Kuantum noktaları kullanarak retina ilhamlı yapay sinapslar ve yakın kızılötesi optoelektronik nörostimülasyon cihazları

Nöronlar, sinir sisteminin yapı taşları olup elektriksel ve kimyasal sinyallerin üretilmesi, alınması ve iletilmesinden sorumludur. Biyomimetik sinyal üretimi ve biyolojik-elektronik ara yüzlerde iletimi, biyolojik işlevlerin geri kazanılmasını, değiştirilmesini veya geliştirilmesini sağlayabilir. Ayrıca, ayrı bellek ve işlem birimlerine ihtiyaç duymadan etkin olay yönlendirmeli işlem ve yüksek doğruluklu algılama sunabilir. Nöronların işlevlerinden ilham alınarak geliştirilen nöromorfik biyoelektronik, hücrelerle biyomimetik iletişim sağlamayı mümkün kılma potansiyeline sahiptir. Bu sistemler, sulu ortamlarda çalışma, nörositimülasyon için yeterli iyon akımlarının üretilmesi ve plastisite gerektirir. Bu tezde, foto-algılama, bellek ve nörositimülasyon işlevlerini tek bir cihazda birleştiren yeni bir kompakt nöromorfik sinaps tanıtılmaktadır. Hücre arayüzeyine sahip InP/ZnS kuantum noktaları kullanılarak, bu cihaz foto-faradaik yük-transferi aracılı plastisite ile yapay foto-soğurma sağlamaktadır. Cihaz, hipokampal nöronlarda, nöronal sinyallerin doğal biyomimetik zamansal toplamını simüle eden çift-darbe fasilitasyonu ve post-tetanik potansiyasyon gösteren uyarıcı post-sinaptik akımlar indüklemektedir. Ayrıca, bu tezde gümüş bizmut sülfat (AgBiS2) kolloidal nano kristallerin fotovoltaik retina implantları için potansiyeli araştırılmaktadır. Kimyasal stabilitesi ve toksik ağır metalleri içermemesi ile bilinen AgBiS2 nano kristalleri, silikon ve PbS, CdTe ve perovskit gibi birçok inorganik nano kristalden daha yüksek (>105 cm-1) bir soğurma katsayısına sahiptir. Suya dayanıklı fotovoltaik bir biyoelektronik cihaza entegre edilen ince bir AgBiS2 nano kristal tabakası (24 nm), yapay beyin-omurilik sıvısında yüksek seviyede kapasitif foto-akım (2.17 ± 0.2 mA.cm-2) ve iyonik yük (10.97 ± 0.7 µC.cm-2) üretmektedir. Cihazın uzun vadeli stabilitesi ve nöronlara toksik olmaması, biyoelektronik uygulamalar için uygunluğunu vurgulamaktadır. Birincil hipokampal nöronlar üzerindeki elektrofizyolojik çalışmalar, bu cihazların göz güvenliği sınırları içinde NIR yoğunluk seviyelerinde nöron ateşlemesini tetikleyebildiğini ortaya koymaktadır. Özetle, bu tez, NIR spektrumu penceresinde çalışan ilk toksik ağır metal içermeyen nano kristal tabanlı optoelektronik biyoarayüzü ortaya koymuştur. Ayrıca, kuantum noktalarının, gelecekteki retina implantları için hücrelerin geleneksel olmayan ve biyomimetik kontrolü konusunda yüksek bir vaatte bulunduğunu göstermektedir.