Nöroelektronikte Grafenin Rolü

Nöroelektronik, sinir sistemiyle etkileşim kurabilen cihazlar geliştirmeyi amaçlayan disiplinler arası bir alandır. Grafen gibi ileri malzemelerin nöroelektronik teknolojisinde kullanılması, biyouyumlu ve dayanıklı implantların geliştirilmesine katkı sağlamakta ve bu sayede nöroelektronik cihazların etkinliğini artırmaktadır.

Bu makalede, nöroelektronik alanının temel kavramları, ileri malzemelerin rolü, grafenin nöroelektronik uygulamaları ve bu alandaki yenilikçi gelişmeler incelenecektir. Türkiye’nin ilk ve en yüksek kapasiteli grafen seri üretim tesisine sahip olan Nanografi’nin yüksek kaliteli grafen ürünlerini şimdi inceleyerek araştırmalarınızın ve projelerinizin performansını artırın. 

Giriş

Nöroelektronik alanı son yıllarda hızla ilerlemiş ve ileri malzemelerin entegrasyonu bu alanın gelişiminde kritik bir rol oynamaktadır. Bu malzemeler arasında grafen, sinirbilim ve elektronik alanlarında sunduğu benzersiz özelliklerle dikkat çekmektedir. Yüksek elektrik iletkenliği, mukavemeti ve biyouyumluluğu sayesinde grafen, daha verimli ve hassas nöroelektronik cihazların geliştirilmesi için ideal bir aday olarak öne çıkmaktadır. 

Nöroelektronik Nedir?

Nöroelektronik, aynı zamanda nöroteknolojik olarak da bilinen, sinir sistemi ile arayüz oluşturabilen cihazlar geliştirmek için nörobilim ile elektronik mühendisliğini birleştiren disiplinler arası bir alandır. Nöroelektroniğin amacı, sinirsel işlevleri izleyebilen, uyarabilen ve hatta onarabilen teknolojiler yaratmaktır.

Nöroelektronik, elektroniği biyolojik sistemlerle entegre ederek beyin-makine arayüzlerinde, nöral protezlerde ve beyin aktivitesinin gerçek zamanlı izlenmesinde ilerlemeler sağlar. Bu yenilikler nörolojik bozuklukları tedavi etme, kronik hastalıkları yönetme ve beynin karmaşık işleyişini anlama yöntemlerimizi günden güne geliştirmeye devam ediyor.

İleri Malzemelerin Nöroelektronik Uygulamalarında Kullanımı

İleri malzemeler, nöroelektronikte biyouyumluluk, biyobozunurluk ve çok işlevlilik gibi özellikleriyle sinir sistemiyle etkili iletişim kurabilen implantlar geliştirilmesine olanak sağlar. Bu malzemeler, hem merkezi sinir sistemi (beyin, omurilik) hem de periferik sinir sistemi cihazlarında kullanılarak nöroelektronik arayüzlerin güvenli ve verimli çalışmasına katkıda bulunur. İşte ileri malzemelerin nöroelektronikte nasıl kullanıldığını açıklayan bazı başlıca alanlar:

Biyouyumluluk: Nöroelektronik implantlarda kullanılan malzemeler, sinir dokusuyla uzun süreli uyum içinde olmalıdır. Altın, platin gibi metallerin yanı sıra iletken polimerler ve karbon bazlı malzemeler, implantların biyouyumluluğunu artırmak için yaygın olarak kullanılır. Yumuşak ve esnek yapılar, mekanik uyumsuzlukları önleyerek implantların sinir dokularına zarar vermesini engeller ve sinir sinyallerinin daha hassas bir şekilde okunmasına olanak tanır.

Biyobozunurluk: Nöroelektronikte biyobozunur malzemeler, belirli bir süre işlev gördükten sonra vücutta doğal yollarla parçalanabilen geçici implantlar için kullanılır. Bu tür malzemeler, nöroterapi veya sinir yenilenmesi için geçici sinir stimülasyonu sağlamak amacıyla tasarlanır ve implantın çıkarılması için ikinci bir cerrahi müdahaleyi ortadan kaldırır. Bu implantlar arasında biyobozunur polimerler (örneğin, polilaktik asit) ve magnezyum gibi biyobozunur metaller bulunur.

Çok İşlevlilik: İleri malzemeler, nöroelektronik cihazların birden fazla işlevi aynı anda yerine getirmesini sağlar. Örneğin, elektriksel kayıt ve optogenetik uyarım işlevlerini birleştiren malzemeler, belirli sinir hücrelerini optik uyarımla hedefleyerek, beyin devrelerinin nasıl çalıştığını anlamamıza yardımcı olur. Bu çok işlevli cihazlar, sinirsel aktivitenin hem elektriksel hem de optik yollarla izlenmesine olanak tanır.

Mekanik Uyum: Yumuşak ve esnek malzemeler, sert implantlar yerine kullanılarak sinir dokularıyla mekanik uyumsuzlukları minimize eder. Örneğin, polimer bazlı malzemeler kullanılarak yapılan esnek elektrotlar, nörolojik sinyallerin uzun süre stabil bir şekilde kaydedilmesine olanak tanır ve sinir dokularına zarar verme riskini azaltır.

Bu malzemelerin kullanımı, nöroelektronik cihazların uzun süreli biyouyumluluğunu artırmak, cihazların biyobozunur olmasını sağlamak ve aynı anda birden fazla işlevi yerine getirebilmek için kritik öneme sahiptir.

Grafen Nöroelektronikte Nasıl Kullanılır?

Altıgen bir kafes yapısına sahip tek katmanlı karbon atomlarından oluşan grafen, yüksek elektriksel iletkenliği, esnekliği ve biyouyumluluğu sayesinde nöroelektronikte daha fazla kullanım alanı bulmaktadır. Bu özellikler, grafenin sinir dokularıyla hassas etkileşim gerektiren sinir cihazlarına etkin bir şekilde entegre edilmesine olanak tanır.

Grafen Tabanlı Nöro-Cihazların Avantajları

Grafenin yüksek iletkenliği, esnekliği ve biyouyumlu yapısı sayesinde, beyinle güvenli bir şekilde etkileşime giriyor ve nöroelektroniğin gelişiminde kritik bir rol oynuyor.

- Elektriksel İletkenlik: Grafen, yüksek elektriksel iletkenliği sayesinde nöral kayıt ve stimülasyon cihazlarının performansını artırır. Verimli sinyal iletimi sağlayarak nöral sinyallerin daha doğru ve hızlı bir şekilde alınmasına ve iletilmesine olanak tanır. Bu, özellikle nöronlar arasındaki elektriksel aktivitenin izlenmesi ve beyin uyarımı gibi uygulamalar için büyük bir avantaj sunar.

- Esneklik ve Biyouyumluluk: Grafen, esnek yapısı sayesinde beyin dokusu gibi yumuşak biyolojik dokularla daha uyumlu nöral implantlar üretmeye olanak tanır. Esnekliği, implantın dokuyla daha iyi entegre olmasını sağlar ve iltihaplanma riskini azaltarak uzun vadeli güvenilirliği artırır. Bu biyouyumluluk, nöral cihazların vücut tarafından kabul edilme oranını yükseltir, bu da cihazın ömrünü ve işlevselliğini uzatır.

- Dayanıklılık: Grafen, kimyasal ve fiziksel bozulmalara karşı oldukça dayanıklıdır. Bu özellik, grafen bazlı nöral implantların uzun süreli kullanımda güvenilir kalmasını sağlar. Özellikle beyin gibi hassas ortamlarda kullanılan cihazların bozulmadan uzun süre çalışması büyük önem taşır, bu da grafeni nöroteknoloji alanında tercih edilen bir malzeme yapar.

- Hassasiyet: Grafen bazlı sensörler, nöral ve kimyasal aktivitelerdeki küçük dalgalanmaları dahi tespit edebilecek kadar yüksek hassasiyete sahiptir. Bu, nöral izleme sistemlerinde daha ayrıntılı ve kesin veriler elde edilmesini sağlar, böylece sinir sistemi üzerinde yapılan araştırmaların doğruluğu ve etkinliği artar.

Grafenin en popüler 60 kullanım alanını öğrenmek için, blog yazımızı okuyun.

Nöroelektronikte Grafen Uygulama Alanları

Grafen, benzersiz özellikleri sayesinde nöral kayıt cihazlarından stimülasyon sistemlerine, esnek implantlardan nörokimyasal sensörlere kadar nöroelektronikte çok çeşitli ve yenilikçi uygulamalara olanak tanımaktadır.

- Nöral Kayıt Cihazları: Grafen, düşük empedansı ve yüksek iletkenliği sayesinde nöronlardan doğru ve verimli sinyal kaydını sağlayan nöral kayıt elektrotlarının geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Bu teknoloji, özellikle beyin-bilgisayar arayüzleri (BCI'lar) ve nöral izleme sistemleri açısından önemlidir.

Yapılan bir araştırmada, grafen bazlı cihazların, bakteriler gibi tek hücreli organizmalardan gelen nanomotion (nano hareket) sinyallerini tespit etmekte kullanıldığı ortaya konmuştur. Nöral elektrotlar, sinir hücrelerinden sinyal kaydetmek için grafenin biyouyumlu yapısı ve yüksek iletkenliğinden yararlanarak, bakteriler üzerinde grafenin hassas titreşim algılama yeteneği öne çıkmıştır. Bu teknoloji, antibiyotik direncinin hızlı ve hassas bir şekilde tespit edilmesine olanak sağlamış, böylece tıbbi teşhis ve tedavi süreçlerinde önemli bir adım olarak değerlendirilmiştir. Araştırmayı incele.

Yani, her iki alanda da grafenin kullanım amacı benzer teknolojik avantajlara dayanır, ancak uygulama alanları farklıdır.

- Nöral Stimülasyon: Grafenin mükemmel yük aktarım özellikleri, Parkinson hastalığı gibi durumların tedavisinde kullanılan derin beyin stimülasyonu cihazları için uygun bir malzeme olmasını sağlamaktadır. Grafen bazlı elektrotlar, güç tüketimini azaltarak nöral stimülasyonun verimliliğini artırabilir.

- Esnek İmplantlar: Grafenin esnekliği ve ince yapısı, beyin yüzeylerine uyum sağlayan nöral implantların geliştirilmesine olanak tanıyarak mekanik uyumsuzluğu ve potansiyel doku hasarını azaltır. Bu tür implantlar, uzun süreli nöral izleme için uygundur.

- Nörokimyasal Sensörler: Grafenin geniş yüzey alanı ve elektrokimyasal kararlılığı, beyindeki nörotransmitterler ve diğer kimyasalları tespit eden biyosensörlerin geliştirilmesinde kullanılır. Bu sensörler, beyin kimyasının ve nörolojik bozuklukların gerçek zamanlı izlenmesine yardımcı olur.

Şekil 1: Kayıt, stimülasyon ve biyoalgılama gibi çeşitli nöronal işlevler için tasarlanmış grafen tabanlı nöral arayüzler.

CASE: Dünyanın İlk Grafen Tabanlı Beyin Bilgisayar Arayüzü

Geçtiğimiz günlerde Dünyanın ilk grafen tabanlı beyin-bilgisayar arayüzü (BCI) Salford Kraliyet Hastanesi'nde bir hastaya implante edildi. INBRAIN Neuroelectronics tarafından geliştirilen bu ultra ince implant, sağlıklı ve kanserli beyin dokusunu mikrometre hassasiyetinde ayırt ederek beyin cerrahisinde grafen kullanımında bir çığır açıyor. Bu çalışma, grafenin nörolojik bozuklukların tedavisinde önemli bir potansiyel sunan sinirsel kod çözme ve cerrahi uygulamalarında geleneksel malzemelere göre üstün yeteneklerini göstermeyi amaçlıyor. 

Operasyonu gerçekleştiren Dr. David Coope, “Geleneksel malzemelerin sinyal doğruluğunu sağlamakta zorlandığı bölgelerde beyin aktivitesini yakalıyoruz. Grafen, algılama ve uyarım için ultra yüksek yoğunluk sunuyor. Bu da, hastanın hareket, dil ve bilişsel işlevlerini koruyarak yüksek hassasiyetli cerrahi müdahaleler yapmamızı mümkün kılıyor,” açıklamasında bulundu.

Sonuç

Grafenin elektriksel iletkenlik, esneklik, biyouyumluluk ve dayanıklılık gibi özellikleri, onu nöroelektronik alanında kullanım için uygun hale getiriyor. Bu sayede, sinir kaydediciler ve beyin-bilgisayar arayüzleri gibi cihazların geliştirilmesine olanak tanıyor. İlk grafen tabanlı beyin-bilgisayar arayüzü, hassas sinirsel izleme ve cerrahi sonuçların iyileştirilmesi de grafenin potansiyelini göstermektedir. Grafen tabanlı nörocihazlar üzerine devam eden araştırmaların, nöroteknoloji alanında daha fazla ilerlemeye olanak sağlayacağı öngörülmektedir.

Grafen, karbon nanotüp, fulleren ürünlerinden nanopartikül, mikropartikül ve laboratuvar ekipmanlarına kadar geniş ürün yelpazesine sahip olan Nanografi ile bugün tanışın!

Kaynakça

60 Uses and Applications of Graphene – Nanografi- Nanografi Nano Technology. (n.d.). Retrieved October 8, 2024, from https://nanografi.com/blog/60-uses-and-applications-of-graphene-nanografi-/

Bramini, M., Alberini, G., Colombo, E., Chiacchiaretta, M., DiFrancesco, M. L., Maya-Vetencourt, J. F., Maragliano, L., Benfenati, F., & Cesca, F. (2018). Interfacing graphene-based materials with neural cells. Frontiers in Systems Neuroscience, 12, 358913. https://doi.org/10.3389/FNSYS.2018.00012/BIBTEX

Grafen İçin 60 Farklı Kullanım Alanı- Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved October 8, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/grafen-icin-60-farkli-kullanim-alani/

Graphene shown to safely interact with neurons in the brain | University of Cambridge. (n.d.). Retrieved October 8, 2024, from https://www.cam.ac.uk/research/news/graphene-shown-to-safely-interact-with-neurons-in-the-brain

Karim, M. R., Siddiqui, M. I. H., Assaifan, A. K., Aijaz, M. O., & Alnaser, I. A. (2024). Nanotechnology and Prosthetic Devices: Integrating Biomedicine and Materials Science for Enhanced Performance and Adaptability. Journal of Disability Research, 3(3), 20240019. https://doi.org/10.57197/JDR-2024-0019

Mikhaylov, A. N., Shchanikov, S. A., Demin, V. A., Makarov, V. A., & Kazantsev, V. B. (2023). Editorial: Neuroelectronics: towards symbiosis of neuronal systems and emerging electronics. Frontiers in Neuroscience, 17. https://doi.org/10.3389/FNINS.2023.1227798

Qi, Y., Kang, S. K., & Fang, H. (2023). Advanced materials for implantable neuroelectronics. MRS Bulletin, 48(5), 475–483. https://doi.org/10.1557/S43577-023-00540-5/FIGURES/4

Redolfi Riva, E., & Micera, S. (2021). Progress and challenges of implantable neural interfaces based on nature-derived materials. Bioelectronic Medicine, 7(1), 1–10. https://doi.org/10.1186/S42234-021-00067-7/FIGURES/2

Rosłoń, I. E., Japaridze, A., Steeneken, P. G., Dekker, C., & Alijani, F. (2022). Probing nanomotion of single bacteria with graphene drums. Nature Nanotechnology 2022 17:6, 17(6), 637–642. https://doi.org/10.1038/s41565-022-01111-6

World’s 1st human graphene-based brain computer interface procedure at Salford Royal : Northern Care Alliance. (n.d.). Retrieved October 8, 2024, from https://www.northerncarealliance.nhs.uk/news/nca-news/worlds-1st-graphene-brain-computer-interface-salford-royal?back=1

‘World’s first’ graphene brain chip implanted in a cancer patient. (n.d.). Retrieved October 8, 2024, from https://interestingengineering.com/science/worlds-first-graphene-based-brain-chip-implanted-in-a-cancer-patient