Teknologi Ultrasound Baru Memungkinkan Implan Medis Digerakkan Secara Nirkabel

Tantangan Menyediakan Daya untuk Implan Medis Canggih

Meningkatkan tubuh manusia, atau mengganti bagian yang rusak, telah menjadi tujuan kedokteran sejak prostesis kasar pertama pada zaman kuno. Secara bertahap, seiring komponen mekanik menjadi lebih kompleks, gagasan mengganti bagian tubuh menjadi semakin populer di kalangan penggemar fiksi ilmiah, yang melahirkan konsep cyborg, orang yang setengah manusia, setengah mesin.

Sebagian, kita dapat berargumen bahwa hal ini sudah terjadi, dengan operasi seperti implan pacemaker atau operasi pinggul yang dilakukan secara rutin dan menambah solusi pada masalah otot jantung atau artikulasi pasien, memperbaikinya dengan implan logam.

Seiring implan saraf dan implan medis canggih lainnya menjadi realitas yang mungkin dalam dekade mendatang, kita memang semakin dekat daripada sebelumnya untuk menciptakan tubuh sibernetik yang sesungguhnya.

Namun masih ada masalah berulang untuk kebanyakan implan medis: pasokan daya. Pacemaker menggunakan baterai yang sangat kecil karena hanya membutuhkan tingkat daya yang sangat terbatas. Tetapi implan seperti chip saraf kemungkinan memerlukan energi yang jauh lebih banyak.

Metode pengisian nirkabel tradisional, seperti induksi elektromagnetik dan sistem berbasis frekuensi radio yang umum digunakan pada smartphone dan earbud, menghadapi beberapa tantangan.

Metode tersebut dapat rentan terhadap masalah seperti jarak transmisi yang pendek, efisiensi energi yang rendah dalam jaringan biologis, dan kerentanan terhadap interferensi elektromagnetik.

Metode lain mungkin menjadi memungkinkan, menurut pekerjaan peneliti di Korea University, Korea Institute of Science and Technology (KIST), Sungkyunkwan University (SKKU – Korea Selatan), Yonsei University (Korea Selatan), dan University of California.

Mereka mengembangkan cara untuk mengisi ulang perangkat medis secara nirkabel menggunakan ultrasonik. Mereka mempublikasikan temuan mereka di Advanced Materials¹, dengan judul “Penerima Ultrasound Konformal Tubuh untuk Transfer Daya Nirkabel yang Efisien dan Stabil dalam Pengisian Percutaneous Dalam”.

Mengapa Energi Nirkabel Sulit Menembus Jaringan Manusia

Perangkat medis implan elektronik (IMD) digunakan dalam aplikasi terapeutik untuk penyakit atau cedera, seperti terapi neurostimulasi dan penyembuhan/pemantauan kardiovaskular.

Mereka memerlukan operasi rutin untuk penggantian baterai, yang dapat menyebabkan komplikasi pada pasien seperti infeksi pada lokasi operasi, pembentukan biofilm, dan biaya perawatan kesehatan yang tinggi.

Beberapa metode mencoba memanfaatkan energi lingkungan tubuh, seperti energi gula darah, untuk memberi daya pada perangkat ini.

Untuk beberapa aplikasi, kebutuhan daya membuat opsi tersebut tidak realistis. Untuk aplikasi masa depan seperti implan saraf, hal ini bahkan lebih tidak mungkin berhasil, yang akan membuatnya sangat invasif.

Transfer energi jarak jauh dengan sistem elektromagnetik atau gelombang radio menembus jaringan biologis dengan buruk dan dapat menyebabkan efek samping yang tidak diinginkan.

Transfer energi nirkabel fotovoltaik juga tidak cocok karena masalah penetrasi cahaya yang rendah di dalam jaringan dan kerusakan termal pada jaringan.

Sebaliknya, ultrasonik diterima dengan baik oleh jaringan biologis dan dapat menembus secara mendalam tanpa menyebabkan kerusakan, itulah mengapa mereka secara rutin digunakan untuk tujuan diagnostik, termasuk pada wanita hamil.

Bagaimana Ultrasound Memungkinkan Pengisian Implan Nirkabel

Berkat sejarah panjang penggunaannya dalam diagnostik, ultrasound sudah mendapat manfaat dari banyak studi medis dan standar yang menentukan tingkat energi aman ultrasound yang dapat digunakan (FDA menetapkan batas maksimum 0,72 W per sentimeter persegi).

Ada dua jenis perangkat yang dapat mengubah ultrasound menjadi listrik: piezoelektrik (US-PENGs) dan nanogenerator triboelektrik (US-TENGs).

US-PENGs telah dikembangkan untuk memberi daya pada implan elektronik, tetapi biasanya bergantung pada keramik piezoelektrik berbasis timbal, yang sering kaku dan dapat menimbulkan kekhawatiran toksisitas.

Itulah mengapa para peneliti lebih memfokuskan pada teknologi US-TENG.

Perangkat berlapis biokompatibel ini, dengan ketebalan 0,4 mm, mencapai kepadatan muatan tinggi yang cocok untuk memberi daya pada perangkat elektronik hingga sekitar 6 cm dalam pada intensitas ultrasound non-invasif.

Cara Kerjanya

Film polimer tipis digunakan untuk membuat US-TENG yang sepenuhnya fleksibel, dengan lapisan bahan plastik yang ditumpuk satu sama lain, termasuk akrilik atau poli-(metil metakrilat) (PMMA).

Sumber: Advanced Materials

Perfluoroalkoxy alkanes (PFA) digunakan karena sifat triboelektriknya di bawah energi mekanik. Lapisan elektroda berskala nano diterapkan untuk mempertahankan sifat unik film PFA.

Lapisan kuat poliuretan (PU) dan poli(viniliden fluorida-trifluoroetilena), serta kalsium tembaga titanat (P(VDF-TrFE)pol/CCTO) juga digunakan untuk memaksimalkan produksi muatan listrik.

Sumber: Advanced Materials

Menguji Implan Bertenaga Ultrasound dalam Kondisi Nyata

Seluruh perangkat kemudian dibungkus dalam larutan polidimetilsiloksana (PDMS) untuk kedap air.

US-TENG fleksibel ini diuji kinerjanya dalam air, polimer/hidrogel, dan jaringan babi.

Aplikasi praktis pertama adalah menempatkan perangkat ini dalam pacemaker sehingga tidak lagi diperlukan operasi tambahan untuk mengganti baterai perangkat.

Sumber: Advanced Materials

Secara paralel, biokompatibilitas komposit P(VDF-TrFE)/CCTO dalam hal sitotoksisitas dan genotoksisitas telah dikonfirmasi, membuktikan bahwa ia seaman dalam praktik seperti yang diklaim oleh studi sebelumnya.

Generasi energi diukur secara tepat menggunakan vibrometer laser, memeriksa getaran perangkat. Hal ini mengonfirmasi peningkatan gain sebesar 44% pada US-TENG dibandingkan versi sebelumnya dari teknologi kategori serupa.

Sumber: Advanced Materials

Akhirnya, mereka menguji efisiensi sistem tergantung pada intensitas ultrasound, jarak, dan sudut sumber ultrasound, menentukan apakah dapat digunakan dalam kondisi realistis untuk perangkat medis di dalam tubuh manusia.

Ditemukan bahwa intensitas ultrasound yang relatif rendah, jarak hingga 4-8 sentimeter (1,5-3 inci), dan rentang sudut yang relatif luas dapat berfungsi.

Sumber: Advanced Materials

Menjamin Fleksibilitas dan Daya Tahan Implan Medis

Tantangan lain dari perangkat medis implan adalah bahwa mereka idealnya harus sangat fleksibel, karena tubuh manusia bukan kerangka robotik dan organ bergerak, terutama otot jantung.

Itulah mengapa para peneliti tidak hanya menggunakan bahan fleksibel tetapi juga mengukur apakah mereka tetap cukup efisien saat dibengkokkan.

Sumber: Advanced Materials

Mereka menemukan bahwa perangkat kehilangan sedikit generasi energi saat dibengkokkan ke satu arah, tetapi malah menghasilkan lebih banyak saat dibengkokkan ke arah lain. Peningkatan generasi energi disebabkan oleh penjebakan gelombang ultrasound yang lebih baik dalam perangkat berbentuk mangkuk dan peningkatan tumbukan gelombang pada permukaan perangkat.

Ini tetap menunjukkan bahwa perangkat dapat dibengkokkan tanpa merusak atau kehilangan sifat menghasilkan energi.

Melalui penelitian ini, kami telah menunjukkan bahwa teknologi transmisi daya nirkabel menggunakan ultrasound dapat diterapkan secara praktis.

Kami berencana melakukan penelitian lebih lanjut untuk miniaturisasi dan komersialisasi guna mempercepat penerapan praktis teknologi ini.

Peneliti di KIST

Pemikiran Akhir: Langkah Selanjutnya untuk Teknologi Implan Ultrasound

Perangkat medis yang dapat diisi ulang secara nirkabel akan menjadi peningkatan luar biasa bagi jutaan pasien di seluruh dunia.

Hal ini juga akan menghilangkan batasan pada ide implan yang lebih ambisius yang selama ini terbatas oleh kurangnya pasokan energi realistis yang cukup untuk melakukan tugasnya. Ini dapat mencakup implan yang memberikan obat langsung ke aliran darah, memantau bahan kimia tertentu, implan saraf, dll.

Teknologi implan ini dapat diterapkan dengan cepat, dengan ketebalan hanya 0,4 mm, fleksibilitas tinggi, biokompatibilitas baik, dan kemudahan manufaktur tanpa bahan eksotis yang langka.

Teknologi ini bahkan dapat menemukan aplikasi di luar perangkat medis, karena dapat dengan mudah digunakan untuk mengisi ulang drone bawah air tanpa memerlukan kontak, menghilangkan kebutuhan akan charger listrik tahan air.

Berinvestasi di HealthTech 

Philips adalah merek elektronik konsumen kecil yang terkenal (pencukur, sikat gigi listrik), yang juga aktif di bidang kesehatan. Misalnya, mereka menempati peringkat #1 dalam pengajuan paten MedTech di Eropa pada tahun 2022.

Mereka aktif dalam produk medis terhubung, mulai dari perangkat yang dapat dipakai hingga pencitraan, respirator, atau robot medis.

Perusahaan ini juga aktif di bidang semikonduktor (termasuk teknologi maglev) dan teknologi tinggi/robotik/otomasi, dengan setiap aktivitas berbagi basis teknologi yang sama.

Sumber: Philips

Philips menawarkan perangkat yang dapat dipakai untuk metrik kardiak, pernapasan, dan aktivitas. Sensor mereka dapat diintegrasikan ke dalam jam tangan pintar, monitor kesehatan, patch medis, dan pelacak aktivitas.

Keahlian Philips dalam sensor biokompatibel, semikonduktor, dan solusi nirkabel dapat menjadikannya pemimpin dalam implan medis canggih dengan pengisian nirkabel.

Untuk perangkat medis, Philips lebih memilih solusi kemitraan, di mana mereka mengembangkan untuk pihak ketiga perangkat IoT medis yang terhubung dan sepenuhnya kompatibel dengan solusi Philips lainnya. Dalam konteks itu, mereka menawarkan kliennya prototyping, konsultasi regulasi, pengembangan produk end-to-end, dan produksi skala industri.

Hal ini menjadikan Philips perusahaan yang berfokus pada teknologi dan kandidat yang mungkin untuk dengan cepat mengintegrasikan inovasi ke dalam perangkat medis yang ada. Secara total, perangkat Philips secara langsung memengaruhi lebih dari 1,8 miliar orang.

Perusahaan ingin menciptakan lingkungan perawatan kesehatan digital yang terintegrasi sepenuhnya, di mana sensor cocok dengan perangkat, dan kemudian menggunakan berbagai solusi konektivitas untuk terintegrasi ke dalam solusi Philips HealthSuite Cloud serta memungkinkan analitik data mendalam.

Sumber: Philips

Sebagai pemasok industri MedTech, yang sering memproduksi untuk merek lain, Philips tidak begitu terlihat di sektor ini dibandingkan perusahaan lain yang lebih menonjol. Namun, mereka ahli dalam membangun perangkat elektronik dan sensor berperforma tinggi, sering mendorong batas apa yang mungkin dalam niche mereka di bidang kesehatan dan perangkat yang dapat dipakai.

Dengan perangkat yang dapat dipakai dan elektronik medis yang semakin terintegrasi ke dalam protokol perawatan kesehatan dan medis, segmen Healthcare Philips kemungkinan akan tumbuh sebagai bagian dari konglomerat.

Berita dan Perkembangan Saham Koninklijke Philips N.V. (PHG) Terbaru

Referensi Studi:

^{1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. Penerima Ultrasound Konformal Tubuh untuk Transfer Daya Nirkabel yang Efisien dan Stabil dalam Pengisian Percutaneous Dalam. Advanced Materials. Volume37, Edisi19. 12 Mei 2025}