Caltech Luncurkan Sensor Biomedis yang Bisa Diregang dan Menempel di Organ

Sensor biosensor wearable dan implantable memiliki potensi untuk merevolusi perawatan kesehatan dengan mendiagnosis, memantau, dan bahkan mengobati berbagai kondisi kesehatan. Inovasi terbaru dari laboratorium Wei Gao di Caltech mendorong bidang ini maju melalui penciptaan bioelektronik yang lembut, dapat diregang, dan terintegrasi dengan jaringan untuk sensing terus-menerus dan terapi adaptif.

Menurut Caltech News, dua studi baru yang dipublikasikan di jurnal Science dan Nature Materials menyoroti kemajuan komplementer dalam material dan teknologi sambil mengatasi tantangan dan aplikasi yang berbeda. Karya ini menandai langkah signifikan dalam perjalanan menuju bioelektronik yang benar-benar seamless dengan tubuh manusia.

SIRES: Sensor yang Bisa Diregang

Untuk memungkinkan sensing medis yang dapat bergerak fleksibel bersama tubuh dan bahkan organ internal seperti jantung yang berdetak, ilmuwan di lab Gao telah mengembangkan material bioelektronik yang menjaga konduktivitas dan koneksi kuat dengan kulit atau jaringan saat mereka berubah bentuk. Material super-stretchy yang biocompatible ini disebut SIRES (Stretchable Interface for Resilient Electrochemical Sensing).

SIRES dapat meregang hingga 300 persen tanpa kehilangan kemampuannya untuk mengirimkan sinyal elektrik berkualitas tinggi. Ini memenuhi kebutuhan kunci untuk generasi berikutnya sensor wearable dan implantable. Ketika para peneliti menempelkan sensor kimia ke organ internal, mereka mencoba mengukur biomolekul yang menandakan status kesehatan. Namun karena material yang digunakan untuk membuat sensor ini, seringkali ketika organ bergerak, sensor tersebut gagal atau menjadi tidak andal.

Untuk mengatasi ini, tim Gao mengembangkan material tiga bagian yang menggunakan poliuretan, sebuah elastomer yang juga biocompatible. Pertama, mereka menggunakan logam cair sebagai konduktor alih-alih kawat konduksi standar. Logam cair dapat meregang namun mempertahankan resistensi listrik yang sama. Kedua, mereka membuat elektroda fleksibel yang stabil untuk sensing dengan menanamkan karbon nanotubes di poliuretan. Ketiga, komponen SIRES adalah lapisan fungsional yang dapat diregang yang memungkinkan para peneliti untuk menanamkan enzim yang diperlukan untuk sensing kimia.

Tim telah menguji SIRES dengan sensor keringat mereka, menunjukkan bahwa bahkan dengan olahraga yang berat, sensor mempertahankan performa stabil. Mereka juga berhasil menguji material ini dalam sensor implantable pada model hewan pada organ seperti kandung kemih, jantung, perut, dan usus yang semuanya berubah bentuk secara signifikan selama fungsi normal.

ElHyX: Platform yang Menempel

Tantangan lain dalam membuat sensor implantable yang andal adalah mereka harus tetap menempel pada permukaan licin, idealnya untuk periode waktu yang lama. Dalam sebuah paper Nature Materials yang dipublikasikan pada 10 Juni, Gao dan anggota labnya melaporkan perangkat baru yang tidak hanya menempel pada organ dan struktur internal lainnya tetapi juga dapat memberikan intervensi terapeutik sesuai kebutuhan.

Platform yang disebut ElHyX (Elastic Hydrogel X) menggunakan strategi komposit logam cair dan elastomer yang dapat diregang untuk membuat sensor biofisik dan biokimia yang mempertahankan performa elektrokimia stabil di bawah deformasi besar. Tetapi agar platform dapat bekerja di dalam tubuh, mereka harus mengembangkan perekat baru untuk membuatnya menempel pada jaringan basah.

Tim menciptakan hidrogel molekuler, yang merupakan struktur berbentuk jaring 3D yang terbuat dari bahan kaya air untuk menjaga perekat tetap lembut dan fleksibel. Mereka menggabungkan elastomer seperti karet untuk memastikan bahwa zat tersebut dapat meregang bersama dengan biosensor. Ketika hidrogel bertemu dengan jaringan basah, reaksi kimia yang disebut polimerisasi terjadi yang mengikat jaringan dan perangkat bersama-sama.

Adhesi ini sangat kuat dan dapat mempertahankan stabilitas selama berbulan-bulan. Dengan memasangkan perekat kuat dengan sensor kimia yang dapat diregang dan elektroda untuk sensing fisik dan stimulasi listrik, para peneliti dapat membangun platform closed-loop yang dapat memantau dan mengobati penyakit. Misalnya, perangkat ini dapat digunakan untuk monitoring elektrokardiogram in vivo, sensing glukosa, dan stimulasi saraf.

Aplikasi untuk Manajemen Diabetes

Salah satu aplikasi paling menjanjikan dari platform ElHyX adalah manajemen diabetes. Dalam model hewan, tim menggunakan sensor kimia untuk memantau tingkat glukosa dan menstimulasi saraf yang mengatur pelepasan insulin ketika glukosa terlalu tinggi untuk menjaganya dalam rentang sehat. Sensing fisik jantung juga dapat melacak hipertensi terkait diabetes. Sistem closed-loop multifungsi semacam ini belum pernah didemonstrasikan sebelumnya.

Artinya, perangkat ini tidak hanya berfungsi sebagai sensor pasif tetapi juga sebagai aktuator terapeutik. Ini adalah pergeseran dari monitoring reaktif ke perawatan proaktif dan adaptif. Bagi pasien dengan diabetes tipe 1 atau tipe 2 yang kompleks, platform semacam ini bisa mengurangi beban manajemen glukosa harian secara dramatis.

Produksi dan Skalabilitas

Komponen platform ElHyX dapat dibuat menggunakan teknologi 3D-printing, yang berarti perangkat dapat dibuat dengan cepat dan biaya rendah. Ini adalah keunggulan signifikan dibandingkan dengan metode fabrikasi tradisional yang mahal dan memakan waktu. Produksi berbiaya rendah membuka jalan untuk aksesibilitas yang lebih luas, terutama di negara berkembang di mana sumber daya medis seringkali terbatas.

Langkah selanjutnya bagi para peneliti adalah bekerja menuju peningkatan stabilitas dan keandalan jangka panjang sebelum menguji perangkat pada manusia. Berbeda dengan sensor wearable, implantasi platform ini memerlukan operasi. Oleh karena itu, salah satu tantangan paling penting adalah memastikan perangkat dapat bertahan berbulan-bulan dan bahkan bertahun-tahun.

Tim percaya ElHyX dapat digunakan untuk memantau dan mengobati berbagai kondisi kesehatan, termasuk nyeri, stres, dan kecemasan. Di masa depan, mereka berharap platform seperti ini dapat mendukung monitoring dan perawatan yang lebih personal untuk penyakit kronis.

Dampak bagi Teknologi Medis Indonesia

Bagi Indonesia, di mana prevalensi diabetes dan penyakit kardiovaskular terus meningkat, teknologi seperti ElHyX menawarkan harapan baru. Meskipun masih dalam tahap penelitian, arah pengembangan ini selaras dengan kebutuhan akan solusi perawatan kesehatan yang terjangkau dan scalable. Institut Teknologi di Indonesia dapat mengeksplorasi kolaborasi dengan lab semacam Gao Lab untuk adaptasi teknologi ini.

Sensor wearable yang lebih baik juga relevan untuk program kesehatan digital pemerintah Indonesia. Dengan infrastruktur telemedicine yang sedang berkembang pesat, sensor yang andal dan dapat diandalkan menjadi fondasi untuk perawatan jarak jauh yang efektif. Generasi sensor berikutnya yang mampu menangkap data dengan akurasi tinggi di bawah kondisi real-world akan sangat berharga bagi ekosistem kesehatan digital nasional.

/