Yeni tip nanokristaller sinir hücrelerimizi aktive edebiliyor!


Koç Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü’ndeki elektronik mühendisleri, malzeme bilimciler ve Koç Üniversitesi Tip Fakültesi’nden doktorların ortak çalışması ile yine aynı grupta dünyada ilk kez sentezlenen yeni bir tip nano-kristalin biyo-arayüzlerde kullanılabileceği kanıtlandı.

Biyo-arayüzler

Biyo-arayüzler çok çeşitli amaçlar için kullanılabilen, hücre, doku ya da organizma seviyesinde organik yapılarla temas içerisinde olan malzemeler/cihazlardır. Hücresel mekanizmaların moleküler ve makro düzeylerde incelenmesinden, rejeneratif tip uygulamalarına, akıllı ilaç dağıtımı ve kanser tedavi terapilerine kadar çok geniş bir yelpazede kullanılan biyo-arayüzler geleceğin teknolojilerinden biri olarak görülüyor. Optoelektronik olarak tasarlanan bu arayüzler ise güneş enerjisi sistemleriyle çok benzer bir şekilde ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirerek hücresel ortamdaki iyon dengesini kontrollü şekilde değiştirerek sinir hücrelerinin aktivasyonu veya susturulması için kullanılıyor. Doğrudan elektrik akımı kullanan sistemlere alternatif olarak optoelektronik sistemler hücresel ortama minimum zarar verecek şekilde çalışıyor.

Prof. Dr. Sedat Nizamoğlu liderliğindeki çalışmada, yeni tip nanokristalleri kullanarak dizayn edilen organik polimer tabanlı optoelektronik biyo-arayüzlerin primer hipokampal sinir hücrelerini uyarabileceği gösterildi. Nature dergi ailesindeki Communications Materials dergisinde yayımlanan makalede, daha önce yine aynı grupta dünyada ilk kez kimyasal sentezi yapılan alüminyum antimoni nano-kristallerinin optoelektronik cihazlardaki potansiyeli kanıtlanmıştır. Bu tip nanokristaller cihaz mimarisindeki elektron-delik çiftlerinin birbirlerinden etkili şekilde ayrılabilmesi ve cihaz üzerinde elektrik alan oluşturabilmesi için birçok farklı dizayna entegre edilebilirler. Bu tip bir cihaz ışıkla aydınlatıldığında içerisindeki foto-aktif malzemeler ile ışığı sönümleyerek, ışık parçacığı olarak tanımlanan fotonların enerjisi ile elektron-delik çiftleri oluşturur. Oluşan elektron-delik çiftleri, cihaz içerisindeki farklı katmanlara doğru difüzyon ile ayrılırken, ayrılan elektron ve delikler arasında negatif ve pozitif yük farkından kaynaklanan bir elektrik alan oluşur. Bu elektrik alan çevresindeki hücresel sıvıdaki elektrik yüklü iyon dengesin değişmesine neden olur. Sodyum, potasyum ve kalsiyum gibi iyonların hücre ve çevresindeki sıvı arasındaki oranlarının değişmesiyle sinir hücreleri aktive edilebilmektedir.

Farklı tip nano-kristaller de biyo-arayüzler için kullanılabilecek

Makalenin ilk yazarı olan Mertcan Han, çalışmanın önemini su şekilde açıklıyor. “Yaptığımız çalışmanın en önemli çıktısı farklı tip nano-kristallerin de biyo-arayüzler için kullanılabileceğini göstermiş olmaktır. Polimer teknolojisi ve malzeme bilimindeki ilerlemelerle birlikte, farklı renkte ışıklar ile çalışabilecek ve etkili şekilde sinirsel uyarım yapılar geliştirmek mümkün hale gelecek. Dizayn ettiğimiz biyo-arayüz mavi ışık altında yaptığımız uyarım ile primer sinir hücreleri üzerinde başarılı şekilde çalışmış ve sinirsel aktivasyonu gerçekleştirmiştir. Bu tarz yapılar Parkinson ve Şizofreni gibi sinirsel hastalıkların araştırılmasında kullanılabileceği gibi çeşitli göz hastalıklarına karsı hayat kalitesini artırılacak teknolojilerin ulaşılabilir hale gelmesinde de rol oynayacaktır.” Örneğin, yaşlılığa bağlı makula dejenerasyonu görme kaybına yol açan ciddi bir göz hastalığıdır. Bu gibi hastalıkların çözümü ise gözümüzdeki foto reseptörler gibi davranan cihazlarla mümkün olabilir. Bu foto reseptörler, yukarıda anlatılan biyo-arayüz gibi davranır. Göze gelen ışık enerjisi reseptörler tarafından algılanır ve elektriksel sinyallere dönüştürülür, dolayısıyla dizayn edilen optoelektronik biyo-arayüzler bu fonksiyonel yapılara alternatif oluşturabilir.

Nanoteknolojinin, elektroniğin ve tıbbi bilimlerin birleştirildiği bu tarz disiplinler arası çalışmalar, hücreleri, sinir ağlarını ve vücudumuzu anlamak için faydalı platformlar oluşturdukları gibi, günümüzde maliyetli ve hayat kalitesini düşüren birçok hastalığın tedavisi için de kullanılacaktır.

Kaynak

Photovoltaic neurointerface based on aluminum antimonide nanocrystals | Nature