Photovoltaic neural interfaces based on nanowires and quantum dots to restore vision
Görüşü yeniden kazandirmak için nanotel ve kuantum nokta tabanli fotovoltaik nöral arayüzler
- Tez No: 981228
- Danışmanlar: PROF. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Optoelektronik biyoarayüzler, ışık enerjisinin iyonik akımlara dönüştürülmesi yoluyla sinir sisteminin hücresel, doku ve organ seviyelerinde kontrol edilmesi için klinik uygulama potansiyeli taşıyan umut verici bir platform olarak ortaya çıkmıştır. Bu tezde, AgBiS₂ nanokristalleri ile duyarlaştırılmış bir ZnO nanotel (NW) dizisinden oluşan çözelti işlemeli bir fotovoltaik nano-yapı sunulmuştur. Bu yapı, kapasitif foto-akım yoluyla verimli yakın kızılötesi (NIR) nöral uyarım sağlamaktadır. Nanoteller, gelişmiş sinir ve doku arayüzleri için dönüştürücü bir platform görevi görmüştür. Fotovoltaik özellikleri nöral modülasyon için olağanüstü potansiyel taşırken, mevcut fotostimülasyon yaklaşımları ağırlıklı olarak görünür ışıkla aktive olan fotoelektrokimyasal mekanizmalara dayanmaktadır. Nanotel morfolojisinin ve nanokristal iç içe geçme yapısının optimize edilmesiyle, bu platform düşük NIR yoğunluklarında (<1 mW mm⁻²) yüksek yük enjeksiyon yoğunlukları (onlarca μC cm⁻²) elde etmiştir. Nano-yapı, ex-vivo kör sıçan retinasında subretinal olarak yerleştirilmiş ve NIR darbeleri altında retinal ganglion hücrelerinde (RGC'ler) tekrarlanabilir ve güçlü yanıtlar oluşturmuştur. Özellikle, bu yanıtlar, göz güvenlik sınırlarının önemli ölçüde altındaki ışık şiddetlerinde elde edilmiştir. Ayrıca, bu çalışmada AgBiS₂ kuantum noktalarının (QD'ler) ışık emilim malzemesi, deşik taşıma ortamı ve psödokapasitif elektrot-elektrolit arayüzü olarak görev yaptığı bir biyoelektronik tasarım sunulmuştur. Anodik ve katodik piklerin üstel davranışı, yük depolama mekanizmasına difüzyon kontrollü ve kapasitif süreçlerin katkıda bulunduğunu göstermiştir. Ayrıca, 3D Bode kapasitans haritaları ve faz açısı yanıtları, yapay beyin-omurilik sıvısında (aCSF) yarım-dalga potansiyelinde (0.044 V vs Ag/AgCl) 3.3 mF cm⁻² gibi yüksek bir kapasitans değeri olduğunu ortaya koymuştur. Işığın elektriksel uyarıma verimli dönüşümü için, AgBiS₂ QD'ler, ZnO NW'ler ile bir fotovoltaik cihaz mimarisine gömülmüş olup, NW içermeyen düzlemsel cihazlara kıyasla iki kat daha fazla foto-akım (1.9 ± 0.3 mA cm⁻²) ve yaklaşık üç kat daha fazla yük enjeksiyonu (29 ± 2.3 μC cm⁻²) sağlamıştır. Üstelik, bu cihaz üzerinde hipokampal nöronların fotostimülasyonu, önemli oksidatif stres oluşturmadan gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak, bu bulgular, psödokapasitif optoelektronik nanokristaller aracılığıyla alışılmadık ve verimli bir biyoelektronik cihazın yanı sıra nöronal sistemler ile nano-yapıların kesişimini ortaya koymuştur. Bu yaklaşım, alışılmadık görsel protezler ve ileri nöromodülasyon terapileri için önemli potansiyel sunmaktadır. Özellikle, retinal dejenerasyonun ex-vivo modellerinde retinal yanıtların uyarılmasındaki kanıtlanmış etkinlik, yeni nesil görsel protezler ve daha geniş nöromodülasyon uygulamaları için umut vaat etmektedir.
Özet (Çeviri)
Optoelectronic biointerfaces have emerged as a promising platform for controlling the nervous system at the cellular, tissue, and organ levels with potential clinical applications via transduction of light energy to ionic currents. In this thesis, we presented a solution-processed photovoltaic nanoassembly comprising a ZnO nanowire (NW) array sensitized with AgBiS2 nanocrystals that enables efficient near-infrared (NIR) neural stimulation through capacitive photocurrents. Nanowires have served as a transformative platform for advanced neural and tissue interfaces. While their photovoltaic properties hold exceptional promise for neural modulation, existing photostimulation approaches predominantly rely on visible-light-activated photoelectrochemical mechanisms. By optimizing nanowire morphology and nanocrystal interdigitation, the platform achieved high charge injection densities (tens of μC cm-2) at low NIR intensities (<1 mW mm-2). The nanoassembly was subretinally placed in an ex-vivo blind rat retina, where it elicited repeatable and robust responses in retinal ganglion cells (RGCs) under NIR pulses. Notably, these responses were achieved at light intensities significantly below established ocular safety limits. We further demonstrated a bioelectronic design where AgBiS2 quantum dots (QDs) served as the photoabsorption material, hole transport medium, and pseudocapacitive electrode–electrolyte interface. The power-law behavior of the anodic and cathodic peaks suggested that diffusion-controlled and capacitive processes contributed to the charge storage mechanism. Furthermore, 3D Bode capacitance maps and phase angle responses indicated a high capacitance of 3.3 mF cm-2 at the half-wave potential (0.044 V vs Ag/AgCl) in artificial cerebrospinal fluid (aCSF). For efficient transduction of light to electrical stimulation, AgBiS2 QDs are embedded onto ZnO NWs in a photovoltaic device architecture, which produced twice the photocurrent (1.9 ± 0.3 mA cm-2) and nearly three times the charge injection (29 ± 2.3 μC cm-2) compared to the planar devices without NWs. Moreover, photostimulation of hippocampal neurons was demonstrated on the device without inducing significant oxidative stress. Collectively, these findings demonstrated an unconventional and efficient bioelectronic device via pseudocapacitive optoelectronic nanocrystals, as well as the nexus of neuronal systems and nanoassemblies, which offers significant potential for enabling unconventional visual prosthetics and advanced neuromodulation therapies. Notably, proven efficacy in eliciting retinal responses within ex vivo models of retinal degeneration underscores its potential for next-generation visual prosthetics and broader neuromodulation applications.
Benzer Tezler
- Retinal and neural stimulation with quantum dots based photovoltaic interfaces
Kuantum nokta temelli fotovoltaik arayüzlerle retinal ve nöral stimülasyon
ERDOST YILDIZ
Doktora
İngilizce
2021
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiNörobilim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AFSUN ŞAHİN
PROF. DR. YASEMİN ÖZDEMİR
- 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
- 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
Mühendislik BilimleriKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU
- 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
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT NİZAMOĞLU