د انشکده مهندسي پزشکي 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 تايالسدمشاهده رفتار يک الکترون تا آناليز هم زمان مجموعه سلول هاي عصبي • مناسب نبودن MEASتجاري ( اندازه الکترودي 10 الي 50 μm و فاصله بين الکترودي بالاتر از 100 μm در برابر اندازه نوعي 10 μmبراي يک سلول عصبي) • آرايه هاي جديد(اندازه گامي به کوچکي 7.8 μm با قطر الکترود 4.5 μmدارد)آزمايشات الکتروفيزيولوژيکي را در حد زير سلولي امکان پذير ميسازد.

مقدمه • اهميت مدل هاي الکتريکي براي MEAs • نياز به مدل براي توسعه و پشتيباني از طراحي MEAs • انواع 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 بهصورت • خازن chdکه به صورت سه لايه خازنيسري • Ch1 خازن بين سطح غشا و اولين لايهاز يون هاي بدون آب • Ch2 خازن بين لايهي يونهاي بدون آب و لايه دوم از يونهاي آبديده • و Cdخازن 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 اندازه تابع تبديل H(jω) براي شعاع الکترودي کمتر از 1 به طور چشمگيري کاهش مي يابد.علاوه بر اين ، براي قطر بزرگتر از 5، افزايش اندازهي الکترود اثر قابل توجهي روي افت ولتاژ نميگذارد.

مدل سطح-تماس • 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 ميشود.

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

مدل سطح-تماس • با نوشتن معادلات در حوزه لاپلاس VI/VMدر 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

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 MEAمفيد 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.

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). Hcارتفاع مخروط ، و Rcشعاع قاعده آن است.)

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

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.

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

نتيجه • در طراحي MEAsميتواند از نتايج اين مدل ها تا حد زيادي بهره برداريکرد • 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 بعديسبب 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 ?

د انشکده­ مهندسي پزشکي سمينار کارشناسي ارشد- مدل سازي سيستم­هاي بيولوژيکي