Numerical investigation of transport transition in biological membrane due to charge and electric field induced by discharge plasma

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近年、大気圧プラズマ照射による医療応用が進展し、がん治療、止血処置や遺伝子導入における有用な成果が得られている。これらは、主に放電由来の化学活性種が外的因子となり、細胞を刺激して生じることが実験的に示されている。一方でプラズマが細胞近傍に誘起する電荷や電界は、表面帯電や膜電位変動を介して細胞膜の物質輸送へ直接的に影響を与えうるが、その機構は十分に理解されていない。本研究の目的は、プラズマが誘起する電荷および電界が細胞膜の物質輸送機能に対してどのような影響を与えるか、その物理的特性を明確にするため、プラズマ・希薄水層・細胞膜の各階層を数値的にモデル化して、界面パラメータを介した統合を行うとともに、電流電圧条件を精査することで、膜帯電および膜電位に対する細胞電気定数ならびに膜輸送係数の変移を定量化することである。具体的には、（１）大気圧グロー放電照射により生じる細胞膜への誘起電荷および電界を導出する。（２）希薄水層上の気液界面における荷電粒子分布を分子動力学的に解析する。（３）界面の電気二重層を含む帯電細胞膜をモデル化し、細胞電気定数の変動を検証する。（４）３階層間における誘起電荷量ならびに電界分布を整合したモデルを構築して、電界印加時における細胞膜の膜輸送係数を定量化する。（５）実験結果と比較して、細胞膜における浸透機構および浸透効率を考察する。上記の目的を達成するため、プラズマ・希薄水層・細胞膜を数値モデル化し、段階的な計算工程にて研究を行う必要がある。そこで、本年度は、前年度の基本モデルで得られた電荷・電界パラメータを介して、統合モデルへの拡張を行った。実際に、① 誘起膜電位の等価回路検証、② 電界下における希薄水層内の電荷移動解析、③ 帯電膜における電気定数変移の考察を行った。