Изилдөөчүлөр зымсыз биосенсорлордун MHz деңгээлиндеги классикалык LC резонансына көз карандылыгын азайтуу максатында иондук кыймыл менен электрондук резонансты түздөн-түз байланыштырган WiLECS аттуу платформаны иштеп чыгышкан. Система хитозан матрицасына киргизилген холин-малат иондук суюктукту, 2-меркаптоэтанол менен функционалдаштырылган алтын нанобөлүкчөлөрдү жана ийкемдүү LC антенна түзүмүн бириктирет. Басым колдонулганда алтын нанобөлүкчөлөрдүн айланасында суутек байланыштары менен кармалып турган иондордун бошошу электр кош катмар сыйымдуулугун өзгөртөт; бул өзгөрүү LC чынжырынын резонанстык жыштыгына өткөрүлөт. Ошентип система 1 MHzтен төмөн жыштыкта зымсыз иштей алат. HD-ME ион гелинде басымга байланышкан релаксация убактысынын өзгөрүшү %51,8, CS+IL ион гелинде болсо %21,1 болуп өлчөнгөн; HD-ME басым сенсору мындан тышкары 17,36 kPa⁻¹ сезгичтик көрсөткөн. Жасалма артерия моделиндеги зымсыз өлчөөлөрдө HD-ME негизиндеги системанын сигнал-ызы-чуу катышы 78 dB деп билдирилсе, салттуу CS полимер гел сенсору үчүн бул көрсөткүч 15 dB болгон.

Изилдөөнүн негизги жаңылыгы төмөн жыштыкта иштөөсү менен гана чектелбейт. Негизги механизм басым иондордун кармалып туруу жана бошотулуу абалын түздөн-түз өзгөртүп, бул иондук өзгөрүү электрондук резонанс менен байланышканында. Изилдөөчүлөр бул механизмди FTIR, Raman, электрохимиялык жана диэлектрдик өлчөөлөр; басымга көз каранды сыйымдуулук эксперименттери; электромагниттик симуляциялар жана жасалма артерия түзүлүшү аркылуу ар кандай масштабдарда изилдешкен.

Бирок бул изилдөө адамдарда жүргүзүлгөн клиникалык кан басымын өлчөө эксперименти эмес. Кан басымын көрсөтүү баллон катетер менен түзүлгөн жасалма артерия моделинде жүргүзүлгөн; ал эми ткандын арасынан зымсыз өткөрүүнү баалоодо 7 mm калыңдыктагы чочконун териси колдонулган. Ошондуктан жыйынтыктар адамдарда узак мөөнөттүү имплантациянын ийгилигинин же клиникалык кан басымын өлчөө тактыгынын далили катары чечмеленбеши керек.

Түркия үчүн бул эмнени билдирет?

Изилдөө Түркияда жүргүзүлгөн эмес жана Түркиядагы бейтаптар, клиникалык чөйрөлөр же саламаттык сактоо системасы боюнча түз текшерүүнү камтыбайт. Ошентсе да төмөн жыштыктагы, батареясыз же пассивдүү зымсыз биосенсорлор боюнча изилдөөлөр үчүн бул ыкма биомедициналык электроника, ийкемдүү сенсорлор, имплантациялануучу түзүлүштөр жана иондук материалдарды иштеп чыгуучу топторго техникалык багыт берет. Түркияда чыныгы медициналык колдонууга өткөрүү үчүн адам анатомиясы, чыныгы кан тамыр тканы, узак мөөнөттүү биологиялык шайкештик, таңгактоо, стерилизация, механикалык бышыктык жана клиникалык өлчөө тактыгы сыяктуу факторлор кошумча текшерилиши керек. Бул изилдөө аларды түздөн-түз сынабайт.

Изилдөөнүн негизги көйгөйү эмне?

Пассивдүү зымсыз биосенсорлордун маанилүү бөлүгү индуктор-конденсатор, башкача айтканда LC резонатор архитектурасына таянат. Мындай системанын резонанстык жыштыгы индуктивдүүлүк жана сыйымдуулук менен аныкталат. Салттуу диэлектрдик конденсаторлордун сыйымдуулугу чектелүү болгондо талап кылынган резонанска жетүү үчүн система жогорку жыштыктарда иштеши керек.

Изилдөөчүлөр бул архитектурадагы көйгөйдү антеннанын геометриясын өзгөртүүчү электромагниттик долбоор маселеси катары гана эмес, конденсатордун физикалык иштөө механизмин өзгөртүү аркылуу чечүүнү максат кылышкан. Классикалык диэлектрдик сыйымдуулуктун ордуна иондор электрод бетинде түзгөн жогорку электр кош катмар сыйымдуулугу (electric double layer, EDL) колдонулган.

Ошентип сенсордун механикалык таасирге жообу эки электроддун аралык өзгөрүшүнө же диэлектрдик геометриянын деформациясына гана көз каранды болбой, иондордун кыймылынын өзүнө байланышкан.

WiLECS кантип иштейт?

WiLECS системасынын сезгич бөлүгү хитозан негизиндеги ион гелинен турат. Гелде холин-малат иондук суюктугу [Ch]⁺[Ma]⁻ бар. Системага мындан тышкары бети 2-меркаптоэтанол (ME) молекулалары менен функционалдаштырылган алтын нанобөлүкчөлөр (AuNP) кошулат.

Функционалдаштырылган нанобөлүкчөлөр толтургуч катары гана кызмат кылбайт. Изилдөөдө сунушталган механизмге ылайык, алардын бетиндеги функционалдык топтор иондук суюктук менен суутек байланыштарын түзүп, иондорду белгилүү аймактарда кармап турат.

Басым берилгенге чейин бул иондордун кыймылдуулугу чектелет. Басым берилгенде гел матрицасы менен нанобөлүкчөнүн механикалык касиеттеринин айырмасынан улам интерфейсте чыңалуу топтолот; суутек байланыштары алсырап, иондордун бир бөлүгү бошоп, берилген электр талаасынын таасиринде электроддорго карай жылышы мүмкүн.

Электрод интерфейсинде эркин иондордун көбөйүшү күчтүү электр кош катмарын түзөт. Натыйжада сыйымдуулук өзгөрүп, LC резонаторунун резонанстык жыштыгы жылат.

Электр кош катмары эмне үчүн маанилүү?

Классикалык сыйымдуулук басым сенсорунда өлчөө көбүнчө диэлектрдик катмардын кысылышы, электроддор аралык аралык өзгөрүшү же түзүмдүн геометриялык деформациясы аркылуу жүрөт. WiLECSте болсо изилдөөчүлөр иондордун электрод интерфейсине жылышынан пайда болгон EDL сыйымдуулугун колдонушат.

Төмөн жыштыкта иондордун кыймылдашы үчүн көбүрөөк убакыт болгондуктан иондук системанын сыйымдуулугу даана көрүнөт. Изилдөөдө жыштык төмөндөгөн сайын CS+IL ион гелинде EDL сыйымдуулугу жогорулаганы көрсөтүлгөн.

HD-ME системасында баштапкы учурда мүмкүн болушунча көп ионду кыймылсыз кармап, басым келгенде аларды бошотуу маанилүү. Ошондуктан HD-ME гелинин баштапкы сыйымдуулугу төмөн болгону менен басым астындагы сыйымдуулук өзгөрүшү чоң.

LC резонансы менен ион кыймылы кандай байланышат?

Изилдөөдө резонанстык жыштык төмөнкү байланыш менен берилет:

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

Бул жерде:

• f₀: LC чынжырынын резонанстык жыштыгы.
• L: антеннанын индуктивдүүлүгү.
• C: иондук сенсордун сыйымдуулугу.

Изилдөөдө резонанстык жыштыктын өзгөрүшү дагы төмөнкүдөй берилген:

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

Булактагы теңдеме бул жерде өзгөртүлбөй сакталган. Изилдөөнүн айрым графиктеринде жыштык жылышы −Δf₀ катары берилгендиктен, белги конвенциясы менен жылыштын чоңдугу өзүнчө каралышы керек. Ошондуктан теңдеме сырттан туунду алып үнсүз өзгөртүлгөн эмес.

Физикалык жактан WiLECS үчүн маанилүү байланыш: басым → иондордун бошошу → EDL сыйымдуулугунун өзгөрүшү → LC резонанстык жыштыгынын өзгөрүшү.

Ион гелинин курамы кантип тандалган?

Негизги полимер катары хитозан колдонулган. Холин-малат иондук суюктуктун көлөмү көбөйгөн сайын кыймылдуу иондордун саны жана ошого жараша EDL сыйымдуулугу жогорулаганы байкалган. Иондук суюктук хитозан матрицасында пластификатордук таасир берип, серпилгичтик модулун да төмөндөтөт.

Бирок иондук суюктуктун курамы %50 массалык үлүштөн ашканда ион агып чыгышы болуп, бир тектүү гел түзүлүшү бузулган. Ошондуктан изилдөөчүлөр жогорку ион курамдын артыкчылыгын сактап, иондордун кыймылын башкаруу үчүн функционалдаштырылган Au нанобөлүкчөлөрүн ион тузагы катары колдонушкан.

Алтын нанобөлүкчөлөрдүн бети кантип функционалдаштырылган?

50 nm Au нанобөлүкчө эритмесине 2-меркаптоэтанол кошулган. Изилдөөчүлөр беттик функционалдаштыруу тыгыздыгын нанобөлүкчө өлчөмү жана реакциянын pH көрсөткүчү аркылуу башкарган.

Жогорку тыгыздыктагы функционалдаштыруу үчүн реакция pH 9,1 шартында жүргүзүлүп, синтезделген бөлүкчөлөр кийин pH 7 чөйрөсүндө таралган. Төмөн pH шарттарында тиол тобунун депротондолушу кыйындагандыктан Au-S координациясы чектелет деп күтүлгөн.

Спектроскопиялык текшерүү эмнени көрсөттү?

Функционалдаштырылбаган AuNPлерде UV-Vis абсорбция чокусу 561 nm чамасында болсо, ME менен беттик модификациядан кийин чоку 557 nmге жылган.

FTIR анализинде баштапкы 2556 cm⁻¹ S-H созулуу чокусунун жок болгону жана булакта Au-S байланышынын түзүлүшү менен байланыштырылган 2970 cm⁻¹ тилке пайда болгону билдирилет. Мындан тышкары, 2910 cm⁻¹ айланасындагы CH₂ асимметриялык тилкеси беттик молекулалардын нанобөлүкчөлөргө химиялык байланышынын кошумча көрсөткүчү катары чечмеленген.

Басым менен иондордун бошотулушун изилдөөдө холиндин C-O спирт чокусу 1076 cm⁻¹ден 1080 cm⁻¹ге, малаттын C-O спирт чокусу болсо 1028 cm⁻¹ден 1033 cm⁻¹ге жылган. Изилдөөчүлөр бул өзгөрүүнү басым астында суутек байланыштарынын алсырашына жана иондордун AuNP бетинен бошошуна байланыштырган.

Raman анализинде холиндин суутек байланыштарына байланышкан gauche конформациясынын 712 cm⁻¹ чокусу менен болжол менен 770 cm⁻¹ trans конформация чокусу салыштырылып, HD-ME системасында gauche сигналынын күчөшү иондук суюктук суутек байланыштары аркылуу кармалат деген түшүндүрмөнү колдогон табылга катары колдонулган.

Басым ион динамикасын канчалык өзгөртөт?

Жыштыкка көз каранды диэлектрдик анализде tan δ = ε''/ε' жүрүмү аркылуу релаксация касиеттери бааланган. Изилдөөчүлөр басым астында HD-ME ион гелинин релаксация убактысында %51,8 өзгөрүү байкаган. CS+IL ион гелиндеги өзгөрүү %21,1 болгон.

Бул айырма HD-ME бетинде баштапкы учурда кыймылсыз кармалган иондор басым берилгенде бошойт деген гипотезаны колдоо үчүн колдонулган. Бирок tan δ анализинен алынган эркин ион тыгыздыгы жана кыймылдуулук боюнча түшүндүрмөлөр жеке иондорду түздөн-түз көрүүгө тең эмес экенин эске алуу керек.

Басым сезгичтиги

Басым сенсорунун сезгичтиги изилдөөдө төмөнкү байланыш менен аныкталат:

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

• S: басым сезгичтиги.
• C₀: басым берилгенге чейинки баштапкы сыйымдуулук.
• ΔC: берилген басымдан улам пайда болгон сыйымдуулук өзгөрүшү.
• P: берилген басым.

Бул аныктама боюнча баштапкы сыйымдуулуктун төмөн жана басым астындагы сыйымдуулук өзгөрүшүнүн чоң болушу жогорку сезгичтик берет. HD-ME ион гелинин өлчөнгөн сезгичтиги 17,36 kPa⁻¹ деп билдирилген.

Изилдөөнүн зымсыз сенсорлорду адабияттагы башка зымсыз басым сенсор архитектуралары менен салыштырган 1f-сүрөтүндө WiLECS үчүн төмөн резонанстык жыштыкта 0,0036 mmHg⁻¹ сезгичтик мааниси берилет. Бул эки сан ар башка аныктама жана бирдикте берилгендиктен бири-биринин ордуна колдонулбашы керек.

Жооп жана калыбына келүү убактысы

0,1 kPa басым астында сенсордун жооп убактысы 31 ms, калыбына келүү убактысы 47 ms болуп өлчөнгөн. Динамикалык жүктөө-түшүрүү сыноолорунда сенсордун болжол менен 1900 секунд бою туруктуу жооп бергени билдирилет.

Механикалык жумшактык эмне үчүн керек?

Ион гелинин кан тамыр тканына механикалык шайкеш болушу үчүн катуулугун төмөн кармоо максат кылынган. Изилдөөнүн текстинде салттуу хитозан гелинин модулу болжол менен 400 MPa деп берилген. Иондук суюктук кошулганда CS+IL гелинин модулу болжол менен 175 kPaга түшөт.

2e-сүрөттөгү белгилер PBS ичинде кармоодон кийин гел системалары дагы жумшарганын көрсөтөт. Изилдөөчүлөр бул өзгөрүү жумшак ткань менен шайкеширээк контакт камсыз кылат деп күтүшөт.

Бул механикалык шайкештик чыныгы кан тамырдагы хроникалык имплант коопсуздугунун далили эмес; изилдөө узак мөөнөттүү тирүү жаныбар имплантациясын же адам имплантациясын жүргүзгөн эмес.

Клетка жашоого жөндөмдүүлүк тести

HD-ME ион гелинин биологиялык шайкештигин алдын ала баалоодо адам дермалдык фибробласттары (HDFn) колдонулган. Клеткалар HD-ME ион гели же PEDOT:PSS менен 12, 24 жана 48 саат байланышта кармалып, MTT тести жүргүзүлгөн.

HD-ME ион гелинде эки күндүк экспозициядан кийин клетка жашоого жөндөмдүүлүгү %80ден жогору бойдон калганы билдирилген. Бул жыйынтык материалдын кыска мөөнөттүү клеткалык шайкештигин колдойт; бирок жалгыз өзү импланттын узак мөөнөттүү биологиялык шайкештигин, сезгенүү реакциясын же адамдардагы коопсуздугун далилдебейт.

Зымсыз антенна кантип төмөн жыштыкка түшүрүлгөн?

Иондук сенсор өзү жетишсиз; сенсордун сыйымдуулугу антеннанын индуктивдүүлүгү менен бирге ылайыктуу LC резонансын түзүшү керек. Изилдөөчүлөр ушул максатта бир эле аянттын ичинде катушканын айланма санын көбөйтүп, паразиттик сыйымдуулукту жогорулатуу үчүн эки катмарлуу антенна иштеп чыгышкан.

Ийкемдүү басма схема тактасы аркылуу жука жана денеге ыңгайлаша турган антенна түзүлгөн. Антенна долбоорунда окуучу катушка 20 айланма, сенсор катушкасы 70 айланма болуп моделденген.

Электромагниттик долбоор үчүн ANSYS HFSS, электр тармак жана S₁₁ баалоолору үчүн Keysight Advanced Design System колдонулган.

Катушкалар ортосундагы байланыш кандай берилген?

Окуучу жана сенсор катушкалары ортосундагы магниттик байланыш коэффициенти төмөнкү теңдеме менен берилет:

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

• k: эки катушка ортосундагы байланыш коэффициенти.
• M: өз ара индуктивдүүлүк.
• L₁ жана L₂: эки катушканын өз индуктивдүүлүктөрү.

Симуляцияда сенсор жана окуучу катушкаларынын аралыгы 1 mmден 25 mmге чейин өзгөртүлгөн. HD-ME негизиндеги сенсор 2,5 cm аралыкта да жогорку сезгичтиктеги зымсыз өткөрүүнү сактай алары билдирилген.

Изилдөөчүлөр мындан тышкары 1,25 cm × 1,25 cm антенна өлчөмүндө системанын иштөөсүн баалашкан. Бул жыйынтык миниатюризация мүмкүнчүлүгүн көрсөтөт; түз имплантацияланган миниатюралык түзүлүштүн узак мөөнөттүү ийгилигин көрсөтпөйт.

Жасалма артерия эксперименти кантип жүргүзүлгөн?

WiLECSтин кан тамыр басымын көзөмөлдөө принципин көрсөтүү үчүн баллон катетер жана инфлятор колдонулган жасалма артерия түзүлүшү жасалган. HD-ME ион гел сенсору манжет сымал PDMS түзүмүнө жайгаштырылып, баллон катетердин кеңейип-тарылышы сенсорго мезгил-мезгили менен механикалык басым берген.

Атеросклероздук бляшкадан болушу мүмкүн болгон тамыр тарылышын моделдөө үчүн катетерге суюк чочко майы киргизилип, бөлмө температурасында катырылган. Булак бул моделди “normal” жана “oily” артерия шарттарын салыштыруу үчүн колдонгон.

Бул түзүлүш биологиялык жактан чыныгы атеросклероздук артерия эмес. Май менен түзүлгөн модель сенсордун ар башка механикалык басым шарттарын ажырата алуу жөндөмүн көрсөтүүчү көзөмөлдөнгөн лабораториялык модель.

Жасалма артерия моделинде кандай натыйжа алынган?

CS гел, CS+IL ион гел жана HD-ME ион гел сенсорлору салыштырылганда HD-ME системасы артерия кеңейгендеги басым өзгөрүшүнө эң жогорку сыйымдуулук жообун берген.

Зымсыз өлчөөлөрдө да ушул тенденция сакталган. HD-ME сенсорунда басым жогорулаганда чоңураак резонанстык жыштык жылыштары пайда болгон. Изилдөөчүлөр муну иондордун басым астында кармалган абалдан бош абалга өтүшү менен түшүндүрүшөт.

Сигнал-ызы-чуу катышы

Жасалма артерия басым эксперименттеринин негизинде жүргүзүлгөн SNR баалоосунда HD-ME системасы үчүн 78 dB, салттуу CS полимер гел негизиндеги диэлектрдик сенсор үчүн 15 dB берилген.

Бул салыштыруу изилдөөнүн өзүнүн эксперименттик түзүлүшүндөгү сигнал-ызы-чуу көрсөткүчүн көрсөтөт. Башка электрондук окугучтар, ткань геометриялары, имплантация тереңдиктери же клиникалык чөйрөлөр үчүн ошол эле SNR маанилери автоматтык түрдө жарактуу дегенди билдирбейт.

Ткань жана аралык тоскоол болгондо өткөрүү уланабы?

Зымсыз өткөрүүнү физикалык тоскоолдуктар шартында баалоо үчүн TX жана RX антенналарынын ортосуна адегенде 5 mm калыңдыктагы аралык катмар, андан кийин 7 mm чочко териси жайгаштырылган.

Булак бул шарттарда S₁₁ сигнал маанилерин тиешелүүлүгүнө жараша −13,4 dB, −10,26 dB жана −4,53 dB деңгээлдери менен байланыштырып, басымга көз каранды резонанс өзгөрүүсү окула бергенин билдирет. S₁₁ чагылуу коэффициенти болгондуктан, азыраак терс же көбүрөөк терс маанилерди түздөн-түз “күчтүү биологиялык сигнал” катары чечмелөөгө болбойт; маанилүүсү — басымга көз каранды резонанс өзгөрүүсү тоскоолдуктун артында да байкалган.

Төмөн жыштык чындыгында эмнени билдирет?

WiLECS өлчөө системасы 10 kHz–1 MHz жыштык диапазонунда мүнөздөлгөн жана түзүлүштүн максаттуу иштөө аймагы 1 MHzтен төмөн. Бул ыкма салттуу жогорку жыштыктагы LC сенсорлоруна салыштырмалуу төмөн электромагниттик иш жыштыгына өтүүгө мүмкүнчүлүк берет.

Бирок изилдөөнүн “bio-safe” же биологиялык жактан коопсузураак төмөн жыштык ыкмасы адамдардагы кеңири электромагниттик таасир изилдөөсү менен тастыкталган эмес. Изилдөө негизинен сенсор материалына, механотрансдукцияга, электромагниттик резонанска жана жасалма артерия көрсөтмөсүнө багытталган. Демек, жыштыктын төмөн болушу узак мөөнөттүү клиникалык коопсуздук далилденди дегенди билдирбейт.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• Ион кыймылын LC резонансына түз байланыштырган 1 MHzтен төмөн зымсыз сенсор архитектурасын ишке ашырууга болорун колдойт.
• HD-ME функционалдаштырылган AuNP түзүмү иондорду кармоо жана басым менен бошотуу механизми менен шайкеш спектроскопиялык жана электрдик өзгөрүүлөрдү көрсөткөнүн колдойт.
• HD-ME ион гели CS+IL жана CS системаларына салыштырмалуу күчтүү басым жообун бергенин көрсөтөт.
• HD-ME системасында басым астындагы релаксация убактысынын өзгөрүшү %51,8ге жеткенин көрсөтөт.
• HD-ME сыйымдуулук басым сенсорунда 17,36 kPa⁻¹ сезгичтик билдирилген.
• 0,1 kPa шартында 31 ms жооп жана 47 ms калыбына келүү убактысы өлчөнгөн.
• Жасалма артерия түзүлүшүндө зымсыз резонанс жылыштары аркылуу басым өзгөрүүсүн байкоого болорун көрсөтөт.
• 7 mm чочко териси ортого жайгаштырылганда да басымга көз каранды зымсыз окуу уланганын көрсөтөт.

Изилдөө далилдебеген жыйынтыктар

• Адамдарда клиникалык кан басымын өлчөө тактыгы далилденген эмес.
• Тирүү адамдын кан тамырына имплантация жүргүзүлгөн эмес.
• Узак мөөнөттүү имплант биологиялык шайкештиги көрсөтүлгөн эмес.
• Өнөкөт сезгенүү, фиброз же иммундук жооп бааланган эмес.
• Адам денесинде айлар же жылдар бою зымсыз иштөө көрсөтүлгөн эмес.
• Жасалма май менен түзүлгөн артерия модели адамдагы чыныгы атеросклероздун бардык биомеханикалык касиеттерин көрсөтпөйт.
• Төмөн жыштыкта иштөө бардык электромагниттик коопсуздук тобокелдиктерин өзү эле жок кылары далилденген эмес.
• 1,25 cm × 1,25 cm антенна көрсөтмөсү клиникалык имплант ийгиликтүү миниатюризацияланды деген далил эмес.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Иондук суюктукту синтездөө

Холин-малат [Ch]⁺[MA]⁻ иондук суюктугу туз метатезиси ыкмасы менен даярдалган. Метанолдогу 2 M алма кислотасы эритмеси 0,8 M холин бикарбонаты эритмесине 25 °Cде акырын кошулуп, CO₂ бөлүнүшү үчүн 4 саат аралаштырылган.

Метанол жана суу rotary evaporation аркылуу 80 °Cде 12 саат чыгарылып, андан кийин продукт 80 °Cде 48 саат вакуумдук шкафта кургатылган.

ME менен функционалдаштырылган Au нанобөлүкчөлөрүн даярдоо

• 2-меркаптоэтанол көлөмү: 556 µL
• AuNP эритмеси: 5 mL
• AuNP номиналдык өлчөмү: 50 nm
• Сыналган буфер pH маанилери: 3,8; 4,5; 9,1
• Ультраүндүк ванна: 30 мүнөт
• Бөлмө температурасында жай vortex менен инкубация: 12 саат
• Центрифугалоо: 12.500 g, 4 °C, 12 мүнөт, эки жолу
• Тазалоодон кийин кайра дисперсиялоо: 1 mL Milli-Q суу

Хитозан ион гелин даярдоо

Хитозан эритмеси %2 массалык хитозан жана %1 v/v уксус кислотасы менен даярдалган. Холин-малат иондук суюктугу хитозан эритмесине %10, %30 жана %50 массалык үлүштө кошулган.

Аралашмалар бөлмө температурасында 24 саат аралаштырылып, гомогенизация үчүн 30 мүнөт соникацияланган.

Андан соң 1 mL функционалдаштырылган AuNP эритмеси ион гел эритмеси менен аралаштырылып, түн ичинде жай аралаштырылган. Даярдалган эритмеден 10 g айнек петри табакка куюлуп, бөлмө температурасында 48 саат катырылган.

Зымсыз иондук сенсорду даярдоо

PDMS аралык катмары болжол менен 1 cm × 1 cm аянтта жана 500 µm калыңдыкта даярдалган. Булактын ыкма текстинде PDMS менен катыргычтын катышы 1:10 массалык катыш катары берилген; бул жерде булактагы форма өзгөртүлгөн жок.

PDMS 80 °Cде 4 саат термиялык иштетилген. Иондук сенсор металл-изолятор-металл (MIM) түзүмүндө жасалган.

Жогорку жана төмөнкү электроддор PET үстүнө термиялык буулантуу менен капталган 3 nm Cr / 30 nm Au катмарларынан түзүлгөн. Электроддор менен антеннанын электрдик байланышында алтын зым колдонулган.

Материалдык мүнөздөмө

Механикалык мүнөздөмө

Полимер пленкалар 25 °Cде, 1 kN жүк ячейкалуу UTM QRUTS-S105 түзүлүшү менен жана 10 mm/мүнөт тартуу ылдамдыгында сыналган. Үлгүлөр ASTM D638-02a Type V стандарты боюнча даярдалган.

Young модулу чыңалуу-деформация ийри сызыгынын %0–5 деформация аралыгындагы ылдый-өйдө өзгөрүү ылдамдыгынан эсептелген. Натыйжалар бирдей шарттарда текшерилген беш үлгүнүн орточо мааниси ± стандарттык четтөө катары берилген.

Клетка жашоого жөндөмдүүлүк ыкмасы

HDFn клеткалары 1,5 mg HD-ME ион гели же PEDOT:PSS менен 12, 24 жана 48 саат байланышта кармалган.

Андан соң %10 MTT эритмеси кошулуп, клеткалар 37 °C, %5 CO₂ шартында 4 саат инкубацияланган. Оптикалык тыгыздык 570 nmде өлчөнгөн.

Электрохимиялык импеданс спектроскопиясы

EIS өлчөөлөрү PGSTAT302N электрохимиялык анализатору менен бөлмө температурасында 0,1 Hz–100 kHz аралыгында жана 10 mV AC сигнал менен жүргүзүлгөн.

Болжол менен 500 µm калыңдыктагы полимер пленкалар диаметри 10 mm болгон эки дат баспас болот электроддун ортосуна жайгаштырылган.

Иондук өткөрүмдүүлүк төмөнкү теңдеме менен эсептелген:

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

• σ: иондук өткөрүмдүүлүк.
• l: полимер пленканын калыңдыгы.
• A: электрод аянты.
• R_b: Nyquist ийри сызыктарынан аныкталган көлөмдүк каршылык.

Сыйымдуулук жана басым өлчөөлөрү

Сыйымдуулук өлчөөлөрү Agilent E4980A Precision LCR Meter менен жүргүзүлгөн. Пьезосыйымдуулук сенсорунда болжол менен 500 µm калыңдыктагы ион гел пленкасы жана болжол менен 0,75 cm² сенсор аянты колдонулган.

Басымды мүнөздөөдө программалануучу xyz probe station колдонулган. Позиция чечилиши 0,1 µm, күч көрсөткүчүнүн чечилиши 0,005 N болгон. Сыйымдуулук жана берилген жүк LabVIEW негизиндеги система менен синхрондуу жазылган.

Зымсыз системаны мүнөздөө

• Электромагниттик антенна модели: ANSYS HFSS
• Тармак/S₁₁ анализи: Keysight ADS
• Антенна диэлектриги: полиамид
• Өткөргүч: жез
• Окуучу катушка: 20 айланма
• Сенсор катушкасы: 70 айланма
• Вектордук тармак анализатору: Keysight E5071C
• VNA аппарат диапазону: 9 kHz–8,5 GHz
• Изилдөөдө колдонулган өлчөө диапазону: 10 kHz–1 MHz

Негизги сандык жыйынтыктардын кыскача жыйынтыгы

Бул жыйынтыктардын баары изилдөөнүн өз лабораториялык түзүлүшүнө таандык. Айрыкча жасалма артерия, катушка аралыгы жана чочко териси эксперименттери чыныгы адам имплантациясына же клиникалык кан басымын текшерүүгө тең эмес.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Толук түпнуска иштин аталышы: Low-frequency ionic-electronic coupling for energy-efficient noise-resilient wireless bioelectronics

Авторлор: 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.

Бирдей салым: Ji Hong Kim жана Haerim Kim изилдөөгө тең салым кошкон.

Жооптуу авторлор: Seungyoung Ahn жана Do Hwan Kim.

Мекемелер:

• 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.

Журнал: Nature Communications

Басмакана: Springer Nature / Nature Portfolio

Том: 17

Макала номери: 3800

Жыл: 2026

Алынган күнү: 28 October 2025

Кабыл алынган күнү: 25 February 2026

Онлайн жарыяланган күнү: 11 March 2026

Version of record: 27 April 2026

DOI:10.1038/s41467-026-70331-4

Расмий жарыя шилтемеси:Nature Communications расмий макала барагы

Булактын түрү: Рецензияланган оригиналдуу изилдөө макаласы.

Жарыя статусу жөнүндө эскертүү: Verianla үчүн каралган жүктөлгөн булак кабыл алынгандан кийин жеткиликтүү болгон “Article in Press” жана али редакциялык акыркы иштетүүдөн өтө элек версия. Библиографиялык текшерүүдө ошол эле DOI менен Nature Communications журналында акыркы жарыяланган жазуу бар экени аныкталган. Ошондуктан жарыянын кимдиги жаңыланган расмий жазууга ылайык берилген; илимий жыйынтыктар, сандар жана механизмдер жүктөлгөн илимий булакка берилгендик менен сакталган.

Лицензия: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). Лицензия тиешелүү шилтеме берилип, киргизилген өзгөрүүлөр көрсөтүлгөн шартта бөлүшүүгө, ылайыкташтырууга жана кайра колдонууга уруксат берет. Үчүнчү тарап материалдары үчүн тиешелүү сүрөт же материал өзүнчө башка лицензиялык эскертүүгө ээ-жок экенин текшерүү керек.

Маалыматтардын жеткиликтүүлүгү: Изилдөөчүлөр жыйынтыктарды колдогон тиешелүү маалыматтар макала жана кошумча материалдарда бар экенин; кошумча маалыматтарды жооптуу авторлордон сураса болорун жана Source Data файлы изилдөө менен бирге берилгенин билдиришет.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышы жок экенин билдиришет.

Каржылоо: Изилдөө Кореянын Улуттук Изилдөө Фонду, Корея өкмөтүнүн тиешелүү изилдөө программалары жана IITP колдоолору камтылган бир нече улуттук изилдөө фонддору тарабынан каржыланган. Акыркы расмий жарыя жазуусунда Korea Basic Science Institute / National Research Facilities and Equipment Center колдоосу да көрсөтүлгөн.

Автордук салымдар: Seungyoung Ahn жана Do Hwan Kim долбоорду жетектешкен. Do Hwan Kim, Seungyoung Ahn, Ji Hong Kim жана Haerim Kim теориялык концепцияларды иштеп чыгып, эксперименттерди долбоорлошкон. Ji Hong Kim жана Haerim Kim эксперименттерди жүргүзүшкөн. Jaewon Rhee, Joo Sung Kim, Hanbin Choi, Won Hyuk Choi, Yoseph Park, Jong Hwi Kim жана So Young Kim эксперименттик процесстерге салым кошушкан. Do Hwan Kim жана Seungyoung Ahn макаланы баалап, пикир беришкен. Текстти даярдоого Do Hwan Kim, Seungyoung Ahn, Ji Hong Kim жана Haerim Kim катышкан; ревизияларга Do Hwan Kim жооп берген. Бардык авторлор жыйынтыктарды талкуулап, акыркы текстке салым кошушкан.

Илимий түшүндүрмөнүн чеги

Бул изилдөө лабораториялык масштабдагы материалдык мүнөздөмө, электрондук өлчөө, электромагниттик симуляция жана жасалма артерия көрсөтүүсүн айкалыштырган эксперименттик сенсордук иш. Адамдарда клиникалык эксперимент жүргүзүлгөн эмес. Жасалма артерия түзүлүшү жана чочко териси аркылуу жүргүзүлгөн зымсыз өткөрүү эксперименттери чыныгы кан тамыр имплантациясынын бардык механикалык, биологиялык жана электромагниттик шарттарын кайталабайт.

HD-ME ион гелинде байкалган спектроскопиялык, диэлектрдик жана сыйымдуулук өзгөрүүлөрү изилдөөчүлөрдүн иондорду кармоо жана басым менен бошотуу механизмин колдойт; бирок бул механизмдин ар бир микроскопиялык этабы түздөн-түз сүрөткө тартылган дегенди билдирбейт.

Төмөн жыштыкта иштөө изилдөөнүн биологиялык жактан коопсузураак зымсыз электроника максатынын негизги бөлүгү; бирок изилдөө өзү эле адамдагы узак мөөнөттүү электромагниттик коопсуздуктун далили боло албайт.

Булакка берилгендик эскертүүсү: Бул Verianla түшүндүрмөсүнө жүктөлгөн изилдөөдөн тышкаркы жаңы эксперименттик натыйжа, жаңы сенсор көрсөткүчү же жаңы биологиялык механизм кошулган эмес. Тышкы текшерүү жарыянын кимдиги, акыркы жарыя статусу, мекеме маалыматы, лицензия жана расмий библиографиялык жазуу үчүн гана колдонулган.