综述：功能生物纳米材料电磁学的新视野

这篇综述深入探讨了电-力-生物学（EMB）交叉领域的最新进展，系统阐述了电磁场（从直流到微波）如何调控细胞机械形变及功能生物材料的电-机械耦合特性。通过多物理场多尺度有限元模拟，揭示了细胞膜（CM）和核膜（NE）在受限几何中的电磁力学效应，为癌症治疗、药物递送和心脏疾病模型（如CM/Ne 破裂阈值）提供了理论框架，同时指出当前挑战与未来发展方向。

　　

功能生物纳米材料电磁学的前沿探索

电-力-生物学（EMB）的崛起

电-力-生物学（EMB）通过电磁频谱（DC至微波）调控细胞机械形变，成为研究功能生物材料电-机械耦合的新范式。核心发现表明，电磁场可诱导细胞膜（CM）和核膜（NE）的应力重分布，其效应通过麦克斯韦应力张量（MST）量化。例如，低频电场（<10⁵
Hz）下，CM表现为低通滤波器，而NE呈现宽频带通特性，这与核孔复合体（NPC）的高电导率密切相关。

细胞形变的电磁调控

多尺度模拟揭示，细胞形态（如长椭球-扁球转变）强烈依赖电场频率和电导率比Λ=σ_c
/σ_e
。当Λ<1时，细胞在β-色散频率（≈0.4 MHz）附近出现最小纵横比，反映电场方向性与细胞极化的复杂交互。微流控实验进一步验证，细胞通过收缩通道（CC）时，阻抗骤降与细胞膜渗透（CMP）直接相关。

膜破裂的临界条件

压缩应变与AC电场协同作用可精确控制CM/NE破裂。数值模型显示，NE破裂阈值（15 kPa）显著低于CM（1 MPa），且低频电场（25 kV/m）下，应变阈值从25%降至10%。有趣的是，β-过渡频率（0.4–2 MHz）会引发CM“再密封”，而NE应力因核质极化增强反而降低。

医学应用的挑战与机遇

EMB在血液净化（如靶向红细胞刚性调控）和癌症治疗（核质比失衡细胞的频率选择性损伤）中潜力巨大。例如，核半径平方依赖的NE应力（Schwan方程）为设计肿瘤特异性微流控平台提供了理论依据。然而，离子通道（如Na⁺
/K⁺
-ATPase）的机电耦合机制、细胞骨架（微管压电效应）的多尺度建模仍是未来研究的关键。

未来方向

跨学科合作将推动EMB在组织工程（如心脏兴奋-收缩耦合模型）和再生医学中的突破，但需解决异质系统的随机性、界面尺度效应等核心问题。通过整合阻抗谱（如磁共振阻抗断层扫描），未来或可实现CM/NE应力的实时动态监测，为精准医疗开辟新路径。