Replacing monopolar pulse with bipolar pulses of the same energized time can minimize unnecessary neurological side effects during irreversible electroporation (IRE). An improved neural excitation model that considers dynamic conductivity and thermal effects during brain tumor IRE ablation was proposed for the first time in this study. Nerve fiber excitation during IRE ablation by applying a monopolar pulse (100 μs) and a burst of bipolar pulses (energized time of 100 μs with both the sub-pulse length and interphase delay of 1 μs) was investigated. Our results suggest that both thermal effects and dynamic conductivity change the onset time of action potential (AP), and dynamic conductivity also changes the hyperpolarization amplitude. Considering both thermal effects and dynamic conductivity, the hyperpolarization amplitude in nerve fibers located 2 cm from the tumor center was reduced by approximately 23.8 mV and the onset time of AP was delayed by approximately 17.5 μs when a 500 V monopolar pulse was applied. Moreover, bipolar pulses decreased the excitable volume of brain tissue by approximately 68.8 % compared to monopolar pulse. Finally, bipolar pulses cause local excitation with lesser damage to surrounding healthy tissue in complete tumor ablation, demonstrating the potential benefits of bipolar pulses in brain tissue ablation.

For nanosecond pulsed electric fields (nsPEFs) based application, the underlying transmembrane potential (TMP) distribution of the plasma membrane is influenced by electroporation (EP) of the plasma membrane and dispersion (DP) of all cell compartments and is important for predicting the bioelectric effects. In this study, we analysed temporal and spatial distribution of TMP induced by nsPEFs of various durations (3 ns, 5 ns unipolar, 5 ns bipolar, and 10 ns) with the consideration of both DP and EP. Based on the double-shelled dielectric spherical cell model, we used second-order Debye equation to characterize the dielectric relaxation of plasma membrane and nuclear membrane in the frequency domain and transformed the Debye equation into the time domain with the introduction of polarization vector, then we obtained the time course of TMP by solving the combination of Laplace equation and time-domain Debye equation. Next, we used the asymptotic version of the smoluchowski equation to characterize electroporation of plasma membrane and added it to our model to achieve the temporal and spatial distribution of TMP and pore density. Much faster and more pronounced increased in TMP can be found with the consideration of dielectric relaxation of plasma membrane and nuclear membrane, and much larger electroporated area of at least half of the plasma membrane was obtained with the consideration of both DP and EP. Through the simulation it is clearer to understand the relationship.

Heterogeneous Fenton technology was employed for the advanced treatment of Maotai-flavored Baijiu wastewater. Novel catalysts were prepared by loading different active ingredients (Mn, Fe, and Cu) on γ-Al2O3 using an impregnation method. The effects of active ingredient, reaction time, initial pH, H2O2 dosage, catalyst dosage, and other factors on the reaction were examined. The properties of the new catalysts were analyzed using BET analysis, XPS, and SEM. Moreover, the mechanisms of Fenton-like oxidation and its reaction kinetics were explored through experiments and analyses including GC–MS and intermediate active species scavenging by tertiary butyl alcohol (TBA) and/or para-benzoquinone. The results revealed that the most effective removal of organic matter was achieved with a Mn-Fe/Al (2:1 wt%) catalyst dosage of 30 g/100 g water, pH of 5.0, H2O2 dosage of 0.3 g/L, and reaction time of 60 min; the effluent COD value was 12 ± 1 mg/L, and the degradation rate was 65.7 ± 3%, approximately 14% higher than that of the conventional Fenton catalyst under similar conditions; moreover, the catalytic efficacy remained high after seven cycles. Kinetic analysis indicated that the heterogeneous Fenton oxidation reaction followed a third-order kinetics model, with R2 = 0.9923 and K = 0.0006 min−1.

Baffled flow constructed wetland-microbial fuel cell (BFCW-MFC) coupling systems were constructed with baffles embedded in cathode chamber. The performance of BFCW-MFCs operated at different hydraulic retention times (HRTs) was evaluated. At the representative HRT of 48 h, embedding 1 or 2 baffles (i.e., BFCW-MFC1 and BFCW-MFC2) produced 32.9 % (29.5 mW/m3) and 53.2 % (34.0 mW/m3) more power density than control system (22.2 mW/m3), respectively. Comparable organics biodegradation efficiencies were observed in BFCW-MFCs at the same HRTs. BFCW-MFC1 and BFCW-MFC2 had higher ammonium and total nitrogen removal efficiency. All systems had decreased nitrogen removal performance as shortening HRT from 72 to 12 h. Multiple nitrogen removal processes were involved, including ammonium oxidation, anammox, and heterotrophic and autotrophic denitrification. The predominant bacteria on electrodes were identified for analyzing bioelectricity generation and wastewater treatment processes. Generally, simultaneous wastewater treatment and bioelectricity generation were obtained in BFCW-MFCs, and embedding 1 or 2 baffles was preferable.

The electroporation mechanism could be related to the composition of the plasma membrane, and the combined effect of different phospholipids molecules and cholesterol contents on electroporation is rarely studied and concluded. In this paper, we applied all-atom molecular dynamics (MD) simulation to study the effects of phospholipids and cholesterol contents on bilayer membrane electroporation. The palmitoyl-oleoyl-phosphatidylcholine (POPC) model, palmitoyl-oleoyl-phosphatidylethanolamine (POPE) model and 1:1 mixed model of POPC and POPE called PEPC were three basic models. An electric field of 0.45 V/nm was applied to nine models including three basic models with cholesterol contents of 0%, 24%, and 40%. The interfacial water molecules moved under the electric field, and once the first water bridge formed, the rest of the water molecules would dramatically flood into the membrane. The simulation showed that a rapid rise in the Z component of the average dipole moment of interfacial water (Z-DM) indicated the occurrence of electroporation, and the same increment of Z-DM represented the similar change in the size of water bridge. With the same cholesterol content, the formation of the first water bridge was the most rapid in POPC model regarding the average electroporation time ( tep ), and the average tep of the PEPC model was close to that of the POPE model. We speculate that the difference in membrane thickness and initial hydrogen bonds of interfacial water affecting the average tep among different membrane composition. Our results reveal the influence of membrane composition on electroporation mechanism at the molecular level.

Abstract In this study, PM-EP induced by bipolar pulses with different intervals was investigated by all-atom molecular dynamics simulation. Firstly, PM-EP was formed during the positive pulse of 2ns and 0.5V/nm, then the effects of various intervals of 0, 1, 5, 10ns on PM-EP evolution were investigated, and the dynamic changes of different degrees of PM-EP induced by following negative pulses of 2ns and 0.5V/nm were analyzed. The elimination of the PM-EP during the interval of bipolar pulses were determined and it was related to the degrees of PM-EP and the time of intervals, then the degrees of PM-EP at the end of the intervals were classified and quantitatively defined, namely, Resealing, Destabilizing and Retaining state. These three states appeared due to the combined effect of both the preceding positive pulse and the interval. Furthermore, the evolution of PM-EP in resealing state under negative pulses was similar to that of positive pulses as evidenced by EP formation time and degree of PM-EP, the destabilizing state had the same trends as the resealing state except that the re-electroporation of phospholipid membrane appeared faster and larger degree of EP obtained with the same pulse exposure time. Regarding the retaining state, the negative pulses enhanced PM-EP with more profound water bridges, which can be considered as the effect of electric field superposition. These results can improve our understanding of the fundamental mechanism of bipolar pulse-induced PM-EP. Graphical Abstract Highlights Quantitative and qualitative definition of the three states of the phospholipid membrane electroporation at the end of the intervals. Clarification that the states of phospholipid membrane electroporation were generated due to the combined effect of positive pulses and intervals. Quantitative and qualitative comparison the evolution of the states of phospholipid membrane electroporation during the negative pulses.

Cells exposed to a pulsed electric field undergo electroporation(EP) and electrodeformation(ED) under electric field stress, and a coupled model of EP and ED of glioblastoma(GBM) taking into account Joule heating is proposed. The model geometry is extracted from real cell boundaries, and the effects of Joule heating-induced temperature rise on the EP and ED processes are considered. The results show that the temperature rise will increase the cell's local conductivity, leading to a decrease in the transmembrane potential(TMP). The temperature rise also causes a decrease in the dynamic Young's modulus of the cell membrane, making the cell less resistant to deformation. In addition, GBM cells are more susceptible to EP in the middle portion of the cell and ED in the three tentacle portions under pulsed electric fields, and the cells undergo significant positional shifts. The ED of the nucleus is similar to spherical cells, but the degree of ED is smaller.