P5. Giyilebilir ve İmplant Sensörler için Nano-jel Kompozit Yapılar Geliştirilmesi

Yenilikçi Giyilebilir ve İmplant Sensörler için Nanopartikül/Hidrojel (Nano-jel) Kompozit Yapılar Geliştirilmesi

Projenin amacı ve kapsamına ilişkin kısa bilgilendirme

TÜBİTAK 1004 – Mükemmeliyet Merkezi Destek Programı kapsamında desteklenen prestijli projelerden biri olan Nöroteknolojik Çözümler Platformu (NTÇP) kapsamında yürütülen P5 projesi implant edilebilir veya giyilebilir sensörlerde rezonatör olarak kullanılmak üzere, biyofiziksel (pH) parametrelere duyarlı, farklı elektriksel özelliklerde hidrojel/nanopartikül (nano-jel) kompozit malzemeler geliştirilmesini amaçlamaktadır. Geliştirilmekte olan bu yenilikçi malzeme yapılarının temelini, cilde benzer biyomimetik özellikler gösterebilen biyouyumlu hidrojeller oluşturmaktadır. Hidrojel yapıları dış uyaranlara reaktif hale getirilerek farklı uygulamalarda medikal diagnostik araçları olarak kullanılabilecektir. Bu kapsamda örnek zorluk olarak postoperatif enfeksiyon takibi ele alınmaktadır. Geliştirilecek bu yenilikçi malzeme yapılarının beden içerisinde rezonatör olarak kullanıldığı durumlar için spesifik uyaranlara duyarlı olması sağlanacak olup, bu sayede farklı biyobelirteçlerin takibinin beden içerisinde gerçekleştirilebilmesi amaçlanmaktadır. P6 “Kablosuz giyilebilir ve implant sensörler ve sensörlerin kablosuz haberleşmesi” projesi ile ortaklaşa yürüyecek olan bu proje kapsamında, P6’da geliştirilecek olan beden üstüne yerleştirilebilecek beden üstü okuyucu anten ve beden içi pH duyarlı rezonatörün takibi ile erken evrede postoperatif enfeksiyon teşhisi gerçekleştirilecektir.

Figür 1. P5 ile P56 ilişkisi

Proje kapsamında Öngörülen Bilimsel ve Toplumsal Hedeflenen Kazanımlar

Cerrahi operasyon sonrası enfeksiyonlar cerrahi alan enfeksiyonları olarak tanımlanır. Bu enfeksiyonlar, hastaların tedavi sürecini olumsuz etkileyerek süreyi ve maliyeti artırır. Enfeksiyonun gerçek zamanlı takibi, tedavi açısından kritik öneme sahiptir. ⁠Projede, Boğaziçi Üniversitesi ve Bilkent Üniversitesi ile iş birliği yapılacaktır.

Hedefimiz yenilikçi implant malzemeler geliştirmek ve sistem seviye testlerini tamamlamaktır.
Laboratuvar ölçekli prototip rezonatör geliştirilecektir.
Çapraz bağlı polimerik hidrojellerin pH, elektrik alanı ve mekanik uyaranlar altındaki fiziksel davranışlarını modellenecektir.
Geliştirilen nano-jellerin kimyasal, elektriksel ve mekanik davranışları COMSOL continuum ve Moleküler Dinamik modelleme ile simüle edilecektir.
Nernst-Plank, Poisson ve mekanik denge denklemlerinin birleşik çözümleriyle hidrojelin kararlı durum simülasyonunu gerçekleştirilecektir.
İyon difüzyonu, elektrostatik yük dağılımı ve mekanik deformasyonu sistematik şekilde hesaplanacaktır.
In-vivo testler ile proje THS 4 seviyesine ulaştırılacaktır.

Figür 2. İmplant edilebilir nano-jel yapısı ve deri altı ara yüzü gösterimi. Önerilen malzeme yapısı çevredeki fiziksel ve kimyasal değişiklikleri algılayarak elektriksel veya fiziksel değişime uğramaktadır.

Projenin güncel durumu ve ilerleme bilgileri

Proje kapsamında implant edilebilir veya giyilebilir sensor sistemlerinde rezonatör olarak kullanılmak üzere pH duyarlı iletken nano-jel kompozit malzemeler geliştirilmesi üzerinde ciddi ilerlemeler kaydedilmiştir.

İlk etapta iletkenliği sağlayacak gümüş nanotellerin sentezi optimize edilmiştir. Bu aşamadaki bulgular ACS Applied Nanomaterials dergisinde yayınlanmıştır (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.4c00625). Optimize edilmiş sentez için kinetik ölçümlere karşılık gelen gümüş nanoparçacıkların TEM görüntüleri Figür 3’te verilmiştir. Şu aşamada sensör yapısının beden içindeki degradasyonunu takip etmek amacıyla yapıya manyetik özellik katmak için Ag@Fe₃O₄ çekirdek kabuk nanotel yapılarının sentezi gerçekleştirilmektedir.

Figür 3. (a-e) Kinetik ölçümlere karşılık gelen gümüş nanoparçacıkların TEM görüntüleri (ölçek çubukları sırasıyla 5, 20, 50, 200 ve 500 nm'dir) ve (f-h) uygun kristalografik yönelimlere sahip iki parçacığın birleşmesini gösteren HRTEM mikrografları.

P6 ile desteklenen kısımda “Kablosuz giyilebilir ve implant sensörler ve sensörlerin kablosuz haberleşmesi’’ konusunda rezonatör geliştirilmesi ve anten tasarımı tamamlanmak üzere olup iki konunun birleştirilmesi üzerinde çalışılmaktadır. İki projenin ortak çalışması ACS Applied Nano Materials dergisinde yayınlanmış ve çeşitli konferanslarda gerek sözlü gerek poster sunumu olarak sunulmuştur.

Figür 4. ACS Applied Nano Materials dergisinde yayımlanan makale dergi kapağında yer almıştır.