纳秒脉冲电场(nsPEF)可以通过诱导细胞凋亡而使肿瘤组织缩小甚至消失,对于肿瘤治疗具有特别重要的意义。但是由于脉宽过窄,为了保证疗效必须提高脉冲幅值,高场强容易导致组织的沿面放电和肌肉收缩,严重影响了治疗过程中的电气安全性。具有优异电学特性的准一维纳米材料多壁碳纳米管(MWCNTs)已经被证明可以提高脉冲电场的生物电效应,nsPEF与MWCNTs在肿瘤治疗中的联合应用有望显著降低外加电场,从而提高治疗过程中的电气安全性。为了对后续开展机理研究时选择脉冲参数提供必要的参考依据,本文通过实验和仿真开展了低强度nsPEF联合MWCNTs对癌细胞杀伤效果的剂量效应研究。首先,通过CCK-8检测方法在确定MWCNTs安全浓度的基础上研究了nsPEF联合MWCNTs影响离体A375细胞活性的剂量效应,基于logistic模型利用一元非线性回归分析方法建立了细胞活性与场强E、脉宽τ、脉冲个数N等单因素以及多因素间的定量函数关系。结果表明细胞活性随单一脉冲参数的变化整体呈现剂量越大,活性越低的规律。细胞活性随场强、脉宽的变化具有阈值效应(S型变化),但是随脉冲个数却没有明显的阈值效应(指数型变化),并且随单一脉冲参数的变化都呈现饱和效应。细胞活性随脉冲能量密度σE~2τN的增加呈现S型下降。其次,在细胞活性实验的基础上通过Annexin V/PI染色法研究了低强度nsPEF联合MWCNTs对癌细胞凋亡坏死率的影响,分析造成细胞活性下降的内在机制。结果表明,细胞凋亡率和坏死率随场强、脉宽、脉冲个数的增加而增加,从而导致细胞活性的降低。最后,通过COMSOL软件建立球形单细胞五层介电模型,仿真分析了加入MWCNTs后不同纳秒脉冲参数对细胞内外膜穿孔特性的影响。结果表明,当场强或者脉宽低于一定阈值时,nsPEF对细胞内外膜的穿孔特性几乎无影响,而超过这一阈值后,场强或脉宽的增加都会增强内外膜的电穿孔效应。脉冲个数越多,细胞内外膜的穿孔状态维持时间越久,膜穿孔通量越大,导致内外物质的交换越充分,细胞死亡率越高。仿真结果与细胞实验结果体现出来的变化规律基本一致。细胞实验及仿真结果表明,MWCNTs的引入不影响上述变化规律,但是可以显著增强nsPEF对肿瘤细胞的杀伤效果和电穿孔效应,并且增强机制是基于其尖端集电效应,可以畸变增强局部电场。加入MWCNTs后可以在发挥nsPEF诱导肿瘤细胞凋亡的优势前提下提高其杀伤效果以及电气安全性,具有重要的意义。