Didukung oleh Darah: Chip Inovatif Memberikan Pemantauan Kesehatan Waktu Nyata

Para peneliti telah mengembangkan perangkat portabel yang memanfaatkan darah untuk menghasilkan listrik untuk prognosis medis segera.

Teknologi lab-on-a-chip ini, yang bertujuan untuk memerangi peningkatan gangguan metabolisme secara international, mengukur konduktivitas darah untuk mendiagnosis kondisi seperti diabetes secara instan, terutama di wilayah yang kurang terlayani.

Lonjakan International dalam Gangguan Metabolik

Diabetes, osteoporosis, dan gangguan metabolisme lainnya sedang berkembang pesat di seluruh dunia, terutama di negara-negara berkembang.

Analysis untuk gangguan ini biasanya dilakukan dengan tes darah, tetapi karena infrastruktur layanan kesehatan yang ada di daerah terpencil tidak mampu mendukung tes ini, sebagian besar individu tidak terdiagnosis dan tidak mendapatkan perawatan. Metode konvensional juga melibatkan proses yang padat karya dan invasif yang cenderung memakan waktu dan membuat pemantauan waktu nyata tidak memungkinkan, terutama dalam situasi nyata dan di populasi pedesaan.

Merevolusi Analysis dengan Teknologi Baru

Para peneliti di Universitas Pittsburgh dan Pusat Medis Universitas Pittsburgh (UPMC) mengusulkan perangkat baru yang menggunakan darah untuk menghasilkan listrik dan mengukur konduktivitasnya, yang membuka pintu bagi perawatan medis di lokasi mana pun.

“Seiring dengan kemajuan bidang nanoteknologi dan mikrofluida, terdapat peluang yang semakin besar untuk mengembangkan perangkat lab-on-a-chip yang mampu mengatasi kendala perawatan medis fashionable,” kata Amir Alavi, asisten profesor teknik sipil dan lingkungan di Sekolah Teknik Pitt Swanson. “Teknologi ini berpotensi mengubah layanan kesehatan dengan menawarkan diagnostik yang cepat dan nyaman, yang pada akhirnya meningkatkan hasil pasien dan efektivitas layanan medis.”

Sekarang, Kami Mendapat Darah Yang Baik

Konduktivitas listrik darah merupakan metrik yang berharga untuk menilai berbagai parameter kesehatan dan mendeteksi kondisi medis.

Konduktivitas ini terutama diatur oleh konsentrasi elektrolit esensial, terutama ion natrium dan klorida. Elektrolit ini merupakan bagian integral dari banyak proses fisiologis, yang membantu dokter menentukan prognosis.

“Darah pada dasarnya adalah lingkungan berbasis air yang memiliki berbagai molekul yang menghantarkan atau menghambat arus listrik,” jelas Dr. Alan Wells, direktur medis Laboratorium Klinis UPMC, Wakil Ketua Eksekutif, Bagian Kedokteran Laboratorium di Universitas Pittsburgh dan UPMC, dan Profesor Patologi Thomas Gill III, Fakultas Kedokteran Pitt, Departemen Patologi. “Glukosa misalnya merupakan penghantar listrik. Kita dapat melihat pengaruhnya terhadap konduktivitas melalui pengukuran ini. Dengan demikian, memungkinkan kami untuk membuat prognosis saat itu juga.”

Meskipun penting, pengetahuan tentang konduktivitas darah manusia terbatas karena tantangan pengukurannya seperti polarisasi elektroda, akses terbatas ke sampel darah manusia, dan kompleksitas yang terkait dengan pemeliharaan suhu darah. Mengukur konduktivitas pada frekuensi di bawah 100 Hz sangat penting untuk mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang sifat listrik darah dan proses biologis mendasar, tetapi bahkan lebih sulit.

Lab Berukuran Saku

Para peneliti mengusulkan perangkat lab-on-a-chip nanogenerator milifluida yang inovatif dan portabel yang mampu mengukur darah pada frekuensi rendah. Perangkat tersebut memanfaatkan darah sebagai zat konduktif dalam nanogenerator triboelektrik terintegrasinya, atau TENG. Sistem TENG berbasis darah yang diusulkan dapat mengubah energi mekanik menjadi listrik melalui triboelektrifikasi.

Proses ini melibatkan pertukaran elektron antara materials yang bersentuhan, yang menghasilkan switch muatan. Dalam sistem TENG, switch elektron dan pemisahan muatan menghasilkan perbedaan tegangan yang menggerakkan arus listrik saat materials mengalami gerakan relatif seperti kompresi atau geseran. Para ilmuwan menganalisis tegangan yang dihasilkan oleh perangkat di bawah kondisi pemuatan yang telah ditentukan sebelumnya untuk menentukan konduktivitas listrik darah. Mekanisme pembangkit daya sendiri memungkinkan miniaturisasi nanogenerator berbasis darah yang diusulkan. Tim juga menggunakan mannequin AI untuk secara langsung memperkirakan konduktivitas listrik darah menggunakan pola tegangan yang dihasilkan oleh perangkat.

Untuk mengujinya ketepatan, tim peneliti membandingkan hasilnya dengan tes tradisional yang terbukti berhasil. Hal ini membuka pintu untuk melakukan pengujian di tempat tinggal orang-orang. Selain itu, nanogenerator bertenaga darah mampu berfungsi di dalam tubuh di mana pun terdapat darah, sehingga memungkinkan prognosis mandiri menggunakan bahan kimia darah lokal.

Referensi: “Perangkat Lab-on-a-Chip Nanogenerator Millifluidic untuk Pemantauan Konduktivitas Listrik Darah pada Frekuensi Rendah” oleh Jianzhe Luo, Wenyun Lu, Daeik Jang, Qianyun Zhang, Wenxuan Meng, Alan Wells dan Amir H. Alavi, 30 Mei 2024, Materi Lanjutan.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1002/adma.202403568

Peneliti lain pada proyek ini meliputi:

• Jianzhe Luo, Kandidat PhD, Universitas Pittsburgh
• Wenyun Lu, Kandidat PhD, Universitas Pittsburgh
• Daeik Jang, Rekan Pascadoktoral, Universitas Pittsburgh
• Qianyun Zhang, profesor teknik sipil, Universitas Negeri New Mexico
• Mensuan Meng, Kandidat PhD, Universitas Pittsburgh