新型纳秒脉冲电场发生器,可广泛用于生物医学和生物技术领域!

   电子分析员        

电穿孔是一种由脉冲电场触发的细胞通透性现象,广泛应用于生物医学和生物技术领域。科学上对电池电透的高压和/或高频脉冲发生器的需求越来越大。在这篇文章中,研究人员描述了用于电穿孔的纳秒脉冲电场(nsPEF)发电机的基本拓扑,以及在过去二十年中引入的各种内部建造的设备的参数化能力。研究人员对60多种nsPEF发生器进行了分类,列出并比较了脉冲形成特征(脉冲形状、电压、持续时间和重复频率),最后讨论了电穿孔技术的发展趋势。


相关论文以题为“Concepts and Capabilities of In-House Built Nanosecond Pulsed Electric Field (nsPEF) Generators for Electroporation: State of Art”发表在《Applied Sciences》上。




高强度的脉冲电场(PEF)可以触发生物细胞对外源分子的通透性增加,而这些外源分子原本是不可渗透的。PEF使细胞膜极化,导致脂质重定向并形成孔洞,从而增加分子在细胞膜上的转运。在可逆电穿孔的情况下(取决于脉冲参数),然后将细胞膜重新密封。因此,电穿孔有多种应用,包括癌症治疗、基因传递、食品加工、生物炼制等。在每一种情况下,都需要不同的脉动电场参数,这就为发电机设计的通用性提出了挑战。在脉冲幅值-持续时间空间中应用的直接分布如图1所示。



图1.不同电穿孔应用的脉冲参数的广义表示。


可以看出,大多数应用程序处于微毫秒范围内。事实上,较长但振幅较低的脉冲在几十年来一直是这一领域的主导,然而,最近几年聚焦较短(纳秒)脉冲的作品数量显著增加。其原因在于传统的微秒范围方法的局限性,如生物阻抗依赖的场分布、焦耳加热、肌肉收缩、电击穿和氧化应激。纳秒脉冲不能完全解决所有的问题,然而,在许多情况下,负面因素是减少的。然而,为了使发电机在纳秒范围内形成数十千伏和数百安培的脉冲,需要先进的脉冲电力电子技术。因此,这种发电机的价格和工程复杂性很高,然而,纳秒脉冲电场的应用趋势使其可行(图2)。



图2.根据Clarivate Analytics Web of Science(2020年5月25日),关于纳秒电穿孔主题的出版物数量趋势。


从图2中可以看出,在过去的十年中,有一个明确的上升的出版物,这部分是由于市场上脉冲形成开关的更好的可用性。随着更好的半导体(即碳化硅技术)的发展,用于电穿孔的实验室级发电机的发展也在加强。然而,聚焦用于电穿孔的纳秒脉冲发生器的论文数量仍然很低。在使用高频脉冲的短微秒或亚微秒脉冲前沿也观察到类似的趋势(图3),这可能是长微秒到纳秒范围的自然过渡步骤。



图3.根据Clarivate Analytics Web of Science(2020年5月25日),关于高频电穿孔主题的出版物数量趋势。


为了治疗的最佳效果,许多电穿孔参数必须调整,即脉冲振幅和持续时间、重复频率、波形和脉冲数。因此,在研究PEF的新现象和生物学效应时,电porators的通用性是很重要的。


脉冲形成使用电容放电电路


直接电容放电脉冲形成电路的概念是最常见、最简单和最古老的脉冲形成概念之一。它是基于能量的转移存储在电容器到负载通过明确的电压脉冲。脉冲传输通常由半导体开关控制。根据开关类型或驱动模式,波形要么是矩形(使用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)和绝缘栅双极晶体管(IGBTs)),要么是指数衰减波(较老的概念通常用于晶闸管)。对于指数衰减脉冲,脉冲的持续时间(衰减时间)由放电电路的RC参数决定,而对于矩形脉冲,其参数主要受开关能力和放电电容值的限制。电容放电脉冲发生器的原理脉冲形成电路如图4所示。



图4.一种直接电容放电脉冲发生器的原理电路。


该脉冲发生器由可变高压电源V、放电电容器C、开关SW和可选电阻r组成。直接电容放电拓扑设计简单且价格低廉。但是,为了保证矩形波的传输和限制脉冲幅值的下降,需要一个高容量(从lv到mF范围)的电容器组,开关必须承受全电压幅值。它限制了在高电压的情况下可用开关的选择。在这种情况下,几个串联开关必须使用,这导致增加了复杂的发电机由于挑战在开关同步。


为了克服直接电容放电概念的局限性,可以使用更复杂的模块化电路拓扑。它提供了几个开关之间的电压分布,并为输出脉冲形状和振幅提供了额外的灵活性。图5给出了一个简单的模块化结构示例。



图5.模块化直接电容放电脉冲发生器的原理电路。


结论


人们对用于电穿孔的更短、更高强度的脉冲电场越来越感兴趣,这导致了对nsPEF电穿孔器的需求不断增长。针对nsPEF电子转换器的脉冲形成电路的设计方法多种多样。传统的传输线电路拓扑被采用,然而随着SiC mosfet的发展,产生了一波先进的脉冲参数可调的直接电容放电nsPEF电晶体。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/12/4244/htm



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