Flexible optoelectronic biointerfaces with pseudocapacitive MnO2 nanostructures for efficient photostimulation of neurons
Pseudokapasitif MnO2 nanoyapılarına sahip esnek optoelektronik biyoarayüzlerin etkili nöron fotostimülasyonu için kullanımı
- Tez No: 816558
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Nöroloji, Bioengineering, Electrical and Electronics Engineering, Neurology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 59
Özet
Bu tez, esnek optoelektronik biyoarayüzlerin güvenli ve verimli bir şekilde sinir hücrelerinin fotostimülasyonu için 3 boyutlu mangan dioksit (MnO2) nanoçiçeklerle entegrasyonunu araştırmaktadır. Optoelektronik biyoarayüzler, kablosuz ve elektriksel olarak sinir hücrelerinin kontrolü için önemli bir ilgi uyandırmaktadır. Porlu yapıya ve geniş yüzey alanına sahip 3 boyutlu psödokapasitif nanomalzemeler kullanarak, bu biyoarayüzler ışığı iyonik akımlara etkin bir şekilde dönüştürebilme özelliğine sahiptir ve yüksek elektrot-elektrolit kapasitesi gereksinimini karşılayabilmektedir. MnO2 nanoçiçekler, kimyasal banyo çöktürme yöntemiyle geri dönüş elektrodu üzerinde büyütülmüş olup, MnO2 tohum tabakası da döngüsel voltametri kullanılarak önceden kaplanmıştır. Nanoçiçekler düşük ışık yoğunluğu koşullarında bile (1 mW mm-2), yüksek bir arayüzey kapasitansı (10 mF cm-2'den büyük) ve fotogeneratik yük yoğunluğu (20 μC cm-2'den fazla) sergilemiştir. MnO2 nanoçiçekler, tersinir Faraday reaksiyonları aracılığıyla güvenli kapasitif akımlar oluşturmuş ve in vitro deneylerde hipokampal sinir hücreleri üzerinde herhangi bir toksisiteye neden olmamıştır, bu da elektrojenik hücrelerle entegrasyon için umut verici bir malzeme olduğunu göstermektedir. Optoelektronik biyoarayüzlerin işlevselliği, hipokampal sinir hücrelerinin tüm hücre yapılandırmasıyla yama kelepçesi elektrofizyolojisi kullanılarak değerlendirilmiş ve periyodik ışık atımlarına yanıt olarak tekrarlayan ve hızlı bir şekilde aksiyon potansiyellerinin tetiklenmesini ortaya koymuştur. Bu araştırma, elektrokimyasal olarak çöktürülen 3 boyutlu psödokapasitif nanomalzemelerin sinir hücrelerini optoelektronik yollarla etkili bir şekilde kontrol etmek için sağlam ve verimli bir yaklaşım olarak potansiyelini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
This thesis explores the integration of flexible optoelectronic biointerfaces with 3D manganese dioxide (MnO2) nanoflowers to achieve safe and efficient photostimulation of neurons. Optoelectronic biointerfaces have attracted significant attention for their potential in the wireless and electrical control of neurons. By utilizing 3D pseudocapacitive nanomaterials with interconnected porous structures and large surface areas, these biointerfaces can effectively transduce light into ionic currents, meeting the requirement for high electrode-electrolyte capacitance. The MnO2 nanoflowers were grown through a chemical bath deposition technique on the return electrode, which was pre-coated with a MnO2 seed layer deposited via cyclic voltammetry. The nanoflower integrated biointerfaces exhibited excellent performance with a high interfacial capacitance (greater than 10 mF cm-2) and photogenerated charge density (over 20 μC cm-2) even under low light intensity conditions (1 mW mm-2). Importantly, the MnO2 nanoflowers induced safe capacitive currents through reversible Faradaic reactions and demonstrated no toxic effects on hippocampal neurons during in vitro experiments, making them a promising material for curvature fit integration with electrogenic cells. The functionality of the optoelectronic biointerfaces was assessed using a patch-clamp electrophysiology setup in the whole-cell configuration of hippocampal neurons, revealing their ability to elicit repetitive and rapid firing of action potentials in response to light pulse trains. This research underscores the potential of electrochemically-deposited 3D pseudocapacitive nanomaterials as a robust and efficient approach for controlling neurons through optoelectronic means.
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
- 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
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAŞİF TEKER
- 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
2017
Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. AYKUTLU DANA
YRD. DOÇ. NECMİ BIYIKLI
- 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
2017
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. AYKUTLU DANA
DR. NECMİ BIYIKLI
- 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
2014
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ KEMAL OKYAY