Retinal and neural stimulation with quantum dots based photovoltaic interfaces
Kuantum nokta temelli fotovoltaik arayüzlerle retinal ve nöral stimülasyon
- Tez No: 681936
- Danışmanlar: PROF. DR. AFSUN ŞAHİN, PROF. DR. YASEMİN ÖZDEMİR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Göz Hastalıkları, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Bioengineering, Eye Diseases, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Sağlık Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nörobilim Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Nöral dokuların elektriksel uyarımı tıpta son zamanlarda en çok gelişen teknolojik alanlardandır. Çeşitli araştırma gruplarının birçok çalışmasına rağmen, nöro-elektronik arayüzler pratik uygulama için henüz emekleme aşamasındadır. Özellikle retinitis pigmentosa ve yaşa bağlı makula dejenerasyonu gibi nörodejeneratif durumlarda nöral stimülasyon etkili bir rehabilitasyon yöntemi olabilir. Bu nedenle retina için fotovoltaik yüzeylerle görme duyusunun geri kazandırılması için gözde çalışma alanlarındandır. Retina protezleri üzerinde çalışan enstitüler, şu anda retinal bipolar ve gangliyon hücrelerini uyarmak için çeşitli fotoaktif elektriksel yüzeylerden yararlanmaktadır. Ancak biyouyumluluk problemleri, dış enerji kaynağı gerekliliği, protezin esnek ve harekete dayanıklı olmaması nedeniyle retina protezleri tam işlevlerini yerine getirememektedir. Bu nedenle retina protezi üretiminde yenilikçi biyomalzemelere büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Kuantum nokta tabanlı fotovoltaik cihazlar, nano düzeyde nöral uyarım için harika adaylardır. Çalışma prensipleri, fotoreseptör hücrelerde rodopsin bazlı fototransdüksiyon mekanizmasının yerini almalarını mümkün kılan fotoelektrik etkiye dayanmaktadır. Esnek PET (polietilen tereftalat) yüzeyinde retina implant üretimi için, Kurşun(II)sülfür (PbS), Alüminyum antimonit (AlSb) gibi çeşitli kuantum nokta temelli fotovoltaik arayüzler kullanılabilir. Bu biyo-arayüzlerin uygulamasında temel zorluklar, biyouyumluluk ve nöronlar üzerinde aksiyon potansiyeli aktivitesini indükleyecek elektriksel uyarım kapasitesidir. Literatürdeki diğer fotoaktif polimer bazlı arayüzlerle karşılaştırıldığında, kuantum nokta bazlı materyaller, nanokristal içerikleri nedeniyle daha düşük ışık yoğunlukları altında fotoelektrik nörostimülasyonu indükleyebilir. Ayrıca diğer silikon bazlı biyoarayüzlere kıyasla, fotokapasitif akım üretimi sayesinde harici bir enerji kaynağına veya karmaşık işlemci sistemlerine ihtiyaç duymazlar. Tez çalışmamın amacı, retina dejenerasyonu olan sıçanlarda retina protezi olarak kullanılabilecek, nöral stimülasyon için etkili fotovoltaik arayüz üretmek için çeşitli kuantum noktaları tabanlı yapıları araştırmaktır. Bu amaçla, in vitro biyouyumluluk ve elektrofizyoloji deneyleri ile farklı tipte kuantum noktaları incelenmiştir. Daha sonra, retina dejenerasyonlu ve sağlıklı sıçanların subretinal boşluklarına implante edilen kuantum nokta temelli nöral arayüzler, implantasyondan sonra, biyouyumluluğu ve görsel duyunun iyileşmesini anlamak için elektrofizyoloji (VEP-EEG ve ERG) ve davranış testleri ile incelenmiştir. İn vivo çalışmalardan sonra ötenazi yapılan hayvanların retinalarında implantasyon ve fotoelektrik uyarım sonrası retinal değişiklikler gözlemlenmiştir. Bu sayede hem görmenin işlevsel olarak geri kazandırılması hem de retinadaki farklı hücre tiplerinin yapısal bütünlüğü incelenmiştir. Farklı kuantum nokta temelli arayüzler, hipokampal nöronlarda aksiyon potensiyeli oluşturarak, biyouyumlu fotoaktif arayüzlerle nöromodülasyon yapılabileceğini göstermiştir. İn vivo aşamada, PbS ve AlSb kuantum nokta temelli retinal protezler, ışık uyarımı ile retinal stimülasyon yaratmıştır. Ancak, bu cihazlarla nöral stimülasyon için gerekli ışık seviyeleri, oküler güvenlik limitlerinden yüksektir. Buna ek olarak hem AlSb hem de PbS kuantum nokta temelli retinal protezlerin subretinal implantasyonu, gliozis ve retina hasarına neden olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, kuantum nokta temelli retinal stimülasyon sistemleri için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
Electrical stimulation of neural tissues is the one of the emerging technological areas in medicine. Although several attempts from various research groups, neuro-electronic interface technologies are still in infancy period. Especially in neurodegenerative situations, such as retinitis pigmentosa and age-related macular degeneration, neural stimulation could be effective rehabilitation method. For retina, photovoltaic surfaces are the pioneer concepts for recovery of sensation. The institutes, which are working on retinal prostheses, currently exploiting various photoactive electrical surfaces to stimulate bipolar and ganglion cells in the retina. However, they fail to fulfill functions of retinal prosthesis due to bio-incompatibility, external energy source necessity, lack of flexibility and mobility of prosthesis. Therefore, there is enormous necessity for innovative biomaterials at retinal prosthesis production. Quantum dot based photovoltaic devices are great candidates for nano-sized neural stimulators. Their working principle relies on photoelectric effect, which makes them possible replacement for rhodopsin based phototransduction mechanism in photoreceptor cells. For retinal implant production on flexible PET (polyethylene terephthalate) surface, various types of quantum dot-based photovoltaic interfaces could be used, such as Lead(II)sulfide (PbS), Aluminum antimonide (AlSb). The main concerns on these biointerfaces are biocompatibility and effective electrical charge capacity on neurons which induce action potential activity. Compared to other photoactive polymer-based interfaces in literature, quantum dots-based materials could induce photoelectrical neurostimulation under lower light intensities due to their nanocrystal content. Also compared to other silicon-based biointerfaces, they do not need an external energy source or complicated processor systems, thanks to the photo-capacitive current production. The aim of the study is to investigate various types of quantum dots-based structures to produce effective photovoltaic interface for neural stimulation, which could be used as retinal prosthesis in the rats with retinal degeneration. For this purpose, different type quantum dots were examined with in vitro biocompatibility and electrophysiology experiments. Then, selected quantum dots based neural interfaces implanted to the subretinal spaces of the rats with and without retinal degeneration. After implantation, electrophysiology (VEP-EEG and ERG) and behavioral tests conducted to understand biocompatibility and recovery of visual sensation. After in vivo studies, the animals were euthanized and changes in the retina after implantations and photoelectrical stimulations were observed. By this way, both functional recovery of vision and the structural integrity of the different cell types in retina were demonstrated. Different types of quantum dots-based interfaces induce action potentials in primary hippocampal neurons, which enables neuromodulation with biocompatible photoactive interfaces. In in vivo step, PbS and AlSb QDs based retinal prostheses also induce retinal stimulation with light pulses. Unfortunately, required light levels for neural stimulation with these devices are significantly higher than ocular safety limits. Also, both AlSb and PbS QDs based retinal prostheses induce gliosis and retinal damage in subretinal implantation area. Because of those reasons, further investigations are required for quantum dots based retinal stimulation systems.
Benzer Tezler
- Flexible optoelectronic biointerfaces using quantum dots and pseudocapacitive materials for photoelectric stimulation of neurons
Nöronların fotoelektrik uyarımı için kuantum nokta ve pseudokapasitör malzeme tabanlı esnek optoelektronik biyoarayüzler
ONURALP KARATÜM
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Novel biocompatible quantum dots and nanoengineered assemblies for optoelectronic neural interfaces
Optoelektronik nöral arayüzleri için yeni biyouyumlu kuantum noktaları ve nanoteknolojik birleşimler
HOUMAN BAHMANI JALALI
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Optoelectronic neural ınterfaces using PEDOT: PSS pseudo-capacitors and AlSb nanocrystals
PEDOT: PSS psödo-kapasitör ve AlSb nanokristalleri tabanlı optoelektronik nöral arayüzler
MERTCAN HAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- 4 channel configurable constant-current/voltage mode biphasic implantable neurostimulator ASIC with channel centric active charge balancer
Kanal merkezli aktif yük dengeleyicili 4 kanal ayarlanabilir sabit-akım/gerilim modlu iki-fazlı vücuda gömülebilir siniruyarıcı tümdevre
ANIL CAKALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUFAN COŞKUN KARALAR
- Epiretinal protezlerin elektriksel uyartımının sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak 3 boyutlu analizi: Uyartım parametrelerine bağlı olarak retina dokusu üzerinde sıcaklık değişiminin incelenmesi
The three-dimensional analysis of epiretinal electrical stimulation using finite element method: Investigation of temperature change over the retina depending on stimulation parameters
MAHMUT EMİN ÇELİK
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN KARAGÖZ