Araştırmacılar, kablosuz biyosensörlerin MHz düzeyindeki klasik LC rezonansına bağımlılığını azaltmak amacıyla iyonik hareket ile elektronik rezonansı doğrudan eşleştiren WiLECS adlı bir platform geliştirdi. Sistem; kitosan matris içine yerleştirilmiş kolin-malat iyonik sıvı, 2-merkaptoetanol ile işlevselleştirilmiş altın nanoparçacıklar ve esnek bir LC anten yapısını birleştiriyor. Basınç uygulandığında altın nanoparçacıkların çevresinde hidrojen bağlarıyla tutulan iyonların serbest kalması, elektrik çift tabakası kapasitansını değiştiriyor; bu değişim de LC devresinin rezonans frekansına aktarılıyor. Böylece sistem 1 MHz'in altında kablosuz çalışabiliyor. HD-ME iyon jelinde basınca bağlı gevşeme süresi değişimi %51,8 olarak ölçülürken CS+IL iyon jelinde bu değişim %21,1 oldu; HD-ME basınç sensörü ayrıca 17,36 kPa⁻¹ duyarlılık gösterdi. Yapay arter modelindeki kablosuz ölçümlerde HD-ME tabanlı sistemin sinyal-gürültü oranı 78 dB olarak bildirilirken geleneksel CS polimer jel sensörü için değer 15 dB olarak verildi.

Çalışmanın ana yeniliği yalnız düşük frekansta çalışması değildir. Temel mekanizma, basıncın doğrudan iyonların tutulma ve serbest bırakılma durumunu değiştirmesi ve bu iyonik değişimin elektronik rezonansa bağlanmasıdır. Araştırmacılar bu mekanizmayı FTIR, Raman, elektrokimyasal ve dielektrik ölçümler; basınca bağlı kapasitans deneyleri; elektromanyetik simülasyonlar ve yapay arter düzeneğiyle farklı ölçeklerde incelemiştir.

Bununla birlikte çalışma insanlarda gerçekleştirilmiş bir klinik kan basıncı deneyi değildir. Kan basıncı gösterimi, balon kateter kullanılarak oluşturulan yapay arter modelinde gerçekleştirilmiştir; doku üzerinden kablosuz aktarım değerlendirmesinde ise 7 mm kalınlığında domuz derisi kullanılmıştır. Bu nedenle sonuçlar, insanlarda uzun dönem implantasyon başarısı veya klinik kan basıncı ölçüm doğruluğu kanıtı olarak yorumlanmamalıdır.

Türkiye açısından ne ifade ediyor?

Çalışma Türkiye'de yürütülmemiştir ve Türkiye'deki hastalar, klinik ortamlar veya sağlık sistemi üzerinde doğrudan doğrulama içermemektedir. Bununla birlikte düşük frekanslı, bataryasız veya pasif kablosuz biyosensör araştırmaları açısından yöntem; biyomedikal elektronik, esnek sensör, implant edilebilir cihaz ve iyonik malzeme geliştiren araştırma grupları için teknik bir yaklaşım sunmaktadır. Türkiye'de gerçek bir tıbbi uygulamaya aktarılabilmesi için insan anatomisi, gerçek damar dokusu, uzun süreli biyouyumluluk, paketleme, sterilizasyon, mekanik dayanıklılık ve klinik ölçüm doğruluğu gibi unsurların ayrıca doğrulanması gerekir. Bu çalışma bunları doğrudan test etmemektedir.

Araştırmanın temel problemi nedir?

Pasif kablosuz biyosensörlerin önemli bir bölümü indüktör-kondansatör, yani LC rezonatör mimarisine dayanır. Böyle bir sistemin rezonans frekansı indüktans ve kapasitans tarafından belirlenir. Geleneksel dielektrik kondansatörlerin kapasitansı sınırlı olduğunda uygun rezonansın elde edilebilmesi için sistemin daha yüksek frekanslarda çalışması gerekir.

Araştırmacılar bu mimarideki sorunu yalnız anten geometrisini değiştiren bir elektromanyetik tasarım problemi olarak ele almak yerine, kondansatörün fiziksel çalışma mekanizmasını değiştirmeyi hedefledi. Klasik dielektrik kapasitans yerine iyonların elektrot yüzeylerinde oluşturduğu yüksek elektrik çift tabakası kapasitansı (electric double layer, EDL) kullanıldı.

Böylece sensörün mekanik uyarıya verdiği cevap, yalnız iki elektrot arasındaki mesafenin veya dielektrik geometrisinin değişmesine bağlı olmaktan çıkarılarak iyon hareketinin kendisine bağlandı.

WiLECS nasıl çalışıyor?

WiLECS sisteminin algılayıcı bölümü kitosan temelli bir iyon jelinden oluşuyor. Jel içinde kolin-malat iyonik sıvısı [Ch]⁺[Ma]⁻ bulunuyor. Sisteme ayrıca yüzeyi 2-merkaptoetanol (ME) molekülleriyle işlevselleştirilen altın nanoparçacıklar (AuNP) ekleniyor.

İşlevselleştirilmiş nanoparçacıklar yalnız dolgu maddesi olarak görev yapmıyor. Araştırmanın mekanizma önerisine göre bunların yüzeyindeki fonksiyonel gruplar iyonik sıvıyla hidrojen bağları kurarak iyonları belirli bölgelerde tutuyor.

Basınç uygulanmadan önce bu iyonların hareketliliği sınırlandırılıyor. Basınç uygulanmasıyla jel matrisi ile nanoparçacık arasındaki mekanik özellik farkı nedeniyle arayüzde gerilim yoğunlaşıyor; hidrojen bağlarının zayıflamasıyla bazı iyonlar serbest kalıyor ve uygulanan elektrik alan altında elektrotlara doğru göç edebiliyor.

Elektrot arayüzündeki serbest iyon sayısının artması daha güçlü bir elektrik çift tabakası oluşturuyor. Bunun sonucu kapasitans değişiyor ve LC rezonatörün rezonans frekansı kayıyor.

Elektrik çift tabakası neden önemli?

Klasik kapasitif basınç sensöründe ölçüm çoğunlukla dielektrik tabakanın sıkışması, elektrotlar arası uzaklığın değişmesi veya yapı geometrisinin deformasyonu üzerinden gerçekleşir. WiLECS'te ise araştırmacılar iyonların elektrot arayüzüne taşınması sonucunda ortaya çıkan EDL kapasitansını kullanmaktadır.

Düşük frekansta iyonların hareket edebilmesi için daha uzun zaman bulunduğundan iyonik sistemin kapasitansı belirginleşir. Araştırmada frekans düştükçe CS+IL iyon jelinde EDL kapasitansının yükseldiği gösterilmiştir.

HD-ME sisteminde ise önemli olan başlangıçta olabildiğince çok iyonu hareketten alıkoymak, ardından basınç geldiğinde bunların serbest kalmasını sağlamaktır. Bu nedenle HD-ME jelinin başlangıç kapasitansı daha düşük olmasına rağmen basınç altında kapasitans değişimi daha büyüktür.

LC rezonansı ile iyon hareketi nasıl bağlanıyor?

Araştırmada rezonans frekansı aşağıdaki ilişkiyle ifade edilmektedir:

\[ f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} \]

Burada:

• f₀: LC devresinin rezonans frekansıdır.
• L: antenin indüktansıdır.
• C: iyonik sensörün kapasitansıdır.

Çalışmada rezonans frekansı değişimi ayrıca şu biçimde verilmiştir:

\[ \Delta f_0=\frac{\Delta C}{4\pi\sqrt{LC^3}} \]

Kaynak denklemindeki gösterim burada aynen korunmuştur. Çalışmanın bazı grafiklerinde frekans kayması −Δf₀ biçiminde sunulduğundan işaret konvansiyonu ile kaymanın büyüklüğü birbirinden ayrılmalıdır. Bu nedenle denklem, dışarıdan türev alınarak sessizce değiştirilmemiştir.

Fiziksel olarak WiLECS açısından kritik bağlantı şudur: basınç → iyon serbestleşmesi → EDL kapasitans değişimi → LC rezonans frekansı değişimi.

İyon jelinin bileşimi nasıl seçildi?

Temel polimer olarak kitosan kullanıldı. Kolin-malat iyonik sıvısının miktarı artırıldıkça mobil iyon sayısının ve dolayısıyla EDL kapasitansının arttığı gözlendi. İyonik sıvı aynı zamanda kitosan matrisinde plastikleştirici etkisi oluşturarak elastik modülü düşürdü.

Bununla birlikte iyonik sıvı içeriği %50 ağırlık oranını geçtiğinde iyon sızıntısı meydana geldi ve düzgün jel oluşumu bozuldu. Araştırmacılar bu nedenle yüksek iyon içeriğinin sağladığı avantajı korurken iyon hareketini kontrol edebilmek amacıyla işlevselleştirilmiş Au nanoparçacıkları iyon tuzağı olarak kullandı.

Altın nanoparçacıkların yüzeyi nasıl işlevselleştirildi?

50 nm Au nanoparçacık çözeltisine 2-merkaptoetanol eklendi. Araştırmacılar yüzey işlevselleştirme yoğunluğunu hem nanoparçacık boyutu hem de reaksiyon pH'sı üzerinden kontrol etti.

Yüksek yoğunluklu işlevselleştirme için reaksiyon pH 9,1 koşulunda gerçekleştirildi ve sentezlenen parçacıklar daha sonra pH 7 ortamında dağıtıldı. Daha düşük pH koşullarında tiyol grubunun deprotonasyonunun zorlaşması nedeniyle Au-S koordinasyonunun sınırlanması beklenmektedir.

Spektroskopik doğrulama ne gösterdi?

İşlevselleştirilmemiş AuNP'lerde UV-Vis absorbans tepesi 561 nm civarında görülürken ME ile yüzey modifikasyonu sonrasında tepe 557 nm'ye kaydı.

FTIR incelemesinde başlangıçtaki 2556 cm⁻¹ S-H gerilme tepesinin ortadan kaybolduğu, kaynakta Au-S bağ oluşumuyla ilişkilendirilen 2970 cm⁻¹ bandının ortaya çıktığı bildirilmektedir. Ayrıca 2910 cm⁻¹ civarındaki CH₂ asimetrik bandı yüzey moleküllerinin nanoparçacıklara kimyasal olarak bağlandığının destekleyici göstergesi olarak yorumlanmıştır.

Basınçla iyonların serbest bırakılması mekanizmasının incelenmesinde ise kolinin C-O alkol tepesi 1076 cm⁻¹'den 1080 cm⁻¹'ye, malatın C-O alkol tepesi ise 1028 cm⁻¹'den 1033 cm⁻¹'ye kaymıştır. Araştırmacılar bu değişimi basınç altında hidrojen bağlarının zayıflaması ve iyonların AuNP yüzeyinden serbest kalmasıyla ilişkilendirmektedir.

Raman analizinde kolinin hidrojen bağlarıyla ilişkilendirilen gauche konformasyonuna ait 712 cm⁻¹ tepesi ile yaklaşık 770 cm⁻¹ trans konformasyon tepesi karşılaştırılmış ve HD-ME sisteminde gauche sinyalinin belirginleşmesi iyonik sıvının hidrojen bağı etkileşimleriyle tutulmasını destekleyen bulgu olarak kullanılmıştır.

Basınç iyon dinamiklerini ne kadar değiştiriyor?

Frekansa bağlı dielektrik analizde tan δ = ε''/ε' davranışı kullanılarak gevşeme özellikleri değerlendirildi. Araştırmacılar basınç altında HD-ME iyon jelinin gevşeme süresinde %51,8 değişim gözlemledi. CS+IL iyon jelindeki değişim ise %21,1 olarak bildirildi.

Bu fark, HD-ME yüzeyinde başlangıçta hareketsiz tutulan iyonların basınç uygulanmasıyla serbest hale gelmesi hipotezini desteklemek amacıyla kullanılmıştır. Ancak tan δ analizinden çıkarılan serbest iyon yoğunluğu ve hareketlilik yorumlarının doğrudan tek tek iyonların görüntülenmesine eşdeğer olmadığı dikkate alınmalıdır.

Basınç duyarlılığı

Basınç sensörünün duyarlılığı çalışmada şu ilişkiyle tanımlanmaktadır:

\[ S=\frac{\delta(\Delta C/C_0)}{\delta P} \]

• S: basınç duyarlılığıdır.
• C₀: basınç uygulanmadan önceki başlangıç kapasitansıdır.
• ΔC: uygulanan basınç sonucunda meydana gelen kapasitans değişimidir.
• P: uygulanan basınçtır.

Bu tanıma göre düşük başlangıç kapasitansı ve basınç altında büyük kapasitans değişimi yüksek duyarlılık üretmektedir. HD-ME iyon jelinin ölçülen duyarlılığı 17,36 kPa⁻¹ olarak bildirilmiştir.

Çalışmanın kablosuz sensörleri literatürdeki farklı kablosuz basınç sensörü mimarileriyle karşılaştırdığı Şekil 1f'de ise WiLECS için düşük rezonans frekansında 0,0036 mmHg⁻¹ duyarlılık değeri verilmektedir. Bu iki sayı farklı tanım ve birimlerde raporlandığı için birbirinin yerine kullanılmamalıdır.

Yanıt ve toparlanma süresi

0,1 kPa basınç altında sensörün yanıt süresi 31 ms, toparlanma süresi ise 47 ms olarak ölçüldü. Dinamik yükleme-boşaltma testlerinde sensörün yaklaşık 1900 saniyelik çalışma boyunca tutarlı cevap verdiği bildirilmektedir.

Mekanik yumuşaklık neden gerekli?

İyon jelinin damar dokusuna mekanik olarak uyum sağlayabilmesi için sertliğinin düşük tutulması amaçlandı. Çalışmanın metninde geleneksel kitosan jelinin modülü yaklaşık 400 MPa olarak belirtilmektedir. İyonik sıvı eklendiğinde CS+IL jelinin modülü yaklaşık 175 kPa'ya düşmektedir.

Şekil 2e'deki etiketler, PBS içinde bekletme sonrasında jel sistemlerinin daha da yumuşadığını göstermektedir. Araştırmacılar bu değişimin yumuşak dokuyla daha uyumlu temas sağlamasını amaçlamaktadır.

Bu mekanik uyum, gerçek bir damarda kronik implant güvenliği kanıtı değildir; çalışma uzun süreli canlı hayvan implantasyonu veya insan implantasyonu gerçekleştirmemiştir.

Hücre canlılığı testi

HD-ME iyon jelinin biyouyumluluk ön değerlendirmesinde insan dermal fibroblastları (HDFn) kullanıldı. Hücreler HD-ME iyon jeli veya PEDOT:PSS ile 12, 24 ve 48 saat süreyle temas ettirildi ve MTT testi uygulandı.

HD-ME iyon jelinde iki günlük maruziyet sonrasında hücre canlılığının %80'in üzerinde kaldığı bildirilmektedir. Bu sonuç malzemenin kısa süreli hücresel uyumluluğunu destekler; ancak tek başına implantın uzun dönem biyouyumluluğunu, inflamasyon davranışını veya insanlarda güvenliğini kanıtlamaz.

Kablosuz anten nasıl düşük frekansa indirildi?

İyonik sensör tek başına yeterli değildir; sensörün kapasitansı antenin indüktansı ile birlikte uygun LC rezonansını oluşturmalıdır. Araştırmacılar bu amaçla aynı alan içerisinde bobin dönüş sayısını artırdı ve parazitik kapasitansı yükseltmek için iki katmanlı anten tasarladı.

Esnek baskılı devre kartı yapısı kullanılarak ince ve vücuda uyarlanabilir bir anten oluşturuldu. Anten tasarımında okuyucu bobini 20 tur, sensör bobini 70 tur olacak şekilde modellenmiştir.

Elektromanyetik tasarım için ANSYS HFSS, elektriksel ağ ve S₁₁ değerlendirmeleri için Keysight Advanced Design System kullanılmıştır.

Bobinler arasındaki bağlantı nasıl ifade edildi?

Okuyucu ve sensör bobinleri arasındaki manyetik bağlantı katsayısı şu eşitlikle verilmektedir:

\[ k=\frac{M}{\sqrt{L_1L_2}} \]

• k: iki bobin arasındaki kuplaj katsayısıdır.
• M: karşılıklı indüktanstır.
• L₁ ve L₂: iki bobinin öz indüktanslarıdır.

Simülasyonda sensör ve okuyucu bobinleri arasındaki boşluk 1 mm ile 25 mm arasında değiştirilmiştir. HD-ME tabanlı sensörün 2,5 cm mesafede de yüksek duyarlılıklı kablosuz aktarımı sürdürebildiği bildirilmiştir.

Araştırmacılar ayrıca 1,25 cm × 1,25 cm anten boyutunda sistemin çalışabilirliğini değerlendirmiştir. Bu sonuç miniaturizasyon potansiyelini gösterir; doğrudan implante edilmiş minyatür cihazın uzun dönem başarısını göstermez.

Yapay arter deneyi nasıl gerçekleştirildi?

WiLECS'in damar basıncı izleme prensibini göstermek için balon kateter ve inflatör kullanılan yapay bir arter düzeneği oluşturuldu. HD-ME iyon jel sensörü manşet benzeri bir PDMS yapıya yerleştirildi ve balon kateterin genişleyip daralması sensöre periyodik mekanik basınç uyguladı.

Aterosklerotik plak nedeniyle oluşabilecek damar daralmasını taklit etmek amacıyla kateter içine sıvı domuz yağı enjekte edilip oda sıcaklığında katılaştırıldı. Kaynak bu modeli “normal” ve “oily” arter koşullarını karşılaştırmak için kullanmaktadır.

Bu düzenek biyolojik olarak gerçek aterosklerotik arter değildir. Yağ ile oluşturulan model, sensörün farklı mekanik basınç koşullarını ayırt edebilme yeteneğini göstermek için kullanılan kontrollü bir laboratuvar modelidir.

Yapay arter modelinde hangi sonuç elde edildi?

CS jel, CS+IL iyon jel ve HD-ME iyon jel sensörleri karşılaştırıldığında HD-ME sistemi arterin genişlemesiyle oluşan basınç değişimlerine en yüksek kapasitif cevabı verdi.

Kablosuz ölçümde de aynı eğilim korundu. HD-ME sensörde basınç artışı daha büyük rezonans frekansı kaymaları oluşturdu. Araştırmacılar bu davranışı iyonların basınç altında tutulma durumundan serbest hale geçmesiyle ilişkilendirmektedir.

Sinyal-gürültü oranı

Yapay arter basınç deneylerine dayanarak gerçekleştirilen SNR değerlendirmesinde HD-ME tabanlı sistem için 78 dB, geleneksel CS polimer jel tabanlı dielektrik sensör için 15 dB değerleri raporlandı.

Bu karşılaştırma, çalışmanın kendi deney düzeneğindeki sinyal-gürültü performansını göstermektedir. Farklı elektronik okuyucular, doku geometrileri, implantasyon derinlikleri veya klinik ortamlar için aynı SNR değerlerinin otomatik olarak geçerli olduğu anlamına gelmez.

Doku ve mesafe araya girdiğinde aktarım devam ediyor mu?

Kablosuz aktarımın fiziksel engeller altında değerlendirilmesi için TX ve RX antenleri arasına önce 5 mm kalınlığında ara parça, daha sonra 7 mm domuz derisi yerleştirildi.

Kaynak, bu koşullarda S₁₁ sinyal değerlerini sırasıyla −13,4 dB, −10,26 dB ve −4,53 dB düzeyleriyle ilişkilendirirken basınca bağlı rezonans değişiminin okunmaya devam ettiğini bildiriyor. S₁₁ bir yansıma katsayısı olduğundan daha az negatif veya daha fazla negatif değerlerin doğrudan “daha güçlü biyolojik sinyal” olarak yorumlanmaması gerekir; burada önemli olan araştırmacıların basınca bağlı rezonans değişimini engel arkasında da izleyebilmiş olmasıdır.

Düşük frekans gerçekten ne anlama geliyor?

WiLECS'in ölçüm sistemi 10 kHz–1 MHz frekans aralığında karakterize edildi ve cihazın hedeflenen çalışma bölgesi 1 MHz'in altıdır. Bu yaklaşım, geleneksel yüksek frekanslı LC sensörlerinden daha düşük elektromanyetik çalışma frekanslarına geçiş sağlamaktadır.

Ancak çalışmanın “bio-safe” veya biyolojik açıdan daha güvenli düşük frekans yaklaşımı, kapsamlı bir insan elektromanyetik maruziyet çalışmasıyla doğrulanmış değildir. Araştırma esas olarak sensör malzemesi, mekanotransdüksiyon, elektromanyetik rezonans ve yapay arter gösterimine odaklanmaktadır. Dolayısıyla frekansın düşük olması ile uzun dönem klinik güvenliğin kanıtlanması aynı şey değildir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• İyonik hareketin LC rezonansına doğrudan bağlanmasıyla 1 MHz altındaki kablosuz sensör mimarisinin gerçekleştirilebildiğini destekler.
• HD-ME işlevselleştirilmiş AuNP yapısının iyonların tutulması ve basınçla serbest bırakılması mekanizmasıyla uyumlu spektroskopik ve elektriksel değişimler gösterdiğini destekler.
• HD-ME iyon jelinin CS+IL ve CS tabanlı sistemlere göre daha güçlü basınç cevabı oluşturduğunu gösterir.
• HD-ME sisteminde basınç altında gevşeme süresi değişiminin %51,8'e ulaştığını gösterir.
• HD-ME kapasitif basınç sensöründe 17,36 kPa⁻¹ duyarlılık raporlanmıştır.
• 0,1 kPa koşulunda 31 ms yanıt ve 47 ms toparlanma süresi ölçülmüştür.
• Yapay arter düzeneğinde kablosuz rezonans kaymaları üzerinden basınç değişimlerinin izlenebildiğini gösterir.
• 7 mm domuz derisi araya yerleştirildiğinde de basınca bağlı kablosuz okumanın sürdürülebildiğini gösterir.

Çalışmanın kanıtlamadığı sonuçlar

• İnsanlarda klinik kan basıncı ölçüm doğruluğu kanıtlanmamıştır.
• Canlı insan damarına implantasyon gerçekleştirilmemiştir.
• Uzun dönem implant biyouyumluluğu gösterilmemiştir.
• Kronik inflamasyon, fibrozis veya bağışıklık yanıtı değerlendirilmemiştir.
• İnsan vücudunda aylar veya yıllar boyunca kablosuz çalışma gösterilmemiştir.
• Yapay yağla oluşturulan arter modeli gerçek insan aterosklerozunun tüm biyomekanik özelliklerini temsil etmez.
• Düşük frekansta çalışmanın tek başına tüm elektromanyetik güvenlik risklerini ortadan kaldırdığı kanıtlanmamıştır.
• 1,25 cm × 1,25 cm anten gösterimi, klinik implantın başarıyla minyatürleştirildiğinin kanıtı değildir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

İyonik sıvı sentezi

Kolin-malat [Ch]⁺[MA]⁻ iyonik sıvısı tuz metatezi yöntemiyle hazırlandı. Metanol içinde 2 M malik asit çözeltisi, 0,8 M kolin bikarbonat çözeltisine 25 °C'de yavaşça eklendi ve CO₂ çıkışı için 4 saat karıştırıldı.

Metanol ve su rotary evaporasyonla 80 °C'de 12 saat uzaklaştırıldı; ardından ürün 80 °C'de 48 saat vakum etüvünde kurutuldu.

ME ile işlevselleştirilmiş Au nanoparçacıkların hazırlanması

• 2-merkaptoetanol miktarı: 556 µL
• AuNP çözeltisi: 5 mL
• AuNP nominal boyutu: 50 nm
• Deneylenen tampon pH değerleri: 3,8; 4,5; 9,1
• Ultrasonik banyo: 30 dakika
• Oda sıcaklığında yavaş vortex ile inkübasyon: 12 saat
• Santrifüj: 12.500 g, 4 °C, 12 dakika, iki kez
• Saflaştırma sonrası yeniden dağıtma: 1 mL Milli-Q su

Kitosan iyon jelinin hazırlanması

Kitosan çözeltisi %2 ağırlıkça kitosan ve %1 v/v asetik asit kullanılarak hazırlandı. Kolin-malat iyonik sıvısı %10, %30 ve %50 ağırlık oranlarında kitosan çözeltisine eklendi.

Karışımlar oda sıcaklığında 24 saat karıştırıldı ve homojenizasyon için 30 dakika sonikasyona tabi tutuldu.

Daha sonra 1 mL işlevselleştirilmiş AuNP çözeltisi iyon jel çözeltisiyle karıştırıldı ve gece boyunca hafif karıştırma uygulandı. Hazırlanan çözeltiden 10 g cam petri kabına döküldü ve oda sıcaklığında 48 saat kürlendi.

Kablosuz iyonik sensörün üretimi

PDMS ara tabaka yaklaşık 1 cm × 1 cm alanında ve 500 µm kalınlığında hazırlandı. Kaynak yöntem metninde PDMS ve kürleyici oranı 1:10 ağırlık oranı biçiminde verilmiştir; burada kaynak ifadesi aynen korunmuştur.

PDMS 80 °C'de 4 saat tavlandı. İyonik sensör metal-yalıtkan-metal (MIM) yapısında oluşturuldu.

Üst ve alt elektrotlar PET üzerine termal evaporasyonla kaplanan 3 nm Cr / 30 nm Au katmanlarından oluşturuldu. Elektrotlarla anten arasındaki elektriksel bağlantıda altın tel kullanıldı.

Malzeme karakterizasyonu

Mekanik karakterizasyon

Polimer filmler 25 °C'de, 1 kN yük hücreli UTM QRUTS-S105 cihazıyla ve 10 mm/dakika çekme hızında test edildi. Numuneler ASTM D638-02a Tip V standardına göre hazırlandı.

Young modülü gerilme-şekil değiştirme eğrisinin %0–5 gerinim aralığındaki eğiminden hesaplandı. Sonuçlar aynı koşullarda test edilen beş numunenin ortalaması ± standart sapma olarak raporlandı.

Hücre canlılığı yöntemi

HDFn hücreleri 1,5 mg HD-ME iyon jeli veya PEDOT:PSS ile 12, 24 ve 48 saat temas ettirildi.

Ardından %10 MTT çözeltisi eklendi ve hücreler 37 °C, %5 CO₂ koşulunda 4 saat inkübe edildi. Optik yoğunluk 570 nm'de ölçüldü.

Elektrokimyasal empedans spektroskopisi

EIS ölçümleri PGSTAT302N elektrokimyasal analizörüyle oda sıcaklığında 0,1 Hz–100 kHz aralığında ve 10 mV AC sinyalle gerçekleştirildi.

Yaklaşık 500 µm kalınlığındaki polimer filmler, çapı 10 mm olan iki paslanmaz çelik elektrot arasına yerleştirildi.

İyonik iletkenlik aşağıdaki eşitlikle hesaplandı:

\[ \sigma=\frac{l}{R_bA} \]

• σ: iyonik iletkenliktir.
• l: polimer filmin kalınlığıdır.
• A: elektrot alanıdır.
• R_b: Nyquist eğrilerinden belirlenen hacim direncidir.

Kapasitans ve basınç ölçümleri

Kapasitans ölçümleri Agilent E4980A Precision LCR Meter ile gerçekleştirildi. Piezokapasitif sensörde yaklaşık 500 µm kalınlığındaki iyon jel filmi ve yaklaşık 0,75 cm² sensör alanı kullanıldı.

Basınç karakterizasyonunda programlanabilir xyz prob istasyonu kullanıldı. Konum çözünürlüğü 0,1 µm, kuvvet göstergesinin çözünürlüğü 0,005 N idi. Kapasitans ve uygulanan yük LabVIEW tabanlı sistemle eşzamanlı kaydedildi.

Kablosuz sistem karakterizasyonu

• Elektromanyetik anten modeli: ANSYS HFSS
• Ağ/S₁₁ analizi: Keysight ADS
• Anten dielektriği: poliamid
• İletken: bakır
• Okuyucu bobini: 20 tur
• Sensör bobini: 70 tur
• Vektör ağ analizörü: Keysight E5071C
• VNA cihaz aralığı: 9 kHz–8,5 GHz
• Çalışmada kullanılan ölçüm aralığı: 10 kHz–1 MHz

Ana sayısal sonuçların özeti

Bu sonuçların tümü çalışmanın kendi laboratuvar düzeneklerine aittir. Özellikle yapay arter, bobin mesafesi ve domuz derisi deneyleri gerçek insan implantasyonu veya klinik kan basıncı doğrulamasıyla eşdeğer değildir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: Low-frequency ionic-electronic coupling for energy-efficient noise-resilient wireless bioelectronics

Yazarlar: Ji Hong Kim; Haerim Kim; Jaewon Rhee; Joo Sung Kim; Hanbin Choi; Won Hyuk Choi; Yoseph Park; Jong Hwi Kim; So Young Kim; Seungyoung Ahn; Do Hwan Kim.

Eş katkı: Ji Hong Kim ve Haerim Kim çalışmaya eşit katkıda bulunmuştur.

Sorumlu yazarlar: Seungyoung Ahn ve Do Hwan Kim.

Kurumlar:

• Department of Chemical Engineering, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.
• Cho Chun Shik Graduate School of Mobility, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Daejeon, Republic of Korea.
• Institute of Nano Science and Technology, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.
• Clean-Energy Research Institute, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.

Dergi: Nature Communications

Yayınevi: Springer Nature / Nature Portfolio

Cilt: 17

Makale numarası: 3800

Yıl: 2026

Alınma tarihi: 28 Ekim 2025

Kabul tarihi: 25 Şubat 2026

Çevrimiçi yayın tarihi: 11 Mart 2026

Version of record: 27 Nisan 2026

DOI:10.1038/s41467-026-70331-4

Resmî yayın bağlantısı:Nature Communications resmî makale sayfası

Kaynak türü: Hakemli özgün araştırma makalesi.

Yayın durumu notu: Verianla için incelenen yüklenmiş kaynak, kabul sonrasında erişime açılmış “Article in Press” ve henüz editoryal son işlemden geçmemiş sürümdür. Bibliyografik doğrulamada aynı DOI'nin Nature Communications'ta nihai yayımlanmış kaydının bulunduğu görülmüştür. Bu nedenle yayın kimliği güncel resmî kayıt üzerinden verilmiş; makaledeki bilimsel bulgu, sayı ve mekanizmalar ise yüklenen bilimsel kaynağa sadık kalınarak aktarılmıştır.

Lisans: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). Lisans, uygun atıf verilmesi ve yapılan değişikliklerin belirtilmesi koşuluyla paylaşım, uyarlama ve yeniden kullanım izni vermektedir. Üçüncü taraf materyaller için ilgili şekil veya materyalin ayrıca farklı bir lisans notu taşıyıp taşımadığı kontrol edilmelidir.

Veri erişilebilirliği: Araştırmacılar çalışmanın sonuçlarını destekleyen ilgili verilerin makale ve ek materyallerde bulunduğunu; ek verilerin sorumlu yazarlardan talep edilebileceğini ve Source Data dosyasının çalışma ile birlikte sunulduğunu belirtmektedir.

Çıkar çatışması: Yazarlar çıkar çatışması bulunmadığını beyan etmektedir.

Finansman: Çalışma Kore Ulusal Araştırma Vakfı ve Kore hükümetinin ilgili araştırma programları ile IITP destekleri dahil çeşitli ulusal araştırma fonları tarafından desteklenmiştir. Nihai resmî yayın kaydı ayrıca Korea Basic Science Institute / National Research Facilities and Equipment Center desteğini de içermektedir.

Yazar katkıları: Seungyoung Ahn ve Do Hwan Kim projeyi denetlemiştir. Do Hwan Kim, Seungyoung Ahn, Ji Hong Kim ve Haerim Kim teorik kavramları geliştirmiş ve deneyleri tasarlamıştır. Ji Hong Kim ve Haerim Kim deneyleri yürütmüştür. Jaewon Rhee, Joo Sung Kim, Hanbin Choi, Won Hyuk Choi, Yoseph Park, Jong Hwi Kim ve So Young Kim deneysel süreçlere katkı sağlamıştır. Do Hwan Kim ve Seungyoung Ahn makaleyi değerlendirmiş ve geri bildirim sağlamıştır. Metnin hazırlanmasına Do Hwan Kim, Seungyoung Ahn, Ji Hong Kim ve Haerim Kim katkıda bulunmuş; revizyonlardan Do Hwan Kim sorumlu olmuştur. Tüm yazarlar sonuçları tartışmış ve nihai metne katkıda bulunmuştur.

Bilimsel yorum sınırı

Bu çalışma laboratuvar ölçekli malzeme karakterizasyonu, elektronik ölçüm, elektromanyetik simülasyon ve yapay arter gösterimini birleştiren deneysel bir sensör çalışmasıdır. İnsanlarda klinik deney gerçekleştirilmemiştir. Yapay arter düzeneği ile domuz derisi üzerinden yapılan kablosuz aktarım deneyleri, gerçek damar implantasyonunun tüm mekanik, biyolojik ve elektromanyetik koşullarını yeniden üretmez.

HD-ME iyon jelinde görülen spektroskopik, dielektrik ve kapasitif değişimler araştırmacıların iyon tutma ve basınçla serbest bırakma mekanizmasını desteklemektedir; ancak bu mekanizmanın her mikroskobik aşamasının doğrudan görüntülendiği anlamına gelmez.

Düşük frekanslı çalışma, araştırmanın biyolojik açıdan daha güvenli kablosuz elektronik hedefinin temel bileşenidir; ancak çalışma tek başına insanlarda uzun dönem elektromanyetik güvenlik kanıtı oluşturmaz.

Kaynak sadakati notu: Bu Verianla açıklamasına yüklenen çalışmanın dışında yeni deneysel sonuç, yeni sensör performans değeri veya yeni biyolojik mekanizma eklenmemiştir. Dış doğrulama yalnız yayın kimliği, nihai yayın durumu, kurum bilgileri, lisans ve resmî bibliyografik kayıt için kullanılmıştır.