综述：生物系统中微空化气泡动力学及其机械应用的综述

这篇综述系统探讨了微空化气泡在生物系统中的动力学行为及其在医疗技术中的应用，重点分析了Rayleigh-Plesset方程(RPE)、Keller-Miksis方程(KME)等理论模型在组织切割(histotripsy)、药物递送和减压病(DCI)等场景中的作用机制，为超声治疗(如HIFU)和生物力学研究提供了重要理论框架。

　　

微空化气泡动力学在生物系统中的机械应用

1. 1.

   微空化基础理论

   微空化气泡在液体中因压力骤降形成，其动力学行为由Rayleigh-Plesset方程(RPE)主导。该模型描述了气泡半径R随时间t的变化，包含液体密度ρ_l、表面张力σ和气体压力P_g等关键参数。当考虑声辐射和热效应时，需采用改进的Keller-Miksis方程(KME)，其非线性项(1-R?/c)显著影响高频超声场中的气泡振荡。

2. 2.

   生物组织中的特殊模型

   在生物组织中，Neo-Hookean(NH)和Quadratic Law Kelvin-Voigt(QLKV)模型被用于描述组织的粘弹性：

   • •

     NH模型适用于近似不可压缩组织，其应力-应变关系含剪切模量G

   • •

     QLKV模型引入非线性刚度项α，能更好表征动脉等组织的频率依赖性

3. 3.

   组织切割(histotripsy)应用

   通过聚焦超声激发微空化，产生机械组织破坏：

   • •

     空化云动力学遵循修正RPE方程，含组织弹性项(3α-1)G

   • •

     实验显示0.1%琼脂糖凝胶中气泡扩张速度比0.3%凝胶快27%

   • •

     粘度η>7.5 Pa·s时，气泡坍塌能量可提升细胞膜穿透效率

4. 4.

   脂质包膜气泡的独特行为

   脂质单层显著改变动力学：

   • •

     表面张力σ(t)=ρ_lgB₂R²随半径变化

   • •

     临界厚度δ₀=0.1μm时，气泡共振频率提升40%

   • •

     多气泡相互作用使有效应力降低(N-1)/H倍

5. 5.

   减压病(DCI)的力学机制

   减压时惰性气体形成栓塞气泡：

   • •

     30-60μm气泡阻塞脑动脉

   • •

     扩散方程含热扩散项a_l?²C_c/?r²

   • •

     治疗需控制溶解速率避免二次成核

该领域未来需整合多尺度模型，进一步探究气泡-细胞膜相互作用机制，为精准医疗提供新工具。