【摘 要】
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无线上网（Wireless Fidelity,Wi-Fi,也称无线保真或行动热点）因其覆盖范围广、传输速度快、无需布线等优势,已被广泛的应用于各类无线电电子设备的信号传输,成为环境电磁辐射的最大来源。近身接触的手机、人体域网、可穿戴电子设备或者笔记本电脑等移动电子产品发出的Wi-Fi信号辐射可以穿透手指和头面部较薄的皮肤肌肉到达骨组织,对骨细胞的主要功能造成潜在影响。长期以来,人们所关注的都是电磁
【基金项目】
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国家自然科学基金（项目批准号:61571155）； 国家/省部级重点实验室课题（JJ20130099）； 黑龙江省自然科学基金（项目批准号:QC2015126）；
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无线上网（Wireless Fidelity,Wi-Fi,也称无线保真或行动热点）因其覆盖范围广、传输速度快、无需布线等优势,已被广泛的应用于各类无线电电子设备的信号传输,成为环境电磁辐射的最大来源。近身接触的手机、人体域网、可穿戴电子设备或者笔记本电脑等移动电子产品发出的Wi-Fi信号辐射可以穿透手指和头面部较薄的皮肤肌肉到达骨组织,对骨细胞的主要功能造成潜在影响。长期以来,人们所关注的都是电磁辐射对器官、组织、机体的电磁效应生物实验的宏观性表面所展示的现象观察,缺乏微观的细胞层面的研究,而且在结果的分析和论述上对于实际上的“生物”——“电磁”效应之间设立了专业界限,往往分离为“生物”结果与“电磁”效应的两个不同的独立分析方法而导致结论的片面性,最终的研究结论无法全面解释生物电磁机理的实质。随着Wi-Fi信号辐射源、辐射强度、暴露时间、覆盖面积和覆盖密度的不断增加,Wi-Fi信号辐射的电磁生物效应已经成为不可忽视的问题,有必要从构成生物的基本单元——细胞为突破口,开展更深层次生物电磁效应方面的探索研究。本研究以日常应用最为广泛的2.4 GHz Wi-Fi信号作为电磁激励辐射源,从WiFi信号辐射的机理出发,以离体成骨细胞作为研究的生物基本单元,通过全波电磁仿真实验研究离体成骨细胞接受Wi-Fi照射后的辐射吸收量和温升状况,将生物电磁效应的理论研究与细胞离体实验观察研究有机结合,进行数据的比对和思维的交叉,以电磁仿真为依据,以实验为证据,以生物细胞电磁效应为机制,分析电磁辐射本质与生物现象之间的直接关系,揭示“热效应”、“非热效应”和“积累效应”三大生物电磁效应在Wi-Fi信号辐射引起的成骨细胞生物反应的内在实质,更加全面地认识细胞电磁效应的量变与质变关系。本文的主要内容概括如下:（1）从样本最佳能量耦合角度设计Wi-Fi辐射系统“类TEM小室”实验装置,明确基本物理参数并进行物理建模;结合时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain,FDTD）的全波电磁仿真原理和运算特点推导电磁波吸收比值（Specific Absorption Rate,SAR,或比吸收率）和温升值的计算公式,确定模型吸收边界条件与热交换边界条件;严格按照离体生物细胞样本标准进行成骨细胞生物建模,选择具有代表性的可量化的成骨细胞生物检测项。（2）利用FDTD仿真分析2.4 GHz电磁波的波特征与细胞皿的尺寸对细胞层SAR值的影响,证实了细胞皿的尺寸影响细胞层的能量耦合强度,电磁波的极化特性决定SAR值分布形态,60 mm细胞皿的细胞样本模型在垂直入射的2.4 GHz频率的平面波可获得最大能量耦合。对细胞培养箱内2.4 GHz Wi-Fi信号辐射成骨细胞的模型进行FDTD仿真,获得了细胞层电场值、SAR值和温升值及其分布。通过能量透射效率和细胞层温升模型仿真理论数值和实测值对比证实二者吻合较好。（3）通过对成骨细胞早期分化标志蛋白Runx2（Runt-related Transcription Factor 2或Cbfa1）和OSX（Osterix）、成骨细胞功能信号蛋白Eph B4和ephrin B2、氧化应激（Oxidative Stress,OS）指标氧自由基（Reactive Oxygen Species,ROS）和谷胱甘肽（Glutathione,GSH）、矿化结节染色等检测,发现了成骨细胞“非热效应”与Wi-Fi信号辐射时间和强度的依赖性,验证了非热效应的“积累效应”与电磁效应的生物反应程度之间的关系,证实2.4 GHz Wi-Fi信号辐射近距离、较高辐射强度、多次连续照射对成骨细胞分化、功能、矿化等主要功能的潜在影响。（4）通过对2.4 GHz Wi-Fi信号长时间、多次辐射成骨细胞的离体实验,证实Wi-Fi信号辐射是一种外源性氧化应激刺激源,“非热效应”多次照射的“累积效应”会加剧ROS的生成、降低细胞自身清除ROS的速度。运用药物梯度“干预法”证实维生素C可有效抑制2.4 GHz Wi-Fi信号辐射所引起的成骨细胞ROS的生成、促进GSH的生成、加快ROS的清除和减轻“积累效应”的不良生物影响。细胞培养箱单纯升温实验排除了细胞层“热效应”升温和辐射系统产热对实验结果的干扰,证实2.4 GHz Wi-Fi信号辐射引起的成骨细胞ROS的升高是“非热效应”作用结果。通过各细胞皿间ROS生成量对比分析的生物验证法证实系统辐射电磁场与生物组织相互作用均匀性较好。
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