Особенности экспериментов по воздействию интенсивных ультракоротких электрических импульсов на биоподобные среды

Аннотация

В работе рассматриваются особенности переходных процессов, возникающие при нетепловом воздействии ультракоротких электрических импульсов на биоподобные среды. Источником мощных импульсов является высоковольтный твердотельный генератор с длительностью импульса около 5 нс. Анализ переходных процессов проводится методом эквивалентных схем. Исследуются четыре варианта нагрузок, которые применялись в экспериментах с биологическими объектами. Показано, что в зависимости от конструктивной емкости монополярный входной импульс может оставаться на нагрузке как однополярным, так и трансформироваться в биполярный. Амплитуда напряжения при этом может меняться на один-два порядка, при этом рассеиваемая мощность и энергия существенно различаются в зависимости от нагрузок.

• наносекундные импульсы
• электропорация
• переходные процессы
• эквивалентные электрические схемы
• онкологические объекты

Abstract (in English)

Experimental features of the intense ultra-short electric pulses exposure on similar to biological media

In this work we analyze properties of transient processes taking place during the non- thermal application of ultrashort electric pulses to several similar to biological objects. The high-voltage solid-state generator with a pulse duration of about 5 ns is used as the source of intense pulses. The equivalent circuit method is used to carry out transient processes’ analysis. Four variants of loads which were used in experiments with cancerous tumors are studied. It is shown that, depending on whether the structural capacitance is present, a unipolar input pulse on the load may either retain its form or be transformed into a bipolar one. The voltage amplitude may change by one or two orders of magnitude and the power and energy dissipation may also vary significantly.

Для цитирования

Литература

1. Gulyaev Y. V. et al. Remote decapsulation of nanocomposite liposomal capsules containing gold nanorods by ultrashort electric pulses //Journal of Communications Technology and Electronics. - 2016. - Т. 61. - С. 56-60.
2. Гуляев Ю. В. и др. Воздействие ультракоротких электрических импульсов на нанокомпозитные липосомы в водной среде //Радиотехника и электроника. - 2020. - Т. 65. - №. 2. - С. 189-196.
3. Гуляев Ю. В. и др. Декапсуляция полиэлектролитных нанокомпозитных микрокапсул при помощи импульсного микроволнового воздействия //Радиотехника и электроника. - 2015. - Т. 60. - №. 11. - С. 1207-1207.
4. Гуляев Ю. В. и др. Дистанционная декапсуляция нанокомпозитных липосом, содержащих внедренные проводящие наночастицы, при воздействии импульсного электрического поля //Радиотехника и электроника. - 2015. - Т. 60. - №. 10. - С. 1051-1051.
5. Гуляев Ю. В. и др. Активация нанокомпозитных липосомальных капсул в проводящей водной среде ультракоротким электрическим воздействием //Радиотехника и электроника. - 2021. - Т. 66. - №. 1. - С. 82-90.
6. Гуляев Ю. В., Таранов И. В., Черепенин В. А. Использование мощных электромагнитных импульсов для воздействия на бактерии и вирусы //Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. - 2020. - Т. 493. - №. 1. - С. 15-17.
7. Breton M., Mir L. M. Microsecond and nanosecond electric pulses in cancer treatments //Bioelectromagnetics. - 2012. - Т. 33. - №. 2. - С. 106-123.
8. Newman J. et al. A dose-response study of nanosecond electric energy pulses on facial skin //Journal of Cosmetic and Laser Therapy. - 2020. - Т. 22. - №. 4-5. - С. 195-199.
9. Xie F. et al. Ablation of myocardial tissue with nanosecond pulsed electric fields //PLoS One. - 2015. - Т. 10. - №. 12. - С. e0144833.
10. Zamponi M., Petrella R., Mollica P. A. Picosecond pulsed electric fields and promise in neurodegeneration research //Bioelectricity. - 2021. - Т. 3. - №. 3. - С. 176-185.
11. Bo W. et al. Probing Nanoelectroporation and Resealing of the Cell Membrane by the Entry of Ca2+ and Ba2+ Ions //International Journal of Molecular Sciences. - 2020. - Т. 21. - №. 9. - С. 3386.
12. Napotnik T. B., Polajžer T., Miklavčič D. Cell death due to electroporation-a review //Bioelectrochemistry. - 2021. - Т. 141. - С. 107871.
13. Petrella R. A. et al. Polymer Nanoparticles Enhance Irreversible Electroporation In Vitro //IEEE Transactions on Biomedical Engineering. - 2022. - Т. 69. - №. 7. - С. 2353-2362.
14. Guo S. et al. Nano-pulse stimulation induces potent immune responses, eradicating local breast cancer while reducing distant metastases //International journal of cancer. - 2018. - Т. 142. - №. 3. - С. 629-640.
15. Baker C. et al. Selective Electroporation of Tumor Cells Under AC Radiofrequency Stimulation-A Numerical Study //IEEE Transactions on Biomedical Engineering. - 2023.
16. Novickij V. et al. Does the shape of the electric pulse matter in electroporation? //Frontiers in oncology. - 2022. - Т. 12. - С. 958128.
17. Yin S. et al. Nanosecond pulsed electric field (nsPEF) treatment for hepatocellular carcinoma: a novel locoregional ablation decreasing lung metastasis //Cancer Letters. - 2014. - Т. 346. - №. 2. - С. 285-291.
18. Robinson V. S. et al. Calculated plasma membrane voltage induced by applying electric pulses using capacitive coupling //Biomedical Physics & Engineering Express. - 2017. - Т. 3. - №. 2. - С. 025016.
19. Xiao S. et al. A High-Power Dielectric Biconical Antenna for Treatment of Subcutaneous Targets //Bioelectromagnetics. - 2020. - Т. 41. - №. 6. - С. 413-424.
20. Balint R., Cassidy N. J., Cartmell S. H. Electrical stimulation: a novel tool for tissue engineering //Tissue Engineering Part B: Reviews. - 2013. - Т. 19. - №. 1. - С. 48-57.
21. Hornef J. et al. Thermal analysis of infrared irradiation-assisted nanosecond-pulsed tumor ablation //Scientific Reports. - 2020. - Т. 10. - №. 1. - С. 5122.
22. Weaver J. C., Chizmadzhev Y. A. Theory of electroporation: a review //Bioelectrochemistry and bioenergetics. - 1996. - Т. 41. - №. 2. - С. 135-160.
23. Garner A. L. Pulsed electric field inactivation of microorganisms: from fundamental biophysics to synergistic treatments //Applied microbiology and biotechnology. - 2019. - Т. 103. - №. 19. - С. 7917-7929.
24. Vdovin V. A. et al. Technology of Experiments of Non-Thermal Effect of Powerful Electromagnetic Pulses on Natural and Artificial Environments //Journal of Communications Technology and Electronics. - 2023. - Т. 68. - №. 9. - С. 995-1001.