Nöronların fotoelektrik uyarımı için kuantum nokta ve pseudokapasitör malzeme tabanlı esnek optoelektronik biyoarayüzler

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.