强电场可用于在生物膜中产生孔隙。该方法称为电穿孔。有针对性地诱导膜中的这种缺陷是医学和生物技术中的一项重要技术，也是食品处理中的一项重要技术。

由法国里昂高等师范学院的Carlos Marques博士和弗莱堡大学生理学研究所的Jan Behrends教授领导的法德研究小组现在收集的数据对几十年来被接受为这种机制的标准模型产生了根本性的怀疑。

“这对该领域的理论构建和数值模拟来说是一个挑战，”Marques说。研究结果现已发表在《美国国家科学院院刊》上。它们可以帮助改善细胞中活性物质的运输。

治疗物质通过电孔进入细胞

超过一定强度的直流电场会破坏脂质的组织，脂质状分子在双层中形成生物膜的基本结构，堆叠在一起形成一种液晶。由此产生的电孔通常只能在很短的时间内稳定，允许周围介质中的水和溶质(例如药物或其他活性物质，包括RNA或DNA)进入细胞。

由于双层脂质非常薄，尺寸仅为百万分之五毫米，因此无需施加非常高的电压来产生非常高的场强(伏特/米)。因此，即使在膜上0.1伏的电压下，场强也是每米20万伏。例如，在空气中，火花放电已经以每米三百万伏特的速度发生。

但是，它必须是直流电压;兆赫兹-千兆赫兹范围内的交流电场(例如手机产生的交流电场)不会引起毛孔。虽然技术已经成熟，但仍需要优化细胞膜的电穿孔以用于各种目的，例如引入基因治疗的遗传物质。为此，准确了解电场作用下孔隙形成的机制非常重要。

几乎没有实验验证的标准模型

1970年代电穿孔的标准理论模型假设电场对脂质施加压力，从而增加孔隙形成的可能性。

然而，到目前为止，对该模型的实验验证很少。首先，由于难以直接检测电孔的形成，其次，由于必须进行大量此类实验才能得出统计上站得住脚的结论。这是因为，与蛋白质形成的孔相比，电孔表现出非常多样化，不那么刻板的行为。

离子电流的电测量是一种能够以高精度和高时间分辨率检测孔隙形成的方法。离子是所有生物体液中存在的盐的带正电荷或负电荷的成分，因此存在于细胞内外。它们实际上无法穿透完整的膜，但是一旦打开孔，它们就会在电场中通过它。

这种带电粒子的传输可以用高灵敏度的放大器测量为几十亿分之一到百万分之一安培的微小电流。为此，人造脂质双层通过直径约0.1毫米的微小开口在薄特氟龙层中形成，并放置在两个电极之间。这种膜形成技术极易失效——一次只形成一个膜，很容易破裂，尤其是在电压较高的测试期间。

创建脂质层的新方法

在他们的实验中，研究小组使用了一个具有许多开口的微芯片，通过该芯片，可以使用简化的程序非常快速和重复地生成更稳定的脂质层。这种所谓的微电极腔阵列(MECA)由Jan Behrends的研究小组开发，并由2014年成立的弗莱堡初创公司Ionera Technologies GmbH生产和商业化。

在该装置的帮助下，斯特拉斯堡大学查尔斯·萨德隆研究所的博士候选人Eulalie Lafarge和弗莱堡研究小组的Ekaterina Zaitseva博士现在可以在相对较短的时间内产生数百条膜，并测量和量化孔的形成作为直流电场强度的函数。

结果表明，与旧标准模型的预测相反，孔隙形成的能垒不随场强的平方而减小，而是与场强成正比。换句话说，场强加倍只会将能量屏障减少一半，而不是四倍。这表明了一种根本不同的机制：由于电场中水分子的重新定向，脂质和水之间的界面不稳定。

还研究了氧化膜

这一结果也证实了脂质被不同程度氧化的膜。这很有趣，因为脂质氧化是调节细胞膜功能的自然过程，在生物体的自然衰老中发挥作用，也可能在帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病中发挥作用。

“特别是考虑到这个主题的医学意义，我们希望进一步研究它，也包括光学方法，以便真正理解这一重要现象，”Behrends说。