Watafiti walitengeneza jukwaa linaloitwa WiLECS ambalo huunganisha moja kwa moja mwendo wa ioni na resonansi ya kielektroniki ili kupunguza utegemezi wa biosensa zisizotumia waya kwa resonansi ya kawaida ya LC katika kiwango cha MHz. Mfumo huu unaunganisha kimiminika cha ioni cha choline-malate kilichowekwa ndani ya matriksi ya chitosan, chembechembe za dhahabu za nanoscale zilizofanyiwa uamilishaji kwa 2-mercaptoethanol, na muundo unaonyumbulika wa antena ya LC. Shinikizo linapotumika, ioni zinazoshikiliwa kwa vifungo vya hidrojeni karibu na chembechembe za dhahabu huachiliwa, jambo linalobadilisha kapasitansi ya tabaka mbili la umeme; mabadiliko haya huhamishiwa kwenye masafa ya resonansi ya saketi ya LC. Kwa njia hii mfumo unaweza kufanya kazi bila waya katika masafa ya chini ya 1 MHz. Katika jeli ya ioni ya HD-ME, mabadiliko ya muda wa ulegevu yanayotegemea shinikizo yalipimwa kuwa %51,8, ilhali katika jeli ya ioni ya CS+IL mabadiliko hayo yalikuwa %21,1; sensa ya shinikizo ya HD-ME pia ilionyesha unyeti wa 17,36 kPa⁻¹. Katika vipimo visivyotumia waya kwenye modeli ya ateri bandia, uwiano wa ishara kwa kelele wa mfumo wa HD-ME uliripotiwa kuwa 78 dB, ilhali kwa sensa ya kawaida ya jeli ya polima ya CS thamani ilitolewa kuwa 15 dB.

Ubunifu mkuu wa utafiti huu si kufanya kazi kwa masafa ya chini pekee. Utaratibu wa msingi ni kwamba shinikizo hubadilisha moja kwa moja hali ya kushikiliwa na kuachiliwa kwa ioni, na mabadiliko haya ya ioni huunganishwa na resonansi ya kielektroniki. Watafiti walichunguza utaratibu huu katika viwango tofauti kwa kutumia vipimo vya FTIR, Raman, elektrokemia na dielektriki; majaribio ya kapasitansi yanayotegemea shinikizo; uigaji wa sumakuumeme; na mpangilio wa ateri bandia.

Hata hivyo, utafiti huu si jaribio la kliniki la shinikizo la damu lililofanywa kwa binadamu. Onyesho la shinikizo la damu lilifanywa katika modeli ya ateri bandia iliyoundwa kwa kutumia katheta ya puto; na katika tathmini ya uhamishaji usiotumia waya kupitia tishu, ngozi ya nguruwe yenye unene wa 7 mm ilitumika. Kwa hiyo, matokeo hayapaswi kufasiriwa kama ushahidi wa mafanikio ya upandikizaji wa muda mrefu kwa binadamu au usahihi wa kliniki wa kupima shinikizo la damu.

Hii ina maana gani kwa Uturuki?

Utafiti haukufanywa nchini Uturuki na haujumuishi uthibitisho wa moja kwa moja kwa wagonjwa, mazingira ya kliniki au mfumo wa afya nchini Uturuki. Hata hivyo, kwa utafiti wa biosensa zisizotumia waya za masafa ya chini, zisizo na betri au passiv, mbinu hii inatoa njia ya kiufundi kwa vikundi vya utafiti vinavyoendeleza elektroniki za kibaiotiba, sensa zinazonyumbulika, vifaa vinavyoweza kupandikizwa na nyenzo za ioni. Ili kuhamishiwa katika matumizi halisi ya kitabibu nchini Uturuki, mambo kama anatomia ya binadamu, tishu halisi za mishipa, utangamano wa kibaiolojia wa muda mrefu, ufungashaji, usterilishaji, uimara wa kimitambo na usahihi wa vipimo vya kliniki lazima yahakikishwe kando. Utafiti huu haukujaribu mambo hayo moja kwa moja.

Tatizo kuu la utafiti ni nini?

Sehemu kubwa ya biosensa passiv zisizotumia waya hutegemea usanifu wa indukta-kapasita, yaani resoneta ya LC. Masafa ya resonansi ya mfumo kama huo huamuliwa na induktansi na kapasitansi. Wakati kapasitansi ya kapasita za kawaida za dielektriki ni ndogo, mfumo hulazimika kufanya kazi katika masafa ya juu zaidi ili kupata resonansi inayofaa.

Badala ya kulichukulia tatizo hili la usanifu kama tatizo la usanifu wa sumakuumeme linalobadilisha tu jiometri ya antena, watafiti walilenga kubadilisha utaratibu halisi wa kufanya kazi wa kapasita. Badala ya kapasitansi ya kawaida ya dielektriki, walitumia kapasitansi kubwa ya tabaka mbili la umeme (electric double layer, EDL) inayoundwa na ioni kwenye nyuso za elektrodi.

Kwa hiyo, mwitikio wa sensa kwa kichocheo cha kimitambo haukuachwa utegemee tu mabadiliko ya umbali kati ya elektrodi mbili au jiometri ya dielektriki, bali uliunganishwa na mwendo wa ioni wenyewe.

WiLECS hufanya kazi vipi?

Sehemu ya kuhisi ya mfumo wa WiLECS ina jeli ya ioni yenye msingi wa chitosan. Ndani ya jeli kuna kimiminika cha ioni cha choline-malate [Ch]⁺[Ma]⁻. Mfumo pia huongezewa chembechembe za dhahabu za nanoscale (AuNP) ambazo uso wake umefanyiwa uamilishaji kwa molekuli za 2-mercaptoethanol (ME).

Chembechembe zilizofanyiwa uamilishaji hazifanyi kazi kama nyenzo ya kujaza pekee. Kulingana na utaratibu unaopendekezwa katika utafiti, vikundi tendaji kwenye uso wake huunda vifungo vya hidrojeni na kimiminika cha ioni na hivyo kushikilia ioni katika maeneo fulani.

Kabla ya shinikizo kutumika, uhamaji wa ioni hizi huzuiwa. Shinikizo linapotumika, tofauti ya sifa za kimitambo kati ya matriksi ya jeli na chembe ya nanoscale husababisha mkusanyiko wa mkazo kwenye kiolesura; vifungo vya hidrojeni vinapodhoofika, baadhi ya ioni huachiliwa na zinaweza kuhamia kuelekea elektrodi chini ya uga wa umeme uliowekwa.

Kuongezeka kwa idadi ya ioni huru kwenye kiolesura cha elektrodi huunda tabaka mbili la umeme lenye nguvu zaidi. Matokeo yake, kapasitansi hubadilika na masafa ya resonansi ya resoneta ya LC husogea.

Kwa nini tabaka mbili la umeme ni muhimu?

Katika sensa ya kawaida ya shinikizo ya kapasitansi, kipimo kwa kawaida hutegemea kubanwa kwa tabaka la dielektriki, mabadiliko ya umbali kati ya elektrodi au deformation ya jiometri ya muundo. Katika WiLECS, watafiti hutumia kapasitansi ya EDL inayotokea kutokana na ioni kuhamishwa hadi kwenye kiolesura cha elektrodi.

Katika masafa ya chini, ioni huwa na muda mrefu zaidi wa kusogea, hivyo kapasitansi ya mfumo wa ioni hujitokeza wazi zaidi. Utafiti ulionyesha kuwa kapasitansi ya EDL katika jeli ya ioni ya CS+IL huongezeka masafa yanapopungua.

Katika mfumo wa HD-ME, jambo muhimu ni kuzuia ioni nyingi iwezekanavyo zisihame mwanzoni, kisha kuziachilia shinikizo linapotokea. Kwa hiyo, ingawa kapasitansi ya awali ya jeli ya HD-ME ni ndogo zaidi, mabadiliko ya kapasitansi chini ya shinikizo ni makubwa zaidi.

Resonansi ya LC inaunganishwaje na mwendo wa ioni?

Katika utafiti, masafa ya resonansi yanaonyeshwa kwa uhusiano ufuatao:

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

Ambapo:

• f₀: ni masafa ya resonansi ya saketi ya LC.
• L: ni induktansi ya antena.
• C: ni kapasitansi ya sensa ya ioni.

Utafiti pia unatoa mabadiliko ya masafa ya resonansi katika umbo lifuatalo:

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

Uandishi wa mlinganyo katika chanzo umehifadhiwa hapa jinsi ulivyo. Kwa kuwa katika baadhi ya grafu za utafiti mabadiliko ya masafa yanaonyeshwa kama −Δf₀, kanuni ya alama inapaswa kutenganishwa na ukubwa wa mabadiliko. Kwa hiyo, mlinganyo haujabadilishwa kimya kimya kwa kuutoa upya kutoka nje.

Kwa upande wa fizikia, uhusiano muhimu kwa WiLECS ni huu: shinikizo → kuachiliwa kwa ioni → mabadiliko ya kapasitansi ya EDL → mabadiliko ya masafa ya resonansi ya LC.

Muundo wa jeli ya ioni ulichaguliwaje?

Chitosan ilitumika kama polima ya msingi. Kiasi cha kimiminika cha ioni cha choline-malate kilipoongezwa, idadi ya ioni zinazohama na hivyo kapasitansi ya EDL ilionekana kuongezeka. Kimiminika cha ioni pia kilifanya kazi kama plasticizer katika matriksi ya chitosan na kupunguza moduli ya unyumbufu.

Hata hivyo, maudhui ya kimiminika cha ioni yalipozidi %50 kwa uzito, kuvuja kwa ioni kulitokea na uundaji wa jeli yenye usawa ukavurugika. Kwa hiyo, ili kuhifadhi faida ya maudhui makubwa ya ioni huku wakidhibiti mwendo wa ioni, watafiti walitumia chembechembe za Au zilizofanyiwa uamilishaji kama mitego ya ioni.

Uso wa chembechembe za dhahabu ulifanyiwaje uamilishaji?

2-mercaptoethanol iliongezwa kwenye mmumunyo wa chembechembe za Au wa 50 nm. Watafiti walidhibiti msongamano wa uamilishaji wa uso kupitia ukubwa wa chembechembe na pia pH ya mmenyuko.

Kwa uamilishaji wa msongamano mkubwa, mmenyuko ulifanywa katika hali ya pH 9,1 na chembe zilizosanisiwa baadaye zilitawanywa katika mazingira ya pH 7. Katika hali za pH ya chini, uratibu wa Au-S unatarajiwa kuwa mdogo kwa sababu deprotonation ya kundi la thiol huwa ngumu zaidi.

Uthibitishaji wa kispektroskopi ulionyesha nini?

Katika AuNP zisizofanyiwa uamilishaji, kilele cha ufyonzaji cha UV-Vis kilionekana karibu na 561 nm, ilhali baada ya marekebisho ya uso kwa ME kilele kilihama hadi 557 nm.

Katika uchunguzi wa FTIR, kilele cha awali cha kunyoosha S-H cha 2556 cm⁻¹ kiliripotiwa kutoweka, na bendi ya 2970 cm⁻¹ ambayo katika chanzo inahusishwa na uundaji wa kifungo cha Au-S ikaonekana. Pia, bendi ya asimetria ya 2910 cm⁻¹ karibu na CH₂ ilitafsiriwa kama kiashiria cha kuunga mkono kwamba molekuli za uso zimeunganishwa kikemia na chembechembe.

Katika kuchunguza utaratibu wa kuachiliwa kwa ioni kwa shinikizo, kilele cha alkoholi cha C-O cha choline kilihama kutoka 1076 cm⁻¹ hadi 1080 cm⁻¹, na kilele cha alkoholi cha C-O cha malate kilihama kutoka 1028 cm⁻¹ hadi 1033 cm⁻¹. Watafiti wanahusisha mabadiliko haya na kudhoofika kwa vifungo vya hidrojeni chini ya shinikizo na kuachiliwa kwa ioni kutoka kwenye uso wa AuNP.

Katika uchanganuzi wa Raman, kilele cha 712 cm⁻¹ cha konformasheni ya gauche ya choline inayohusishwa na vifungo vya hidrojeni kililinganishwa na kilele cha konformasheni ya trans cha takriban 770 cm⁻¹, na kuonekana wazi zaidi kwa ishara ya gauche katika mfumo wa HD-ME kulitumiwa kama ushahidi unaounga mkono kushikiliwa kwa kimiminika cha ioni kupitia mwingiliano wa vifungo vya hidrojeni.

Shinikizo hubadilisha mienendo ya ioni kwa kiasi gani?

Katika uchanganuzi wa dielektriki unaotegemea masafa, sifa za ulegevu zilitathminiwa kwa kutumia tabia ya tan δ = ε''/ε'. Watafiti waliona mabadiliko ya %51,8 katika muda wa ulegevu wa jeli ya ioni ya HD-ME chini ya shinikizo. Mabadiliko katika jeli ya ioni ya CS+IL yaliripotiwa kuwa %21,1.

Tofauti hii ilitumika kuunga mkono dhana kwamba ioni zilizokuwa zimezuiwa kutohama awali kwenye uso wa HD-ME huachiliwa shinikizo linapotumika. Hata hivyo, inapaswa kuzingatiwa kuwa tafsiri za msongamano na uhamaji wa ioni huru zinazotolewa kutoka kwa uchanganuzi wa tan δ si sawa na kuona moja kwa moja kila ioni.

Unyeti wa shinikizo

Unyeti wa sensa ya shinikizo unafafanuliwa katika utafiti kwa uhusiano ufuatao:

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

• S: ni unyeti wa shinikizo.
• C₀: ni kapasitansi ya awali kabla ya shinikizo kutumika.
• ΔC: ni mabadiliko ya kapasitansi yanayotokea kutokana na shinikizo lililotumika.
• P: ni shinikizo lililotumika.

Kulingana na ufafanuzi huu, kapasitansi ndogo ya awali pamoja na mabadiliko makubwa ya kapasitansi chini ya shinikizo huzalisha unyeti mkubwa. Unyeti uliopimwa wa jeli ya ioni ya HD-ME uliripotiwa kuwa 17,36 kPa⁻¹.

Katika Kielelezo 1f, ambacho kinalinganisha sensa zisizotumia waya za utafiti na miundo tofauti ya sensa za shinikizo zisizotumia waya katika fasihi, WiLECS imepewa thamani ya unyeti ya 0,0036 mmHg⁻¹ katika masafa ya chini ya resonansi. Kwa kuwa namba hizi mbili zimeripotiwa kwa ufafanuzi na vitengo tofauti, hazipaswi kutumiwa badala ya nyingine.

Muda wa mwitikio na urejeshaji

Chini ya shinikizo la 0,1 kPa, muda wa mwitikio wa sensa ulipimwa kuwa 31 ms, na muda wa urejeshaji kuwa 47 ms. Katika majaribio ya nguvu ya kupakia na kuondoa mzigo, sensa iliripotiwa kutoa mwitikio thabiti kwa takriban 1900 sekunde za kufanya kazi.

Kwa nini ulaini wa kimitambo unahitajika?

Lengo lilikuwa kuweka ugumu wa jeli ya ioni kuwa mdogo ili iweze kuendana kimitambo na tishu za mishipa. Katika maandishi ya utafiti, moduli ya jeli ya kawaida ya chitosan imeelezwa kuwa takriban 400 MPa. Kimiminika cha ioni kinapoongezwa, moduli ya jeli ya CS+IL hushuka hadi takriban 175 kPa.

Lebo katika Kielelezo 2e zinaonyesha kuwa baada ya kuhifadhiwa katika PBS, mifumo ya jeli ililainika zaidi. Watafiti walilenga mabadiliko haya yawezeshe mgusano unaolingana zaidi na tishu laini.

Ulinganifu huu wa kimitambo si ushahidi wa usalama wa implant ya muda mrefu katika mshipa halisi; utafiti haukufanya upandikizaji wa muda mrefu kwa mnyama hai wala upandikizaji kwa binadamu.

Jaribio la uhai wa seli

Fibroblasti za ngozi ya binadamu (HDFn) zilitumika katika tathmini ya awali ya utangamano wa kibaiolojia wa jeli ya ioni ya HD-ME. Seli ziliwekwa katika mgusano na jeli ya ioni ya HD-ME au PEDOT:PSS kwa 12, 24 na 48 saa, kisha jaribio la MTT likafanywa.

Iliripotiwa kuwa baada ya mfiduo wa siku mbili katika jeli ya ioni ya HD-ME, uhai wa seli uliendelea kuwa juu ya %80. Matokeo haya yanaunga mkono utangamano wa muda mfupi wa nyenzo na seli; lakini yenyewe hayathibitishi utangamano wa muda mrefu wa implant, tabia ya uchochezi au usalama kwa binadamu.

Antena isiyotumia waya ilishushwaje hadi masafa ya chini?

Sensa ya ioni pekee haitoshi; kapasitansi ya sensa lazima iunde resonansi inayofaa ya LC pamoja na induktansi ya antena. Kwa kusudi hili, watafiti waliongeza idadi ya mizunguko ya koili ndani ya eneo lilelile na walibuni antena ya tabaka mbili ili kuongeza kapasitansi parasiti.

Kwa kutumia muundo wa bodi ya saketi iliyochapishwa inayonyumbulika, antena nyembamba na inayoweza kuendana na mwili ilitengenezwa. Katika muundo wa antena, koili ya kisomaji ilimodelishwa kuwa na mizunguko 20, na koili ya sensa mizunguko 70.

ANSYS HFSS ilitumika kwa usanifu wa sumakuumeme, na Keysight Advanced Design System kwa tathmini za mtandao wa umeme na S₁₁.

Muunganiko kati ya koili ulionyeshwaje?

Koeffishenti ya uunganishaji wa sumaku kati ya koili ya kisomaji na koili ya sensa imetolewa kwa mlinganyo ufuatao:

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

• k: ni koeffishenti ya uunganishaji kati ya koili mbili.
• M: ni induktansi ya pamoja.
• L₁ na L₂: ni induktansi binafsi za koili hizo mbili.

Katika uigaji, pengo kati ya koili ya sensa na koili ya kisomaji lilibadilishwa kutoka 1 mm hadi 25 mm. Iliripotiwa kuwa sensa ya HD-ME iliweza kuendelea na uhamishaji wa wireless wenye unyeti mkubwa hata katika umbali wa 2,5 cm.

Watafiti pia walitathmini uwezo wa mfumo kufanya kazi kwa ukubwa wa antena wa 1,25 cm × 1,25 cm. Matokeo haya yanaonyesha uwezekano wa miniaturization; hayadhihirishi moja kwa moja mafanikio ya muda mrefu ya kifaa kidogo kilichopandikizwa.

Jaribio la ateri bandia lilifanywaje?

Ili kuonyesha kanuni ya WiLECS ya kufuatilia shinikizo la mishipa, mpangilio wa ateri bandia uliundwa kwa kutumia katheta ya puto na inflator. Sensa ya jeli ya ioni ya HD-ME iliwekwa katika muundo wa PDMS unaofanana na cuff, na kupanuka na kusinyaa kwa katheta ya puto kulitoa shinikizo la kimitambo la mara kwa mara kwa sensa.

Ili kuiga kupungua kwa kipenyo cha mshipa kunakoweza kusababishwa na plaque ya atherosclerosis, mafuta ya nguruwe yaliyoyeyushwa yalidungwa ndani ya katheta na kuachwa yagande katika joto la kawaida. Chanzo kinatumia modeli hii kulinganisha hali za ateri “normal” na “oily”.

Mpangilio huu si ateri halisi yenye atherosclerosis kwa upande wa biolojia. Modeli iliyoundwa kwa mafuta ni modeli ya maabara iliyodhibitiwa, iliyotumika kuonyesha uwezo wa sensa kutofautisha hali tofauti za shinikizo la kimitambo.

Ni matokeo gani yalipatikana katika modeli ya ateri bandia?

Wakati sensa za jeli ya CS, jeli ya ioni ya CS+IL na jeli ya ioni ya HD-ME zilipolinganishwa, mfumo wa HD-ME ulitoa mwitikio mkubwa zaidi wa kapasitansi kwa mabadiliko ya shinikizo yanayotokana na kupanuka kwa ateri.

Mwelekeo huo huo uliendelea katika kipimo kisichotumia waya. Katika sensa ya HD-ME, kuongezeka kwa shinikizo kulisababisha kuhama zaidi kwa masafa ya resonansi. Watafiti wanahusisha tabia hii na ioni kubadilika kutoka hali ya kushikiliwa chini ya shinikizo hadi hali huru.

Uwiano wa ishara kwa kelele

Katika tathmini ya SNR iliyotokana na majaribio ya shinikizo la ateri bandia, thamani ya 78 dB iliripotiwa kwa mfumo wa HD-ME na thamani ya 15 dB kwa sensa ya kawaida ya dielektriki yenye msingi wa jeli ya polima ya CS.

Ulinganisho huu unaonyesha utendaji wa ishara kwa kelele katika mpangilio wa majaribio wa utafiti wenyewe. Haimaanishi kwamba thamani zilezile za SNR zinatumika moja kwa moja kwa visomaji tofauti vya kielektroniki, jiometri tofauti za tishu, kina tofauti cha implant au mazingira ya kliniki.

Uhamishaji unaendelea tishu na umbali vinapokuwa katikati?

Ili kutathmini uhamishaji usiotumia waya chini ya vizuizi vya kimwili, kwanza kipande cha kutenganisha chenye unene wa 5 mm, na baadaye ngozi ya nguruwe yenye unene wa 7 mm, viliwekwa kati ya antena za TX na RX.

Chanzo kinahusisha thamani za ishara ya S₁₁ katika hali hizi na viwango vya −13,4 dB, −10,26 dB na −4,53 dB kwa mpangilio huo, huku kikisema kuwa mabadiliko ya resonansi yanayotegemea shinikizo yaliendelea kusomeka. Kwa kuwa S₁₁ ni koeffishenti ya uakisi, thamani zisizo hasi sana au zilizo hasi zaidi hazipaswi kutafsiriwa moja kwa moja kama “ishara ya kibaiolojia yenye nguvu zaidi”; jambo muhimu hapa ni kwamba watafiti waliweza kuendelea kufuatilia mabadiliko ya resonansi yanayotegemea shinikizo hata nyuma ya kizuizi.

Masafa ya chini yanamaanisha nini hasa?

Mfumo wa vipimo wa WiLECS ulifanyiwa uainishaji katika masafa ya 10 kHz–1 MHz, na eneo linalolengwa la kufanya kazi la kifaa ni chini ya 1 MHz. Njia hii huwezesha mpito kutoka kwa sensa za kawaida za LC za masafa ya juu kwenda kwenye masafa ya chini zaidi ya kufanya kazi ya sumakuumeme.

Hata hivyo, mbinu ya utafiti ya “bio-safe” au masafa ya chini yanayodaiwa kuwa salama zaidi kibaiolojia haijathibitishwa kwa utafiti mpana wa mfiduo wa sumakuumeme kwa binadamu. Utafiti umejikita hasa katika nyenzo ya sensa, mechanotransduction, resonansi ya sumakuumeme na onyesho la ateri bandia. Kwa hiyo, masafa kuwa ya chini si sawa na kuthibitishwa kwa usalama wa kliniki wa muda mrefu.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Unaunga mkono kwamba usanifu wa sensa isiyotumia waya chini ya 1 MHz unaweza kutekelezwa kwa kuunganisha moja kwa moja mwendo wa ioni na resonansi ya LC.
• Unaunga mkono kwamba muundo wa AuNP ulioufanyiwa uamilishaji wa HD-ME unaonyesha mabadiliko ya kispektroskopi na ya umeme yanayolingana na utaratibu wa kushikiliwa kwa ioni na kuachiliwa kwa shinikizo.
• Unaonyesha kuwa jeli ya ioni ya HD-ME hutoa mwitikio mkubwa zaidi wa shinikizo kuliko mifumo yenye msingi wa CS+IL na CS.
• Unaonyesha kuwa katika mfumo wa HD-ME mabadiliko ya muda wa ulegevu chini ya shinikizo yalifikia %51,8.
• Unyeti wa 17,36 kPa⁻¹ uliripotiwa katika sensa ya shinikizo ya kapasitansi ya HD-ME.
• Katika hali ya 0,1 kPa, muda wa mwitikio wa 31 ms na muda wa urejeshaji wa 47 ms ulipimwa.
• Unaonyesha kwamba mabadiliko ya shinikizo yanaweza kufuatiliwa kupitia kuhama kwa resonansi isiyotumia waya katika mpangilio wa ateri bandia.
• Unaonyesha kwamba usomaji usiotumia waya unaotegemea shinikizo uliendelea hata baada ya kuweka ngozi ya nguruwe ya 7 mm katikati.

Matokeo ambayo utafiti haujathibitisha

• Usahihi wa kliniki wa kupima shinikizo la damu kwa binadamu haujathibitishwa.
• Hakuna upandikizaji uliofanywa katika mshipa wa binadamu aliye hai.
• Utangamano wa muda mrefu wa implant haujaonyeshwa.
• Uchochezi wa muda mrefu, fibrosis au mwitikio wa kinga haukutathminiwa.
• Utendaji usiotumia waya kwa miezi au miaka ndani ya mwili wa binadamu haujaonyeshwa.
• Modeli ya ateri iliyoundwa kwa mafuta bandia haiwakilishi sifa zote za kibiomekanika za atherosclerosis halisi ya binadamu.
• Haijathibitishwa kwamba kufanya kazi katika masafa ya chini pekee huondoa hatari zote za usalama wa sumakuumeme.
• Onyesho la antena ya 1,25 cm × 1,25 cm si ushahidi kwamba implant ya kliniki imefanikiwa kufanywa ndogo.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Usanisi wa kimiminika cha ioni

Kimiminika cha ioni cha choline-malate [Ch]⁺[MA]⁻ kilitayarishwa kwa njia ya metathesis ya chumvi. Mmumunyo wa 2 M asidi maliki katika methanoli uliongezwa polepole kwenye mmumunyo wa 0,8 M choline bicarbonate katika 25 °C, ili CO₂ itoke, na kuchanganywa kwa 4 saa.

Methanoli na maji yaliondolewa kwa rotary evaporation katika 80 °C kwa saa 12; kisha bidhaa ilikaushwa katika oveni ya utupu katika 80 °C kwa saa 48.

Utayarishaji wa chembechembe za Au zilizofanyiwa uamilishaji kwa ME

• Kiasi cha 2-mercaptoethanol: 556 µL
• Mmumunyo wa AuNP: 5 mL
• Ukubwa nominali wa AuNP: 50 nm
• Thamani za pH za buffer zilizojaribiwa: 3,8; 4,5; 9,1
• Bafu la ultrasonic: dakika 30
• Incubation kwa vortex ya polepole katika joto la kawaida: saa 12
• Centrifugation: 12.500 g, 4 °C, dakika 12, mara mbili
• Kutawanya tena baada ya usafishaji: 1 mL maji ya Milli-Q

Utayarishaji wa jeli ya ioni ya chitosan

Mmumunyo wa chitosan ulitayarishwa kwa kutumia %2 chitosan kwa uzito na %1 v/v asidi asetiki. Kimiminika cha ioni cha choline-malate kiliongezwa kwenye mmumunyo wa chitosan katika uwiano wa uzito wa %10, %30 na %50.

Mchanganyiko ulichanganywa katika joto la kawaida kwa saa 24 na kufanyiwa sonication kwa dakika 30 ili kupata hali yenye usawa.

Kisha 1 mL ya mmumunyo wa AuNP ulioufanyiwa uamilishaji ulichanganywa na mmumunyo wa jeli ya ioni na kuchanganywa kwa upole usiku kucha. Kutoka kwenye mmumunyo uliotayarishwa, 10 g ilimwagwa kwenye sahani ya Petri ya kioo na kuachwa ikauke katika joto la kawaida kwa saa 48.

Utengenezaji wa sensa ya ioni isiyotumia waya

Tabaka la kati la PDMS lilitayarishwa katika eneo la takriban 1 cm × 1 cm na unene wa 500 µm. Katika maandishi ya mbinu ya chanzo, uwiano wa PDMS na kigandishaji umetolewa kama uwiano wa uzito wa 1:10; hapa usemi wa chanzo umehifadhiwa jinsi ulivyo.

PDMS ilifanyiwa annealing katika 80 °C kwa saa 4. Sensa ya ioni iliundwa katika muundo wa metali-kihami-metali (MIM).

Elektrodi za juu na chini ziliundwa kwa tabaka za 3 nm Cr / 30 nm Au zilizowekwa juu ya PET kwa thermal evaporation. Waya wa dhahabu ulitumika kwa muunganisho wa umeme kati ya elektrodi na antena.

Uainishaji wa nyenzo

Uainishaji wa kimitambo

Filamu za polima zilijaribiwa katika 25 °C kwa kifaa cha UTM QRUTS-S105 chenye seli ya mzigo ya 1 kN na kasi ya kuvuta ya 10 mm/dakika. Sampuli zilitayarishwa kwa mujibu wa kiwango cha ASTM D638-02a Type V.

Moduli ya Young ilihesabiwa kutokana na mteremko wa mkunjo wa stress-strain katika eneo la %0–5 strain. Matokeo yaliripotiwa kama wastani wa sampuli tano ± mkengeuko wa kawaida zilizojaribiwa katika hali zilezile.

Mbinu ya uhai wa seli

Seli za HDFn ziliwekwa katika mgusano na 1,5 mg ya jeli ya ioni ya HD-ME au PEDOT:PSS kwa 12, 24 na 48 saa.

Kisha mmumunyo wa %10 MTT uliongezwa na seli zikawekwa katika hali ya 37 °C, %5 CO₂ kwa saa 4. Msongamano wa macho ulipimwa katika 570 nm.

Spektroskopi ya impedance ya elektrokemia

Vipimo vya EIS vilifanywa kwa analyzer ya elektrokemia PGSTAT302N katika joto la kawaida, katika masafa ya 0,1 Hz–100 kHz na ishara ya 10 mV AC.

Filamu za polima zenye unene wa takriban 500 µm ziliwekwa kati ya elektrodi mbili za chuma cha pua zenye kipenyo cha 10 mm.

Uendeshaji wa ioni ulihesabiwa kwa mlinganyo ufuatao:

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

• σ: ni uendeshaji wa ioni.
• l: ni unene wa filamu ya polima.
• A: ni eneo la elektrodi.
• R_b: ni upinzani wa bulk ulioamuliwa kutoka kwenye mikunjo ya Nyquist.

Vipimo vya kapasitansi na shinikizo

Vipimo vya kapasitansi vilifanywa kwa Agilent E4980A Precision LCR Meter. Katika sensa ya piezokapasitansi, filamu ya jeli ya ioni yenye unene wa takriban 500 µm na eneo la sensa la takriban 0,75 cm² vilitumika.

Katika uainishaji wa shinikizo, kituo cha probe cha xyz kinachoweza kupangwa kilitumika. Resolution ya nafasi ilikuwa 0,1 µm, na resolution ya kiashiria cha nguvu ilikuwa 0,005 N. Kapasitansi na mzigo uliotumika vilirekodiwa kwa wakati mmoja kwa mfumo unaotegemea LabVIEW.

Uainishaji wa mfumo usiotumia waya

• Modeli ya antena ya sumakuumeme: ANSYS HFSS
• Uchanganuzi wa mtandao/S₁₁: Keysight ADS
• Dielektriki ya antena: polyamide
• Kondakta: shaba
• Koili ya kisomaji: mizunguko 20
• Koili ya sensa: mizunguko 70
• Analyzer ya mtandao wa vector: Keysight E5071C
• Masafa ya kifaa cha VNA: 9 kHz–8,5 GHz
• Masafa ya kipimo yaliyotumika katika utafiti: 10 kHz–1 MHz

Muhtasari wa matokeo makuu ya namba

Matokeo haya yote yanahusu mipangilio ya maabara ya utafiti wenyewe. Hasa, majaribio ya ateri bandia, umbali wa koili na ngozi ya nguruwe si sawa na upandikizaji halisi kwa binadamu au uthibitishaji wa kliniki wa shinikizo la damu.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la awali la utafiti: Low-frequency ionic-electronic coupling for energy-efficient noise-resilient wireless bioelectronics

Waandishi: 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.

Mchango sawa: Ji Hong Kim na Haerim Kim walichangia kwa kiwango sawa katika utafiti.

Waandishi wanaowajibika: Seungyoung Ahn na Do Hwan Kim.

Taasisi:

• 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.

Jarida: Nature Communications

Mchapishaji: Springer Nature / Nature Portfolio

Juzuu: 17

Namba ya makala: 3800

Mwaka: 2026

Tarehe ya kupokelewa: 28 Oktoba 2025

Tarehe ya kukubaliwa: 25 Februari 2026

Tarehe ya kuchapishwa mtandaoni: 11 Machi 2026

Version of record: 27 Aprili 2026

DOI:10.1038/s41467-026-70331-4

Kiungo rasmi cha uchapishaji:Ukurasa rasmi wa makala wa Nature Communications

Aina ya chanzo: Makala asilia ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu.

Maelezo ya hali ya uchapishaji: Chanzo kilichopakiwa kilichochunguzwa kwa ajili ya Verianla ni toleo la “Article in Press” lililowekwa wazi baada ya kukubaliwa na ambalo bado halikuwa limepitia usindikaji wa mwisho wa uhariri. Katika uthibitishaji wa kibibliografia, ilibainika kuwa rekodi ya mwisho iliyochapishwa yenye DOI hiyo hiyo ipo katika Nature Communications. Kwa hiyo, utambulisho wa uchapishaji umetolewa kwa kutumia rekodi rasmi ya sasa; lakini matokeo ya kisayansi, namba na taratibu katika makala zimewasilishwa kwa uaminifu kwa chanzo cha kisayansi kilichopakiwa.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0). Leseni inaruhusu kushiriki, kurekebisha na kutumia tena mradi tu chanzo kitajwe ipasavyo na mabadiliko yaliyofanywa yaelezwe. Kwa nyenzo za wahusika wengine, inapaswa kukaguliwa ikiwa kielelezo au nyenzo husika ina maelezo tofauti ya leseni.

Upatikanaji wa data: Watafiti wanaeleza kwamba data husika inayounga mkono matokeo ya utafiti inapatikana katika makala na nyenzo za ziada; data ya ziada inaweza kuombwa kutoka kwa waandishi wanaowajibika na faili ya Source Data iliwasilishwa pamoja na utafiti.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wanatangaza kwamba hakuna mgongano wa maslahi.

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na fedha mbalimbali za kitaifa za utafiti, zikiwemo National Research Foundation of Korea, programu husika za utafiti za serikali ya Korea na ufadhili wa IITP. Rekodi rasmi ya mwisho ya uchapishaji pia inajumuisha msaada kutoka Korea Basic Science Institute / National Research Facilities and Equipment Center.

Michango ya waandishi: Seungyoung Ahn na Do Hwan Kim walisimamia mradi. Do Hwan Kim, Seungyoung Ahn, Ji Hong Kim na Haerim Kim waliendeleza dhana za kinadharia na kubuni majaribio. Ji Hong Kim na Haerim Kim walifanya majaribio. Jaewon Rhee, Joo Sung Kim, Hanbin Choi, Won Hyuk Choi, Yoseph Park, Jong Hwi Kim na So Young Kim walichangia katika michakato ya majaribio. Do Hwan Kim na Seungyoung Ahn walitathmini makala na kutoa mrejesho. Do Hwan Kim, Seungyoung Ahn, Ji Hong Kim na Haerim Kim walichangia katika uandishi wa maandishi; Do Hwan Kim aliwajibika kwa marekebisho. Waandishi wote walijadili matokeo na kuchangia katika maandishi ya mwisho.

Mpaka wa tafsiri ya kisayansi

Utafiti huu ni utafiti wa majaribio wa sensa unaounganisha uainishaji wa nyenzo katika kiwango cha maabara, vipimo vya kielektroniki, uigaji wa sumakuumeme na onyesho la ateri bandia. Hakuna jaribio la kliniki lililofanywa kwa binadamu. Mpangilio wa ateri bandia na majaribio ya uhamishaji usiotumia waya kupitia ngozi ya nguruwe hayazalishi upya hali zote za kimitambo, kibaiolojia na sumakuumeme za upandikizaji halisi kwenye mshipa.

Mabadiliko ya kispektroskopi, dielektriki na kapasitansi yaliyoonekana katika jeli ya ioni ya HD-ME yanaunga mkono utaratibu wa watafiti wa kushikiliwa kwa ioni na kuachiliwa kwa shinikizo; lakini haya hayamaanishi kwamba kila hatua ya kimikroskopi ya utaratibu huo ilionekana moja kwa moja.

Kufanya kazi katika masafa ya chini ni sehemu muhimu ya lengo la utafiti la elektroniki zisizotumia waya zilizo salama zaidi kibaiolojia; hata hivyo, utafiti huu pekee hautoi ushahidi wa usalama wa muda mrefu wa sumakuumeme kwa binadamu.

Dokezo la uaminifu kwa chanzo: Hakuna matokeo mapya ya majaribio, thamani mpya ya utendaji wa sensa au utaratibu mpya wa kibaiolojia ulioongezwa katika maelezo haya ya Verianla nje ya utafiti uliopakiwa. Uthibitishaji wa nje ulitumika tu kwa utambulisho wa uchapishaji, hali ya mwisho ya uchapishaji, taarifa za taasisi, leseni na rekodi rasmi ya kibibliografia.