基于扩散的球状分子通信：同质细胞聚集体间的信号传递

近期的分子通信（MC）研究整合了更详细的计算模型，以捕捉实际生物物理系统的动力学。本研究的重点是开发受球状体启发的现实 MC 收发器模型——球状体是器官芯片实验系统中常用的三维细胞聚集体。可以使用球状体或对其进行建模的潜在应用包括器官芯片系统中的营养传输、癌变肿瘤部位释放生物标志物或接收药物分子，或参与信息交换的收发纳米机器。本文考虑了一个简单的扩散 MC 系统，其中球状发射器和接收器处于无界流体环境中。这些球状天线被建模为扩散信号分子的多孔介质，然后表征了它们的边界条件和有效扩散系数。此外，无论是点源还是球状发射器，接收球状体外部和内部的浓度格林函数（GFC）都以无穷级数的形式解析推导和公式化，并通过基于粒子的模拟器（PBS）得到确认。所提供的 GFC 能够计算球状通信系统中的发射和接收信号。本研究表明，接收球状体的多孔结构会放大扩散信号，但也会使其分散，因此在孔隙率与信息传输速率之间存在权衡。同时，结果揭示，发射球状体的多孔排列不仅会分散接收信号，还会使其衰减。系统性能还通过误比特率（BER）进行了评估。降低接收球状体的孔隙率被证明可以增强系统性能。相反，降低发射球状体的孔隙率则可能对系统性能产生不利影响。