Please find below information on some projects conducted under BOUNtenna.
Moleküler Düzeyde Gerçek Zamanlı Kablosuz Beden-içi Algılama (YÖK Araştırma Üni Destek Programı ADP)
(In-progress)
Özet
Bu projede moleküler seviyede gerçek zamanlı kablosuz beden-içi algılama yapmayı hedeflenmektedir. Bu hedefe ulaşmak için yarı-canlı ve enerji kaynağı olarak ATP kullanan bir biyo-hibrit implant öneriyoruz. Bu implant hem moleküler seviyede beden-içi algılama yapması, hem de pil gibi bedene uyumsuz bileşenleri elimine etmesi açısından çığır açıcı ve benzersizdir.
Proje fikrimizin merkezinde moleküler seviyedeki algılamanın beden-dışına kablosuz iletimi bulunmaktadır (Patent başvuru WO2021126135A19). Bu fikir, hastalık biyobelirteçleri gibi moleküllerin varlığını tespit etmek ve bu tespiti kablosuz iletmek için jenerik bir platformu tanımlamaktadır. En temel mantığıyla fikir şöyle kurgulanmıştır. Beden-içinde izlenmesi istenen molekülün varlığı, genetiği bu yönde değiştirilmiş hücreleri tetikleyecektir. Tetiklenen hücrelerin tepkisi sadece reflektör olarak kullanılan beden-içi pasif antenin fiziksel yapısında değişime sebep olacaktır. Bu değişim beden-üstü bir alıcı-verici anten çiftiyle takip edilecektir. Bu projede kullanılacak hücreler iskelet kası hücresidir. Tasarımlanmış iskelet kası dokusundaki kasılma ve gevşeme hareketi bir mikro-anahtar gibi çalışarak implant antenin rezonansını değiştirecektir.
Antenlerin ışıma örüntüsünün veya çalışma frekansının yeniden konfigürasyonu (reconfigurable antennas), uzun süredir üzerinde çalışılan bir araştırma alanıdır. Genellikle konfigürasyon pin diyotlar ya da optik anahtarlar gibi komponentler ile yapılmaktadır. Burada ise tasarımlanmış iskelet kası dokusu ile anahtarlama hedeflenmektedir. Memeli hücreleri kullanılarak yeniden konfigürasyon literatürde bulunmamaktadır. Literatürde bu öneriye en yakın çalışma, kısa süreli algılama yapılmasını sağlayan ve tamamen biyobozunur bir implant olarak kurgulanmış bakteriyel hücreler ile yeniden konfigürasyon üzerinedir; bu çalışma da bize aittir. (Bakteriyel hücrelerle yeniden konfigürasyon benim laboratuvarım BOUNtenna’da, Boğaziçi Üniversitesi MNL ve Bilkent UNAM SBL iş birliğinde 2247-A Ulusal Lider Araştırmacı programı kapsamında çalışılmaktadır [1][2].) Bu projede, tasarımlanmış kas dokusu tarafından yeniden konfigüre edilen bir biyo-hibrit implant anten ve bu biyo-hibrit antendeki rezonans değişimini beden-dışından takip eden bir okuyucu anten çifti önerilmektedir.
Bu proje, hücrelerin iletişimi ile elektromanyetik iletişim arasındaki nihai ara yüz olma potansiyeline sahiptir. Bu yönüyle aynı zamanda beden-içinde gerçekleşen moleküler nano iletişim ağları (MNCN) ile beden alan ağları (BAN) arasında bir ağ geçidi olacaktır. Bir diğer deyişle, önerilen sistem, nano ölçekte iletişim kuran canlı hücreler ile makro ölçekte çalışan elektronik cihazlar arasındaki iletişimi mümkün kılacaktır. Antenlerin, tasarımlanmış dokularla buluştuğu bu proje yeni bir araştırma alanı başlatma potansiyeline sahiptir. Önerilen biyo-hibrit implant, çeşitli moleküler biyobelirteçleri veya ilgilenilen molekülleri tespit ederek, bu tespiti beden-üstü okuyucu antenler ile kablosuz olarak uzak okuyuculara iletecek genel bir platformdur.
MNCN ile BAN arasında kullanılacak ağ geçidinin, bu alanda çalışan çeşitli araştırma grupları tarafından nano-algılama yeteneklerine sahip beden içine implant edilmiş aktif bir mikrodalga cihaz olacağı kurgulanmıştır. Bu varsayılan cihaz şimdiye dek geliştirilememiştir. Oysa burada önerdiğimiz ağ geçidi, bu yaygın öngörüden çok farklı bir yaklaşım ile bunu başaracaktır. Tarif ettiğimiz bu çözüm, pile ihtiyaç duymayan, bedenimizde doğal olarak bulunan enerji kaynağımız ATP’yi kullanan yarı canlı, pasif, mili ölçekli bir cihazdır.
Burada tasarımlanmış iskelet kası dokusu tartışılsa da, AntennAlive kavramı iskelet kası hücreleriyle sınırlı değildir.
AntennAlive (Canlı Antenler) adını verdiğimiz bu konsept hücrelerin iletişim kurma şekli ile insanların bugüne kadar icat ettiği en gelişmiş iletişim sistemi olan elektromanyetik iletişim arasındaki nihai ara yüz olma potansiyeline sahiptir [4] [5].
İskelet Kası Dokusu ile Harekete Geçen Mikro Anahtar (BAP-M)
(In-progress)
Abstract
Employing living cells is emerging as a novel means to operate microdevices. We have previously demonstrated that engineered bacteria can be used to reconfigure antennas. The project proposed here aims to expand on this work by employing a novel cell type and mechanism to actuate a miniature switch.
The new biohybrid switch will be composed of (1) a 3D-printed microwell studded with two pillars and a beam, (2) a conductive coating covering the top surface of the beam and microwell, and (3) 3D muscle tissue grown from precursor cell-laden hydrogel. Muscle tissue will both sense the chemical within the medium and operate the switch via its contractile response. Stimulant (acetylcholine)-induced muscle contraction will deflect the compliant pillars and beam, and break the closed circuit formed by the conductive coating. Thus, the proposed biohybrid device will enable the control of a switch in response to a chemical owing to the biosensing and actuating capabilities of muscle tissue.
In future studies, we plan to improve the microswitch by integrating (1) genetically engineered muscle cells that respond to non-native agonists such as biomarkers for disease states or infection and (2) an antenna reconfigurable with the contractile response of muscle tissue. We envision these advances will ultimately lead to implantable biohybrid devices that monitor potential infections and inflammation in the human body and report to wearable devices.
DIAMOND - Development of Intelligent and Advanced Implants made of Nanostructured Ti-13Nb- 13Zr Alloy (IRASME)
(In-progress)
Abstract
The project aims to bring a smart implant into the market and it requires innovative steps taken by each partner in areas, such as implementing a new alloy to improve the mechanical and biological properties of orthopedic implants, development of nanostructured surfaces to stimulate bone cell adhesion and inhibit bacterial colonization, design of a sensor system to prevent mechanical overloading. It involves significant technical risks for each partner as indicated by IraSME call. The work packages are designed to boost the link between partners and initiate future collaborations.
Canlı Hücrelerle Manipüle Edilen Antenler (Tübitak Bideb 2247-A)
(In-progress)
Özetçe
Antenlerin ışıma örüntüsünün veya çalışma frekansının yeniden yapılandırılması, üzerinde bolca çalışılmış bir araştırma alanıdır. Fakat şimdiye kadar, canlı hücreler (bakteriyel veya memeli) kullanılarak yeniden yapılandırma önerilmemiştir. Burada, biyobozunur malzemelerle basılmış ve genetiği değiştirilmiş bakterilerin biyofilmiyle kontrol edilen bir pasif implant anten ve onu takip eden giyilebilir bir anten sistemi önerilmektedir. Bu sistem, nano ölçekte iletişim kuran yapılar ile insan ölçeğinde çalışan elektronik cihazlar arasında ağ geçidi olarak kullanılacaktır. Moleküler Nano İletişim Ağları (MNCN) ile Beden Alan Ağları (BAN) arasında bir köprü olacak olan bu ağ geçidinin nihai hedefi beden içinde gerçekleşen olayların gerçek zamanlı izlenmesini sağlamaktır.
AntennAlive, anten tasarımının genetiği değiştirilmiş hücrelerle buluştuğu yepyeni bir araştırma alanını başlatacak, çığır açan bir öneridir.
MNCN'ler, insan bedeni içinde mesaj taşımak için kullanılır. Bununla birlikte, bir mesajın BAN'a ulaşması için, moleküler bağlantı ile elektromanyetik bağlantı arasında bir dönüşüm gereklidir. Bu bağlantılar çeşitli araştırma grupları tarafından ayrı ayrı araştırılmıştır, ancak aralarındaki fiziksel arayüz halen kurgusal olup gerçeklenememiştir. Bu dönüşümün nano algılama kabiliyetine sahip, beden içine implante edilmiş aktif mikrodalga cihazlarla başarılacağı bu gruplar arasında popüler bir öngörüdür. AntennAlive bu öngörünün aksine, batarya gerektirmeyen, yarı canlı pasif bir cihaz önererek MNCN'leri in-vivo demonstrasyona bir adım daha yaklaştırmayı hedeflemektedir.
Burada genetiği değiştirilmiş bakteriler tartışılmış olsa da, önerilen konsept bakteriyel hücrelerle sınırlı değildir. Öneri, kasılmaların ve gevşemelerin anteni yeniden yapılandırdığı genetiği değiştirilmiş kas dokusu gibi diğer genetiği değiştirilmiş hücrelere genişletilebilir.
FRagRAnt: Frequency and Radiation Pattern Reconfigurable Antennas (BAP-SUP)
(Finalized)
Özetçe
Sağlık Nesnelerinin Interneti (IoHT) sağlık hizmetini alış şeklimizi değiştirmeye aday bir teknoloji olmakla beraber artık olgunlaşmaya başlamış bazı teknolojileri de içine alarak hızlı gelişimini sürdürmektedir. IoHT’yi oluşturan sağlık nesnelerinin büyük bir kısmını; sağlık hizmetlerini hastane dışına da yayarak hem hastaların daha kaliteli hizmet almasını sağlayacak hem de sağlık sağlayıcısının harcamalarını azaltacak olan, giyilebilir ve insan bedenine implant edilebilir medikal cihazlar oluşturmaktadır. Giyilebilir medikal cihazların kullanımı hızla artmaktadır ve artmaya devam edeceği öngörülmektedir . Yakın gelecekte insanların fiziksel bedenlerini bu nesnelerle bir bütün olarak göreceğimiz aşikârdır.
Giyilebilir cihazlarda anten tasarımı çok zorlu bir iştir ve birkaç problemi içinde barındırır. Yayılım kanallarının dinamik olması ve farklı sağlık nesnelerinin kurduğu bağlantıların anten isterlerinin farklı ve bazen çelişkili olması güvenilir bağlantılar kurulmasında birincil engeldir. Bu noktada ağ performansını iyileştirmek için ışıma örüntüsü şekillendirilebilmesi mantıklı bir çözüm olarak görülebilir .
Giyilebilir antenlerde karşımıza çıkan bir diğer problem ise elektromanyetik dalgaları sönümleyici özelliğe sahip insan bedeninin, giyilebilir antenlerin yakın alanında bulunması ve antenle etkileşmesidir. Üstelik bahsi geçen etkileşim farklı kişilerde veya bedenin farklı bölgelerinde değişmektedir. Bu durum antenin tınlaşım frekansı önceden öngörülemez şekilde kaymaktadır. Bu problemin çözümü ise ayarlanabilir frekanslı antenler olabilir.
Fakat giyilebilir cihazların boyutlarının küçük olması ve sınırlı enerji kaynağına sahip olmaları, bu amaçları gerçeklerken ihtiyaç duyulacak karışık donanım ve yoğun hesaplamanın önündeki besbelli engellerdir. Unutulmamalıdır ki bu engellere rağmen ışıma örüntüsü şekillendirme ve frekans ayarlama başarılırsa, sistem performansının yanı sıra girişim reddi de artırılabilir.
Bu projede; ışıma örüntüsünü şekillendirebilen ve operasyon frekansı ayarlanabilen antenlerin tasarımı hedeflenmektedir. Yapılacak olan anten tasarımları ideal test ortamında test edildikten sonra fiziksel fantom üzerinde test edilecektir.
