Research and development of the high-frequency square-wave pulse electroporation system

Abstract

The dissertation provides the research and development of the high-frequency square wave pulse electroporation system and proposes a topolgy of planar electroporation electrodes for real-time electroporation applications. An analysis and applied research of the electrical pulse forming circuits, the electric field generation technologies and the compensation circuits for high-frequency transient as well as the electric field distribution of planar electroporation electrodes are carried out. The introductory chapter deals with the problem of the thesis, research goals and newness, describes the research methodology and defended statements. The first chapter presents the most relevant scientific literature related to the main subjects of this dissertation. The electroporation phenomena and the dependence of the cell response on electrical pulses duration and frequency are presented. The review of submicrosecond and nanosecond electric pulse generators and high-frequency transient process compensation circuits are also presented. This Chapter concludes in formulating tasks the dissertation. The second chapter presents simulation models of the high-voltage, high-frequency submicrosecond pulsed electric field (nsPEF) generator and planar electrodes for real-time electroporation. The SPICE model of pulse forming circuit is developed and the effects of the parasitic circuit elements and transient processes to the generated electric pulse are investigated. The chapter includes the potential applications and needs of the planar electrodes for electroporation. The topology of planar electrodes and its influence on electric field homogeneity are analysed using finite element method (FEM) in COMSOL Multiphysics environment. The third chapter presents the research and development of novel high-frequency square-wave electroporation system. The developed system can produce single and bursts deliver adjustable square-wave electric pulses with load independent pulse fall time. The pulse amplitude, repetition frequency and pulse duration can be adjusted accordingly up to 3 kV, from 1 Hz to 3.5 MHz and from 100 ns to 1 ms. In this chapter, the system simulation and the experimental results are compared. The prototype system is successfully tested for the inactivation of the human pathogen Candida albicans. The main results of the thesis were published in 6 scientific articles: three – in scientific journals included in Clarivate Analytics Web of Science database with impact factor, two – in international conference publications which are referred by Clarivate Analytics Web of Science database Proceedings, one article is printed in peer-reviewed scientific journal listed in Index Copernicus database. The research results were presented in 10 scientific conferences.

Disertacijoje patekiamas aukšto dažnio stačiakampių impulsų elektroporacijos sistemos kūrimas ir tyrimas. Pasiūlyta planarių elektroporacijos elektrodų topologija realaus laiko elektroporacijos tyrimams. Atlikti elektrinio lauko generavimo technologijų taikymo, aukšto dažnio pereinamųjų vyksmų kompensavimo grandinių ir elektrinio lauko pasiskirstymo planariuose elektroporacijos elektroduose analizė ir taikomieji tyrimai. Įvadiniame skyriuje nagrinėjama disertacijos problema, tyrimo tikslai bei naujumas, aprašoma tyrimų metodologija ir ginamieji teiginiai. Pirmame skyriuje pateikiama aktualiausios mokslinės literatūros analizė disertacijos tema. Pristatomas elektroporacijos reiškinys, ląstelių reakcijos priklausomybė nuo skirtingos trukmės ir dažnio elektros impulsų. Skyriuje taip pat pateikiama submikrosekundžių ir nanosekundžių elektros impulsų generatorių ir aukšto dažnio pereinamųjų vyksmų kompensavimo grandinių apžvalga. Skyriaus pabaigoje suformuluojami pagrindiniai darbo uždaviniai. Antrame skyriuje pateiktas aukšto dažnio ir aukštos galios submikrosekundžių impulsų elektroporacijos sistemos ir planarių elektroporacijos elektrodų imitacinių modelių sudarymas. Sudaromas impulsų formavimo grandinės SPICE modelis ir atliekami parazitinių grandinės elementų bei pereinamųjų vyksmų įtakos impulsų formai analizė. Skyriuje taip pat diskutuojamos planarių elektroporacijos elektrodų panaudojimo perspektyvos ir poreikis. Panaudojant COMSOL Multiphysics programinį paketą atliekamas planarių elektroporacijos elektrodų topologijos ir elektrinio lauko pasiskirstymo tyrimai taikant baigtinių elementų metodą. Trečiajame skyriuje pateikiamas aukšto dažnio stačiakampių impulsų elektroporacijos sistemos sukūrimas ir atliekamas įrangos bandymas. Sukurta sistema gali generuoti pavienius stačiakampius impulsus arba jų serijas, visų impulsų galinio fronto kritimo trukmės nepriklauso nuo apkrovos varžos. Impulsų amplitudė, dažnis ir impulso trukmė gali būti parenkama atitinkamai nuo 0 kV iki 3 kV, nuo 1 Hz iki 3,5 MHz ir nuo 100 ns iki 1 ms diapazonuose. Skyriuje įvertinama sistemos imitacinio modelio atitiktis eksperimentiniams rezultatams bei atliekami sukurtos sistemos in vitro elektroporacijos taikomieji tyrimai su Candida albicans grybų ląstelėmis. Disertacijos tema paskelbti 6 moksliniai straipsniai: trys – recenzuojamuose mokslo žurnaluose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę, du tarptautinių konferencijų medžiagose, įtrauktose į Clarivate Analytics Web of Science „Conference Proceedings“ duomenų bazę, vienas – mokslo žurnale, referuojame kitose tarptautinėse duomenų bazėse. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti dešimtyje mokslinių konferencijų.