Bioelectronic systems in studying tissue engineering, real-time biophysical monitoring of birds and point-of-care diagnostics
Doku mühendisliğinde, kuşların gerçek zamanlı biyofiziksel izlenmesinde ve hasta-başı tanı uygulamalarında biyoelektronik sistemler
- Tez No: 851894
- Danışmanlar: PROF. DR. DAVID ERICKSON
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Cornell University
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Bioelektronik alanı, Luigi Galvani'nin bir kurbağanın kopmuş bacağını küçük bir voltaj uygulayarak hareket ettirdiği deneylerle 18. yüzyılda başladı. Bugün, kalp pilleri, sürekli glikoz sensörleri, implant edilebilir beyin dokusu arayüzleri gibi pek çok farklı alanda kullanılan çeşitli bioelektronik cihazlar, Galvani deneylerinden bu yana ne kadar ilerlediğimizi göstermektedir. Bu tez, doku mühendisliği, kuşların biyofiziksel izlenmesi ve hasta başı tanı sistemleri gibi farklı araştırma alanları için bioelektronik sistemler tanıtmaktadır. İlk olarak, organik elektronik malzemeleri biyolojik sistemlerle bütünleştiren, büyüyen bir araştırma alanı olan organik biyoelektroniğe dayalı bir cihazı tanıttık ve bunu doku mühendisliği amacıyla kullandık. İletken bir polimer şerit içeren ve uygulanan bir öngerilim etkisi altında hücre büyümesi için mikro ortamların sürekliliğini sağlayan düzlemsel bir cihaz geliştirdik. Sığır aortik endotel hücrelerinin (EC) göç davranışlarında, polimer şerit boyunca konumun bir fonksiyonu olarak belirgin farklılıklar gözlendi ve EC göç hızı ve yönlü kalıcılık süresinde 3 kat değişim elde edildi. Yüzeyde emilmiş fibronektindeki değişiklik, hücre yapışmasında uzaysal bir varyasyonun rol oynadığını göstermektedir. Cihazımızı kullanarak, hücre yapışmasını modüle ettik ve normal ve kanserli hücre hatlarının hücre yoğunluk gradyanlarını elektriksel olarak uyararak değiştirdik, bu da hücre-hücre etkileşimlerinin incelenmesi için bir araç olarak kullanılabilir. Sonrasında, kuşların biyofiziksel izlenmesi için gerçek zamanlı bir in vivo ürik asit biyosensör sistemi geliştirdik. Kuşların metabolizması faaliyetleri ve çevreleriyle ince ayarlanmıştır ve bu nedenle kuş sistemleri üzerine yapılan araştırmalar, çevresel değişikliklere karşı organizmal cevapları ve ekolojik incelemeleri anlamada önemli bir rol oynayabilir. Sensör sisteminin karakterizasyonundan sonra, bir evcil tavuk üzerinde in vivo ekstraselüler ürik asit ölçümleri toplayarak sistemin otonom operasyonunu gösterdik. Ardından cihazın, güvercinlerin ürik asit seviyeleri üzerindeki kısa süreli uçuş ve dinlenme döngülerinin etkilerini gerçek zamanlı olarak izlemek için nasıl kullanılabileceğini gösterdik. Ek olarak, cihazımızın serbestçe eve dönerken güvercinlerin ürik asit seviye artışını ölçme yeteneğine sahip olduğunu gösterdik. Sensörün göçmen kuşlarda başarılı bir şekilde uygulanması, uçuş halindeki kuşları incelemek için yeni bir yol açabilir ve bu da kuş hareketlerinin ekolojisi ve biyolojisi hakkında daha iyi bir anlayışa yol açabilir. Son olarak,“Kolera”olarak adlandırılan insanlarda akut diyare hastalığına neden olan virgül şeklinde, gram negatif bir bakteri olan Vibrio Cholerae'nin nokta bakım tespiti için bir Kolera-Tespit sistemi sunduk. Vakaların %80'ine kadar oral rehidrasyon tuzları ile başarılı bir şekilde tedavi edilebilmesine rağmen, vakaların yaklaşık 100.000 - 120.000'i ölümle sonuçlanmaktadır. Bu, kolera tespitinin erken ve hızlı bir şekilde yapılmasının hastalığın yayılmasını önlemek, tedavilerin etkinliğini artırmak ve salgınların şiddetini azaltmak için gerekli olduğunu göstermektedir. Kolera-Tespit sistemi, geniş laboratuvar ekipmanlarına ve kimyasallarına ihtiyaç duymadan kolera'nın hızlı ve saha içi moleküler tanısını yapma yeteneğine sahiptir, bu da salgın durumlarında iyileştirilmiş sağlık bakımı olanağı sunabilir.
Özet (Çeviri)
The field of bioelectronics started about 18th century with the frog experiments of Luigi Galvani by moving the detached leg of frog with the application of a small voltage. Today there are variety of bioelectronic devices available in many different areas such as pacemakers, continuous glucose sensors, implantable brain tissue interfaces, that show how far we have gone since the Galvani experiments. This dissertation introduces bioelectronic systems for different research areas such as tissue engineering, biophysical monitoring of birds and point-of-care diagnostics. First, we have introduced a device depends on organic bioelectronics, a growing research field that integrates organic electronic materials with biological systems, and used it for tissue engineering purposes. We have developed a planar device that contains a conducting polymer stripe and achieves a continuum of microenvironments for cell growth under the influence of an applied bias. Marked differences are observed in the migration behaviors of bovine aortic endothelial cells (EC) as a function of location along the polymer stripe, and 3-fold variation is achieved in EC migration speed and directional persistence time. A gradient in adsorbed fibronectin indicates that a spatial variation in cell adhesion is at play. We have used our device to modulate the cell adhesion and changed cell density gradients of normal and cancerous cell lines by inducing electrically which can be used as a tool for the study of cell-cell interactions. Next, we have developed a real-time in vivo uric acid biosensor system, Labon-a-Bird, for biophysical monitoring of birds. The metabolism of birds is finely tuned to their activities and environments, and thus research on avian systems can play an important role in understanding organismal responses to environmental changes and ecological investigations. After characterization of the sensor system, we demonstrated the autonomous operation of the system by collecting in vivo extracellular uric acid measurements on a domestic chicken. We then show how the device can be used to monitor, in real time, the effects of short-term flight and rest cycles on the uric acid levels of pigeons. In addition, we demonstrate that our device has the ability to measure uric acid level increase in homing pigeons while they fly freely to back home. Successful application of the sensor in migratory birds could open up a new way of studying birds in flight which would lead to a better understanding of the ecology and biology of avian movements. Finally, we have presented a Cholera-Detect system for point-of-care detection of Vibrio Cholerae which is a comma-shaped, gram negative bacterium and the cause of an acute diarrhoeal disease in humans called“Cholera”. Even though up to 80% of the cases can be successfully treated with oral rehydration salts, around 100,000 – 120,000 of the cases come to an end as deaths. This indicates that early and rapid detection of the cholera is necessary to prevent spread of disease, increase the efficiency of treatments and decrease the intensity of epidemics. Cholera-Detect system has the ability to do rapid, and on-field molecular diagnosis of cholera without need for extensive laboratory equipment and chemicals which would potentially make possible improved health care in outbreak situations.
Benzer Tezler
- Glikoz ve insülin tayini için karbon destekli mezoporoz silika ve altın elektrotlar kullanılarak enzimatik ve aptamer temelli elektrokimyasal biyosensör geliştirilmesi
Development of enzymatic and aptamer-based electrochemical biosensors using carbon supported mesoporous silica and gold electrodes for the determination of glucose and insulin
ŞEVVAL KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyoteknolojiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAMET ŞAHİN
DOÇ. DR. VELİ ŞİMŞEK
- Retina-inspired artificial synapses and near-infrared optoelectronic neurostimulation devices using quantum dots
Kuantum noktaları kullanarak retina ilhamlı yapay sinapslar ve yakın kızılötesi optoelektronik nörostimülasyon cihazları
RIDVAN BALAMUR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
PROF. DR. AFSUN ŞAHİN
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN ULUŞAN
- 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
- Yeni tipte iletken polimer yapıların sentezi ve nanolif tabanlı biyouyumlu sensör sistemlerinin geliştirilmesi
Synthesis of new types of conductive polymer structures and development of nanofiber based biocompatible sensor systems
AYŞE KARABACAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
BiyokimyaKaramanoğlu Mehmetbey ÜniversitesiFen Bilimleri ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HACER AZAK
- 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