Optoelectronic neural ınterfaces using PEDOT: PSS pseudo-capacitors and AlSb nanocrystals
PEDOT: PSS psödo-kapasitör ve AlSb nanokristalleri tabanlı optoelektronik nöral arayüzler
- Tez No: 771761
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 88
Özet
Sinirsel arayüzler, biyolojik sistemleri yapay sistemlere bağlayan dönüştürücülerdir. Elektriksel, mekanik, termal ve kimyasal mekanizmalar aracılığıyla biyofiziksel ipuçlarını okuyabilir ve/veya yazabilirler. Yazı kısmı olan sinirsel uyarım, karmaşık biyolojik süreçlerin anlaşılması ve nörolojik bozuklukların tedavisi gibi biyolojik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle yarı iletken ve metal cihazlar biyo-arayüzlerde zaten kullanılıyordu, ancak bunların uzamsal çözünürlükleri, kayıt sistemleriyle etkileşimi ve potansiyel tehlikeli etkileri, etkinliklerini sınırlandırıyor. Fotovoltaik sistemlerle optoelektronik stimülasyon, elektrot bazlı stimülasyon tekniklerine kablosuz bir alternatiftir. Bu platformlarda nöral uyarı, faradaik, termal ve kapasitif işlemlerle sağlanabilir. Sonuncusu, arayüzdeki iyonların bozulmasına ve cihaz/hücre arayüzünün yakınında membran potansiyeli değişikliklerini indüklemek için ortaya çıkan elektrokimyasal gradyana dayandığından önemli ölçüde ilgi görmüştür. Kapasitif fotoakım üretimi için tasarlanan biyo-arayüzler, elektrot/elektrolit arayüzündeki çift katmanlı kapasitansa dayanır. Ancak bu, toplam yük enjeksiyon kapasitesini sınırlar. Bu tezde, toplam kapasitif yük enjeksiyon verimliliğini artırmak için üç farklı yaklaşım geliştirdik. İlk olarak, bir organik fotovoltaik ünite ile bir psödokapasitif arayüzü birleştirdik. İkinci olarak, arayüzey delik taşıma katmanı olarak alüminyum antimonid nanokristalleri kullandık ve primer hipokampal nöronlarda başarılı sinirsel aktivasyon gösterdik. Son olarak, PEDOT:PSS hidrojellerini, yük enjeksiyon verimliliğini önemli ölçüde artıran organik bir fotovoltaik cihazla entegre ettik. Ayrıca, hidrojel entegrasyonunun potansiyeli, primer hipokampal nöronların uyarılması ve kardiyak miyosit atış frekansının modülasyonu ile gösterilmiştir. Organik/inorganik hibrit fotovoltaik biyo-arayüzler, yumuşak, organik ve biyouyumlu yapıları nedeniyle cihaz-doku mekanik uyumsuzluğunu, sitotoksik etkileri azaltır ve biyolojik ortamda fonksiyonel ömrü artırır. Bu nedenle, gelecekteki kardiyak ve retinal implantlar için yüksek umut vaat ediyorlar.
Özet (Çeviri)
Neural interfaces are the transducers that connect biological systems with artificial systems. They can read and/or write biophysical cues through electrical, mechanical, thermal and chemical mechanisms. The writing part, neural stimulation, have been widely used in biological applications such as understanding of the complex biological processes and treatment of neurological disorders. Particularly, semiconductor and metal devices were already used in biointerfaces, however, their spatial resolution, interference with recording systems and potential hazardous effects limit their efficacy. Optoelectronic stimulation with photovoltaic systems is a wireless alternative to electrode-based stimulation techniques. In these platforms, neural stimulation can be achieved by faradaic, thermal and capacitive processes. The later has gained significant attention since it is based on the perturbation of ions in the interface and resulting electrochemical gradient to induce membrane potential changes near device/cell interface. The biointerfaces that are designed for capacitive photocurrent generation rely on the double-layer capacitance at the electrode/electrolyte interface. However, this limits the total charge injection capacity. In this thesis, we developed three different approaches to increase total capacitive charge injection efficiency. Firstly, we combined a pseudocapacitive interface with an organic photovoltaic unit. Secondly, we utilized aluminum antimonide nanocrystals as the interfacial hole transport layer and showed successful neural activation on primary hippocampal neurons. Finally, we integrated PEDOT:PSS hydrogels with an organic photovoltaic device, which significantly increased the charge injection efficiency. Moreover, the potential of hydrogel integration was demonstrated with stimulation of primary hippocampal neurons and modulation of the cardiac myocyte beating frequency. Owing to their soft, organic, and biocompatible nature, organic/inorganic hybrid photovoltaic biointerfaces reduce the device-tissue mechanical mismatch, cytotoxic effects, and increase functional lifetime in biological medium. Hence, they hold high promise for future cardiac and retinal implants.
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 optoelectronic and plasmonic bulk heterojunction neurointerfaces for controlled capacitive charge transfer
Başlık çevirisi yok
RUSTAMZHON MELIKOV
Doktora
İngilizce
2021
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Yapay sinir ağlarıyla örüntü tanımanın matris dedektörden alınan görüntülere uygulanması
Application of neural network based pattern recognition to images from a matrix dedector array
OKTAY ÜRETEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDEM YAZGAN
- Flor modifiye tiyenotiyofen ve ditiyenotiyofen moleküllerinin elektropolimerizasyonu, elektronik ve optoelektronik özelliklerinin incelenmesi
Electropolymerization, investigation of electronic and optoelectronic properties of fluorine modified thienothiophene and dithienothiophene molecules
SEMA TOPAL
- 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