Modeling of Cell Electroporation With Emphasis on Ions Transport-Induced Dynamic Alterations in Membrane Conductivity

电穿孔 电导率 重点(电信) 材料科学 离子 离子运输机 生物物理学 化学物理 化学 纳米技术 电气工程 工程类 生物 生物化学 基因 物理化学 有机化学
作者
Haotian Liu,Xiaonan Tao,Xiaowei Xiang,Hui Zhao,Jian Qiu,Kefu Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:31 (2): 852-860 被引量:4
标识
DOI:10.1109/tdei.2023.3327218
摘要

In the study of electroporation, the conductivity of the cell membrane is a crucial factor in assessing the permeability of cell membrane. In previous research, the oversimplified equivalent resistance models were utilized to describe changes in cell membrane permeability, resulting in inaccurate results and a significant gap between experimental and simulation outcomes. In this article, an electroporation model that incorporates a dynamic conductivity equation based on ion transmembrane transport is proposed, enabling more accurate assessments of changes in cell membrane permeability. A 2-D finite-element model with coupled multiphysical field is developed to validate the proposed model. The changes in the cell conductivity are used to reveal evolutionary trends in membrane permeability. The simulation results align well with the literature data and provide a mechanistic explanation for previous experimental results. Meanwhile, the effect of transmembrane transport of ions on cell membrane perforation is discussed, with results indicating that the migration of ions significantly alters the conductive properties around the cell membrane, further impacting the evolution of membrane permeability. The proposed electroporation model provides a significant improvement over previous models, allowing for more accurate predictions of cell membrane permeability. This model is of great value in the study of electroporation-mediated small molecule delivery and in developing new strategies for intracellular drug delivery.
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