Компьютерное моделирование возбуждения нейрональных клеток трибоэлектрическими наногенераторами

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13411 (2022) Цитировать эту статью

1081 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Неврологические расстройства и травмы нервов, такие как травма спинного мозга, инсульт и рассеянный склероз, могут привести к потере мышечной функции. Электрическая стимуляция нейрональных клеток является доступным в настоящее время клиническим методом лечения в этом отношении. В качестве эффективного сборщика энергии трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ) можно использовать для автономной стимуляции нервов и мышц, поскольку выход ТЭН обеспечивает импульсы стимуляции нервов. В настоящем исследовании с использованием подхода компьютерного моделирования было исследовано влияние поверхностных микроструктур на распределение электрического поля, наведенное напряжение и емкость структур ТЭН. Путем включения эффекта ТЭН в математическую модель электрического поведения нейрона (уравнение кабеля с моделью Ходжкина-Хаксли) было изучено его влияние на электрическое поведение нейронов. Результаты показывают, что ТЭН работает по-разному при различных модификациях поверхности. Эффективность ТЭН при возбуждении нейронов зависит от скорости контакта и отпускания его электродов соответственно.

В окружающей среде люди окружены различными типами источников энергии, включая солнечную, тепловую, механическую, химическую и биологическую энергию1. Кроме того, человеческое тело само по себе является благоприятным источником энергии, поскольку оно полупостоянно и легкодоступно2. Кроме того, развитие устойчивых источников энергии является неизбежным требованием в связи с появлением портативных электронных устройств и сенсорных сетей3. Среди различных видов источников энергии механическая энергия привлекла значительное внимание благодаря своей универсальной доступности в природной среде, организме человека, а также в жизнедеятельности4. Поэтому были проведены исследования по разработке интегрированных систем под названием «Наноэнергетика», использующих микро- и наноструктуры, способные легко собирать энергию из окружающей среды и работать непрерывно, независимо и эффективно5,6,7. Методы сбора энергии представляют собой возможное решение проблемы питания портативных электронных устройств, медицинских устройств и беспроводных датчиков8, которые в настоящее время питаются от батарей. Применение обычных аккумуляторов становится непрактичным и невыгодным, главным образом из-за их ограниченного срока службы, сложности обслуживания и опасности для окружающей среды, учитывая утечку химических веществ9,10. Помимо традиционных технологий сбора механической энергии для обеспечения энергией электронных устройств, в последние годы пристальное внимание привлекли трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ) из-за их большого потенциала для использования в системах с автономным питанием11. ТЭНы широко используются для сбора и преобразования механической энергии в электрическую в различных приложениях12. Принцип работы ТЭН основан на контактной трибоэлектрификации наряду с эффектами электростатической индукции13. Как давно известное явление, трибоэлектрический эффект возникает между двумя материалами с различным трибоэлектрическим сродством и приводит к переносу зарядов и увеличению трибопотенциала14,15. Когда два материала соприкасаются, а затем разделяются, переменный потенциал приводит электроны во внешнюю электрическую цепь, заставляя их двигаться вперед и назад16.

ТЭНы широко используются17,18 в различных биомедицинских приложениях, таких как терапия рака19, кардиостимулятор20, мониторинг глюкозы21, датчики22,23, обнаружение ионов24, а также в устройствах для мышечной стимуляции25, благодаря их значительной выходной мощности, малому весу и простоте изготовления. процесс с низкой стоимостью, экологической совместимостью, богатым выбором материалов, универсальной доступностью и простой структурой.

Измерение электрофизиологических сигналов от мышц или нервных тканей имеет большое значение в диагностике многих дисфункций нейронов, в то время как электрическая стимуляция спинного мозга и нейронов может использоваться для лечения некоторых заболеваний26,27. Повреждение нервной системы человека во время инсульта или травмы спинного мозга может привести к слабости мышц или атрофии и может привести к параличу28,29. Отсутствие нейрональной иннервации из-за неврологического повреждения способствует неспособности мышц производить произвольные усилия, необходимые для создания движения суставов30. Таким образом, многочисленные научные исследования были сосредоточены на устройствах и стратегиях, помогающих организму восстановить атрофию мышц, восстановить движение и функцию мышц после травм или операций30,31.