Pembuatannya Selama 15 Tahun – Para Ilmuwan Menemukan “Bioelektronik Hidup” yang Dapat Menyembuhkan Kulit

Para ilmuwan mengembangkan patch yang fleksibel, mudah beradaptasi, dan dapat disimpan yang menggabungkan bakteri dan sensor untuk berinteraksi dengan tubuh.

Para peneliti telah menciptakan “bioelektronik hidup”, sebuah perangkat yang menggabungkan sel, gel, dan elektronik untuk memantau dan merawat kondisi kulit. Diuji pada tikus, perangkat ini mengurangi peradangan dan berpotensi untuk aplikasi medis yang lebih luas. Tim sedang berupaya untuk mengkomersialkan teknologi tersebut.

Selama bertahun-tahun, laboratorium Profesor Bozhi Tian telah mengeksplorasi cara memadukan dunia elektronik—yang biasanya kaku, metalik, dan besar—dengan sifat tubuh manusia yang lembut, fleksibel, dan halus. Dalam penelitian terbarunya, mereka telah menciptakan prototipe dari apa yang mereka sebut “bioelektronik hidup”: kombinasi sel hidup, gel, dan elektronik yang dapat berintegrasi dengan jaringan hidup.

Tambalan tersebut terbuat dari sensor, sel bakteri, dan gel yang terbuat dari pati dan gelatin. Pengujian pada tikus menemukan bahwa perangkat tersebut dapat terus memantau dan memperbaiki gejala mirip psoriasis, tanpa mengiritasi kulit.

“Ini adalah jembatan dari bioelektronik tradisional, yang menggabungkan sel-sel hidup sebagai bagian dari terapi,” kata Jiuyun Shi, salah satu penulis pertama makalah ini dan mantan mahasiswa PhD di laboratorium Tian (sekarang di Universitas Stanford).

“Kami sangat gembira karena proses pembuatannya telah berlangsung selama satu setengah dekade,” kata Tian.

Para peneliti berharap prinsip-prinsip tersebut juga dapat diterapkan pada bagian tubuh lain, seperti stimulasi jantung atau saraf. Studi ini diterbitkan pada 30 Mei Sains.

Lapisan Ketiga

Memasangkan perangkat elektronik dengan tubuh manusia selalu sulit. Meskipun perangkat seperti alat pacu jantung telah meningkatkan banyak kehidupan, perangkat ini juga mempunyai kelemahan; barang elektronik cenderung besar dan kaku, serta dapat menyebabkan iritasi.

Namun laboratorium Tian mengkhususkan diri dalam mengungkap prinsip dasar di balik bagaimana sel dan jaringan hidup berinteraksi dengan bahan sintetis; pekerjaan mereka sebelumnya mencakup alat pacu jantung kecil yang dapat dikontrol dengan bahan ringan dan kuat namun fleksibel yang dapat menjadi dasar implan tulang. Dalam penelitian ini, mereka mengambil pendekatan baru. Biasanya, bioelektronik terdiri dari perangkat elektronik itu sendiri, ditambah lapisan lembut agar tidak terlalu mengiritasi tubuh.

Namun kelompok Tian bertanya-tanya apakah mereka dapat menambah kemampuan baru dengan mengintegrasikan komponen ketiga: sel hidup itu sendiri. Kelompok ini tertarik dengan khasiat penyembuhan dari bakteri tertentu seperti S.epidermidismikroba yang secara alami hidup di kulit manusia dan terbukti mengurangi peradangan.

Patch tipis wafer dilengkapi sirkuit elektronik fleksibel, gel yang terbuat dari tepung tapioka dan gelatin, serta bakteri ramah yang membantu mengatasi kondisi kulit. Kredit: Jiuyun Shi dan Bozhi Tian/Universitas Chicago

Mereka menciptakan perangkat dengan tiga komponen. Kerangkanya adalah sirkuit elektronik tipis dan fleksibel dengan sensor. Itu dilapisi dengan gel yang terbuat dari tepung tapioka dan gelatin, yang sangat lembut dan meniru susunan jaringan itu sendiri. Akhirnya, S.epidermidis mikroba dimasukkan ke dalam gel. Saat perangkat diletakkan di kulit, bakteri mengeluarkan senyawa yang mengurangi peradangan, dan sensor memantau kulit untuk mencari sinyal seperti suhu dan kelembapan kulit.

Dalam pengujian dengan tikus yang rentan terhadap kondisi kulit mirip psoriasis, terdapat penurunan gejala yang signifikan.

Pengujian awal mereka dilakukan selama seminggu, namun para peneliti berharap sistem tersebut—yang mereka sebut sebagai platform ABLE, yang berarti Lively Biointegrated Dwelling Electronics—dapat digunakan selama setengah tahun atau lebih. Untuk membuat perawatan lebih nyaman, kata mereka, perangkat tersebut dapat dikeringkan dalam freezer untuk disimpan dan mudah direhidrasi bila diperlukan.

Karena efek penyembuhan diberikan oleh mikroba, “Ini seperti obat hidup—Anda tidak perlu mengisinya kembali,” kata Saehyun Kim, salah satu penulis makalah tersebut dan juga seorang mahasiswa PhD di laboratorium Tian.

Penerapan yang Lebih Luas dan Tujuan Masa Depan

Selain mengobati psoriasis, para ilmuwan dapat membayangkan penerapan seperti patch untuk mempercepat penyembuhan luka pada pasien diabetes.

Mereka juga berharap untuk memperluas pendekatan pada jenis jaringan dan jenis sel lainnya. “Misalnya, bisakah Anda membuat insulin-perangkat penghasil, atau perangkat yang berinteraksi dengan neuron?” kata Tian. “Ada banyak penerapan potensial.”

Tian mengatakan ini adalah tujuan yang telah ia tekuni sejak menjadi peneliti pascadoktoral hampir 15 tahun yang lalu, ketika ia pertama kali mulai bereksperimen dengan “jaringan cyborg.”

“Sejak saat itu, kami telah belajar banyak tentang pertanyaan-pertanyaan mendasar, seperti bagaimana sel berinteraksi dengan materials serta kimia dan fisika hidrogel, yang memungkinkan kami melakukan lompatan ini,” katanya. “Melihatnya menjadi kenyataan sungguh luar biasa.”

“Semangat saya selalu mendorong batas-batas dari apa yang mungkin dilakukan dalam sains,” kata Shi. “Saya berharap karya kami dapat menginspirasi desain elektronik generasi berikutnya.”

Referensi: “Perangkat elektronik hidup biointegrasi aktif untuk mengatasi peradangan” oleh Jiuyun Shi, Saehyun Kim, Pengju Li, Fuying Dong, Chuanwang Yang, Bryan Nam, Chi Han, Ethan Eig, Lewis L. Shi, Simiao Niu, Jiping Yue dan Bozhi Tian, 30 Mei 2024, Sains.
DOI: 10.1126/science.adl1102

Penulis makalah lain dengan Universitas Chicago termasuk Pengju Li, Chuanwang Yang, Ethan Eig, Lewis Shi, dan Jiping Yue, serta ilmuwan dari Rutgers College dan Universitas Columbia.

Para peneliti menggunakan Fasilitas Karakterisasi Materi Lunak dan Fasilitas Nanofabrikasi Pritzker di Universitas Chicago. Mereka juga bekerja sama dengan Pusat Kewirausahaan dan Inovasi Polsky untuk mengkomersialkan teknologi tersebut.