Effects of electromagnetic field on immune logical traits of mice in wireless charging of electric vehicles
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摘要: 研究了电动汽车无线充电过程中电磁场对小鼠免疫特性的影响.72只小鼠随机分为对照组和处于线圈不同位置的a、b、c三个实验组，两线圈中心位置放置a组，X轴方向20 cm处放置b组，Y轴方向20 cm处放置c组.在充电频率为45 kHz、接收功率为22 kW环境下，每天全身暴露2 h，在1周、2周、4周后分别检测小鼠血清中IFN-γ、TNF-α、IL-12、IL-6、IgG含量和脾脏T细胞亚群（CD3+CD4+、CD3+CD8+）的变化，发现：1周后，c组与对照组、b组相比IL-6均有降低现象，c组与b组相比TNF-α有降低现象；2周后，a组与对照组相比TNF-α存在升高现象；4周后，a组、c组与对照组相比TNF-α均有降低现象，a组与对照组相比IFN-γ存在下降现象.以上变化均有显著性差异（P < 0.05），但各参数数值的升高和降低都在正常值范围内.1、2、4周后a、b、c三组及对照组之间IL-12、IgG含量和各脾脏T淋巴细胞指数均无显著性差异（P>0.05）.实验结果表明，该实验条件下，不同时段的不同实验组的小鼠免疫参数均在正常范围内，搭建的无线充电环境对小鼠免疫特性没有影响.Abstract: This paper studies the effects of electromagnetic field on immunological traits of mice in wireless charging of electric vehicles. Seventy-two mice are randomly divided into a control and a, b, c experimental groups in different positions of two coils. Group a is at the center of two coils, group b is placed in Y-axis at 20 cm, group c is placed in Z-axis at 20 cm. Experimental groups are exposed 2 h every day with charging frequency of 45 kHz and receiving power of 22 kW. Content change of IFN-γ, TNF-α, IL-12, IL-6, IgG in serum and T cell subsets (CD3+CD4+, CD3+CD8+) in spleen of mice were detected after 1 week, 2 weeks and 4 weeks. The results of the experiment are as follows:IL-6 of group c is less than control group and group b, TNF-α of group c is less than group b after the first week. Compared with the control group, TNF-α of group a is increases after the second week. After the fourth week, TNF-α of group c and group a are less than control, IFN-γ of group a is less than control. The changes above have Significant difference (P < 0.05). But increasing or decreasing number are within the normal ranges of each parameter. Content of IL-12, IgG and T lymphocytes call of spleens have no difference (P>0.05) in the first week, the second week and the fourth week among groups a, b, c and the control group. The experimental results show that the mice immune parameters of the experimental groups are within the normal ranges at different time under this experiment condition. Thus, the established wireless charging environment has no effect on the immunological traits of mice.
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Keywords:
- wireless charging system /
- electromagnetic safety standard /
- immunity /
- cytokines /
- antibody levels
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引言
电动汽车的出现改善了传统汽车能耗高、尾气排放不环保的问题[1], 受到广大消费者的认可, 而目前的电动汽车大多采用接触式充电, 易受到外界水与尘土干扰, 影响充电性能.充电桩的固定性及接口不统一, 充电电线的长短也会影响电动汽车的充电自由性.无线电能传输(wireless power transfer, WPT)的引入给汽车充电带来了更好的安全性能和更便捷的体验感.随着电动汽车无线充电技术的研究与发展, 在充电过程中对人体安全性的研究也逐渐展开.无线电能传输过程中的电磁生物安全, 是影响电动汽车无线充电大规模生产和使用的重要问题.
目前美国橡树岭国家实验室、日本东京大学、天津工业大学、东南大学等研究机构已经针对电动车无线充电系统线圈设计、传输效率和介质损耗等方面展开了研究, 充电性能能够达到相对理想状态[2], 但有关电磁生物安全方面的研究很少涉及.都灵理工大学对电动汽车动态供电系统中人体的电磁暴露进行评估[3], 文中提出最强磁场暴露条件下评估电磁场安全性的方法并应用于实验; 意大利拉奎拉大学[4]、河北工业大学[5]对无线充电电动汽车电磁安全进行了仿真研究, 实验结果皆证明充电过程对人体没有影响.天津工业大学[6]研究了电动汽车无线充电空间对大鼠血常规、血生化的影响, 实验表明实验组小鼠血常规、血生化指标均在正常范围内.
免疫系统是机体重要的生理系统, 机体的免疫系统和免疫器官对电磁波尤其敏感.研究发现[7]将小鼠置于1 mT、0.4 V/m的电磁场中, 持续60天, 实验发现血清中抗体水平IgG含量增加, 小鼠脾脏指数增加, 极低频电磁场对小鼠的免疫有增强作用.小鼠在微波2.45 GHz辐射条件下长时间暴露, 雄性小鼠出现脾脏指数和抗体浓度增加, 雌性小鼠并未发现异常[8].男性急性暴露在50 Hz磁场环境下24 h, CD3+、CD4+、B细胞的数量未发现显著性差异[9].大鼠长时间暴露在50 Hz的脉冲电磁场下, 会导致大鼠抗体水平IgG的下降, 造成脾脏氧化损伤[10].也有相关研究提到极低频(5 Hz)磁场对小鼠免疫有增强作用[11].上述所涉及到的免疫方面的研究, 无法评估电动汽车无线充电过程中电磁环境对生物免疫特性的影响.
根据国际非电离辐射防护委员会(The International Commission for Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP)2010年制定的《ICNIRP导则》[12], 充电频率为3 kHz~10 MHz, 公众暴露磁场环境中磁感应强度的安全导出限值应不超过27 μT.我国制定的GB 8702-2014电磁环境控制限值为2.9~57 kHz, 公众暴露磁场环境中磁感应强度的均方根值应不超过12/f μT[13], 在电动汽车充电频率内, ICNIRP准则磁感应强度是GB8702-2014标准的225倍, 其原因是GB8702-2014发布前没有考虑到无线充电的实际充电情况.而实际上电动汽车在大功率无线充电条件下, 电磁感应线圈周围的磁感应强度会超过ICNIRP安全限值, 且随充电功率的增大, 安全距离会减小.当人体暴露于充电线圈周围的磁感应强度较高区域时, 有可能对人体健康形成未知影响.由此, 在电动汽车大功率无线充电过程中, 对电磁场暴露的生物安全做出评估是非常有必要的[14].
本论文研究的主要目的是探究电动汽车无线充电过程中产生的电磁场暴露对小鼠免疫特性的影响.构建了电动汽车无线充电系统, 在发射线圈与接收线圈的不同位置放置小鼠, 测量4周内小鼠在不同暴露位置下的相关免疫参数, 评估电动汽车无线充电过程中电磁场暴露对小鼠免疫特性的影响.该研究不仅为电动汽车无线充电的应用提供了可靠数据, 也有利于无线电能传输技术的推广与发展.
1 材料和方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物
本实验研究选取72只健康BALB/c小鼠, 均为雌性, 维通利华实验动物有限公司购买, 体重17.4±1.4 g, 实验动物年龄为6~8周. 72只小鼠随机分为对照组和a、b、c实验组.实验期间为小鼠提供新鲜空气、水质和恒定温度(26±2 ℃)环境, 定期给笼内消毒, 小鼠每天自由进食.
1.1.2 主要试剂和仪器
小鼠CD3、CD4、CD8抗体试剂盒(欣博盛生物科技有限公司); IgG试剂盒(欣博盛生物科技有限公司); 高速离心机(sigma-aldrich有限公司产品); 流式细胞仪(Becton Dickinson and Company产品); HITACH7200全自动生化分析仪(日本日立公司); 德国Maschek Elektronik电磁辐射检测仪, 型号为EMS100+.
1.2 方法
1.2.1 实验装置与测量
本研究搭建了磁耦合谐振式电动汽车无线充电平台, 无线充电接收功率设置为22 kW, 电磁谐振频率为45 kHz, 发射线圈与接收线圈均为80 cm×60 cm的矩形基板, 间距20 cm, 如图 1所示.为了保证测量结果的准确性, 电磁场强度的测量工具选用三轴各向同性高频场强探头, 探头直径不超过13 cm.电磁辐射仪的测量频率范围为55 Hz~400 kHz, 三维电磁场探头同时测量, 测量过程操作简单直观, 误差范围±5%, 可以长时间测量.经过三维电磁辐射仪测量, 线圈中心位置a的平均磁场强度为5 mT, 线圈X方向20 cm处位置b的平均磁场强度800 μT; 线圈Y方向20 cm处位置c的平均磁场强度600 μT.
1.2.2 实验设计
实验根据线圈位置分为a、b、c以及对照组.每组18只小鼠, 每天固定时段对a、b、c小组小鼠进行2 h电磁场暴露, 同时对照组以同样方式放入另一无线充电设备环境中2 h, 但不开启充电设备.暴露组实验装置如图 2所示, 实验1周后每组随机挑选6只小鼠进行解剖分析, 再在相同条件下继续进行实验, 在2周、4周后随机挑选6只小鼠进行解剖分析.
1.2.3 测定各细胞因子水平
小鼠在电磁环境暴露一定时间后(1周, 2周, 4周), 将各只小鼠称重, 眼球静脉丛取血, 血液放于抗凝管, 离心机3 500 r/min、10 min离心处理, 用微量移液器吸取上层血清, 分为两份后存-20 ℃冰箱, 分别用于细胞因子测试和抗原水平测定.严格按试剂盒说明书测定各类血清细胞因子和抗体水平含量值.
1.2.4 制备脾脏T淋巴细胞
解剖小鼠后, 将小鼠脾脏迅速置于4 ℃的PBS溶液中, 后在细胞筛内研磨成单细胞悬液, 用细胞筛过滤至离心管, 得到单细胞混悬液.离心, 用PBS缓冲液洗2次, 分成几份后分别加入含有CD3、CD4、CD8三种抗体的PBS溶液, 并放置于4 ℃冰箱静置30 min.用PBS缓冲液洗2次, 最后用4%多聚甲醛固定细胞, 并用细胞流式仪上机测试, 检测小鼠脾脏T淋巴细胞数量.
1.3 统计学分析
所有数据采用GraphPad.Prism软件进行分析, 对小鼠体重的统计方法采用重复测量方差分析(repetitive measurement deviation of analysis).相同时间段内实验组与对照组之间除电磁场强度这个因素以外, 保持其他因素不变, 故在数据分析中采用单因素方差分析(one-way-analysis of variance)来评价相同暴露时间下的统计学差异(P < 0.05表示有统计学差异).文中数据均以“均数±标准误差”表示测量结果, 样本值n=6.
2 实验结果
2.1 对小鼠体重的影响
研究发现4周内磁场对小鼠体重变化的影响如图 3所示, 小鼠体重在各组之间没有显著性差异(P>0.05).实验说明无线充电过程中电磁场对小鼠的体重没有影响.
2.2 对小鼠血清中细胞因子的影响
2.2.1 对IFN-γ的影响
不同暴露时间解剖小鼠后, 1周、2周后解剖各组小鼠IFN-γ含量没有差异, 暴露4周后, a组IFN-γ相比对照组有下降趋势, 但都在正常范围内, 相同时间段内各组均没有显著性差异(P>0.05), 如图 4所示.
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图 4 无线充电电磁环境对IFN-γ的影响*表示相对的组存在显著差异(P < 0.05)Fig. 4 Effects of IFN-γ in wireless charging system2.2.2 对IL-6的影响
1周暴露之后c组与对照组、b组相比IL-6均有显著性降低现象, 但都在正常值范围内, 其余各组之间没有统计学差异(P>0.05), 如表 1所示.
表 1 无线充电系统对IL-6含量的影响Tab. 1 Effects of IL-6 in wireless charging systempg·ml-1 实验组别 1周 2周 4周 对照组 12.63±0.98 11.37±0.59 11.06±0.48 a组 11.54±1.09 11.53±0.38 10.53±0.61 b组 12.63±0.49 10.76±0.48 10.76±0.48 c组 10.76±0.951)3) 10.76±0.48 10.61±0.69 注:1)与对照组比较, P < 0.05;2)与a组比较, P < 0.05;3)与b组比较, P < 0.05 2.2.3 对TNF-α的影响
1周暴露之后c组与b组相比TNF-α含量存在降低的现象; 2周后, a组与对照组相比TNF-α含量存在升高的现象; 4周后, a组、c组与对照组TNF-α均有降低现象, 但都在正常范围内.其余各组之间均没有统计学差异(P>0.05), 如表 2所示.
表 2 无线充电系统对TNF-α的影响Tab. 2 Effects of TNF-α in wireless charging systempg·ml-1 实验组别 1周 2周 4周 对照组 3.28±0.11 2.94±0.20 3.07±0.08 a组 3.29±0.21 3.16±0.071) 2.86±0.111) b组 3.49±0.14 3.01±0.07 2.94±0.12 c组 3.16±0.113) 2.98±0.11 2.84±0.191) 注:1)与对照组比较, P < 0.05;2)与a组比较, P < 0.05;3)与b组比较, P < 0.05 2.2.4 对IL-12的影响
通过分析, 4周内各组小鼠IL-12含量都处于正常水平, 各组间小鼠IL-12含量均无统计性差异(P>0.05), 如图 5所示.
2.3 对抗体水平的影响
通过分析, 各组小鼠在各时间段IgG含量均无统计性差异(P>0.05), 如图 6所示.
2.4 对脾脏各T淋巴细胞亚群的影响
通过分析, 暴露1周与2周后各组CD3+CD4+、CD3+CD8+T细胞以及CD4/CD8抗原比值没有差异, 4周分群图及数据结果如图 7所示.a组与对照组相比CD3+CD8+有升高, b、c组小鼠脾脏中的CD3+CD4+、CD3+CD8+T细胞以及各组CD4/CD8抗原比例均在正常范围之内, 且各组之间没有显著性差异(P>0.05).通过图 8可知实验各组检测参数是可信的.
3 结论
在1周与2周暴露结束后的检测中IFN-γ各组含量均没有差异, 在4周暴露后a组与对照组相比IFN-γ存在下降现象.虽IFN-γ含量都在正常范围内, 但无法推测在更长的暴露时间下小鼠体内的IFN-γ含量的变化情况.在1周后, c组与对照组、b组相比IL-6有降低现象, 第1周b组与c组之间有最小P值为0.018 8, 在第2周到第4周, c组相比对照组、a组, IL-6的含量并没有明显差异, 说明IL-6对无线充电空间电磁场比较敏感, 机体免疫自动修复后能回到一定水平.在检测TNF-α发现, a组与对照组在1周暴露后没有发现差异, 2周后出现升高趋势, 4周后出现降低趋势; c组相对b组在1周后出现差异, 2周后差异消失, 在4周后相对对照组出现降低, 但数值在正常范围内.表明小鼠在充电环境内能进行自我免疫调节, 使TNF-α维持在正常的水平范围. 1周后检测CD3+CD8+、CD3+CD4+以及CD4/CD8抗原比值均没有差异; 2周后检测a组与对照组相比, CD3+CD8+细胞有上升现象; 在4周a组与对照组这种差异消失, 其他组CD3+CD8+、CD3+CD4+以及CD4/CD8抗原比值均没有差异.四周实验结果均显示IL-12含量、抗体水平IgG浓度在实验各时间段各组间均没有差异, 第4周b组与c组之间有最大P值为0.964 8, 表明无线充电环境对小鼠IL-12、IgG无影响.小鼠体重在各周暴露后也没有显著性差异.
本研究采用45 kHz, 22 kW的磁耦合谐振无线充电设备, 选取最高5 mT磁场强度, 将小鼠处于线圈不同位置、在不同暴露时间下, 测量了小鼠体重、脏器系数、4个细胞因子(IFN-γ、TNF-α、IL-12、IL-6)、总抗体水平以及脾脏主要T淋巴细胞和抗原数量.实验表明, 在45 kHz, 22 kW环境下充电, 小鼠的各免疫指标均在正常范围内, 小鼠免疫功能没有受到显著影响.本实验对小鼠的暴露时间为4周, 实验结果不能推测小鼠的免疫特性与暴露时长有关.无线充电电磁场暴露环境对于免疫方面是否有影响, 还需要进一步的探索.
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图 4 无线充电电磁环境对IFN-γ的影响
*表示相对的组存在显著差异(P < 0.05)
Fig. 4 Effects of IFN-γ in wireless charging system
表 1 无线充电系统对IL-6含量的影响
Tab. 1 Effects of IL-6 in wireless charging system
pg·ml-1 实验组别 1周 2周 4周 对照组 12.63±0.98 11.37±0.59 11.06±0.48 a组 11.54±1.09 11.53±0.38 10.53±0.61 b组 12.63±0.49 10.76±0.48 10.76±0.48 c组 10.76±0.951)3) 10.76±0.48 10.61±0.69 注:1)与对照组比较, P < 0.05;2)与a组比较, P < 0.05;3)与b组比较, P < 0.05 
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表 2 无线充电系统对TNF-α的影响
Tab. 2 Effects of TNF-α in wireless charging system
pg·ml-1 实验组别 1周 2周 4周 对照组 3.28±0.11 2.94±0.20 3.07±0.08 a组 3.29±0.21 3.16±0.071) 2.86±0.111) b组 3.49±0.14 3.01±0.07 2.94±0.12 c组 3.16±0.113) 2.98±0.11 2.84±0.191) 注:1)与对照组比较, P < 0.05;2)与a组比较, P < 0.05;3)与b组比较, P < 0.05
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