能量提高,消融面积增加,且与脉冲能量呈指数关系。大鼠肝脏消融中IRE能量效应阈值为20 J。此外,实验和仿真数据共同表明,IRE处理后肝组织存在热效应,但可调节脉冲参数以避免热损伤。结论IRE在肝脏组织消融中具有能量效应和可控的热效应,为未来实验和手术治疗提供了理论和实践依据。

关键词：不可逆电穿孔能量效应热效应肝组织消融温度仿真

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细胞-场效应管传感器及其应用

生物化学与生物物理进展 2018年第5期45卷 529-535页

作者：包家立傅齐锋浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

细胞膜电位是由细胞膜内外两侧离子浓度差所产生的电位差,包含静息电位和动作电位.电压钳和膜片钳是细胞膜电位检测和记录的主要技术,电压钳的电极和膜片钳的玻璃管对细胞膜有刺激,并且不能对细胞进行在线监测和记录.细胞-场效应管传感... 详细信息

细胞膜电位是由细胞膜内外两侧离子浓度差所产生的电位差,包含静息电位和动作电位.电压钳和膜片钳是细胞膜电位检测和记录的主要技术,电压钳的电极和膜片钳的玻璃管对细胞膜有刺激,并且不能对细胞进行在线监测和记录.细胞-场效应管传感器是一种用细胞膜电位通过场效应管栅极控制漏源电流,从而感受细胞膜电位的新型器件,具有对细胞膜无刺激、在线、长时程、实时等特点,是细胞膜电位检测和记录的新技术,可广泛应用于科学研究、药物开发、医疗器械、检验检疫、环境保护、公共安全等领域.本文主要介绍这种传感器的结构、转移特性、等效电路、制备工艺以及动作电位记录、细胞生长实时监测、细胞外分泌监测、肿瘤标志物检测等方面的应用.

关键词：细胞-场效应管神经元-场效应管细胞膜电位

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生物鲁棒性对电磁防护仿生的借鉴

高电压技术 2017年第8期43卷 2433-2441页

作者：包家立朱朝阳浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

随着电气化和信息化技术的发展,各种电气和电子系统或设备混叠在同一空间使用的情况愈来愈多,并且电气和电子系统或设备正以前所未有的速度向高频、高速、高精度、高可靠性、高灵敏度、高密度(小型化、大规模集成化),大功率、小信号、... 详细信息

随着电气化和信息化技术的发展,各种电气和电子系统或设备混叠在同一空间使用的情况愈来愈多,并且电气和电子系统或设备正以前所未有的速度向高频、高速、高精度、高可靠性、高灵敏度、高密度(小型化、大规模集成化),大功率、小信号、复杂性等方向发展,使电磁兼容问题更加突出,对通信设备、计算机系统、军用装备、医疗设备等等的安全有效性构成了巨大的挑战。电磁防护仿生是解决电磁兼容问题的一个潜在方法。因此,综合评述电磁防护仿生现有技术和未来可以仿生的生物鲁棒性研究方向。在介绍生物鲁棒性的自然属性基础上,着重介绍生物鲁棒性反馈、简并和冗余、模块、演化或进化的结构机制,鲁棒性与脆弱性的权衡、稳定鲁棒性、品质鲁棒性等行为机制。分析结果表明借鉴生物鲁棒性设计电子或电气系统的电磁防护是一种电磁兼容设计途径,尤其是生物系统的遗传、进化、变异、突变的行为可以提示电子或电气系统的电磁防护设计应该是时变的、自适应的和权衡的。数学模型、网络理论、热力学理论,尤其是非平衡耗散结构理论是生物鲁棒性仿生研究的基本理论。未来的研究关注几个主题:1)仿生物鲁棒性的系统结构;2)系统的结构和参数的时变性;3)鲁棒性与脆弱性的权衡;4)系统稳态、鲁棒裕度、鲁棒度的电磁防护评价。

关键词：电磁防护电磁兼容生物鲁棒性复杂电磁环境仿生

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射频电磁场的健康效应

高电压技术 2016年第8期42卷 2465-2478页

作者：包家立胡亚楠浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

由通信基站、移动电话、无绳电话、无线路由器等产生射频电磁场(RF-EMFs)已经成为现代生活不可缺少的一部分,为了阐述射频电磁场对人类健康可能存在的风险,评述了近几年射频电磁场健康效应的研究成果。在介绍射频电磁场物理特性的基础上... 详细信息

由通信基站、移动电话、无绳电话、无线路由器等产生射频电磁场(RF-EMFs)已经成为现代生活不可缺少的一部分,为了阐述射频电磁场对人类健康可能存在的风险,评述了近几年射频电磁场健康效应的研究成果。在介绍射频电磁场物理特性的基础上,着重综述了近年来射频电磁场在流行病学调查、人体志愿者、动物实验、细胞和分子、生物物理学等领域的研究进展。大多数流行病学调查表明使用手机与脑瘤呈阴性结果,但也有阳性报道。人体志愿者实验研究主要包括认知、感觉放大、听力和脑电图等方面,以阴性结果为多。动物实验研究主要包括认知、记忆、生殖、血脑屏障、感觉、免疫等方面。细胞和分子研究主要包括脱氧核糖核酸(DNA)损伤与修复、干细胞增值和分化、生殖和发育、细胞凋亡、氧化应激、组织结构、昼夜节律等方面。生物物理学研究主要包括非热效应理论、窗效应、活性氧自由基(ROS)机理、钙离子(Ca2+)等方面。射频电磁场的国际标准有国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)指南和电气与电子工程师协会(IEEE)标准,国内标准有电磁环境控制限值标准。结论是为人类健康应该管理好电磁场;加强电磁生物效应整体论研究;开发实时研究的相关技术;关注生物效应原初作用的电磁能量。

关键词：通讯基站射频电磁场 RF-EMFs 生物效应健康效应流行病学人体动物细胞生物物理

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实时电磁场细胞暴露系统的研制

高电压技术 2015年第4期41卷 1409-1416页

作者：王顺包家立朱朝阳浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

为进行极低频电磁场生物效应及其机制的动态研究,研制了一种实时电磁场细胞暴露系统。该系统由细胞暴露工作台、电磁场细胞暴露仪、荧光显微镜、CCD摄像头、摄像头操作系统、荧光图像处理系统和电脑等组成。细胞暴露工作台上放置一个C... 详细信息

为进行极低频电磁场生物效应及其机制的动态研究,研制了一种实时电磁场细胞暴露系统。该系统由细胞暴露工作台、电磁场细胞暴露仪、荧光显微镜、CCD摄像头、摄像头操作系统、荧光图像处理系统和电脑等组成。细胞暴露工作台上放置一个C形电磁铁芯,细胞皿放置在C形电磁铁芯的细胞槽中。采用CCD摄像头及其操作系统连续采集细胞荧光图像并生成图像集。通过荧光图像处理系统将图像集中目标细胞的荧光亮度转换为时间序列荧光数据值,以实现像线转换。最后电磁场暴露并同步检测活性氧自由基（ROS）、Ca^2＋、线粒体膜电位（MMP）荧光的飞升特性。结果表明：该系统产生的磁感应强度在0.01-25.37 m T内可调,其绝对误差〈5%;磁场频率在0-340 Hz内可调,其绝对误差〈2%;传感器电压在1-200 m V内可调;灵敏度在0.011-0.127内可调;其线性度〈1.566%,精度〈2.694%。因此,所研制的仪器具有较高的线性度和精度。此外,在像线转换中研发的细胞定位、细胞识别、荧光测算、曲线校正等一系列技术可以满足电磁生物效应的实时检测需求。

关键词：极低频电磁场实时细胞暴露胞内钙活性氧自由基

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极低频电磁场的健康效应

高电压技术 2015年第8期41卷 2550-2561页

作者：包家立浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

来自于输电线路、变压器、家用电器的极低频电磁场已经在现代生活中无所不在，但它们对人体健康的潜在危险还不清楚。为了综合评述近几年的研究成果以指引未来极低频电磁场健康效应的研究方向，在介绍极低频电磁场物理特性的基础上，着... 详细信息

来自于输电线路、变压器、家用电器的极低频电磁场已经在现代生活中无所不在，但它们对人体健康的潜在危险还不清楚。为了综合评述近几年的研究成果以指引未来极低频电磁场健康效应的研究方向，在介绍极低频电磁场物理特性的基础上，着重介绍了近年来极低频电磁场在流行病学调查、人体志愿者、动物实验、细胞和分子、生物物理学等领域的研究进展。大多数流行病学调查表明极低频电磁场的健康风险比值比在1～2之间。人体志愿者实验研究主要包括心肺生理、脑电与神经、血常规、褪黑素等方面。动物实验研究主要包括认知、血管渗透性、褪黑激素、免疫系统、转基因白血病动物模型、协同致癌作用等方面。细胞和分子研究主要包括细胞周期、细胞凋亡、细胞分裂、DNA复制转录和翻译等方面。生物物理学研究主要包括ROS机制、胞内Ca^2＋、离子通道、鲁棒行为、信噪比、体内磁性颗粒等方面。极低频电磁场限值方面的国际标准主要包括ICNIRP指南和IEEE标准，国内标准主要包括职业卫生标准和环境控制标准。未来的研究方向应包括极低频电磁场的生物系统特性如鲁棒性和涌现性等、电磁场作用下的生物实时响应和电磁能量的生物效应。

关键词：输电线路极低频电磁场 ELF-EMFs 生物效应健康效应流行病学人体动物细胞生物物理

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电磁场扰动下的细胞系统鲁棒性

高电压技术 2014年第12期40卷 3837-3845页

作者：郑秀秀包家立朱朝阳浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

生物鲁棒性是生物系统抵抗外界扰动或内部参数摄动引起系统行为变化的一种能力。电磁场是一种外界物理因素,可以对生物体产生影响。为了建立一种电磁场扰动下生物系统稳定鲁棒性的研究方法,以Lyapunov理论为基础,用电磁场细胞暴露系统... 详细信息

生物鲁棒性是生物系统抵抗外界扰动或内部参数摄动引起系统行为变化的一种能力。电磁场是一种外界物理因素,可以对生物体产生影响。为了建立一种电磁场扰动下生物系统稳定鲁棒性的研究方法,以Lyapunov理论为基础,用电磁场细胞暴露系统实时记录了在磁感应强度B为0、0.09、0.38、0.76、7.33、14.78 m T的电磁场暴露下细胞内活性氧自由基（ROS）和钙离子（Ca2＋）的含量,分析了电磁场扰动前的细胞状态稳态点和稳定域,以及电磁场扰动后的状态转移和稳定鲁棒域。结果表明：（1）细胞无扰时ROS的稳态点是46.157~120.913,Ca2＋的稳态点是25.430~55.686,ROS的稳定域半径是1.688~10.278,Ca2＋的稳定域半径是2.782~13.345;（2）B〈7.33 m T的电磁场扰动没有提高胞内ROS含量,B为14.78 m T的电磁场扰动可阶跃性提高胞内ROS含量,B为0和0.09 m T的电磁场扰动没有提高胞内Ca2＋含量,B为0.38 m T的电磁场扰动可持续性提高胞内Ca2＋含量。结论是：（1）无电磁场扰动时,细胞内ROS和Ca2＋状态可以保持稳定;（2）电磁场扰动在较高水平（如B为14.78 m T）时,才能改变细胞内ROS和Ca2＋的状态;（3）细胞的鲁棒域与电磁场的磁感应强度无关。

关键词：极低频电磁场 ELF-EMFs 生物鲁棒性细胞 Lyapunov稳定性钙离子活性氧自由基

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生物组织及其细胞溶液介电谱测量研究

生物医学工程研究 2023年第2期42卷 152-158页

作者：黄伟伟胡亚楠岑泽南朱金俊朱朝阳包家立浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

为阐明生物组织中细胞及组织液等电介质介电谱之间的相互关系,本研究测量了肝组织、肝细胞悬液(BRL)、肝癌细胞悬液(RH-35)、细胞培养基(dulbecco′s modified eagle medium,DMEM)、磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffered saline,PBS)、超... 详细信息

为阐明生物组织中细胞及组织液等电介质介电谱之间的相互关系,本研究测量了肝组织、肝细胞悬液(BRL)、肝癌细胞悬液(RH-35)、细胞培养基(dulbecco′s modified eagle medium,DMEM)、磷酸缓冲盐溶液(phosphate buffered saline,PBS)、超纯水的介电谱。测量结果显示,肝组织和超纯水介电损耗谱ε″最大值分别为6.18×10^(6)和2.60×10^(4),测量精度为9.03%和9.52%,相对介电常数谱ε′最大值分别为1.96×10^(6)和1.80×10^(3),测量精度为16.85%和12.97%;BRL、RH-35、DMEM、PBS的ε″具有峰现象,最大值分别为5.00×10^(5)、4.40×10^(5)、3.70×10^(5)、5.90×10^(5),测量精度RH-35为5.44%,其他不超过2%;ε′最大值分别为1.90×10^(6)、1.80×10^(6)、1.40×10^(6)、2.00×10^(6),测量精度RH-35为2.34%,其他不超过2.00%。结果表明,生物组织介电损耗谱ε″和相对介电常数谱ε′随频率呈单调下降,测量精度较低;而生物溶液介电损耗谱ε″呈峰现象,具有弛豫性,相对介电常数谱ε′随频率呈单调下降,测量精度较高;生物组织中的有极细胞可消耗较多的电场能量,是产生电磁生物效应的重要因素。

关键词：介电谱电容率电场能组织细胞溶液生物效应

海马神经元ROS和Ca^(2+)对极低频电磁场实时响应的方法研究

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生物化学与生物物理进展 2021年第9期48卷 1087-1095页

作者：岑泽南黄伟伟包家立郑秀秀朱朝阳浙江大学医学院浙江省生物电磁学重点实验室生物物理与医学工程研究组杭州310058

现有极低频电磁场(extremely low frequency-electromagnetic fields,ELF-EMFs)生物效应的研究方法是非实时组间对照,这种方法无法排除细胞对电磁场反应个体敏感性的差异,以及实验过程中条件变化的差异.本文提出一种对同一个细胞在同一... 详细信息

现有极低频电磁场(extremely low frequency-electromagnetic fields,ELF-EMFs)生物效应的研究方法是非实时组间对照,这种方法无法排除细胞对电磁场反应个体敏感性的差异,以及实验过程中条件变化的差异.本文提出一种对同一个细胞在同一条件下的前后对照实时观察ELF-EMFs反应的方法.采用稳定域鉴别ELF-EMFs暴露前海马神经元的稳定性,在电磁场加入时刻(t=60 s)分别用0、0.09、0.38、0.76、7.33、14.78 mT的ELF-EMFs作用于海马神经元,实时记录海马神经元活性氧(reactive oxygen species,ROS)和Ca^(2+)荧光响应曲线,建立ELF-EMFs与ROS和Ca^(2+)的自相关函数.结果表明:a.在ROS暴发时间和Ca^(2+)暴发时间,ROS和Ca^(2+)荧光响应具有阶跃性,这是判断实时响应的重要标志;b.ROS和Ca^(2+)对ELF-EMFs响应时间具有延时性,并且不一致;c.ROS和Ca^(2+)对ELF-EMFs实时响应具有剂量性;d.海马神经元ROS对ELF-EMFs响应具有复杂性;e.海马神经元Ca^(2+)对电磁场响应主要是渐进稳定.当ELF-EMFs与ROS和Ca^(2+)实时响应的相关函数大于0.3可以判定具有相关性.由此得出,一种ELF-EMFs暴露下细胞ROS和胞内Ca^(2+)的实时响应方法对电磁生物效应评价是可行的.

关键词：极低频电磁场实时 ROS 钙离子海马神经元稳定性随机过程相关性