Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 794591
  2. Yazar: ONURALP KARATÜM
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 154

Özet

Biyoelektronik tıp Parkinson hastalığı, depresyon, retinal dejenerasyon ve işitme kaybı gibi birçok farklı nörolojik hastalıkların tedavisi için önemli faydalar sunmaktadır. Günümüzde nörouyarım birkaç milyar dolar ölçeğinde bir market büyüklüğüne sahiptir ve aynı zamanda nörobilim alanında beynin çalışma mekanizmalarının açığa çıkarılmasında kullanılan temel yöntemlerden bir tanesidir. Nörouyarım temel olarak elektrik uyarımını kullanarak tek hücre ve ağ düzeyinde nöral sinyallerin modüle edilmesini hedefler. Geleneksel elektrik uyarım aygıtları abiyotik-biyotik arayüzlerde bir potansiyel farkı oluşturarak iyonik akım üretmek için kablolu sistemler kullanır. Fakat, kablolu elektrot kullanımı implantasyon sırasında cerrahi invazifliği ve karmaşıklıkları arttırmakta ve cerrahi operasyon süresini uzatmaktadır. Ayrıca, implant edilmiş kablolar istemsiz doku hareketleri sebebiyle yer değişikliği ve kırılmaya uğrayabilir, bu da istenmeyen yan etkilere sebep olabilir. Alternatif olarak, optoelektronik biyoarayüzler ışığı fotovoltaja çevirerek kablolara ihtiyaç duymadan lokalize ve genetik olmayan bir nöral uyarım sağlar. Ancak şimdiye kadar silikon temelli olmayan optoelektronik teknolojilerin nöral uyarım alanındaki uygulamaları yeterince ilgi görmemiştir. Kolloidal kuantum noktalar (KN) nöral uyarım uygulamaları için avantajlı optoelektronik özelliklere sahiptir. Örneğin, yüksek soğurma katsayıları sayesinde esnek ve hafif aygıtların üretimine izin verir; ayarlanabilir soğurma profilleri sayesinde frekans spektrumunun görünür dalga boylarından kızılötesine kadar genişletilmesini sağlar; ve üst düzey optik stabiliteleri sayesinde uzun süreli kullanımlarda fotodegradasyon etkilerinin minimize edilmesinin önünü açarlar. KN'ın ışık yayan diyotlar, güneş pilleri ve fotodetektörler gibi farklı optoelektronik teknolojilerdeki yaygın kullanımına karşın nöral uyarım alanındaki kullanımı sınırlı kalmıştır. Bu tez, KN'ın esnek substratlar üzerine inşa edilebilen, yüksek foto-duyarlılık ve arttırılmış yük enjeksiyon kapasitesine sahip olan ve görünür ve kızılötesini kapsayan geniş bir çalışma aralığında opere eden özgün fotovoltaik nörouyarıcıların geliştirilmesinde kullanımını incelemektedir. Şimdiye kadar, optoelektronik biyoarayüzler ile yapılan çoğu nöral uyarım çalışması nöronların aksiyon potansiyeli indüklenmesi ile aktive edilmesine odaklanmıştır. Fakat nöral mekanizmaların incelenmesinde nöral susturma da nöral uyarım gibi kullanışlı bir uygulamadır. Bunun için tezimizde öncelikle indiyum fosfat (InP) tabanlı KN'ın iki farklı fotovoltaik aygıt mimarisine entegrasyonu ile nöral uyarım ile birlikte nöral susturma fonksiyonuna da sahip fotoelektrotlar üretilebileceğini gösterdik. İndiyum fosfat/çinko sülfit çekirdek/kabuk yapısının ve aygıt mimarisinin nanomühendislik aracılığıyla optimizasyonu ile nöral aktivitenin kontrolü için faradayik fotoakımı maksimize ettik. Elektrot-elektrolit arayüzünde geri dönüştürülemez kimyasal reaksiyonlara sebebiyet verebilecek faradayik yük enjeksiyonuna kıyasla elektrotla elektrolit arasında yük transferi olmadan çift katmanlı kapasitörün yüklenme/boşalmasıyla çalışan kapasitif yük enjeksiyonu daha güvenli bir metottur. Bu sebeple, kapasitif akım üretebilmek ve fotoakımın kapasitif ve faradayik bileşenlerini kontrol edebilmek amacıyla KN-polimer donör-alıcı nanoheteroeklem yapısını ileri sürdük ve bu yapının kapasitif ağırlıklı yük enjeksiyon mekanizmasına sahip olması için nanoheteroeklem parametrelerini optimize ettik. Kapasitif fotouyarım elektrotlarının temel dezavantajlarından birisi çift-katmanın yüklenme/boşalması esnasındaki hızlı fotoakım yükseliş/inişleri sonucu sınırlı miktarda fotoyük yoğunluğu üretebilmesidir. Tezimizde bu problemin süperkapasitör rutenyum oksit (RuO2) malzemesinin fotokapasitif aygıt mimarisine entegrasyonu ile çözülebileceğini gösterdik. RuO2 entegrasyonu, RuO2'nin geri dönüşebilir redoks reaksiyonlar sonucu oluşan yüksek arayüz kapasitansı sayesinde yük enjeksiyon yoğunluğunda on katın üzerinde bir artışa yol açmıştır. Bu da birincil hipokampal nöronların 1 mW mm-2 ışık şiddetinin altındaki görünür ışık ile güvenli bir şekilde fotouyarımını sağlamıştır. Buna ek olarak, ışık duyarlılık spektrumunu kızılötesi dalga boylarına kaydırmak dokulara ışık penetrasyonunu arttıracağı için avantaj oluşturur. Bu amaçla son olarak kızılötesine duyarlı, KN tabanlı, esnek ve ultra-ince yapıda ve oküler güvenlik limitleri içerisinde uyarım yapabilen nörouyarım aygıtları gösterdik. Bu tezde sunulan bulgular KN tabanlı optoelektronik nöral arayüzlerin verimliliklerini, ve güvenli çalışmalarını iyileştirmek ve farklı nörouyarım senaryolarında kullanımlarını göstermek açısından önem arz etmektedir. Elde edilen yüksek fotoduyarlılık seviyeleri, güvenli yük enjeksiyon mekanizmaları ve kızılötesinde operasyon gibi bulgular özellikle güvenli ve verimli optoelektronik nöral protezlerin geliştirilmesi için değerlidir. Böylelikle bu tez fotoreseptörlerin dejenerasyonu sonucu oluşan körlüğe karşı KN tabanlı fotovoltaik retinal implantların geliştirilmesinin yolunu açmaktadır.

Özet (Çeviri)

Bioelectronic medicine offers significant benefits against a wide variety of neurological disorders such as Parkinson's disease, depression, retinal degeneration, and hearing loss. Today neurostimulation constitutes a market size on the order of several billion dollars and it is one of the gold-standards practiced in neuroscience field for unraveling the working principles of brain. Fundamentally, it utilizes electrical stimulation to control and modulate the neural signals at single cell and network level. The conventional electrical stimulation devices use wires to induce potential differences for producing ionic currents at the abiotic-biotic interface. However, wired electrodes increase the surgical invasiveness and complexity, and adds to the surgery time of implants. Moreover, wires can be dislocated and fractured due to unintentional tissue movements, which can lead to unwanted side effects. Alternatively, optoelectronic biointerfaces convert light to photovoltages and provide localized and nongenetic neural stimulation without requiring wired systems. However, little attention has been paid to the applicability of non-silicon optoelectronics in neural stimulation. Colloidal quantum dots (QDs) exhibit promising optoelectronic properties for neural stimulation such as high absorption coefficient, which allows fabrication of flexible and light-weight devices; tunable absorption profile, which facilitates extension of frequency spectrum from visible to near-infrared (NIR) region; and excellent optical stability, which minimizes the photobleaching and photodegradation effects during long-term use. Despite the ubiquitous use of QDs in different optoelectronic applications (e.g., light-emitting devices, solar cells, and photodetectors), their use in neural stimulation has been limited. This thesis investigates the use of QDs for developing novel photovoltaic neurostimulators that can be built on flexible substrates with ultra-thin layers; have high photoresponsivity with improved charge injection; and offer a wide operation window that covers visible and near-infrared (NIR) spectrum. So far, most neural stimulation studies by optoelectronic biointerfaces focused on activation of neurons by inducing action potentials. However, neural silencing is also beneficial for examination of neural mechanisms. For that, we demonstrate that indium phosphide (InP)-based QDs can be integrated into two different photovoltaic device architectures to build neural stimulating and silencing photoelectrodes. We nanoengineer InP/ZnS core/shell nanostructure and device structure to maximize the Faradaic photocurrent to control neural activity. Instead of Faradaic charge injection, which raises concerns due to the possibility of irreversible chemical reactions at the electrode-electrolyte interface, capacitive charge injection is a safer mechanism because of the charging/discharging of the double layer capacitance, which does not involve direct charge transfer between the electrode and electrolyte. For that, we introduced a QD-polymer donor-acceptor nanoheterojunction to generate capacitive photocurrent and control the faradaic and capacitive components of the photoresponse that leads to capacitive-dominant charge injection by optimizing the nanoheterojunction parameters. One of the main drawbacks of capacitive photostimulation electrodes has been the limited photogenerated charge densities due to the fast photocurrent spikes by the double-layer. We show that this problem can be overcome by integrating supercapacitor ruthenium oxide (RuO2) into a photocapacitive device architecture. RuO2 integration leads to over-an-order-of-magnitude improved charge injection density owing to the high interfacial capacitance of RuO2 resulting from reversible redox reactions. This enables safe photostimulation of hippocampal neurons with light intensities below 1 mW mm-2 via visible light. Furthermore, shifting the photoresponse spectrum to NIR wavelengths is advantageous to enhance the light penetration depth into the tissues. For that we demonstrate NIR-sensitive QD-based neurostimulators in a flexible and ultrathin device structure that operates within the ocular safety limits. The findings reported in this thesis are important in terms of improving efficiency, safety, and applicability of QD-based optoelectronic neural interfaces in different neurostimulation scenarios. Demonstrated high photoresponsivity levels, safe charge injection mechanisms, and NIR-operation are especially valuable for building safe and efficient optoelectronic neuroprostheses. Thus, this thesis paves the way toward a QD-based photovoltaic retinal implant against blindness due to degeneration of photoreceptors.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    816558

    Flexible optoelectronic biointerfaces with pseudocapacitive MnO2 nanostructures for efficient photostimulation of neurons

    Pseudokapasitif MnO2 nanoyapılarına sahip esnek optoelektronik biyoarayüzlerin etkili nöron fotostimülasyonu için kullanımı

    LOKMAN KAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    BiyomühendislikKoç Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU

  2. Tez No

    732928

    Single aluminum nitride nanowire based electronic and flexible optoelectronic devices

    Tek alüminyum nitrür nanotel bazlı elektronik ve esnek optoelektronik cihazlar

    YUSUF BURAK ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KAŞİF TEKER

  3. Tez No

    450633

    Rf-sputtering of doped zinc oxides thin films, the effect of low substrate heating deposition

    Rf- püskürtmeli katkılanmış çinko oksit ince filmler, düşük alttaş ısıtmalı büyütme etkisi

    AMIRA AHMED ABDELMONEAM MOHAMED AHMED

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. AYKUTLU DANA

    YRD. DOÇ. NECMİ BIYIKLI

  4. Tez No

    472888

    Atomic layer deposition of III-nitrides and metal oxides; their application in area selective ALD

    III-nitratların ve metal oksitlerin atomik katman kaplamısı; bunların alan seçici ALD'deki uygulamaları

    ALI HAIDER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    Assist. Prof. AYKUTLU DANA

    DR. NECMİ BIYIKLI

  5. Tez No

    374375

    Electrical properties and device applications of atomic layer deposited ZnO and GaN thin films

    Atomik katman kaplama metoduyla büyütülen ZnO ve GaN ince filmlerin elektriksel özellikleri ve aygıt uygulamaları

    SAMİ BOLAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY

Geri Dön