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本文介绍了一种低成本的机械驱动高压脉冲发生器（st-NPG），它在肿瘤消融等医疗领域潜力巨大。
### 一、研究背景
在生物医学和材料科学领域，高压纳秒脉冲（hvNPs）具有极大的应用潜力。它基于脉冲功率技术，能在纳秒级的瞬间释放积聚的电能，产生高功率电脉冲。这种脉冲可以诱导细胞、生物组织和材料发生精确且可控的纳米级反应，比如在生物医学中，它不仅能使细胞膜穿孔，还能穿透细胞膜直接影响细胞内成分，引发细胞器膜穿孔、细胞骨架解聚、细胞内钙离子释放以及 DNA 损伤等一系列效应，在诱导癌细胞凋亡、促进细胞分化与增殖以及神经调节等方面展现出广阔的应用前景。
然而，当前高压纳秒脉冲发生器的发展面临诸多挑战。传统的脉冲发生器往往需要复杂的电源系统、升压电路和芯片，这不仅导致成本高昂，还降低了设备的稳定性。例如，在许多实际应用场景中，为了满足特定的电压和功率需求，不得不使用复杂的升压电路和高性能芯片，这使得设备的成本大幅增加，同时由于系统复杂性的提高，稳定性也受到了影响。
闪电作为一种自然的纳秒脉冲现象，无需电路、芯片或电源就能产生强大的脉冲。这一现象为高压纳秒脉冲发生器的研究提供了新的思路，即通过摩擦起电或接触带电的方式间接产生高压纳秒脉冲。基于接触起电的摩擦电设备具有高压、低成本和小尺寸等优点，在能量收集、传感、环境保护和生物医学等领域显示出巨大的应用潜力。但这类设备通常存在放电脉冲宽度长、电流有限的问题，主要是因为摩擦电材料多为高阻抗、低电容的介电材料。因此，要实现基于接触起电效应的高压纳秒脉冲，就需要克服接触起电材料在阻抗、电容和表面电荷密度等方面的限制。
二、研究成果
为了解决上述问题，研究团队开发了一种基于肖特基纳米二极管阵列的摩擦电纳秒脉冲发生器（st-NPG）。该发生器具有诸多优异性能，如能产生高达 10 kV 的电压、脉冲宽度约为 60 ns、峰值功率达 17 MW、单脉冲能量为 0.6 J，并且在连续运行 7 天的情况下仍能保持稳定。
st-NPG 主要由定子、转子和间隔层组成。定子的主要部分是大面积高度有序的 TiO2纳米管（TNT）阵列，它是在 Ti 电极表面通过阳极氧化形成的。转子包含具有相反电荷极性的聚四氟乙烯（PTFE）和尼龙摩擦层，间隔层的纸脊与摩擦层接触以补充电荷。当 PTFE 与纸摩擦时，PTFE 表面会产生负电荷，TNT 表面则产生正电荷。由于 Ti/TNT 的存在，TNT 的能带向上弯曲，形成肖特基纳米二极管阵列。肖特基势垒阻止了正电荷向 Ti 电极的扩散，使得正电荷在 TNT 表面大量积累。相反，当尼龙与纸接触时，内置的肖特基电场会促进电子从 TNTs 流向 Ti 电极。随着积累电荷的不断增加，TNT 与金属 Ti 之间间隙中的空气会被击穿，从而在外部电路中产生仅为纳秒级脉宽的高压脉冲。
研究人员对 st-NPG 在不同负载电阻下的电压和能量变化进行了研究。结果显示，其输出电压最高可达 10 kV，最大峰值功率可达 0.6 J。在 1 - 50 Ω 的负载电阻范围内，高压脉冲电源的峰值功率均大于 1 MW，能量均大于 0.03 J。当负载电阻为 2 Ω 时，观察到高压脉冲电源的峰值电压为 5.8 kV，对应的峰值功率为 17 MW。此外，研究还发现，当频率大于 2 Hz 时，st-NPG 的输出电压稳定在约 8.5 kV，这为其实际应用提供了重要依据。目前，由于机械旋转能量的限制，st-NPG 的最大输出频率为 50 Hz，但通过优化摩擦电材料、结构设计和旋转速度等，有望进一步提高脉冲频率，以更好地满足临床需求。同时，st-NPG 的高压脉冲电源能够保持转子和定子之间的距离，显著降低了它们之间的摩擦损耗，可连续稳定运行一周以上，且 TNT 未出现任何磨损现象。
三、肿瘤治疗相关研究
hvNPs 在临床肿瘤消融方面的潜力促使研究人员对 st-NPG 杀伤肿瘤细胞的能力展开深入研究。通过体外实验，研究人员评估了 hvNPs 对肿瘤细胞的杀伤效果。在实验中，用 st-NPG 处理肿瘤细胞后，对细胞形态、细胞骨架、细胞活力和细胞内环境等方面进行了评估。结果表明，肿瘤细胞的死亡率呈现出剂量依赖性增加的趋势，在脉冲暴露 2 分钟后，晚期凋亡率达到 86.63% ± 2.4%。细胞计数试剂盒 - 8（CCK - 8）检测显示，细胞活力显著下降，在暴露 1 分钟和 2 分钟后，分别降至 10.9% ± 1.6% 和 1.9% ± 1.4%。此外，在 B16F10 和 CT26 细胞中也观察到了明显的杀伤效果。
利用碘化丙啶（PI）染色来观察细胞膜穿孔过程。以镀金针灸针为电极，用 st-NPG 直接对 4T1 细胞进行电刺激，结果发现 PI 迅速从细胞两端进入，随着时间推移，细胞出现膜泡形成和明显变形。对电脉冲进行整流后，发现电穿孔首先发生在阳极附近的细胞膜上。而且，随着电极间距的增加，消融面积也会扩大。在施加纳秒脉冲后，在不含钙离子的培养基中的 4T1 细胞和骨髓来源的巨噬细胞（BMDMs）中均观察到荧光强度迅速增加，这表明细胞内 Ca2+迅速增加，因为电脉冲触发了内质网中 Ca2+的释放。在 4T1 肿瘤细胞中，这种荧光强度的增加维持了 10 分钟以上，而 BMDMs 中的细胞内荧光则逐渐恢复正常水平，这主要是因为 BMDMs 细胞和细胞核的尺寸比 4T1 细胞小，导致其电敏感性较低。
电穿孔后，4T1 细胞的形态发生明显变化，呈现出圆形，表明细胞发生了碎片化，细胞内容物泄漏，在扫描电子显微镜（SEM）下可观察到细胞核，同时细胞表面褶皱消失。透射电子显微镜（TEM）观察到细胞在电穿孔后的一系列变化，包括染色质聚集、细胞质浓缩、细胞质中出现空泡以及线粒体肿胀和退化，细胞膜上也不再有丝状伪足样突起。免疫荧光染色显示细胞骨架结构紊乱，高迁移率族蛋白 B1（HMGB1）泄漏到细胞质中，钙网蛋白（CRT）转移到细胞膜上，细胞分泌三磷酸腺苷（ATP），这些现象都表明细胞发生了免疫原性死亡。将未成熟的树突状细胞与电穿孔后的肿瘤细胞共培养，发现树突状细胞表面的 CD80、CD86 和主要组织相容性复合体（MHC）II 类表面标记上调，CD80+CD86+树突状细胞的百分比从 10.5% ± 0.97% 增加到 35.1% ± 1.46%，这表明死亡的肿瘤细胞能够激活树突状细胞成熟。
在确定了纳秒脉冲的肿瘤杀伤效果后，研究人员进行了体内肿瘤治疗实验。通过有限元分析研究了电极间距对肿瘤局部电场强度的影响，发现当施加 10 kV 电压时，两个电极之间的中心电场幅度可达 50 kV/cm，足以满足细胞电穿孔的要求。同时，hvNP 和微秒脉冲（MP）刺激引起的局部温度升高不超过 1°C，从而将热损伤降至最低。而且，纳秒脉冲比微秒脉冲更不容易引起肌肉震颤和抽搐。在携带 4T1 肿瘤的小鼠模型中，接受纳秒脉冲治疗的小鼠表现出显著的肿瘤清除效果。st-NPG 组在抑制原发性肿瘤生长方面有明显改善，肿瘤生长明显减缓，5 只小鼠中有 4 只肿瘤完全清除，在第 14 天，与假手术组相比，肿瘤体积有显著差异（p < 0.0001）。假手术组的脾脏明显肿大，其重量是 st-NPG 组的 2.45 倍。这种显著的治疗效果延长了小鼠的生存时间，8 只小鼠中有 6 只存活了 2 个月，而假手术组的所有小鼠在约 6 周内全部死亡。
研究人员还进一步探究了 st-NPG 产生的纳秒脉冲是否能刺激免疫系统。通过流式细胞术（FC）分析发现，在电穿孔后第 5 天，小鼠肿瘤内的 CD8+ T 细胞百分比从 20.5% ± 0.7% 显著增加到 26.2% ± 2.5%，CD4+ T 细胞百分比从 32.8% ± 7.4% 显著增加到 51.9% ± 8.4%。此外，作为抗肿瘤免疫的主要效应细胞，肿瘤引流淋巴结中的 CD8+ T 细胞数量比对照组增加了 1.24 倍，这表明电刺激增强了淋巴结中 T 细胞的激活。苏木精 - 伊红（H&E）染色显示，纳秒电穿孔后肿瘤细胞几乎完全死亡。免疫组织化学证实了肿瘤细胞的凋亡和肿瘤细胞增殖的显著抑制。同时，研究还发现 hvNP 电刺激对重要器官和血常规没有显著影响，表明其具有良好的生物安全性。
为了验证纳秒脉冲的免疫原性激活作用，研究人员评估了其对远处肿瘤的抑制效果。结果发现，st-NPG 组显著抑制了原发性肿瘤的生长，同时远处肿瘤也受到明显抑制，与假手术组相比，远处肿瘤的平均重量从 0.087 ± 0.11 g 降至 0.035 ± 0.05 g（p = 0.0107）。此外，st-NPG 组的肺转移明显减少，这表明远处转移的发生率降低。同时，在治疗过程中观察到对小鼠体重有显著影响。这一系列结果表明，st-NPG 产生的纳秒电脉冲可以诱导肿瘤细胞的免疫原性死亡，促进树突状细胞的成熟，激活肿瘤和引流淋巴结中的 T 细胞，从而抑制远处肿瘤的生长和肺转移。
为了进一步评估 st-NPG 对较大肿瘤的治疗效果，研究人员建立了兔 VX2 皮下移植模型和兔肝 VX2 原位肿瘤模型。在兔 VX2 皮下移植模型中，治疗 3 天后进行末端脱氧核苷酸转移酶 dUTP 缺口末端标记（TUNEL）和 H&E 染色，结果显示有效杀死了肿瘤细胞，且对主要器官没有明显损伤。在兔肝 VX2 原位肿瘤模型中，使用超声引导的消融针进行肿瘤消融。在消融前，通过 CT 增强扫描发现兔肝肿瘤表现为左叶包膜下的低密度结节，直径约 1.0 - 1.3 cm，周围有轻度不规则强化。使用 st-NPG 对肝脏施加 200 个电脉冲，每个脉冲的单脉冲能量约为 5.12 mJ，半峰宽约为 60 ns（能量转换效率约为 2.18%）。在消融过程中，检测到由 hvNP 诱导的心电图信号，但未影响心脏的正常跳动。检测到的施加电压达到 10.2 kV，峰值功率为 0.13 MW。消融后，肿瘤完全坏死，在动脉期没有观察到造影剂灌注，三期血管造影显示坏死区域明显大于原发性肿瘤。CT 扫描显示消融区域完全覆盖肿瘤，肿瘤无强化，表明消融完全。H&E 染色显示手术后肿瘤明显坏死。与假手术组相比，假手术组肿瘤直径在 1 周后增加到 155.5%，而 st-NPG 组肿瘤直径下降到 80.6%，显著抑制了肿瘤生长。术中监测显示，治疗组和假手术组的心率和射血分数没有显著差异。
四、研究总结与展望
在本研究中，研究团队成功开发了一种无需外部电源、芯片和复杂升压电路的高压纳秒脉冲发生器（st-NPG）。该发生器基于摩擦电效应，利用在钛电极上制备的高度有序的晶圆级半导体 TNT 阵列作为接触起电材料，通过肖特基接触实现电荷存储和快速分离。这种无电源发生器能够产生高达 10 kV、脉宽 60 ns、峰值功率 17 MW 和能量 0.6 J 的脉冲，并且在 7 天内持续输出高压。体内研究表明，在小鼠皮下移植肿瘤模型和兔原位肝细胞癌模型中，st-NPG 均显示出良好的肿瘤消融效果，能够有效消除原发性肿瘤并抑制远处肿瘤生长。
纳秒脉冲作为一种非热消融技术，具有明确的消融边界，对周围健康组织的损伤极小，特别适合用于靠近神经和血管的肿瘤消融，同时能够保留消融区内的血管和神经等结构，有利于术后组织修复，还能减轻与微秒脉冲消融相关的肌肉抽搐和心脏副作用风险。st-NPG 的简约设计使其在可靠性和成本效益方面具有显著优势，材料成本仅约 15 美元，远低于通常售价数万美元的商业纳秒脉冲发生器。
展望未来，研究可以从多个方向展开。首先，应致力于优化设备，提高能量密度、能量转换效率和参数可调性。通过改进材料选择、优化电荷存储和分离机制以及提高电源效率，可以进一步提高纳秒脉冲发生器的能量输出和峰值功率。通过改变设备的旋转速度可以在一定范围内调整脉冲频率，而通过改变电极间距、加入调制电路或调整击穿气氛等方式可以调节脉冲电压和宽度，以更好地满足生物医学治疗和工业应用中的高能量和可变参数需求。
其次，拓展其在生物医学领域的应用是未来研究的重要方向。可以探索纳秒脉冲在治疗更广泛疾病方面的潜力，如组织修复和免疫调节。通过调整脉冲参数，可以优化治疗效果，提高临床适用性和安全性。此外，将纳秒脉冲的应用扩展到环境和工业领域，如在水处理、气体净化和材料表面改性等方面，有望为环境保护和工业生产提供新的解决方案。
再者，降低成本和扩大规模生产对于资源有限的地区尤为重要。优化设备的设计和制造工艺对于推动该技术的广泛应用至关重要。最后，跨学科合作将在纳秒脉冲技术的发展中发挥关键作用。整合物理学、电子工程、材料科学和医学等领域的最新进展，有助于促进技术创新，拓展该技术的应用范围。
总之，st-NPG 具有巨大的应用潜力。未来通过持续优化和跨学科合作，有望推动其在生物医学、环境保护和工业生产等领域的广泛应用，为这些领域提供新的技术解决方案。
