Elektronik Internal – Menjembatani Kesenjangan dengan Emas

Pasar untuk perangkat medis yang dapat ditanam terus tumbuh secara stabil, didorong oleh peningkatan gangguan kronis dan kesadaran konsumen yang meningkat. Kecepatan ini didukung oleh kemajuan teknologi, yang membantu membuat perangkat ini lebih efisien, nyaman, dan berbiaya rendah. 

Angka menunjukkan bahwa pasar untuk perangkat medis yang dapat ditanam di seluruh dunia akan hampir dua kali lipat dalam satu dekade, dari US$105,7 miliar pada 2023 menjadi US$207,0 miliar pada 2033. Hari ini, kami akan mulai dengan melihat salah satu inovasi paling menentukan dalam bidang ini belakangan ini, yang juga mencerminkan ruang yang berkembang pesat di mana fisiologi medis berpotongan dengan elektronik yang efisien. 

Nanowire Emas dan Elektroda Lunak Siap Dihubungkan ke Sistem Saraf 

Sebuah tim peneliti di Universitas Linköping telah menciptakan nanowire emas dan mengembangkan elektroda lunak yang dapat berfungsi setara dengan saraf manusia dalam kelenturan, konduksi listrik, dan daya tahan di dalam tubuh. 

Peneliti dan pakar melihat potensi besar dalam inovasi ini. Untuk memulai, ini membuka frontier di mana mungkin dapat menggunakan emas dalam antarmuka lunak untuk menghubungkan elektronik ke sistem saraf untuk tujuan medis. 

Jika diterapkan dengan benar, ini dapat mengurangi kondisi yang kompleks seperti epilepsi, Parkinson, dan kelumpuhan serta masalah yang umum seperti nyeri kronis. 

Selama cukup lama, peneliti di seluruh dunia tertarik untuk menciptakan elektroda lunak yang tidak merusak jaringan. Pencapaian khusus ini oleh peneliti Universitas Linköping membantu mencapainya dengan menciptakan nanowire emas yang seribu kali lebih tipis daripada rambut dan tertanam dalam bahan elastis yang dapat berfungsi sebagai mikroelektroda lunak. 

“Kami telah berhasil membuat nanomaterial baru yang lebih baik dari nanowire emas yang dikombinasikan dengan karet silikon yang sangat lunak. Menggabungkan keduanya menghasilkan konduktor dengan konduktivitas listrik tinggi, sangat lunak, dan terbuat dari bahan biokompatibel yang berfungsi dengan tubuh.”

Membuat Nanowire Emas: Tantangan yang Dihadapi dan Diatasi

Salah satu kesulitan utama yang dihadapi peneliti adalah produksi struktur nano emas yang panjang dan sempit. Peneliti menemukan cara unik untuk mengatasi tantangan ini, yaitu dengan menggunakan nanowire perak. Menjelaskan bagaimana prestasi unik ini dapat dicapai, Klas Tybrant mengatakan hal berikut:

“Karena memungkinkan untuk membuat nanowire perak, kami memanfaatkan ini dan menggunakan nanowire perak sebagai semacam cetakan tempat kami menumbuhkan emas. Langkah selanjutnya dalam proses adalah menghilangkan perak. Setelah itu selesai, kami memiliki bahan yang mengandung lebih dari 99 persen emas.”

Awalnya, peneliti tidak dapat menggunakan perak karena bersifat reaktif secara kimia, cepat aus, dan berisiko terdegradasi serta berubah warna. Selain itu, konsentrasi tinggi perak dapat beracun bagi tubuh manusia. Oleh karena itu, mereka harus melapisinya dengan emas.

Mengenai bahan yang mereka ciptakan dan daya tahannya, peneliti percaya solusi mereka dapat bertahan setidaknya tiga tahun, melampaui banyak nanomaterial yang dikembangkan sebelumnya.

Segera, tim riset akan mulai mengerjakan penyempurnaan bahan dan menciptakan berbagai jenis elektroda yang lebih kecil dan dapat berhubungan lebih dekat dengan sel saraf.

Dunia Beragam Implantabel

Meskipun kegunaan penelitian ini sudah disebutkan, ada banyak implantabel lain yang tersedia di ruang med-tech. Mereka membantu membuat diagnosis dan perawatan lebih konsisten, terjangkau, dan efisien. 

Sebagai contoh, ilmuwan di Georgia Tech University telah mengembangkan sensor dapat ditanam dan dapat dipakai yang memantau penyembuhan aneurisma di dalam pembuluh darah otak. Karena beroperasi tanpa baterai, sensor ini dapat dibungkus di sekitar stent atau diverter yang ditanam untuk mengatur aliran darah.

Sensor ini dibuat menggunakan pencetakan 3D aerosol jet, yang menempatkan jejak perak konduktif pada substrat elastomerik. Dimasukkan melalui kateter, sensor ini menggunakan kopling induktif sinyal untuk deteksi nirkabel hemodinamika aneurisma otak biomimetik.

Proses ini melibatkan tiga kumparan. Satu kumparan menangkap energi elektromagnetik yang dipancarkan dari kumparan lain di luar tubuh. Saat darah mengalir melalui stent, sensor yang ditanam mengubah kapasitansinya, mengubah sinyal yang dikirim ke kumparan eksternal ketiga.

Dalam contoh lain dari pekerjaan serupa, sekelompok insinyur di Texas A&M University telah mengembangkan perangkat yang menggunakan graphene dan menyuntikkan arus AC ke kulit untuk memantau tekanan darah. 

Dikenal sebagai Graphene Electronic Tattoos, sensor graphene yang dapat ditempel ini dapat melacak kesehatan kardiovaskular melalui pemantauan terus-menerus. Mereka dapat terus bekerja dan mengumpulkan data relevan bahkan ketika pasien sedang tidur, berolahraga, atau mengalami situasi stres tinggi. 

Penelitian juga sedang dilakukan untuk menentukan bagaimana perangkat dapat ditanam ini dapat memanfaatkan dan menggunakan energi. Misalnya, tim peneliti Massachusetts Institute of Technology telah mengembangkan baterai yang mengambil daya dari glukosa. Baterai baru ini hanya setebal 400 nanometer, atau sekitar 1/100 diameter rambut manusia. Baterai ini menghasilkan sekitar 43 microwatt per sentimeter persegi listrik dan dapat bertahan pada suhu hingga 600 °C. 

Para peneliti menggunakan substrat keramik ultra-tipis dan larutan glukosa untuk memberi baterai fleksibilitas dan memudahkan penempatannya di dalam tubuh. 

Sementara peneliti berusaha menghasilkan sebanyak mungkin solusi teknologi baru dan unik, beberapa perusahaan telah bekerja untuk membuat perangkat dapat ditanam yang efisien tersedia untuk adopsi massal. Dalam segmen berikutnya, kami akan meninjau beberapa solusi komersial tersebut.

#1. CorTec

Salah satu perusahaan yang secara konsisten menghasilkan solusi terobosan adalah CorTec. Sebagai perusahaan ISO 13485, CorTec mengembangkan dan memproduksi produk serta komponen untuk neuromodulasi dan teknologi implan aktif di laboratorium internal dan infrastruktur ruang bersihnya. 

Rangkaian elektroda AirRay yang dipatenkan oleh CorTec terbukti berguna untuk stimulasi dan perekaman jaringan saraf, berfungsi sebagai antarmuka ideal ke sistem saraf untuk perangkat medis. 

Sebagai contoh, elektroda cuff AirRay menyediakan antarmuka listrik ke sistem saraf perifer, sedangkan elektroda grid dan strip dirancang untuk berinteraksi dengan sistem saraf pusat. Elektroda perkutan AirRay ditujukan untuk penggunaan subkutan, serta untuk merekam dan merangsang sumsum tulang belakang. Terakhir, elektroda paddle AirRay menawarkan antarmuka listrik ke sistem saraf pusat, khususnya menargetkan sumsum tulang belakang.

Selain rangkaian ini, salah satu solusi yang dipatenkan oleh CorTec juga mencakup Elektroda Kortikalnya. Ini adalah CorTec’s ECoG electrodes for invasive neuromonitoring. Melalui elektroda ini, memungkinkan melakukan pemantauan sinyal listrik otak, yang sesuai dengan kebutuhan lokalisasi fokus epileptogenik atau pemetaan otak. Elektroda dapat digunakan maksimal 29 hari, dan memungkinkan menghubungkan total 64 elektroda hanya dengan dua kabel. Kontak elektroda hampir tidak terasa dan terkunci aman dengan material untuk mencegah pemisahan dari silikon.

Salah satu aspek paling penting dari elektroda kortikal CorTec adalah bahwa FDA menyatakan cocok untuk persetujuan dan izin pasar untuk neuromonitoring invasif di sistem saraf pusat. Portofolio produk mencakup semua susunan kontak yang mungkin dari 1×4 hingga 8×8 kontak elektroda.

Selain pendanaan publik yang signifikan, CorTec, sebagaimana pernyataan resmi mereka, telah mengumpulkan empat putaran pembiayaan. Daftar investor saat ini mencakup Mangold Invest, M-Invest, Kfw, High-Tech Gründerfonds, Santo Venture Capital GmbH, LBBW Venture Capital, dan K & S W Invest. 

Pendanaan publik mencakup subsidi dari Kementerian Federal Pendidikan dan Penelitian Jerman (Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF) serta Uni Eropa.

#2. Atrotech

Perusahaan lain yang telah melakukan pekerjaan yang agak khusus namun mengubah permainan di bidang ini selama beberapa dekade adalah Atrotech. Didirikan pada 1984 dan berlokasi di Technopolis Hermia, Tampere, Finlandia, Atrotech muncul sebagai hasil dari ide produk interdisipliner yang menggabungkan ilmu kedokteran dan bioengineering, dengan fokus utama kegiatan di bidang stimulasi listrik fungsional (FES). 

Dua kontribusi utama Atrotech di bidang ini meliputi perancangan dan manufaktur neurostimulator dapat ditanam dan elektroda dapat ditanam. 

Dalam merancang elektroda, perusahaan memanfaatkan lebih dari 30 tahun keahlian dalam memproduksi elektroda kontak platinum berkualitas tinggi, kawat penghubung, dan konektor multipole. Area layanan yang dilayaninya mencakup proyek penelitian, uji klinis, dan perangkat medis yang didistribusikan secara komersial. 

Perusahaan memiliki proses produksi yang fleksibel, memungkinkan mereka memproduksi jumlah kecil maupun volume skala besar secara cepat dan biaya-efisien. Selain itu, perusahaan berhubungan dengan banyak dokter dan universitas pada tahap awal pengembangan dan prototipe perangkat medis baru yang potensial.

Salah satu studi yang baru-baru ini didanai perusahaan ditujukan untuk menilai kelayakan dan keamanan pendekatan neurostimulasi sementara yang dapat dilepas, ditanam secara bedah, melibatkan bagian distal saraf frenik. Untuk studi tersebut, perusahaan mengembangkan elektroda stimulator saraf frenik sementara (tPNS) yang dirancang khusus. 

Kolaborasi semacam ini antara perusahaan spesialis dan berfokus pada industri serta sekelompok peneliti dan dokter di seluruh dunia membuat masa depan elektronik internal tampak cerah dan siap berkembang. 

Trajektori Masa Depan Elektronik Internal

Menurut penelitian terbaru yang dipublikasikan pada Juli 2024 dalam jurnal ‘Nature’, peneliti telah mengembangkan elektroda dapat ditanam berbasis paduan Mg-Nd-Zn-Zr yang dapat larut secara bio yang akan bekerja dengan baik dalam aplikasi pengelasan jaringan radiofrekuensi (RF) generasi berikutnya.

Elektroda diperkirakan dapat mengurangi kerusakan termal dan meningkatkan kekuatan anastomosis. Dirancang dengan fitur struktural berbeda berupa permukaan silindris (CS) dan cincin panjang kontinu (LR) di area pengelasan, simulasi elektrotermal elektroda dipelajari menggunakan analisis elemen hingga (FEA).

Hasil menunjukkan bahwa suhu rata-rata di area pengelasan dan proporsi jaringan nekrotik berkurang secara signifikan ketika menerapkan arus bolak-balik 110 V selama 10 detik pada elektroda LR. Suhu maksimum dan rata-rata jaringan yang dilas dengan elektroda LR juga dapat berkurang secara signifikan sementara kekuatan anastomosis jaringan yang dilas meningkat.

Imec, sebuah laboratorium yang didirikan pada 1984 untuk membantu dan memungkinkan industri semikonduktor berkembang secara fungsional, juga telah membuat terobosan pionir dalam implantabel skala nano. Mereka membantu mengembangkan implan minimal invasif yang cocok untuk prostetik haptik generasi berikutnya. Chip implantabel prototipe yang dikembangkan Imec bersama Universitas Florida memberikan pasien kontrol yang lebih intuitif atas prostetik lengan mereka. Salah satu komponen utama, chip silikon tipis, adalah yang pertama di dunia untuk kepadatan elektroda dan dikembangkan sebagai bagian dari proyek IMPRESS yang didanai oleh program HAPTIX DARPA untuk menciptakan sistem loop tertutup bagi teknologi prostetik haptik generasi masa depan.

Salah satu publikasi ilmiah tentang pentingnya bioelektronik implantabel berbasis karbon membuat pengamatan penting tentang kegunaan elektronik internal. Untuk mengutip secara tepat, publikasi tersebut mengamati:

“Karena bioelektronik dapat ditanam dapat mendeteksi informasi tubuh atau memicu reaksi tubuh pada makhluk hidup dari lokasi di luar tubuh, mereka menjadi solusi yang membantu dan menjanjikan untuk berbagai penyakit.”

Di masa depan, material karbon akan memainkan peran penting dalam pembuatan elektronik medis yang dapat ditanam. Keuntungan ini mencakup biokompatibilitas tingkat tinggi, ketahanan kelelahan, dan densitas spesifik yang rendah. Material ini digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk perangkat pengiriman obat, biosensor, stimulator terapeutik, dan penyimpanan energi. Semua sifat ini berperan dalam bidang neurologis, kardiovaskular, gastrointestinal, dan sistem locomotor.

Aktuator dapat ditanam, biosensor, sistem pengiriman obat, dan catu daya—semua mendapat manfaat dari kemajuan di bidang elektronik internal atau dapat ditanam. Kemajuan lebih lanjut di area ini akan memerlukan pendekatan yang lebih interdisipliner melibatkan peneliti biosains, ilmuwan material, dan fisikawan di seluruh dunia.

Klik di sini untuk daftar saham biotek teratas.