目前，治疗癌症最常见的方法——手术、化疗和放疗——都有很大的风险。一种潜在的更安全的替代方法是电化学治疗(EChT)，它使用直流电来消除恶性肿瘤。然而，在这项技术被广泛使用之前，医生需要更好地了解破坏机理，以便制定剂量规划策略。

　　电化学肿瘤治疗的优势和挑战

　　与其他治疗方法相比，EChT具有几个潜在优势:

　　   1.安全

　　   2.有效性

　　   3.局部效应

　　   4.最小侵入性

　　此外，这种技术可以治疗许多传统方法无法治疗的肿瘤(良性和恶性)，例如不能手术的肿瘤以及对化疗或放疗无反应的肿瘤。

　　EChT显示出作为癌症患者肿瘤切除方法的前景。图片由医学博士彼得沃尔夫从生物癌症治疗的创新，病人及其亲属指南，自然疗法2008年，ISBN 978-3-9812416-1-7。根据许可抄送-服务协议3.0，通过维基共享空间。

　　EChT的另一个好处是它是一个相当简单的过程。简而言之，将两个或多个电极插入(或靠近)肿瘤组织，并施加直流电。电流在阳极产生氧气和氯气，在阴极产生氢气。肿瘤中的这些电化学反应使含有盐水的组织在阳极和阴极附近分别呈酸性和碱性。然后肿瘤细胞被新的极端酸碱度迅速破坏。

　　是什么阻止了EChT成为一种常见的肿瘤治疗方法?一个主要障碍是围绕这种方法的不确定性，尤其是确切地说怎么组织被破坏了。例如，科学家知道，氧的释放(产生正氢离子)和氯的产生(通过水解)在阳极。然而，这些反应中的每一种都起着什么作用，以及它们如何有助于肿瘤的根除还不清楚。

　　如果不更好地理解肿瘤的破坏机制，就很难制定有效的肿瘤治疗剂量规划策略。为了获得所需的洞察力，一种选择是使用COMSOL Multiphysics软件和以下附加产品之一研究EChT:

　　   1.电池和燃料电池模块

　　   2.腐蚀模块

　　   3.电化学模块

　　   4.电沉积模块

　　让我们看一个简单的例子，评估EChT过程中阳极附近发生的电化学反应。

　　用COMSOL多物理模拟EChT

　　本例由肝脏肿瘤组织内的电极组成。由于旋转对称，该模型被简化为1D轴对称，并且只关注阳极附近发生的传输和反应(析氧和氯生成)。因此，只有三种物种被考虑:

　　   1.氢

　　   2.氯

　　   3.钠

　　肝脏、肿瘤组织和阳极示意图。

　　要模拟这些物种的运输，首先需要添加三次电流分布界面。这个物理界面使你能够模拟所有物种通过肿瘤的运动，假设肿瘤发生在阳极和阳极之间。它还可以说明物种迁移的重要方面，包括不同的扩散率、浓度和迁移率(有关所涉及方程的详细信息，请参见肿瘤电化学治疗教程)。

　　对于电解质，您可以手动输入扩散系数，也可以从材料中输入扩散系数，并从能斯特-爱因斯坦关系。

　　然后，您可以使用内置的电极表面描述阳极表面氯和氧的析出以及由此产生的通量的特征。(钠不参与电极反应。)

　　该模型的另一个重要方面是电流密度，因为它影响物种的迁移，也受附近浓度的影响。例如，高电流密度会在电极附近产生大量氢离子。然而，电流密度在整个EChT中并不保持不变，所以产量也不是恒定的。相反，电流密度缓慢下降，质子从电极表面扩散到浓度较低的区域。

　　要描述反应的变化电流密度，可以添加电极反应特征，然后包括基于诸如交换电流密度、阳极和阴极转移系数以及还原和氧化物种表达式等参数的浓度相关动力学表达式。

　　电极反应是用浓度相关的动力学表达式来定义氯的。

　　深入了解肿瘤组织的电解

　　首先在结果中，你可以看到反应需要多长时间才能降低到足以开始破坏肿瘤的酸碱度(根据实验和理论发现，等于或低于2)。在这个例子中，大约3000秒后，该水平变成适当的酸性。

　　EChT过程中不同时间步长的酸碱度图。

　　您还可以检查阳极附近氢离子(上图下方)和氯化物(下图下方)的浓度水平，因为这样可以深入了解它们的迁移情况。氢离子的最大浓度发生在离阳极很短的距离处，这是由于电中性条件，因为氯离子在阳极附近耗尽。至于氯化物，靠近阳极的浓度稳步下降。这导致氯化物产量下降，进而导致更高的析氧率。

　　组织中氢(顶部)和氯(底部)在不同时间步长的浓度。请注意，这些图像仅显示距离阳极0.02米的浓度。

　　您可以通过将总电流密度、氧气释放量和氯气产生量绘制在一起来评估它们之间的相互关系，如下所示。这里，当电极表面的氯化物浓度下降时，其产生的浓度过压增加，并导致总电流密度急剧下降。然而，如前所述，氯化物产量很快下降，而氧气释放量增加，导致电极电流密度缓慢但稳定地上升。

　　EChT期间的总电流密度、氯气产量和氧气释放量。

　　正如这个简单的例子所证明的，生物医学科学家可以使用数学建模来学习更多关于EChT的力学，这可以帮助他们开发剂量规划方法。该模型的扩展可以包括阴极的反应或研究不同电压的影响。