بررسی انتشار موج در نانوبیوفیلترهای معماری‌شده فراکتالی مثلث‌های مرکز جرم ثابت مبتنی بر میکروتوبول‌ها

میکروتوبولها، لوله‌های پلیمری متصل‌شده از هسته به غشا سلول، اصلی‌ترین بخش اسکلت سلولی هستند که سفتی مکانیکی، سازماندهی و حفظ شکل را برای سیتوپلاسم سلول‌های یوکاریوت فراهم می‌کنند. این ساختارها نقش اساسی در برخی فرآیندهای سلولی مانند تقسیم سلولی، انتقال درون سلولی و سازماندهی داخلی سلول‌ها ایفا می‌کنند. در کاربردهای ذکرشده، ساختار شبکه‌ای میکروتوبولها دلیل اصلی اهمیت مطالعات عمیق‌تر خواص مکانیکی آنها هستند. در این مقاله به بررسی انتشار امواج الاستیک در شبکه‌های پریودیک مبتنی بر میکروتوبولهای فراکتالی مثلث‌های مرکز جرم ثابت جهت تجزیه و تحلیل خصوصیات دینامیکی آنها پرداخته شده‌است. این مطالعه با انتخاب یک مدل تیر مناسب برای یک میکروتوبول آغاز می‌شود و با ایجاد ساختارهای پریودیک از میکروتوبولها رفتار دینامیکی آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای بدست‌آوردن منحنی های انتشار موج، مدل‌های المان محدود برای میکروتوبول‌ها و شبکه‌های آنها به وجود آمده‌اند و معادلات گاف فونونی بر اساس تئوری بلاخ محاسبه می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد بسته به توپولوژی سلول‌های واحد انتخاب‌شده و همچنین دوره‌های درنظرگرفته‌شده، امکان طراحی گاف فرکانسی در محدوده‌های خاص برای کاربرد فیلتر زیستی با فرکانس پایین و بالا وجود دارد. این مطالعه به محققان کمک می‌کند برخی از ارتعاشات ناخواسته را با استفاده از ساختارهای پریودیک معماری شده کنترل یا جذب کنند و به لطف زیست‌سازگاری بیشتر، می‌توان این شبکه‌ها را در ابزارهای نانوبیومکانیکی نسل بعدی مانند حسگرهای زیستی قابل کاشت استفاده‌کرد.

investigation of wave propagation in architected uniform triangle mass center fractal nano-bio-filters based on microtubules

microtubules, polymer tubes stretched from the cell nucleus to the cell membrane, are the major parts of the cytoskeleton that provide the mechanical rigidity, organization, and shape retention for the cytoplasm of eukaryotic cells. these structures play a key role in some cellular processes such as cell division, intracellular transport, and the internal organization of cells. in all the above applications, the network structure of microtubules is the main reason for the importance of in-depth studies of their mechanical properties. in this paper, the propagation of elastic waves in periodic networks based on two-dimensional fractal microtubules of fixed mass-center triangles is analyzed. this study begins with the selection of a suitable beam model for a microtubule and examines the dynamic behavior of microtubules by creating periodic structures. to obtain dispersion curves, finite element models of microtubules and their networks are developed, and the bandgap equations are calculated based on bloch’s theory. the results show that depending on the topology of the selected unit cells as well as the considered periods, it is possible to design a frequency gap in specific ranges for the application of low and high-frequency bio-filters. this study helps researchers control or absorb some unwanted vibrations using periodic structures, and thanks to their better biocompatibility, these networks can be used in next-generation nanomechanical devices such as implantable biosensors.