سمينار کارشناسي ارشد- مدل سازي سيستم­هاي بيولوژيکي دانشکده­ مهندسي پزشکي سمينار کارشناسي ارشد- مدل سازي سيستم­هاي بيولوژيکي مدل­سازي الکتريکي واسطه الکترود-سلول براي ثبت فعاليت الکتريکي آرايه­هاي ميکروالکترود با تراکم بالا استاد مربوطه: دکتر توحيدخواه دانشجو: مريم سعيدي

فهرست مطالب مقدمه مدل نقطه تماس مدل سطح تماس الکترود با نوک سه بعدي نتيجه گيري پيشنهاد

مقدمه آرايه هاي ميکرو الکترود آرايه هاي ميکروالکترود MEAs در تحقيقات الکتروفيزيولوژي تايالسد مشاهده رفتار يک الکترون تا آناليز هم زمان مجموعه سلول هاي عصبي مناسب نبودن MEAS تجاري ( اندازه الکترودي 10 الي 50 μm و فاصله بين الکترودي بالاتر از 100 μm در برابر اندازه نوعي 10 μm براي يک سلول عصبي) آرايه هاي جديد (اندازه گامي به کوچکي 7.8 μm با قطر الکترود 4.5 μm دارد) آزمايشات الکتروفيزيولوژيکي را در حد زير سلولي امکان پذير مي­سازد.

مقدمه اهميت مدل هاي الکتريکي براي MEAs مدل نقطه تماس نياز به مدل سطح- تماسي که توزيع فضايي مشخصات الکتريکي را در نظر مي­گيرد مدل استاندارد براي توصيف مشخصات الکتريکي سطح مشترک الکترود – سلول نداشتن دقت کافي براي مدل کردن ويژگي هاي الکتريکي سطح مشترک در حد زير سلولي

مدل نقطه-تماس مدلغشاي سلول شامل خازن موازي با جريان

مدل نقطه-تماس مدلغشاي سلول مدل واسطه سلول- الکترود هنگامي که هيچ سلولي در بالاي الکترود نباشد مقاومت بين الکترود و الکترود مخالف به صورت خازن chd که به صورت سه لايه خازني سري Ch1 خازن بين سطح غشا و اولين لايه از يون هاي بدون آب Ch2 خازن بين لايه­ي يون­هاي بدون آب و لايه دوم از يون­هاي آبديده و Cd خازن لايه انتشار

مدل نقطه-تماس

مدل نقطه-تماس مدلغشاي سلول مدل واسطه سلول- الکترود مدل الکترود امپدانس با زاويه فاز ثابت ZCPA,. که بيان کننده خازن واسطه است موازي با مقاومت انتقال بار الکتريکي Rct,

مدل نقطه-تماس تابع تبديل سيستم H(jω)=VS(jω)/VM(jω)

مدل نقطه-تماس نمودار بودتابع تبديل Hm(jω)=VI(jω)/VM(jω) و He(jω)=VS(jω)/VI(jω).

مدل نقطه-تماس اندازه تابع تبديل H(jω) بر حسب شعاع الکترود

مدل نقطه-تماس اندازه تابع تبديل H(jω) بر حسب شعاع الکترود اندازه­ي الکترود بايد به اندازه کافي بزرگ باشد تا يک افت ولتاژ کوچک مناسب بين VS(jω) تا VM(jω) بدست آيد.

مدل نقطه-تماس اندازه تابع تبديل H(jω) بر حسب شعاع الکترود

مدل سطح-تماس ولتاژ واسطه الکترود- سلول هدف : توصيف ويژگي­هاي الکتريکي واسطه الکترود-سلول درسطح ريز سلولي هنگام ثبت فعاليت الکترکي سلول عصبي ولتاژ واسطه الکترود- سلول ابتدا ولتاژ VI(r,jω) در واسطه الکترود- سلول که r فاصله تا مرکز سلول است بدون الکترود در نظر گرفته مي شود.

مدل سطح-تماس ولتاژ واسطه الکترود- سلول هدف : توصيف ويژگي­هاي الکتريکي واسطه الکترود-سلول درسطح ريز سلولي هنگام ثبت فعاليت الکترکي سلول عصبي ولتاژ واسطه الکترود- سلول ابتدا ولتاژ VI(r,jω) در واسطه الکترود- سلول که r فاصله تا مرکز سلول است بدون الکترود در نظر گرفته مي شود.

مدل سطح-تماس تعريف المان هاي مدار cm(r)=cmem∂Ace ∂Ace=2πr∂r

مدل سطح-تماس با نوشتن معادلات در حوزه لاپلاس VI/VM در برابر فاصله از مرکز سلول براي فرکانس­هاي مختلف VM (100 Hz to 10 kHz) متناسب با محدوده فرکانسي فعاليت عصبي است. فاصله الکترود- سلول 70 nm در نظر گرفته شده است.

مدل سطح-تماس از آنجا که انتظار مي­رود VI(r,s) در مرکز سلول ماکزييمم و در لبه سلول مينيمم است

براي يک الکترود دايره اي مدار معادل الکترود به شکل زير است مدل سطح-تماس تابع تبديل سيستم براي الکترودي که در مرکز سلول قرار گرفته است. براي يک الکترود دايره اي مدار معادل الکترود به شکل زير است

مدل سطح-تماس تابع تبديل سيستم براي الکترودي که در مرکز سلول قرار گرفته است. H(s)=VS(s)/VM(s) نمودارهاي H(s) در برابر شعاع الکترود بالا: به ازاي فرکانس هاي مختلف پايين : به ازاي بارهاي خازني مختلف

مدل سطح-تماس تابع تبديل سيستم براي الکترودي که در مرکز سلول قرار گرفته است. فرکانس اثر قابل توجهي بر روي اندازه الکترود بهينه نمي گذارد اما به بار خازن بسيار وابسته است. اثر خازن براي الکترودهاي کوچکتر قوي تر است اين اطلاعات براي بخش تقويت کننده يک MEA مفيد است

براي اين الکترود مدل سطح تماس مناسب است الکترود با نوک سه بعدي براي اين الکترود مدل سطح تماس مناسب است طبق روش به کار رفته در مورد الکترودهاي سطحي ولتاژ واسطه الکترود-سلول VI(r,s) براي سلولي که در مرکز نوک يک مخروط سه بعدي قرار گرفته ايجاد مي­شود.

با در نظر نگرفتن الکترود مدار معال غشا به صورت شکل مقابل است الکترود با نوک سه بعدي با در نظر نگرفتن الکترود مدار معال غشا به صورت شکل مقابل است ( zm(r) شامل chd(r) سري با rm(r)//cm(r). Hc ارتفاع مخروط ، و Rc شعاع قاعده آن است.)

VI/VM در برابر فاصله از مرکز سلول براي فاصله­هاي الکترود- سلول مختلف. الکترود با نوک سه بعدي VI/VM در برابر فاصله از مرکز سلول براي فاصله­هاي الکترود- سلول مختلف.

نوک 3 بعدي دو اثر روي ولتاژ الکترود – سلول VI(r,s). دارد. الکترود با نوک سه بعدي نوک 3 بعدي دو اثر روي ولتاژ الکترود – سلول VI(r,s). دارد. افزايش VI(r,s). بدست آمده با توپولوژي سه بعدي در مقايسه با آنچه که با سطح صاف بدست آمده است. اين افزايش تقريبا برابر 2–3 dB است و متناسب با سطح بزرگتر غشا مورد نظر است. افزايش VI(r,s). براي r کوچکتر از Rc. است اين افزايش به علت کاهش فاصله الکترود – سلول در اطراف نوک ساختار سه بعدي است که اين افزايش مي­تواند به بزرگي 30–40 dB در نوک اگر سلول در تماس نوک سطح سه بعدي (dtip=0) باشد.

Vs/VM در برابر فاصله از مرکز سلول براي فاصله­هاي الکترود- سلول مختلف. الکترود با نوک سه بعدي Vs/VM در برابر فاصله از مرکز سلول براي فاصله­هاي الکترود- سلول مختلف.

نتيجه در طراحي MEAs مي­تواند از نتايج اين مدل ها تا حد زيادي بهره برداري کرد اگر هيچ محدوديت فضايي شديدي به طراحي اعمال نشود قطر الکترود مناسب به منظور بدست آوردن ماکزيمم دامنه ولتاژ اندازه­گيري شده VS(s) بدست مي آيد. در اين پيکربندي الکترود سه بعدي سبب افزايش 3 dB در دامنه تابع تبديل سيستم در مقايسه با الکترودهاي صفحه­اي مي­شود در هر حال هنگام طراحي يک MEA با تراکم بالا اندازه الکترود مي­تواند با فضاهاي بين الکترودي کوچک محدود شود. که نياز به يک مصالحه است

پيشنهاد لازم است که اندازه­گيري الکتريکي بر روي MEAs ها ساخته شده انجام شود و با مدل ارائه شده مقايسه شود که در اين مقاله به آن پرداخته نشده است.

با تشکر از توجه شما ?