超声波具有空化、机械、热效应等机制,在医学诊断和治疗中具有十分广泛的应用前景。超声波在促进药物经皮渗透方面得到广泛的研究,但是超声促渗的参数优化、安全性以及作用机制需要进一步研究。双频超声波是提高药物促渗效率,降低热损伤风险的有效途径,但目前双频超声波促渗实验装置、参数优化、药物促渗效果以及作用机制等需要进一步研究。超声震波治疗严重冠心病是一种新兴的治疗方法,治疗焦点处声压的强度和范围是决定治疗效果和安全性能的关键指标。目前关于圆筒式超声震波换能器声场理论研究较少,换能器抛物凹面声场特性有待进一步研究。超声震波发挥促进血管生成作用的剂量及具体机制有待进一步研究。本课题开展超声波渗流、震荡技术在透皮给药和心肌缺血治疗方面的应用研究,从超声波空化、震荡机理及超声波透皮给药、心肌缺血治疗装置研究出发,探究超声波物理机理与信息、电子和生物技术相结合在生物医药领域中的应用。主要研究内容如下:(1)单频超声波促进药物经皮渗透:在单频超声波促渗过程中,影响药物经皮渗透的因素主要有药物的理化参数、超声波参数和介质参数等。首先利用极限学习机(ELM),研究药物理化参数对渗透系数预测模型的影响。其次,通过模拟仿真和铝箔实验,研究超声波参数对空化效应的影响。随后设计介质导热系数与界面温度实验,研究介质热学性质对超声促渗的影响。最后设计双氯芬酸钠透皮实验,研究超声波参数对药物促渗的影响,并分析了超声波空化效应可能是药物促渗的作用机制。(2)双频超声波盐酸青藤碱(SIN)经皮促渗:首先研究了双频超声波促进空化效应的物理机理并进行模拟仿真。其次,设计了双侧45°斜角双频超声波药物促渗装置,开展SIN促渗实验,研究了双频超声波占空比、强度、作用时间等参数对SIN促渗的影响;双频超声波较单频超声波在促渗效率、安全性方面的优势;以及双侧45°斜角双频超声波促渗机制。结果表明超声波脉冲模式与连续模式在促进SIN渗透方面效果相同;双频超声波可降低作用强度和时间阈值,降低皮肤损伤风险;双频超声波促进SIN渗透效率较单频超声波高;双频超声波促渗机制是协同效应而不是累加效应;(3)圆筒式电磁超声震波系统:首先研究了圆筒式电磁超声震波换能器声场,提出将抛物线旋转凹面反射声场等效为环状凹球壳振动声场;探讨了超声震波脉冲特性、声学非线性、传播衰减、界面反射等对声场的影响,提出了修正的超声震波声场公式。其次,搭建了超声震波系统装置,对放电脉冲宽度和高压电容充电值进行测试,其结果符合设计要求。最后,采用仿真软件结合换能器实际参数,对焦点处声场强度和范围进行了模拟仿真,结果表明治疗靶区焦点处相对声压(P/P0)约为630;声场焦域呈枣核形状,长轴约13 mm,短轴约1.9 mm;作用深度约15 cm。(4)超声震波促进血管内皮细胞生长因子表达的细胞实验:研究了超声震波能量密度、冲击次数、辐射总能量等参数与人脐静脉内皮细胞(HUVECs)中血管内皮生长因子(VEGF)、内皮一氧化氮合酶(eNOS)表达的关系,并从剪切应力、空化效应等方面分析其物理机理。结果表明,震波能量密度较低时(分别是0.04,0.09,0.12 mJ/mm2),即能促进VEGF、eNOS表达,但当能量密度升至0.16 mJ/mm2时,反而不能促进其表达。促进VEGF和eNOS的最佳震波参数分别是0.09 mJ/mm2,250次冲击和0.09 mJ/mm2,350次冲击;eNOS表达量趋势上随总能量的增加而增加,当总能量达到31.5 mJ/mm2时达到最大,随后降低。