Wireless in-body sensing and actuation through genetically modified bacteria
Genetiği değiştirilmiş bakterilerle kablosuz beden içi algılama ve uyarım
- Tez No: 1019568
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEMA DUMANLI OKTAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Boğaziçi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, genetiği değiştirilmiş bakterileri mikrodalga rezonatörlerle entegre eden, tamamen pasif ve kablosuz çalışan yeni bir biyo-hibrit implant sınıfı sunmaktadır. Sistem, beden içerisinde moleküler düzeyde algılama ve kablosuz kontrol imkânı sağlamaktadır. Sentetik biyoloji, hücreleri belirli molekülleri algılayacak şekilde yeniden programlamaya olanak verse de, uygun kablosuz iletişim mekanizmalarının eksikliği bu sensörlerin in vivo kullanımını sınırlamaktadır. Hücrelerle doğrudan elektromanyetik etkileşim sağlamak, biyolojik dokularda şiddetle zayıflayan THz frekanslarını gerektirir. Bu sınırlamayı aşmak için bu çalışmada, genetiği değiştirilmiş bakteri biyobozunur pasif bir antenle birleştirilmiş ve bakterilerin tepkisi antenin bozunma hızını değiştirecek şekilde tasarlanmıştır. Antenin bozunma hızının modüle edilmesiyle antenin rezonans frekansı değişmekte, bu değişim gerisaçılım (backscatter) yöntemiyle kablosuz olarak izlenmektedir. Bu yaklaşımla bataryasız ve elektronik komponent içermeyen implantlarla beden-içi gerçek zamanlı moleküler algılamanın mümkün olduğu gösterilmiştir. Ayrıca bu tezde, mikrodalga hipertermi kullanılarak genetiği değiştirilmiş bakterilerin kablosuz termal uyarımına yönelik bir yöntem geliştirilmiştir. Beden yüzeyine yerleştirilen bir anten, implant rezonatörde lokal sıcaklık artışı oluştururken çevre dokunun sıcaklığını 43°C eşiğinin altında tutmaktadır. Multifizik benzetimler, sistemin 1 W güç altında 5 dakikada 6°C'den fazla sıcaklık artışı sağladığını göstermiştir. Bu düzeydeki sıcaklık artışı, ısı ile uyarılabilir genetik devreleri aktive ederek protein üretimini tetiklemektedir. Bu çalışma, pasif ve hücre tabanlı bir implant ile beden-üstü okuyucu arasında kablosuz bağlantı kurulan ilk örneği temsil etmekte ve pil ya da devre gerektirmeyen hücresel implantların geliştirilmesine temel oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis introduces a new class of fully passive, wireless bio-hybrid implants that integrate genetically engineered bacteria with microwave resonators to enable molecular-level sensing and wireless control inside the body. Synthetic biology offers powerful tools to reprogram living cells for detecting specific target molecules; however, the lack of viable wireless communication mechanisms has limited their use in vivo. Direct electromagnetic interaction with individual cells would require THz frequencies, which are strongly attenuated in biological tissues. To overcome this, this work links cellular responses to electromagnetic signals by coupling engineered E. coli with a biodegradable passive microwave antenna. The bacteria modulate the antenna's degradation rate, and the resulting resonance shifts are wirelessly tracked using backscatter communication. This approach enables real-time, battery-free molecular sensing at an implant depth of 25 mm in muscle-mimicking phantoms. In addition, this thesis demonstrates a method for wireless thermal actuation of engineered bacteria using focused microwave hyperthermia. An on-body antenna delivers energy to the implanted resonator, producing localized heating while maintaining the temperature of surrounding tissue below the 43°C safety threshold. Multiphysics simulations show that the system can induce a localized temperature rise exceeding 6°C within 5 minutes under 1 W input power—sufficient to activate heat-inducible genetic circuits and trigger protein expression. This work represents the first demonstration of a wireless link between a passive, cell-based implant and an on-body antenna, laying the groundwork for battery-free, circuit-free cellular implants for continuous biosensing and programmable therapeutic applications.
Benzer Tezler
- Kablosuz vücut alan ağlarında bilişsel radyo tabanlı spektrum sezme teknikleri
Cognitive radio based spectrum sensing techniques in wireless body area networks
MERVE BİÇEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolDüzce ÜniversitesiElektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ ÇALHAN
- Wireless thin-film microwave resonators for sensing and marking
Algılama ve işaretleme için kablosuz ince-film mikrodalga rezonatörler
AKBAR ALIPOUR
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Distributed human sensing in sensor networks for disaster relief operations management (sendrom)
Afet kurtarma operasyonları yönetimi için sensör ağlarında dağıtık insan algılama
HANİFİ VOLKAN İSLİM
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolYeditepe ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. ERDAL ÇAYIRCI
- Kablosuz algılayıcı ağlarda belirsiz veri üretimi için gürbüz en iyileme
Robust optimization for uncertain data generation rate in wireless sensor networks
TESLİME GÜREL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞEGÜL ALTIN KAYHAN
- Novel approaches for microscale sensing using silicon and graphene based devices
Başlık çevirisi yok
MUSTAFA BULUT COŞKUN