Detection of Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles in Fluid Flow for Molecular Communication Applications: Analysis, Simulation, Experimentation and Design Guidelines

Beschreibung

In dieser Dissertation, basierend auf dem Molecular Communication (MC)-System, wird ein wasserbasiertes Testbed im Makromaßstab verwendet, um die Ausbreitung von biokompatiblen, wirkstoffbeladenen superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln (SPIONs) durch ein menschliches Gefäß für Anwendungen zur Arzneimittelabgabe zu imitieren. Im Testbed wird Partikelsuspension mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten in einen mit Wasser gefüllten Kanal gepumpt und von einem Suszeptometer detektiert. Alle Grundlagen, die zum Verständnis der Physik des Testbeds erforderlich sind, werden besprochen. In einer Vorstudie wird das Testbed zu einem mathematisch beschriebenen 2D-rotationssymmetrischen Modell vereinfacht und sein Strömungsregime analytisch hergeleitet. Eine vollständige numerische Untersuchung des vereinfachten Modells wird durchgeführt. Um die Rechenkomplexität der 3D-Multiphysik-Simulationen zu vermeiden, werden die magnetischen und fluidischen Simulationen entkoppelt und separat simuliert, woraus die Systemantwort effizient geschätzt wird. Andere Detektoren, einschließlich Helmholtz-, Maxwell- und Planarspulen, werden ebenfalls in Betracht gezogen. Es zeigt sich, dass das detektierte Signal der Spulen direkt proportional zur Volumensuszeptibilität und damit zur Dichte der Partikel in ihren Detektionsbereichen ist. Eine Änderung der Partikelverteilung im Sender vor der Injektion in den Kanal führt zu verschiedenen Verteilungen im Detektor, was die Systemreaktion erheblich beeinflusst.