Novel biocompatible quantum dots and nanoengineered assemblies for optoelectronic neural interfaces
Optoelektronik nöral arayüzleri için yeni biyouyumlu kuantum noktaları ve nanoteknolojik birleşimler
- Tez No: 653921
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 202
Özet
Kolloidal yarı iletken kuantum noktaları, düşük maliyetli üretim, geniş spektral ayarlanabilirliği ve yüksek fotostabilite sayesinde hedeflenebilir ve uzaktan kontroledilebilir biyo arayüzler alanında yüksek potansiyele sahiplerdir. Ancak popüler ve gelişmiş kuantum noktaları, biyomedikal uygulamalar için oldukça toksik ve kanserojen olduğu bilinen kadmiyum ve kurşun içerir. Bu nedenle, uygun biyouyumlu kuantum noktalarının araştırılması ve bunların kullanımı, kuantum nokta tabanlı biyoelektronik cihazların geliştirilmesinde önemli bir aşamadır. Bu tez, yeni ve biyouyumlu kuantum noktalarının nanoteknolojik birleşimlerine dayanan verimli nöral arayüzlerini ele almaktadır. Tezin ilk bölümünde, ilk kez tip II indiyum fosfit / çinko oksit çekirdek / kabuk kuantum noktaları sentezledik. Bu kuantum noktaları, fotoelektrot yapısına dahil edildi ve tek bir nöral hücrenin, görünür ışığa sürekli maruz kalma için oküler güvenlik sınırından 26 kat daha düşük olan 4 μW mm-2'de ateşlenmesini tetikleyen biyoelektrik akımı üretti. Daha sonra, fotosentetik sistemler tarafından kullanılan radyatif olmayan enerji transferinden ilham alarak indiyum bazlı gökkuşağı kuantum noktalarına dayanan kuantum hunileri geliştirdik. Bu yeni nanomühendislik düzeneği, tek bir hücrenin optik nöromodülasyonunu kolaylaştırdı ve kontrol numunesine kıyasla birim absorbans başına biyoelektrik akımı% 215 artırdı. Tezin ikinci bölümünde, ilk kez kolloidal alüminyum antimonid kuantum noktaları rapor ettik. Sentez, alüminyum klorür ve antimon bis (trimetilsilil) amidin süperhidrit varlığında kontrollü reaksiyonu yoluyla gerçekleştirildi. Bu kuantum noktaları, UV-A bölgesinde eksitonik geçişler ve mavi spektral aralıkta ayarlanabilir emisyonu gösterdi (% 18'e kadar kuantum verimi). Tüm III-V kuantum noktaları arasında, alüminyum antimonid kuantum noktaları mavi spektral bölgedeki en parlak çekirdek emisyonunu gösterdi. Son olarak, alüminyum antimonid kuantum noktalarını nöral uyarım için fotovoltaik bir cihazda biyo-arayüz katmanı olarak kullandık. Bu tür nöral arayüz, ~ 55 μs yükselme süresine ve 600 μA.cm-2'nin üzerinde bir büyüklükte kapasitif biyoelektrik akım oluşturdu ve en hassas kuantum nokta tabanlı kapasitif biyo arayüz özelliğini gösterdi. Bu biyo-arayüz, hücreler üzerinde herhangi bir toksik etki göstermedi ve sulu ortamda bir yıllık çalışma ömrü gösterdi. Bu bulgular, kadmiyum içermeyen yeni kuantum noktalarının biyouyumlu ve etkili bir biyolojik bağlantı oluşturabileceğini ve yapay retina protezleri gibi uygulamalarda yeni bir yol sunabileceğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Colloidal semiconductor quantum dots offer high potency in the realm of targetable and remotely addressable biointerfaces due to their low-cost solution-processability, wide spectral tunability and high photostability. But most popular and well-studied quantum dots contain cadmium and lead, which are known to be highly toxic and carcinogenic for biomedical applications. For that reason, the search for appropriate biocompatible quantum dots and their utilization is an important challenge in the development of quantum dot based bioelectronic devices. This thesis addresses efficient neural interfaces based on nanoengineered assemblies of novel and biocompatible quantum dots. In the first part of the thesis, we synthesized type-II indium phosphide/zinc oxide core/shell quantum dots for the first time. These quantum dots were incorporated into photoelectrode structure and induced bioelectrical current that triggered the firing of a single neural cell at 4 μW mm−2, 26-fold lower than the ocular safety limit for continuous exposure to visible light. Next, we inspired by the nonradiative energy transfer used by photosynthetic systems and developed quantum funnels based on indium-based rainbow quantum dots that are assembled in a graded energy profile. The novel nanoengineered assembly facilitated optical neuromodulation of a single cell and enhanced bioelectric current 215% per unit absorbance in comparison with the control sample. In the second part of the thesis, we reported colloidal aluminum antimonide quantum dots for the first time. The synthesis was performed via controlled reaction of aluminum chloride and antimony bis(trimethylsilyl)amide in the presence of superhydride. These quantum dots showed excitonic transitions in the UV-A region and tunable band-edge emission in the blue spectral range (quantum yield of up to 18%). Among all III-V quantum dots, aluminum antimonide quantum dots showed the brightest core emission in the blue spectral region. Finally, we used aluminum antimonide quantum dots as biointerfacing layer in a photovoltaic device for neural stimulation. This type of neural interface generated capacitive bioelectrical current with a rise time of ~55 μs and with a magnitude over 600 μA.cm-2, pointing out the most sensitive quantum dot based capacitive biointerface. This biointerface did not exhibit any toxic effect on the cells and demonstrated operational lifetime of one year in aqueous environment. These findings show that novel cadmium-free quantum dots can induce a biocompatible and effective biological junction and introduce a new route in the use of quantum dots in optoelectronic device architectures for light-triggered bioelectrical devices for applications such as artificial retinal prostheses.
Benzer Tezler
- Development of near infrared emitting Ag2X (X: S and Te) quantum dots and hybrid nanoparticles
Yakın kızılötesi bölgesinde ışıyan Ag2X (X: S and Te) kuantum noktacıklarını ve hibrit nanoparçacıklar
İBRAHİM HOCAOĞLU
Doktora
İngilizce
2014
Bilim ve TeknolojiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAVVA F. YAĞCI ACAR
- Novel quantum dot and fluorescent protein based liquidlight-emitting diodes and luminescent solar concentrators
Yeni kuantum nokta ve floresan protein tabanlı sıvı ışık yayan diyotlar ve lüminesans güneş konsantratörleri
SADRA SADEGHI
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Kuantum noktaların modifikasyonu, kanser hücrelerine ilaç taşınımında kullanım potansiyellerinin ın vitro koşullarda belirlenmesi
Quantum dots modifacation, investigaton of drug delivery otential to cancer cells in vitro
MUHARREM ŞELECİ
- Yeni bir başlatıcı sistemi ile poli kaprolakton polimerleri, poli kaprolakton-poli metil metakrilat blok kopolimerlerin sentezi, karakterizasyonu, polimerlerin nanofiberlerinin hazırlanması ve ilaç taşıma özelliklerinin incelenmesi
Synthesis, characterization of biocompatable polycaprolactone polymers, biocompatable polycaprolactone-poly methyl methacrylate block copolymers with a new initiator system, preparation of nanofibers of the polymers and investigation of drug delivery properties
ABDULSAMED KÜÇÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
KimyaKaradeniz Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVİL SAVAŞKAN YILMAZ
- Elektrospinning yöntemi ile gümüş nanopartikül içeren PVP bazlı antibakteriyel nanolif üretimi
Production of the antibacterial PVP nanofibers containing silver nanoparticles via electrospinning method
HAVA ÇAVUŞOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU