Son yıllarda teknolojideki büyük ilerlemeler, insan vücudunun terapötik olarak hedeflenen bölgelerine yüksek hassasiyetle müdahale edebilen ve fizyolojik sinyalleri uzun vadede izleyebilen giyilebilir ve özellikle de implante edilebilir elektronik cihazların geliştirilmesini mümkün kıldı. Bu cihazlar, biyolojik ortamlarda uzun süre kalmaları gerektiğinden, hem biyouyumlu olmalı hem de zamanla oluşabilecek hasarlara karşı kendini tamir edebilmelidir.
Bu doğrultuda Güney Kore'deki Sungkyunkwan Üniversitesi, Temel Bilimler Enstitüsü (IBS) ve diğer bazı kurumlarda yürütülen bir araştırma, kendini onaran ve esneyebilen transistörler üretmek üzere yeni bir yöntem geliştirdi. Nature Electronics dergisinde yayımlanan çalışmaya göre geliştirilen bu teknoloji, yüksek performanslı entegre sistemlere ölçeklenebilir ve yeniden yapılandırılabilir şekilde entegre edilebilecek.
ZORLU ORTAMLARA UYUM
Araştırmayı yöneten Donghee Son ve ekibi, elektronik cilt, yumuşak biyoelektronik implantlar gibi alanlarda gelişmeler yaşansa da cihazların uzun süreli dış bağlantı ve mekanik zorlanmalar altında stabil kalmasının halen büyük bir zorluk olduğunu belirtiyor. Aynı zamanda bu cihazların kullanıcıya özel ihtiyaçlara göre sonradan yeniden yapılandırılmasının da oldukça sınırlı olduğunu vurguluyor.
Islak ve hareketli biyolojik ortamlarda elektriksel özelliklerin korunmasının da ayrı bir zorluk olduğunu belirten ekip, bu sorunun üstesinden gelmek için kendi kendini onarabilen ve esneyebilen malzemelerle çalışan yeni bir malzeme yaklaşımı geliştirdi.
ELEKTRONİĞE DOĞADAN ÇÖZÜM
İnsan cildinin yaralandıktan sonra kendini iyileştirme mekanizmasından ilham alan araştırmacılar, bir transistörün üç temel bileşeni olan dielektrik yalıtım katmanı, yarı iletken katman ve elektrot katmanlarının her birine hem esneklik hem de kendini onarma yeteneği kazandırmayı başardı. Böylelikle bu transistörler; mantık kapıları, aktif matrisler ve ekran dizileri gibi sistemlerde kullanıcıya özel yapılandırmalarla kullanılabilecek hale geldi.
BİYOELEKTRONİKTE YENİ UFUKLAR
Bu teknoloji, beyin, omurilik, vagus siniri, periferik sinirler ve kalp dokuları gibi alanlarda elektrofizyolojik sinyalleri izleyebilen ileri düzeyde implante edilebilir cihazların üretiminin önünü açabilir. Böylece nörolojik hastalıkların tanı ve tedavisinde daha hassas ve uzun ömürlü cihazların kullanılması mümkün hale gelebilir.
Araştırmacılar, bu sistemlerin üretiminde kilit rol oynayan üç malzeme grubuna dikkat çekiyor: kendini onaran polimerler, iletken nanomalzemeler ve organik yarı iletkenler. Bu malzemelerin birleşimiyle oluşturulan transistörler, spin kaplama yöntemiyle kolayca üretilebiliyor. Bu üretim süreci, dikey faz ayrımını tetikleyerek dış baskı altında performans kaybını önlüyor. Hasar durumunda ise polimer zincirleri yeniden yapılanarak hem elektriksel hem de mekanik özelliklerin korunmasını sağlıyor.
MODÜLER TASARIM AVANTAJI
Geliştirilen teknoloji, elektronik cihazların her bir katmanını (yalıtım, elektrot ve yarı iletken) ‘transfer bask’ adı verilen bir yöntemle geniş yüzeylere uygulanabilir kılıyor. Bu yaklaşım, dokunmatik sensörler, aktif matrisler ve esnek ekranlarla entegre edilebilen büyük ölçekli, esneyebilen modüler sistemlerin üretimini mümkün kılıyor.
Ekip, bu modüler sistemi LEGO blokları gibi birleştirilebilen ve ayrılabilen bir yapıya benzetiyor. Bu yapı, cihazların ihtiyaçlara göre özelleştirilmesini ve performans düşüklüğü yaşandığında kolaylıkla değiştirilmesini sağlıyor. Canlı hayvanlar üzerinde yapılan testler, biyouyumlu alt tabakalara sahip transistörlerin uzun süre istikrarlı bir performans sunduğunu ortaya koydu.
NÖROPROTEZLERDE GELECEK
Bu çalışmanın, esneklik, kendini onarma ve implant edilebilirlik özelliklerini aynı anda bünyesinde barındıran ilk sistem düzeyinde biyoelektronik örnek olduğu vurgulanıyor. Araştırmacılar, sinir sinyallerini alabilen, bu sinyalleri işleyebilen ve gerektiğinde elektriksel uyarım sağlayabilen yüksek yoğunluklu elektrot dizileriyle donatılmış nöroprotez sistemlerinin, insan güçlendirme teknolojisinin geleceği olduğuna inanıyor. Bu sistemlerde en kritik gereksinim, uzun süreli stabil performans.
Ekibin geliştirdiği modüler ve yeniden yapılandırılabilir yapı, bu cihazların kullanıcıya göre özelleştirilebilmesini ve gerektiğinde kolayca yenilenebilmesini sağlıyor. Bu yönüyle hem tedavi hem de teşhis için büyük avantaj sunuyor.
KİŞİSELLEŞMİŞ TEDAVİ HEDEFİ
Son ve ekibi, bu teknolojinin gelecekte daha da geliştirilerek yeni nesil protezler ve biyomedikal cihazların üretiminde kullanılabileceğini belirtiyor. Ayrıca, sistemlerin güvenliğini ve işlevselliğini test etmek için klinik öncesi ve klinik deneylerin planlandığı ifade ediliyor.
Araştırma ekibi, özellikle yarı iletken hareketliliği ve elektrot iletkenliği gibi parametreleri optimize ederek yüksek hızlı devre performansı hedefliyor. Sonuçta, hedef; kişiselleştirilmiş, güvenli ve uzun ömürlü biyomedikal sistemler geliştirmek.
