生物物理学(1)
生物阻抗和生物机体或组织体积的变化有关。
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3.1.6 中心导体模型
ro
ro
ro
rm
rm
rm
rm
Cm
Cm
Cm
Cm
ri
ri
ri
长柱形细胞，如神经轴突和肌纤维细胞，其长度远大于细胞 直径，可用电缆模型描述，用电缆方程表示。
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3.1.7 生物组织的介电性质
电介质在电场中的一个重要特征是介质的极化现象。 生物组织中含有大量带电荷的离子及各种极性分子，外电场会导
影响磁场作用的生物因素有：生物材料、生物体的磁性、组成、部位、 种属、机能状态及敏感性等。
根据磁场的强度，将磁场的生物效应分为：强磁场效应，地磁场效应 和极弱磁场效应；
>10-2T的属于强磁场； <10-7T的属于极弱磁场或近零磁场；
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3.6.2 磁场对生物体内水的作用
经磁场处理的水称为磁水。 外加磁场对水作用，可使水的比重、沸点、表面张力等特性发生变化。 磁场能使水聚体的偶极矩取向发生变化，改变原子核外电子的激发程
电渗：细胞悬液中带有正电荷的分散介质则向电场负极方向移动，称 为电渗。
细胞电泳率：细胞在单位电场强度、单位时间内移动的距离。
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3.2.2 电热作用
l 当电流通过人体时，电流经过的路径如图：
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3.2.3 电化作用
l 将不易起化学反应的直流电极直接作用于机体时，电极附近将发 生电化反应。
细胞内
细胞外
K+
Na+
Cl-
K+ Na+ Cl-
人红细胞 136 13
83
5 164 154
胃肠平滑肌细胞 162 22
40
5.9 137 134
蛙骨骼及细胞 155 12
4
4 145 120
枪乌贼轴突 369 44
39
13 498 520
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可兴奋细胞静息电位V的 Goldman-Hodgkin-Kalz方程：
如 (1) 高压静电场对离体培养肿瘤细胞及小鼠S-180细胞生长有 抑制作用 l (2) 静电场能促进萝卜对矿质元素的吸收 l （3）电晕电场对大田作物和蔬菜生长有较大影响。 l （4）静电场对人体生理有明显影响。
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3.5 生物磁现象
l 3.5.1 生物材料的磁性 l 3.5.2 人体磁场
致这些荷电离子和极性分子的某种运动，表现出生物组织的极化 现象。 介电常数 ：表征介质的极化程度； 生物组织的介电常数和外场频率相关；
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3.2 电力电化作用
l 3.2.1 细胞电泳 l 3.2.2 电热作用 l 3.2.3 电化作用
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3.2.1 细胞电泳
细胞电泳：当细胞膜外表面呈现负电荷特性时，在外直流电场的作用 下，细胞连同其界面吸附层一起向电场正极方向运动，称为细胞电泳。
度，实现共振。
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3.6.3 磁场对组织细胞的作用
磁场对生物组织细胞的影响是多种多样的。 在较高感生电势作用下，细胞可能被击穿，或被感生电流烧坏，或被
磁矩扭曲，甚至引起细胞死亡； 另一方面，磁场作用亦可促进组织细胞带电微粒的运动，调整生物分
子的液晶结构，改变胞膜的通透性，促进代谢过程，加强组织细胞的 生长；
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3.1.4 细胞的电参量
膜是由脂类物质构成的，脂类物质在电学上近乎绝缘，但蛋 白质组分特性、构象及膜上位置变化，造成膜两侧某种特定导电 状态。
膜两侧的糖和蛋白质也往往有许多带电的离子基团，并且与细部内 液和外液中的各种离子相互作用，形成一定厚度的电荷层，相当于 一个电容器。
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3.7.5 产生磁致生物效应的条件
生物的磁场阈值 作用时间 场型和频率
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2020/11/26
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（1）水分子具有很强的偶极性；
（2）能与其它水分子，离子或生物大分子的极性基团之间形成氢 键；
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3.1.3 细胞电活动基础
生物电现象是生物界一种极普通的生理现象。细胞膜电位瞬 时改变可导致组织兴奋。细胞电位是解释各种生物电、生物磁现象和 效应的基础。
1、细胞静息电位
静息电位：指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。 静息电位表现为膜内带负电而膜外带正电的状态，称为极化状态。
（1）组成蛋白质的20种氨基酸中有13种在水中能离解产生离子基 团或表现电偶极子特性；
（2）DNA大分子中的碱基和磷酸酯也存在离子基团和偶极子； （3）生物水本身就有强烈的电偶极作用； （4）生物体本身还存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等无机
离子；
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3.1.1 蛋白质的偶极矩
a 实验观测结果；b 对照组平均发育期
曲线表明：果蝇最初几代的发育期比未处理的对照组的平均发育期有成 倍的增长，而在以后的各代中，处理组的发育期逐渐缩短。
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3.7.2 磁致生长（死亡）效应
磁场对生物生长、发育、衰老和死亡等生命过程均能产生影响； 例如 ：
1）海胆卵置于10-14T的超导体强磁场中处理2小时，其早期分裂显著 延迟； 2）强度高于1.4T的恒定均匀磁场能抑制细菌的生长； 3）小白鼠在约10-7T的磁场中养一年后，寿命缩短6个月，并丧失生育力；
细胞处于静止电位时称为极化，极化量减小时成为去极化；
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动作电位一般分为四个时相：
l （1）去极化（2）反极化（3）复极化（4）超极化
细胞动作电位的产生，取 决细胞膜两侧的电压和膜对 于特定离子，尤其是钠、钾 离子随时间变化的通透性。 当动作电位发生时，细胞对 于钠、 钾离子通透性显著 增加。
膜同时兼有电阻和电容的复合特性，在直流或极低频率下，细胞膜阻 抗较内外液电阻高得多，电流几乎不能进入胞内空间；而高频电流时， 膜阻抗相对很低，细胞内外空间电流的分布简单地取决于内外液电阻 间的相对大小。
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3.1.5 生物电阻抗
在低频电流下，生物结构具有复杂的电阻性质。有的是普通的欧姆电 阻，在一定范围内，其电压、电流呈线性关系；有的呈非线性，其中 还有对称性和非对称性。
在组成蛋白质的13种极性氨基酸中，根据其在水中的状态，分为酸性、 碱性、中性； （1）酸性或碱性氨基酸侧链在不解离的状态下也存在极性基团而表现极性； （2）由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键联结的，由于原子中心不重合而使肽 键呈现极性，
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3.1.2 生物水的电特性
在生物体中，水不仅提供细胞的生活环境，还在相当程度 上决定着生物大分子的构象和功能，影响生命活动中物质输运、 能量转换和信息传递过程。
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3.3.2 脉冲刺激与生物效应
细胞或机体内外环境的任何变化，可能引起它们的反应，从而 构成刺激。 刺激因素有： 物理的（力、热、声、光、电、辐射）， 化学的（酸、碱、盐、离子）； 生物的（色素分布、血流量、含水量、激素）；
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用尖脉冲刺激肌肉，刺激响应与脉冲 频率有关：
对生物大分子的广泛研究得知，大多数生物大分子是各相异性反磁性， 少数为顺磁性，极少数呈铁磁性；
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3.5.2 人体磁场
正常人体组织是非磁性的，磁化率小，没有剩余的磁矩。 人体磁性的来源: （1）生物电流产生的磁场； （2）由生物磁性材料产生的感应磁场； （3）侵入人体内的强磁性物质产生的剩余磁场
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3.6 磁场对生物水和细胞的作用
l 3.6.1 磁场与生物体相互作用因子 l 3.6.2 磁场对生物体内水的作用 l 3.6.3 磁场对组织细胞的作用
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3.6.1 磁场与生物体相互作用因子
磁场作用于生物体产生的效应取决于磁场和生物体的某些相互作用因 子。
对生物效应有影响的磁场因子有:磁场类型、磁场梯度、磁场的方向、 作用的部位与范围、作用时间等；
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3.5.1 生物材料的磁性
狭义生物磁学:指研究不同层次生物材料所产生的磁场；
广义生物磁学：除狭义生物磁学内容外，还包括磁生物学，即研究外 界磁场对生物机体在不同层次的作用所产生的生物效应及其相应的作 用机理；
物质的磁性可以通过在外加磁场作用下的磁化过程来认识，也可以通 过测量磁性的仪器来探测。
各种细胞的静息电位数值不同； 如：哺乳动物的神经细胞的静息电位为-70mV；
骨骼肌细胞为-90mV； 人的红细胞为-10mV；
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在细胞内液和外液中，有Na+、K+、Cl-、Ca+等各种离子和 一些带电荷的蛋白质分子，一般细胞内液和外液中各自正负 电荷是相等的，但同一离子在细胞内外液中浓度却相差很大。
l SMC具有明显镇痛作用，能有效治疗肋间神经痛等； l SMC能改善血循环和营养吸收能力，治疗血循环紊乱和营养失衡。
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3.3.4 电致生长与修复
l 用小的直流电治疗创伤和溃疡，能加速伤口的愈合和修复； l 直流电还可抑制细菌生长；
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3.4 静电生物效应
l 静电生物效应是静电场与生物相互作用，引起刺激或抑制生物生 长发育或致死效应。
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2020/11/26
生物物理学(1)
第3章 生物电磁学
l 3.1 生物电特性 l 3.2 电力电化作用 l 3.3 电刺激与组织兴奋性 l 3.4 静电生物效应 l 3.5 生物磁现象 l 3.6 磁场对生物水和细胞的作用 l 3.7 磁场生物效应概述
