超细气泡生物学效应

超细气泡是难溶解气体的最好气体溶解技术，因为这种方法可以提供快速高浓度溶解方法，建立大规模实用气体溶解技术。但是随着对这种物理现象研究的深入，这种气泡本身的生物学效应也越来越受到重视，在使用这种技术制造的氢水时，也需要考虑这种效应。不仅在学术研究，也包括在人类和动物植物的实用中，一方面要考虑氢气的作用，另一方面也需要考虑小气泡的作用。

超细气泡，有时也叫纳米气泡，是物理学领域的一个新方向，粒径非常小的气泡历史上曾经被认为存在时间太短，没有太多的观察研究意义，但最近20年的研究已经明确，极小粒径气泡具有非常反常的特征，具有远超理论预期的存在寿命，由于超细气泡具有比表面积超大的特点，是建立气液相多种反应体系的优质界面，而存在寿命足够可观，则具有相应多的应用价值。人们对这种气泡的研究兴趣大增，在应用方面重点是建立理想的低耗能高效率高浓度制备方法，理论方面重点研究超细气泡超长寿命的机制和超细气泡的物理化学性质。

超细气泡的生物学效应则属于超细气泡的物理化学性质范畴，由于生物学效应意味着重要理论价值和广泛应用前景，是这一领域相对比较独特的内容。

本文主要参考文章通讯作者Khoi Tan Nguyen来自越南国立大学国际大学生物技术学院。

Tran N L H, Lam T Q, Duong P V Q, et al. Review on the Significant Interactions between Ultrafine Gas Bubbles and Biological Systems[J]. Langmuir, 2023.

一、前言

超细气泡被描述为直径小于1微米的充满气体的球形结构，其定义中包含了微米气泡和纳米气泡。由于具有这种特性，超细气泡容易与周围相似大小的实体相互作用，例如生物体的细胞（如细菌、真菌、植物、哺乳动物细胞等）。通过这种方式，这些活体物种可能会发生生理上的改变。例如，已经有证据表明超细气泡在生物医学领域的影响，当哺乳动物细胞和气泡会相遇。研究证明超细气泡在体内的微血管和毛细血管中显示出与红细胞相似的流变学特性，使它们成为药物运输和传递的潜在候选者。此外，超细气泡非常适合于靶向传递应用，因为它们具有特殊的特征，可在超声波能量作用下塌陷并释放内容物。对于常规超声成像，超细气泡可以振荡并作为对比剂来改善成像效果。这些气泡的小尺寸有利于穿透大脑或肿瘤周围等棘手屏障。对于恶性细胞，填充氧气的超细气泡也被用于治疗其缺氧状态。在农作物技术中，超细气泡的主要应用是促进植物生长。在足够浓度下，超细气泡可产生足够的活性氧（ROS），ROS作为信号分子具有促进植物细胞发育的作用。另一方面，也有研究表明超细气泡可以抑制导致植物枯萎的微生物物种的入侵。此外，超细气泡还可以氧化水中可能导致植物严重毒性的重金属离子。除了植物细胞外，超细气泡还与细菌细胞密切相关。由于细菌生物膜在生产技术和医学方面都存在很大问题（即基础设施污垢或水污染），因此可以利用超细气泡来获得表面碰撞，将这些微生物残留物从基质上剥离回溶液中。有证据表明，一些微生物（特别是细菌和真菌）暴露于含有超细气泡的环境中，可以显著影响它们的生长，无论是抑制还是增强，这取决于物种以及超细气泡的气体成分。最终，对这些微生物的培养环境的更好理解不仅有益于微生物学和生物技术研究，而且对食品和制药工业以及生物修复和废物分解中的作用也有价值。基于超细气泡在生物系统中越来越多的应用，本文的目标是简要介绍超细气泡，然后总结最近报道的关于不同类型的生物细胞与超细气泡之间相互作用的研究。

图1纳米气泡的5种最基本制造方法，1 水动力空化（湍流管）2 超声空化 3 激光聚焦空化（激光加热？）4 电解水产生氢氧气泡，5混合不同溶剂（因为溶解度差异产生纳米气泡，这种方法多用于科研）

二、实验

2.1. 超细气泡的组成。

通常，超细气泡可以被描述为具有气体浓缩核心和气-水界面扩散壳的球形结构。影响超细气泡寿命的第一个因素是内部气体含量及其与周围环境的相互作用。如果内部气体和外部溶解气体达到平衡，超细气泡将是稳定的。然而，从拉普拉斯压力表达式（等式1）推断出，这种平衡条件不太可能发生；因此，理论上，超细气泡在正常溶液中不能具有能量稳定性。

其中γ是气泡-液体界面的表面张力，r是气泡半径。

进一步的计算应用了爱因斯坦-普朗克理论，得出非常小的气泡预测寿命小于20毫秒；然而，有实验证据表明纳米气泡实际上能够持续更长的时间。还有人指出，由于围绕气泡形成的离子屏障而产生的静电排斥会抑制气体向溶液中的扩散。此外，气泡的壳是延长气泡寿命的重要因素。人们认为这种壳能够抑制内部气体与外部溶液之间的直接相互作用，防止任何气态交换，从而增强气泡的稳定性。不同的气体核心和壳的选择可以极大地影响超细气泡的生物学特性。作为超细气泡常用的气体氧气已被研究很长时间。由于在水中溶解度相对较低，氧气可以很容易地过饱和并形成超细气泡。由于氧气是生命的重要元素，氧气超细气泡通常用于输送所需的气体供应和微生物生长增强。此外，氧气和其他生物活性气体（如NO和CO）可以与周围的水分子反应形成活性氧物种（如H2O2），对农业和生物医学应用产生重大影响。与上述气体相比，二氧化碳的溶解度更高，这意味着使用这种气体核心的超细气泡需要更高的气体浓度才能过饱和。这种效果有利于将用过的二氧化碳再利用于植物生长或土壤处理。然而，二氧化碳很容易与水相互作用，导致溶液pH降低和超细气泡之间排斥力减弱，最终导致气泡合并。

除了简单结构的气体外，氟化碳气体也可以作为超细气泡的核心，因为它们大多是惰性气体，生物活性可忽略不计，不会对宿主造成伤害。几种氟化烃气体被检查其稳定性，例如六氟化硫和全氟碳。研究表明，这些特定尺寸的超细气泡被阻止合并并因此可以保持稳定。这是因为它们是重气体，具有高疏水性，可以承受外部拉普拉斯压力。为了支持这些惰性气体用于医学治疗，超细气泡的壳应该具备生物相容性和生物降解性的关键特性，同时方便气体分子的释放或运输。

关于超细气泡转化为脂质体囊泡的研究表明，使用一些膜磷脂衍生物作为气泡壳在医学上具有巨大潜力，因为脂质可以容易地自组装，并且在不同生理条件下可以保持双脂层结构。在使用磷脂DSPC（1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱）或DPPC（1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱）向缺氧细胞输送氧气的研究中，聚乙烯醇（PEG）是一种具有高亲水性的无毒聚合物，可以在脂质壳外涂覆以增强气泡稳定性、避免合并并减少免疫原性反应。除了脂质之外，蛋白质也是两亲分子，也可以吸附在空气-水界面上形成气泡壳。它们无疑提供了药物或氧气输送系统中所需的生物相容性。另一方面，聚合物壳通常比脂质或蛋白质类型更厚，为超细气泡提供良好的稳定性以抵抗外部力量。此外，由于厚度提供了非弹性和对超声波场的抵抗力，这些超细气泡可以在适当的频率下施加时储存和释放气体。其他物质如表面活性剂（阴离子、非离子或阳离子），当装饰在超细气泡上时，可以对气泡的稳定性和密度产生不同的影响。阴离子表面活性剂似乎增强了稳定性，因为增加了电荷排斥力；而非离子和阳离子表面活性剂则提供了空间稳定作用。

2.2. 超细气泡生成方法. 

在过去的十年中，已经采用了几种方法和模型来改善超细气泡的产生，如图1所示。最常见超细气泡生成技术是使用气蚀现象，其中液体压力的降低会导致液体内部产生蒸汽。气蚀现象有四个子类别：声学、流体力学、光学和粒子气蚀。在声学气蚀中，将随时间变化的（通常是正弦波）压力置于恒定的环境压力之上，使空腔以强烈或相对温和的冲击移动。声学气蚀由超声波产生，通常将其设备描述为声化学反应器。另一方面，流体力学气蚀是通过使液体通过狭窄部分（如节流阀和孔板）产生的。根据文丘里效应，当液体通过狭窄部分时，压力会降低，如果节流足够强，使得下游狭窄处的压降低于气蚀阈值压力（通常是操作温度下的介质蒸汽压力），则会生成数百万个空腔。与可以一次生成大量气泡的声学和流体力学气蚀相反，光学和粒子气蚀用于单气泡气蚀。在光学气蚀中，使用激光在微秒到毫秒内将液体加热超过其沸点。液体变得不稳定，发生爆炸性的液体-蒸汽相变，导致快速生长的蒸汽泡。最后一种气蚀技术涉及亚原子粒子，如质子或中微子。这些带电粒子穿过液体时会留下一些电离能，这会加热周围的分子并形成一串充满蒸汽的小气泡。还可以应用其他技术，例如电解，其中可以在相应的电极处创建氧气和氢气纳米气泡，然后使其逃逸到流体中。还可以采用溶剂交换方法来产生超细气泡； 该技术本质上涉及逐渐将溶剂系统从酒精交换为水以降低气体溶解度，从而产生过饱和溶液并最终导致气泡成核。

空蚀（cavitation；cavitation erosion）又称气蚀，穴蚀。流体在高速流动和压力变化条件下，与流体接触的金属表面上发生洞穴状腐蚀破坏的现象。当液体在与固体表面接触处的压力低于它的蒸汽压力时，将在固体表面附近形成气泡。另外，溶解在液体中的气体也可能析出而形成气泡。随后，当气泡流动到液体压力超过气泡压力的地方时，气泡便溃灭，在溃灭瞬时产生极大的冲击力和高温。

三、结果和讨论

 3.1. 超细气泡和细菌细胞的相互作用.

细菌是原核的单细胞微生物，与其他生物相比，由于缺乏细胞核和膜结合的细胞器，其细胞结构更简单。尽管形状、大小和结构有所不同，但由于存在刚性细胞壁，细菌能够保持其明确的形态。细菌的结构可以通过两个组成部分来描述：形状和排列。在光学显微镜下观察时，大多数细菌可以分为三种基本形状：棒状（杆状）、球形（球菌）和螺旋形（弧菌）。细菌的排列可能会有所不同，可能包括链状（链状）、葡萄状簇（葡萄簇）或成对排列（双排）。细菌的大小范围也受其形状的影响。球形细菌的平均直径通常为0.5-2.0微米，而棒状或丝状细菌的长度范围从1到10微米，直径为0.25-1.0微米。螺旋形细菌的长度可以在1到100微米之间变化。有许多不同大小的细菌的例子。例如，大肠杆菌是一种杆菌，平均长度为1-2微米。螺菌偶尔可以达到长达500微米的长度。肉眼可见的费氏刺骨鱼菌的尺寸范围为30-600微米长，直径为80微米。支原体，如鸡毒支原体，被认为是已知的最小的细胞，单个大小约为0.25微米。在海洋沉积物中发现的世界最大的细菌纳米比亚嗜硫珠菌的大小范围从0.1到0.3毫米（100-300微米），观察到更大的细胞可达0.75毫米（750微米）。由于细菌和超细气泡的大小范围相当，细菌非常适合与超细气泡相互作用，因为它们甚至可以比典型的真核细胞大得多。值得一提的是，细菌细胞壁也可以用来区分不同的细菌。细菌细胞壁的复杂多层结构用于保护这些生物免受不可控制且经常具有敌意的环境的影响。大多数细菌细胞壁可以用来将细菌分为两大类。革兰氏阴性细菌（如大肠杆菌）由外膜组成，外膜含有脂多糖，包裹着内细胞壁的肽聚糖。相比之下，革兰氏阳性细菌（如金黄色葡萄球菌）只有一个细胞壁，包含多层肽聚糖和通过交错的粘质酸（长的阴离子聚合物）。革兰氏阳性细菌的细胞壁比革兰氏阴性细菌的细胞壁厚几倍。

如前所述，细菌能够附着在自然和人造产品的表面，形成生物膜。在许多环境、工业和医学应用中，防止微生物生物粘附并从表面去除粘附的微生物至关重要。最近有报道称，除了使用流体剪切应力来解吸细菌外，超细气泡还显示出刺激细菌脱落的能力。

Khodaparast等人报告说，气泡的空气-液体界面引起的直接毛细力可以有效地分离和动员粘附在微通道壁上的金黄色葡萄球菌。这种现象发生在流动速度较慢的地方，此时壁上的流动剪切应力对粘附的细菌影响很小。特别是当两种可湿性物质在一定距离内靠近彼此时它们之间有液体连接会出现毛细力。研究结果还表明，受限几何形状中的气泡周围的润滑膜在以前的研究中经常被忽视，但对基底上细菌的脱落和分布有显著影响。与扩展的DLVO相互作用能预测相反，细胞表面蛋白质、底物和流动诱导的剪切应力之间的相互作用可能会显著改变粘附能。因此，理论计算往往无法预测使细菌成功脱落所需的最小毛细力。

在进一步研究超细气泡如何与细菌细胞相互作用的过程中，Luu及其同事发现超细气泡可以影响细菌的生长和形态。微生物学研究经常使用大肠杆菌和铜绿假单胞菌模型，因此在Luu等人的研究中，他们研究了这两种细菌的生长如何受到超细气泡的影响。他们的方法是先在培养基中引入超细气泡，然后再加入细菌。由于细菌的大小与气泡相近，它们应该相互互动，这可能对细菌的生长有一定意义。结果显示，将细菌暴露于超细气泡中可以改变细胞形态或抑制其生长。超细气泡对生长的抑制发生在非常早期的生长阶段，并取决于细菌的种类。Morishita及其同事的一项详细研究表明，超细气泡也表现出杀菌活性。这种现象的原理尚不清楚。一种假设是当气泡破裂时，它们的内部能量以压力波、热量和自由基的产生形式释放出来，从而引发周围细胞的破坏。相比之下，Ito和Sugai提出二氧化碳超细气泡和氧气超细气泡有助于在厌氧条件下促进铜绿假单胞菌的代谢和生长。研究表明铁阳离子和二氧化碳超细气泡可以很容易地进入带负电荷的微生物细胞。随着这些阳离子数量的增加，铜绿假单胞菌的生长和代谢也会相应增强。另一方面，氧气超细气泡增加了培养基中的溶解氧浓度并促进了铜绿假单胞菌的培养发展。同样地，Sobieszuk及其同事发现氧气超细气泡通过为酵母提供氧气来源最大化了酿酒酵母在分批和半批培养中的生长速率。在抑制作用方面，Nghia等人假设超细气泡可以提高水产养殖的水质量。实验使用了三种类型的超细气泡：空气超细气泡、氧气超细气泡和臭氧超细气泡。实验表明减少弧菌属浓度是由于超细气泡（主要是氧气和臭氧超细气泡）增加了氧化还原电位（ORP）所致。解释是超细气泡处理可能通过自由基氧化破坏细胞壁干扰细菌细胞分裂过程。

 根据Banche等的研究，细菌附着在超细气泡上实际上可能对细菌细胞是致命的。为了进一步了解这些类型的超细气泡的抗菌活性，他们对壳聚糖包覆的载氧和无氧超细气泡进行了研究。他们发现，这两种超细气泡都可以与耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和白色念珠菌相互作用并抑制它们的生长。据推测，壳聚糖外壳可以通过静电吸引与革兰氏阳性细菌（金黄色葡萄球菌）膜上的脂磷壁酸区相互作用，并大量粘附在酵母（白色念珠菌）表面。然后，超细气泡与微生物之间的相互作用会导致细胞内成分泄漏或通过膜透性干扰代谢途径，从而损害功能甚至杀死细菌和酵母。Sesal和Kekec提出了另一个假设，即使用超声产生的超细气泡来灭活细菌。57根据Piyasena等人的研究，空化是液体中微泡发展和破裂的过程。当气泡塌陷时，会产生约5500°C的局部高温和高达100 MPa的压力，而热压冲击会灭活局部微生物群落。图2总结了几种主要细菌细胞与超细气泡之间的相互作用。 

图2 超细气泡和细菌相互作用。

3.2. 超细气泡和真菌细胞的相互作用。

真菌细胞壁主要由葡聚糖、几丁质和糖蛋白组成。然而，一些真菌孢子可以是亲水的，而其他一些在其细胞壁中具有疏水性，因为附着的疏水蛋白决定真菌细胞壁是否疏水。由于这种特性，人们认为一些真菌孢子可以通过疏水相互作用轻松附着在超细气泡上。超细气泡在增强真菌生长方面有许多应用。它们被认为通过增加目标微生物培养中的气液界面的物质传递来促进生长。含菌丝的培养基具有类似于非牛顿液体的特性；然而，具有高Zeta电位值的超细气泡可以产生排斥力以避免聚并，为水和营养物质穿过培养基创造空间。先前有报道称，含有25％超细气泡的培养基被认为是 Cordyceps militaris 菌丝体生长的理想条件。已经观察到许多氧气超细气泡（氧气超细气泡）与真菌（如酵母和蘑菇）之间的相互作用。向培养物中持续供应氧气超细气泡会增加好氧酵母酿酒酵母的生长速度。氧气超细气泡会随时间破裂并创建一个富氧环境，刺激酵母细胞的增殖并增强其生物量生产。氧气超细气泡还用于实验香菇（Lentinula edodes）。在这种实验中的蘑菇在氧气超细气泡条件下生长得更好，尽管与在非氧气超细气泡环境中生长的差异并不十分显着。氧气超细气泡可以从土壤中吸收离子并将其输送到蘑菇中。此外，它们还可以降低CO2浓度以防止茎细胞延长并减缓菌盖扩大。

如图3所示，根据气泡中的气体含量，我们可以预期它们对真菌有不同的影响。例如，臭氧超细气泡由于其强大的氧化能力可能会降低蘑菇的生长速度；据信臭氧超细气泡会氧化细胞壁中的脂质和蛋白质，破坏细胞代谢，并可能通过改变其透性导致真菌失活。

3.3. 超细气泡与植物细胞之间的相互作用。

植物细胞是矩形形状的细胞，平均长度为10-100 μm。植物细胞的细胞组分包括核、质、线粒体、高尔基体、核糖体、内质网、细胞膜和液泡。除了与其他类型的细胞相似之外，植物细胞可以根据叶绿素和细胞壁的存在进行区分。叶绿素是分散在胞质中的小分子；它们负责植物的光合作用。细胞壁是围绕细胞膜的坚固层，由纤维素、半纤维素、果胶、糖蛋白以及木质素或角质素等聚合物组成。细胞壁结构的主要组成部分是纤维素，它比其他复合物中的物质显著更坚硬和耐用。由于纤维素占细胞壁组成的大部分，因此它为植物细胞提供结构和保护作用以抵抗物理和化学因素的影响。与直接研究超细气泡与植物细胞之间物理相互作用的研究数量相比，研究这两种物种之间间接相互作用的研究数量明显占主导地位。图4报告了其中一些相互作用。已经进行了各种研究来调查超细气泡对植物生长和发展的影响，其中最引人注目的是关于活性氧物质（ROS）对植物影响的研究。特别是，有一系列研究报告了超细气泡在产生自由基或ROS方面的作用，这些自由基或ROS对植物产生广泛的影响。ROS的小尺寸使其能够轻松穿透细胞壁和细胞膜并促进其与DNA和其他细胞组分的相互作用。在富含超细气泡的培养基中，ROS主要是通过超细气泡的破裂产生的。四种主要与超细气泡变形相关的ROS类型包括超氧阴离子自由基（O2·−）、过氧化氢（H2O2）、羟自由基（·OH）和单线态氧（1O2）。其中羟自由基具有最高的氧化电位（E°’（HO•/H2O）= 2.34 V）。这些物质在足够数量下可以作为调节植物生长的信号分子起作用。然而，即使植物细胞本身具有解毒能力，例如解毒酶（植物中的铜/锌超氧化物歧化酶-CSD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和过氧化氢酶（CAT）等，过量积累的羟自由基仍然会通过氧化应激伤害植物。

 在农业领域，微细气泡已被纳入曝气系统。空气被引入用于种植作物的液体中，以创造一个具有更高浓度的溶解气体（氧气、氢气、空气等）的充气环境。与非充气环境相比，对在曝气液中生长的开花植物的鲜重和花直径的测量表明，在所有其他调查浓度中，5%的氢纳米气泡环境产生了最理想的鲜重和花直径。 氢气通常被用作一种选择性抗氧化剂，可以保护植物免受各种感染因素的影响。它被包裹在超细气泡中的事实也可能抑制了它的积极生长影响，因为在高浓度下，这些气泡可能会破裂，产生过量的ROS，从而可能破坏植物细胞。此外，氢气的优势浓度也能清除植物发育所需的必要的氧气，导致植物缺氧。研究发现，微细气泡能够部分抑制一种导致植物枯萎病的细菌的生长。这种物种已知首先入侵植物的细胞间室。在入侵木质部系统后，它开始自我繁殖并释放出一种叫做外聚糖的化合物。这种化合物的积累导致木质部中的水分增厚，这意味着水的运输受到抑制，植物就会枯萎。

除了氢气泡外，几项研究工作已经说明了氧气超细气泡对植物的益处。DeMoyer及其同事发现氧气转移过程发生在水表面，更主要地发生在气泡-水界面。氧气超细气泡可以增加植物呼吸所需的水中溶解氧气的悬浮持续时间。Fayolle等人表示，如果气泡的大小减小10％，氧气转移系数将增加15％。相反，如果气泡的大小增加10％，氧气转移系数将减少11％。与较大的气泡相比，较小的气泡拥有更大的总表面积，在水中的悬浮时间更长，上升速度更低。气泡在液体中停留的时间越长，溶解到溶液中的气体就越多。在农业中，氧气气泡也用于重金属处理。重金属通常以离子形式溶解在水中。这些污染物会导致重金属中毒，从而对植物的生长和发展产生各种后果，如叶绿素缺乏和生物量积累减少。通过增加溶解氧的浓度，氧气气泡可以在水环境中氧化某些金属，形成不溶性氧化物。在氧化状态下，金属不再能够穿透植物细胞并造成损害。氧气超细气泡的另一个用途是在细胞浮选过程中。这个过程在植物细胞悬浮液中非常有效。仅在30分钟的发泡后，约55％的植物细胞被发现在泡沫层中；在进一步的60分钟发泡后，这一比例增加到约75％。

不幸的是，目前对气泡-植物细胞物理相互作用的理解仍然有限。未来的研究应针对这一方面进行。

3.4. 超细气泡与哺乳动物细胞之间的相互作用。

近年来，不同的气泡-哺乳动物细胞相互作用机制引起了研究的关注。特别是，气泡在通过渗透到组织和细胞膜中增强药物吸收方面的潜力在药物输送领域非常有前景。因此，为了避免与气泡相关的疾病并从潜在的治疗中受益，理解细胞-气泡相互作用至关重要。首先，将讨论气泡与哺乳动物细胞膜之间的相互作用以及提出的机制，然后讨论气泡对细胞的一般影响。此外，还将考虑气泡、细胞性质和其他因素对其相互作用的影响。

3.4.1. 气泡振荡。

气泡引起的疾病可能导致动脉气体栓塞。空气泡可以在血管中积聚并通过阻塞血管、减少组织灌注和引发炎症和血栓形成途径来损害器官。有研究表明，对于有限大小的气泡（半径为1.5微米），它们的非对称振荡可能是由于血管壁收缩引起的。如图5a所示，气泡振荡是膨胀和压缩过程中形成，伴随气体流入和流出过程。随后，当膨胀阶段发生时，会有一股净气体流入气泡，使气泡变大直到达到共振大小，此时它们表现出稳定的振荡。靠近这些气泡的细胞会受到周围流体在血管中运动产生的剪切应力的影响。根据Ayyaswamy等人的研究，发现空间和时间上的高剪切应力梯度是动脉中可能存在的气体栓塞引起的内皮细胞损伤的原因之一。尽管振荡运动是在比超细气泡大得多的气泡上发生的，但另一项关于超细气泡和人类血液成分之间相互作用的研究显示，红细胞和气泡之间相互作用的可能性取决于它们的大小，并且更可能发生在较小气泡上。Van Wamel等人报告说，由于超细气泡振荡产生的剪应力可能会导致细胞膜孔洞形成。气泡膨胀和压缩会在磷脂双层膜上产生推拉效应，形成临时的孔洞和重新组装亲水性头部。当粘附细胞暴露于超声波和超细气泡时，一旦膜破裂力占主导地位，就会出现跨膜剪切力并导致孔洞的形成。此外，尽管超声波消失了，但振荡气泡的存在仍然保持了孔洞的存在。

Man等认为，膜孔形成的机制是通过收缩的脂质包覆纳米泡发生的，它将脂质从膜中拉出来；这些脂质形成一个稳定的与膜相连的膜管。脂膜的弹性变形使脂膜的反复膨胀和收缩成为可能。这一特性使它成为利用气泡效应的疾病治疗用途。

3.4.2. 微流。

Marmottant等人的研究表明，超细气泡在细胞表面的振荡会产生一种被称为“微流”的周围流体流动，如图5b所示。这反过来又会产生影响附近物体的剪切应力。这种剪切力会刺穿细胞膜，导致孔的形成。

3.4.3. 气泡内爆。

在一项研究中，聚合物-蛋白结合的超细气泡被用作药物（槲皮素）载体，Le等人提出，高频超声波使超细的负载槲皮素的气泡破裂，释放槲皮素分子。由于超细气泡的不断收缩和膨胀，负载的槲皮素分子从气泡中脱落。值得注意的是，在高频超声波暴露期间，气体泡破裂会导致血管壁的物理损伤，如图5c所示。然而，对照实验表明，某些声波辐射并未导致显著的气泡破裂，从而证实了使用超细气泡运输和传递药物的可能性。

不幸的是，一个单独的气泡破裂对细胞造成的伤害数量以及受到如此高能量影响的周围液体量仍然未知。Walls等人的一项研究估计了不同大小的破裂气泡对悬浮细胞造成风险的估计，结果表明，在恒定的流量下，较小的气泡会对较大的相对体积造成更大的损害。换句话说，微小的气泡破裂会伤害更多的细胞。

研究表明，产生微流和剪切应力的振荡气泡也可能通过细胞膜孔的形成触发内吞作用。超细气泡的剧烈塌陷，无论是由剪切应力还是微流引起的，都会形成冲击波，影响周围的细胞。这两种效应在微细气泡与细胞或组织接触时会导致血浆膜的可逆性穿孔，打开（内皮细胞间隙）并促进内吞作用，从而增强细胞对大分子物质的摄取。

3.4.4. 微射流形成。

当不对称的微泡振荡产生周围的液体流动时，就会出现上述“微流”。这种密集的气泡运动随后是严重的微泡塌陷和破碎。气泡在爆裂期间界面的快速重排是细胞上高应力的主要原因。图5d展示了表面张力驱动的毛细波在气泡空腔内移动的过程，仅在毫秒的一部分时间内，在底部碰撞并创建向上和向下移动的射流。由气泡塌陷产生的微射流有能力穿透细胞膜，使药物或基因进入细胞质。

近年来分子生物学领域的发展使得使用超细气泡进行非侵入性药物递送技术的兴趣增加。除了作为诊断超声中的对比剂外，超细气泡还被证明是一种理想的药物载体。通过合成与CD-TK双自杀基因结合的阳离子纳米泡，并将其共价修饰以靶向VEGFR2阳性细胞，Hu等人开发了一种用于治疗膀胱癌的治疗方法。由于其尺寸减小和轻松的内皮空间渗透能力，气泡可以有效地到达肿瘤细胞以进行后续的靶向释放。Wu等人还提出了一种在超声场下促进A10−3.2适体靶向递送和siRNA负载的阳离子纳米泡的方法，用于前列腺癌的治疗。DC-(二甲基氨基乙基-氨基甲酰基)胆固醇分子是生理上熟悉的胆固醇衍生物，用于制备这些阳离子超细气泡，因为它们在新胺基团上含有正电荷。然后电荷促进 超细气泡与DNA或RNA等带负电的细胞相互作用。

3.4.5. 超细气泡对哺乳动物细胞的作用。

3.4.5.1. 氧化作用。 

超细气泡也可以对哺乳动物细胞的生物性质产生特定影响。由于臭氧是一种强氧化剂，气泡和臭氧气体的结合可能通过促进活性氧物质（ROS）的产生而容易在细胞中引起氧化应激。强烈的氧化应激激活了丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路和其他细胞反应，这对于牙周病的治疗至关重要。

细胞内的活性氧物质（ROS）可能在高浓度和低浓度下都有影响。在高浓度下，ROS可以导致内皮细胞凋亡。由于ROS对多不饱和脂肪酸的影响，脂质过氧化是ROS诱导的细胞损伤的关键组成部分。因此，膜脂双层的构象受到干扰，导致细胞膜破裂。另一方面，通过调节适量的ROS对离子通道的调节，也可以增强细胞膜的渗透性。Juffermans等人研究了由超声波暴露的微泡引起的细胞膜超极化。

通过引入Ca2+，BKCa通道被激活，导致细胞超极化。由超声波产生的微泡引起的Ca2+内流激活了BKCa通道，使K+离子离开细胞。通常，Ca2+流入与K+外流平衡，但在这种情况下，K+外流补偿了Ca2+内流；因此，发生细胞膜超极化。微泡形成的细胞膜孔隙也有助于Ca2+的内流过程。

3.4.5.2. 细胞膜破裂。

在超声介导下使用气泡作为超声对比剂（UCA）进行成像治疗时，超细气泡对细胞的影响可能会大大增强。观察到由于血管的限制影响，UCA气泡的共振频率会向更高的频率范围移动。研究超声介导下的气泡与细胞之间的相互作用机制在将气泡用作药物递送载体通过细胞膜孔隙方面起着重要作用。由于微泡对压缩的抵抗力大于膨胀，稳定的气穴以非线性行为和延长其膨胀阶段为特征。超声波可以在气泡上产生一种称为声辐射力的定向力，该力将气泡压缩到细胞膜上并对细胞施加机械应力，除了微泡快速体积膨胀、收缩和塌陷之外。如果假设气泡的横截面积是冲击区域，那么声辐射力可能会对细胞膜施加应力，导致细胞膜破裂。

3.4.5.3. 细胞膜渗透性增强。

由空化引起的超细气泡带来的机械应力对细胞膜具有许多生物学影响，特别是增强细胞膜的渗透性。将通过使用超声波诱导微泡空化来形成细胞膜孔隙的现象称为声穿孔。研究表明，惯性空化活性超细气泡产生的声穿孔孔比稳定空化活性超细气泡产生的孔更大。声穿孔的孔有能力在毫秒到秒的范围内重新密封，这有助于膜渗透性恢复。已经观察到气体泡通过血液循环时会产生一个双相剪切应力波沿着细胞膜轴向相互作用。当剪切应力的方向改变时，产生的快速力动态可以显著压缩然后在特定位置扩张细胞膜并增强其渗透性。

3.4.6. 超细气泡和细胞相互作用的影响因子。

影响超细气泡与哺乳动物细胞相互作用的因素包括细胞和气泡的性质。Fan等人指出，当低弹性的细胞附近有振荡的气泡时，会产生更不对称的微流场，导致细胞膜受到更严重的变形。此外，他们还提出，当细胞弹性模量增加时，施加在细胞膜上的最大剪应力会迅速下降。

根据Guzman等人的研究，细胞浓度在调节“气泡到细胞”的距离方面起着重要作用。细胞密度的增加有助于缩短气泡和细胞之间的距离，从而促进它们之间的相互作用。这种距离还影响细胞的生存、脱离甚至凋亡，这是由于膜受损和使用可修复膜孔隙的巨分子摄取而导致的。这些细胞的生物效应也可能受到气泡扩张的剪应力或气泡内爆产生的喷射的影响。

还有报道称，确切的加载条件（即细胞表面剪应力的分布）、细胞膜的几何形状以及膜下胞浆的结构特征都会影响内皮细胞的应力状态。因此，细胞系模型也是决定气泡对细胞影响的不可或缺的因素。Ulatowski等人指出，人类白血病细胞的非粘附细胞系的生命周期受到超细气泡浮力效应的影响。由于其悬浮特性，它们可以被带到表面进行治疗。

此外，气泡的一个主要特征是可以直接影响气泡-细胞相互作用的装饰涂层或壳层。Man等人使用脂质涂层来研究细胞膜孔的形成，因为超细气泡的脂质层可以很容易地与脂质双层细胞膜融合。Bloch等人的另一项研究表明，在超声波的反应中，聚合物涂层的微泡没有明显地振荡。因此，由于缺乏剪应力和微流，细胞膜孔形成效果不佳。一些以前的研究还通过加热改变细胞膜的物理性质来说明温度对气泡-细胞相互作用的影响，因为一旦温度升高，膜更容易变形。

3.4.7. 超细气泡在活体动物中的应用。

在体内研究了超细气泡对哺乳动物细胞的影响。事实证明，氧气超细气泡可以通过使癌细胞对辐射更敏感而具有抑制癌细胞的作用。氧气超细气泡被检查为不影响携带肿瘤小鼠模型器官或引起其他副作用的放射治疗增敏剂。由于缺氧诱导因子1亚基α（HIF-1α）的影响，经过放射治疗后的癌细胞系往往变得对辐射具有抗性，HIF-1α是负责肿瘤细胞辐射抗性的因素。由于氧气超细气泡在培养基中的积累，HIF-1α的形成受到抑制；因此，肿瘤细胞对辐射的抗性降低。

氧气超细气泡还显示出通过在大鼠坐骨神经损伤模型中进行体内测试来治疗周围神经疾病的潜力。在背根神经节（DRG）神经元中，通过促进AKT磷酸化，氧气超细气泡可以刺激轴突生长，有助于SNC大鼠神经功能的恢复。

此外，超细气泡的安全性，特别是在体内研究中的安全性，对于研究将超细气泡用于日常消费的潜在应用至关重要。Morishita等人在健康小鼠中进行了为期3个月的氢气超细气泡生物学安全性研究，证实了与正常水组相比，氢气超细气泡水组的生长和食物摄入量略高。口服富含氢气的水是向身体供应氢气的最有效方法之一。然而，这种方法受到饱和点溶解氢气短半衰期的限制。在这种情况下，必须持续提供水。作为解决方案，可以使用氢气超细气泡水作为长期向身体提供氢气的方式，因为超细气泡可以持久存在。

四、结论。

从现有的科学文献中可以得出结论，超细气泡与细胞之间的相互作用是多样化且依赖于细胞类型的。超细气泡不仅由人类手动创建，而且在自然界中非常常见。如上所述，不同类型的细胞以不同的方式受到超细气泡的影响，从而导致不同的相互作用情景。因此，研究超细气泡如何影响细胞对于更好地控制各种应用中的细胞行为至关重要。对于细菌，已经证明超细气泡可以通过其内爆产生的自由基和冲击波抑制细菌的生长。相反，一些论文建议使用超细气泡促进细菌的生长和代谢，这取决于物种及其与气泡的接触时间。关于超细气泡杀菌效应背后的机制的进一步研究是非常需要的。在真菌种类的情况下，真菌/酵母的生长严重依赖于气泡气体核心的选择。例如，氧气超细气泡可以极大地促进香菇的增殖。另一方面，具有臭氧气体核心的超细气泡对细胞壁、脂质和蛋白质含量产生负面影响，导致同一蘑菇物种的生长速度变慢。由于附着在酵母膜上的疏水蛋白疏水性的特性，酵母在空气-水界面上的粘附和生长可以进一步研究。对于植物细胞来说，关于它们与超细气泡之间相互作用的研究大多是基于这两种相互作用的间接进行的。更具体地说，超细气泡通过产生活性氧物质（ROS）和质量传递现象对植物细胞表现出几种可观察的影响。高浓度的ROS已被观察到会在植物中引起氧化应激。然而，适量的这些物质可能会增强细胞壁松弛和细胞伸长基因的表达，这意味着细胞分裂可能会更有效地进行。还有报道称，超细气泡的存在可以抑制导致植物枯萎病的细菌的生长。

超细气泡气体核心的成分也是一个重要因素。据报道，氢气是一种选择性抗氧化剂，可以保护植物免受各种感染因子的影响。然而，溶解在水中的高浓度氢气可能会冲洗出植物发育所需的氧气量，导致缺氧。使用氧气气体核心的超细气泡可以提高溶解氧水平，导致溶液中许多类型的有毒重金属离子氧化释放。除了研究超细气泡对植物的间接影响外，还有一项研究表明了使用超细气泡进行植物细胞浮选的效率。然而，研究人员需要更多关注超细气泡与植物细胞之间的直接物理相互作用，以更好地理解它们之间的关系。此外，由于果胶是植物细胞最外层的主要组成部分，进一步研究果胶与超细气泡之间的相互作用也可能提供有关植物细胞在气泡上粘附的信息。最后，对于哺乳动物细胞来说，了解哺乳动物细胞与超细气泡之间的相互作用对于细胞生存和药物递送非常重要。这些气泡可以根据细胞与气泡之间的基本相互作用来影响细胞的物理和生物特性。此外，通过改变气泡的性质以及向相互作用环境施加不同的刺激，还可以提高相互作用效率。超细气泡可以通过引发几种物理相互作用来影响细胞的生命和增殖过程。它们可以通过改变一些细胞的生物活动来调节细胞膜的代谢过程。另外，尽管由于其小尺寸，超细气泡可以存在并悬浮相当长的时间，但超细气泡稳定性的机制尚未得到充分研究。根据不同的需求和条件（主要是在医疗领域），延长超细气泡存在的一种潜在研究方向是修改气泡表面。此外，通过研究尚未充分阐明所产生的气泡是否能够达到兼容的大小并在期望的时间内保持稳定的问题。在报道的 超细气泡生成方法中，流体动力学和声学空化方法可能在很短的时间内产生大量的超细气泡；然而，随着压力再次上升，它们是不稳定的。另一方面，剩余的空化技术需要强烈的能量来源，同时只能提供少量的气泡，阻止了它们在工业规模上的应用。通过电解或溶剂交换产生的超细气泡可以获得小于100纳米的大小；然而，这些气泡也会在短时间内迅速变形。同样重要的是，可以在空气-液体界面上进一步研究超细气泡的疏水-亲水特性。提供不同材料在气泡壳上的吸附可以改变电性质、疏水性和界面水结构，从而产生一些期望的气泡特性，包括可以控制或增强的气泡与表面的相互作用。