Retinal and neural stimulation with quantum dots based photovoltaic interfaces

Nöral dokuların elektriksel uyarımı tıpta son zamanlarda en çok gelişen teknolojik alanlardandır. Çeşitli araştırma gruplarının birçok çalışmasına rağmen, nöro-elektronik arayüzler pratik uygulama için henüz emekleme aşamasındadır. Özellikle retinitis pigmentosa ve yaşa bağlı makula dejenerasyonu gibi nörodejeneratif durumlarda nöral stimülasyon etkili bir rehabilitasyon yöntemi olabilir. Bu nedenle retina için fotovoltaik yüzeylerle görme duyusunun geri kazandırılması için gözde çalışma alanlarındandır. Retina protezleri üzerinde çalışan enstitüler, şu anda retinal bipolar ve gangliyon hücrelerini uyarmak için çeşitli fotoaktif elektriksel yüzeylerden yararlanmaktadır. Ancak biyouyumluluk problemleri, dış enerji kaynağı gerekliliği, protezin esnek ve harekete dayanıklı olmaması nedeniyle retina protezleri tam işlevlerini yerine getirememektedir. Bu nedenle retina protezi üretiminde yenilikçi biyomalzemelere büyük ihtiyaç duyulmaktadır. Kuantum nokta tabanlı fotovoltaik cihazlar, nano düzeyde nöral uyarım için harika adaylardır. Çalışma prensipleri, fotoreseptör hücrelerde rodopsin bazlı fototransdüksiyon mekanizmasının yerini almalarını mümkün kılan fotoelektrik etkiye dayanmaktadır. Esnek PET (polietilen tereftalat) yüzeyinde retina implant üretimi için, Kurşun(II)sülfür (PbS), Alüminyum antimonit (AlSb) gibi çeşitli kuantum nokta temelli fotovoltaik arayüzler kullanılabilir. Bu biyo-arayüzlerin uygulamasında temel zorluklar, biyouyumluluk ve nöronlar üzerinde aksiyon potansiyeli aktivitesini indükleyecek elektriksel uyarım kapasitesidir. Literatürdeki diğer fotoaktif polimer bazlı arayüzlerle karşılaştırıldığında, kuantum nokta bazlı materyaller, nanokristal içerikleri nedeniyle daha düşük ışık yoğunlukları altında fotoelektrik nörostimülasyonu indükleyebilir. Ayrıca diğer silikon bazlı biyoarayüzlere kıyasla, fotokapasitif akım üretimi sayesinde harici bir enerji kaynağına veya karmaşık işlemci sistemlerine ihtiyaç duymazlar. Tez çalışmamın amacı, retina dejenerasyonu olan sıçanlarda retina protezi olarak kullanılabilecek, nöral stimülasyon için etkili fotovoltaik arayüz üretmek için çeşitli kuantum noktaları tabanlı yapıları araştırmaktır. Bu amaçla, in vitro biyouyumluluk ve elektrofizyoloji deneyleri ile farklı tipte kuantum noktaları incelenmiştir. Daha sonra, retina dejenerasyonlu ve sağlıklı sıçanların subretinal boşluklarına implante edilen kuantum nokta temelli nöral arayüzler, implantasyondan sonra, biyouyumluluğu ve görsel duyunun iyileşmesini anlamak için elektrofizyoloji (VEP-EEG ve ERG) ve davranış testleri ile incelenmiştir. İn vivo çalışmalardan sonra ötenazi yapılan hayvanların retinalarında implantasyon ve fotoelektrik uyarım sonrası retinal değişiklikler gözlemlenmiştir. Bu sayede hem görmenin işlevsel olarak geri kazandırılması hem de retinadaki farklı hücre tiplerinin yapısal bütünlüğü incelenmiştir. Farklı kuantum nokta temelli arayüzler, hipokampal nöronlarda aksiyon potensiyeli oluşturarak, biyouyumlu fotoaktif arayüzlerle nöromodülasyon yapılabileceğini göstermiştir. İn vivo aşamada, PbS ve AlSb kuantum nokta temelli retinal protezler, ışık uyarımı ile retinal stimülasyon yaratmıştır. Ancak, bu cihazlarla nöral stimülasyon için gerekli ışık seviyeleri, oküler güvenlik limitlerinden yüksektir. Buna ek olarak hem AlSb hem de PbS kuantum nokta temelli retinal protezlerin subretinal implantasyonu, gliozis ve retina hasarına neden olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı, kuantum nokta temelli retinal stimülasyon sistemleri için daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir.