Silisyum bazlı bu icat çok küçük, yumuşak ve kablosuz çalışabiliyor – Science Daily
1966 yapımı uçuk bilim kurgu filmi Fantastic Voyage’da (Esrarengiz Yolculuk), bilim insanları bir denizaltını kendileriyle birlikte küçültüp bir meslektaşlarının vücudunda gezerek ölümcül olduğunu düşündükleri bir pıhtılaşmayı kırmaya çalışırlar. Mikro-insanlar bir yana metal denizaltının vücutta oluşturacağı iltihaplanmayı bir düşünün.
Enjekte edilen ya da vücuda yerleştirilen tıbbi cihazlar, tercihen hem küçük ve elektrikle çalışabilir olmalı hem de birlikte çalıştıkları dokular gibi yumuşak olmalı. Chicago Üniversitesi laboratuvarlarından bilim insanları, bu özelliklere sahip bir materyal oluşturmak için çalışmalara başladılar.
Buldukları materyal (27 Haziran 2016’da Nature Materials’da online olarak yayımlandı.) eninde sonunda sinir hücrelerini uyarabilecek, kas ve organların davranışlarını kontrol edebilecek, ışıkla çalıştırılabilen, enjekte edilebilir bir cihazın temellerini oluşturuyor.
“İmplant için kullanılan geleneksel materyallerin çoğu çok sert ve hantal. Özellikle de elektrikle uyarma yapmak istiyorsanız.” diyor kimya alanında yardımcı doçent Bozhi Tian. Tian ve nörolog Francisco Bezanilla’nın laboratuvarları araştırmada birlikte çalışmıştı.
Yeni materyalse yumuşak ve küçük – tuzlu suda kolayca yayılabilen ve böylece enjekte edilebilen çapı sadece birkaç mikrometre (insan saçının çapından çok daha az) olan parçacıklar. Ve birkaç ay sonra vücutta doğal olarak çözünebiliyorlar, yani çıkarmak için ameliyata gerek yok.
Nanoölçekli “sünger”
Her parçacık, birlikte nano ölçekte gözenekli bir yapı oluşturan iki tip silisyumdan yapılıyor. Küçük bir sünger gibi. Ve sünger gibi de yumuşaklar – transistör ve güneş pillerinde kullanılan tipik bir kristalli silisyumdan 100 ila 1000 kat daha yumuşak. Tian’ın lisansüstü öğrencisi Yuanwen Jiang “Vücudumuzdaki kolajen liflerin sertliğiyle kıyaslanır derecede.” diyor. “Yani gerçek dokularla uyumlu sertlikte bir materyal oluşturuyoruz.”
Materyal, silisyum parçacıkların biri hücre kültürüne veya insan vücuduna enjekte edilince kendiliğinden oluşan elektrikli bir cihazın yarısı. Parçacık bir hücreye bağlanarak hücre zarıyla bir arayüz oluşturuyor. Bu iki unsur – hücre zarı ve parçacık – birlikte, silisyum parçacığın üzerine ışık geldiğinde akım oluşturan bir ünite yapıyor.
“Bütün cihazı enjekte etmenize gerek yok, bir elemanı enjekte etseniz yeter.” diyor Bezanilla’nın doktora sonrası çalışmalarda bulunan öğrencisi João L. Carvalho-de-Souza. “Parçacıkla hücre zarı arasındaki bağ hücreyi uyarıp aktivitesini değiştirmeye yetecek kadar akım üretilmesine olanak sağlıyor. İyileştirici amacınıza ulaştıktan sonra, materyal kendiliğinden çözünüyor. Tekrar tedavi etmek isterseniz de yeni bir enjeksiyon yapıyorsunuz.”
Bilim insanları, parçacıkları nano-döküm dedikleri bir yöntemle geliştiriyor. Yaklaşık 7 nanometre çaplı çok küçük kanallardan – “nano-kablolar” – ve onları birleştiren daha da küçük “mikro-köprü”lerden oluşan silisyum dioksit bir kalıp üretiyorlar. Kalıbın içine gözenekleri ve kanalları dolduran ve silisyumda çözünen silan gazı enjekte ediyorlar.
İşlerin iyice cinleştiği yerdeyiz. Bir cisim ne kadar küçükse, yüzeyinde tepkilerini yöneten o kadar çok atom bulunuyor. Nano-köprüler çok küçük, dolayısıyla atomlarının çoğu yüzeyde. Bu atomlar silisyum dioksit kalıpta bulunan oksijenle etkileşiyor ve eldeki materyaller aracılığıyla oksitlenmiş silisyumdan yapılan nano-köprüler yaratıyor. Bu büyük nano köprüler büyük ancak oransal olarak daha az yüzey atomlarına sahip. Ayrıca daha fazla etkileşime açıklar ve saf silikon özelliğini koruyabiliyor.
“Nano bilimin güzelliği de burada.” diyor Jiang. “Sadece bir şeylerin boyuyla oynayarak kimyasal bileşimler geliştirebiliyorsunuz.”
Ağımsı nanoyapı
Sonunda kalıp çözünüyor. Geriye de silisyum nano-kabloların ağımsı yapısı kalıyor. Kablolar oksitlenmiş silisyumdan oluşan mikro-köprülerle birbirine bağlanmış. Köprüler de suyu emerek yapının yumuşaklığının artırılmasında rol oynamışlar. Saf silisyumsa ışığı içine çekme özelliğini koruyor.
Bilim insanları parçacıkları laboratuvarda kültürdeki nöronlara eklediler, parçacıkların üstüne ışık tuttular ve hücreleri etkinleştiren akımın nöronların içine gittiğini gördüler. Sıradaki adım, hayvanlarda ne olduğunu gözlemlemek. Bilim insanları, özellikle organlarla ilgilenen çevresel sinir sistemindeki sinirleri uyarmaya çok istekliler. Bu sinirler vücudun yüzeyine nispeten daha yakınlar. Yani kızıl ötesine yakın dalga boyuyla deri üzerinden ulaşılabilir.
Tian ışıkla çalıştırılan cihazları, insan dokusu geliştirmek ve yapay organlar yaratmak için kullanmanın hayalini kuruyor. Bilim insanları şu an doğru biçimde organ geliştirebiliyorlar, fakat organlar ideal bir şekilde çalışmıyor.
Laboratuvarda oluşturulan bir organın düzgün bir şekilde çalışması için geliştirilen dokudaki her hücrenin kontrol edilebiliyor olması lazım. Enjekte edilebilir cihaz, hücreyi iyi odaklanmış bir ışıkla ayarlayarak bunu yapmamızı sağlayacak. Genetik mühendisliği olmadan böylesine bir sentetik biyoloji yapılabilme ihtimali oldukça cazip.
“Kimse genlerinin değiştirilmesini istemez.” diyor Tian. “Riskli olabilir. Hücresel davranışları değiştirmenin genetik olmayan bir yolunu bulmalıyız. Bu o tarz bir sistem olabilir.”
Tian’ın lisansüstü öğrencisi Yuanwen Jiang projenin malzeme geliştirmesini ve nitelendirmesini yaptı. Ortak çalışmanın biyolojik kısmı Francisco Bezanilla’nın laboratuvarında João L. Carvalho-de-Souza tarafından yapıldı. Tian’ın dediğine göre, bu iki isim çalışmanın kahramanları.
