Universitas Northwestern Meluncurkan Perangkat yang Dapat Dipakai untuk Mengukur Nafas Kulit

INSIDER Elektronik &Sensor

Berukuran panjang hanya dua sentimeter dan lebar satu setengah sentimeter, perangkat ini terdiri dari ruang, kumpulan sensor, katup yang dapat diprogram, sirkuit elektronik, dan baterai kecil yang dapat diisi ulang. Alih-alih menyentuh kulit secara langsung, ruangan tersebut melayang beberapa milimeter di atasnya. (Gambar:Atas izin John Rogers)

Peneliti Universitas Northwestern telah mengembangkan perangkat pertama yang dapat dipakai untuk mengukur gas yang dipancarkan dan diserap oleh kulit. Dengan menganalisis gas-gas ini, perangkat ini menawarkan cara baru untuk menilai kesehatan kulit, termasuk memantau luka, mendeteksi infeksi kulit, melacak tingkat hidrasi, mengukur paparan bahan kimia berbahaya bagi lingkungan, dan banyak lagi.

Teknologi baru ini terdiri dari kumpulan sensor yang secara tepat mengukur perubahan suhu, uap air, karbon dioksida (CO2), dan senyawa organik yang mudah menguap (VOC), yang masing-masing memberikan wawasan berharga tentang berbagai kondisi kulit dan kesehatan secara keseluruhan. Gas-gas ini mengalir ke dalam ruangan kecil di dalam perangkat yang melayang di atas kulit tanpa benar-benar menyentuhnya. Desain tanpa kontak ini sangat berguna untuk mengumpulkan informasi tentang kulit rapuh tanpa mengganggu jaringan halus.

Studi tersebut dipublikasikan di jurnal Nature , menunjukkan kemanjuran perangkat pada hewan kecil dan manusia.

“Perangkat ini merupakan evolusi alami dari perangkat elektronik yang dapat dipakai di laboratorium kami yang mengumpulkan dan menganalisis keringat,” kata John A. Rogers dari Northwestern, yang ikut memimpin penelitian tersebut. "Dalam hal ini, kami menganalisis keringat untuk mengetahui kesehatan pemakainya secara keseluruhan. Meskipun berguna, metode tersebut memerlukan stimulasi farmakologis pada kelenjar keringat atau paparan lingkungan yang panas dan lembab. Kami mulai memikirkan tentang apa yang dapat kami tangkap dari kulit yang terjadi secara alami setiap saat. Ternyata ada banyak hal yang keluar dari permukaan kulit - uap air, karbon dioksida, dan senyawa organik yang mudah menguap - yang dapat dikaitkan dengan kesehatan fisiologis yang mendasarinya."

“Teknologi ini berpotensi mengubah perawatan klinis, khususnya bagi populasi rentan, termasuk bayi baru lahir, orang lanjut usia, pasien diabetes, dan orang lain dengan kondisi kulit yang bermasalah,” kata Guillermo A. Ameer dari Northwestern, yang ikut memimpin penelitian ini. "Keunggulan perangkat kami adalah kami menemukan cara baru untuk menilai status kulit halus tanpa harus bersentuhan dengan luka, bisul, atau lecet. Perangkat ini merupakan langkah besar pertama dalam mengukur perubahan gas dan menghubungkan perubahan tersebut dengan status kulit."

Sebagai pionir bioelektronik, Rogers adalah Profesor Sains dan Teknik Material, Teknik Biomedis, dan Bedah Neurologis di Louis Simpson dan Kimberly Querrey di Northwestern – dengan jabatan di Sekolah Teknik McCormick di Northwestern dan Sekolah Kedokteran Feinberg – dan direktur Institut Bioelektronik Querrey Simpson. Ameer adalah Profesor Teknik Biomedis Daniel Hale Williams di McCormick, profesor bedah di Feinberg dan direktur Pusat Teknik Regeneratif Lanjutan. Rogers dan Ameer memimpin penelitian bersama Yonggang Huang, Profesor Teknik Mesin Jan dan Marcia Achenbach serta profesor teknik sipil dan lingkungan.

Disebut sebagai pelindung kulit, lapisan kulit terluar merupakan garis pertahanan pertama tubuh dari lingkungan luar. Ini menjaga hidrasi dengan mencegah kehilangan air yang berlebihan dan bertindak sebagai penghalang terhadap iritasi, bakteri, dan radiasi ultraviolet. Jika pelindung kulit terganggu, hal ini dapat menyebabkan peningkatan kehilangan air (dikenal sebagai kehilangan air transepidermal atau TEWL), sensitivitas kulit, dan risiko infeksi, serta kondisi peradangan seperti eksim dan psoriasis.

“Kulit sangat penting untuk melindungi kita dari lingkungan,” kata rekan penulis studi Dr. Amy Paller, Profesor Dermatologi Walter J. Hamlin dan ketua Departemen Dermatologi di Feinberg. “Elemen utama dari fungsi perlindungan ini adalah pelindung kulit, yang sebagian besar ditandai dengan kumpulan protein dan lemak yang terjalin erat yang menjaga air tetap masuk dan iritasi, racun, mikroba, dan alergen tidak masuk.”

Dengan melacak perubahan emisi uap air dan gas dari kulit, para profesional kesehatan dapat memperoleh gambaran sekilas tentang integritas pelindung kulit pasien mereka. Meskipun teknologi untuk mengukur kehilangan uap air memang ada, teknologi tersebut merupakan mesin besar dan rumit yang sebagian besar berada di lingkungan rumah sakit. Sebaliknya, perangkat kompak yang dapat dipakai dirancang untuk membantu dokter memantau pasiennya dari jarak jauh dan memberdayakan individu untuk mengontrol kesehatan kulit mereka sendiri di rumah.

“Standar emas untuk mengukur integritas pelindung kulit adalah instrumen besar dengan probe yang sesekali disentuhkan ke kulit untuk mengumpulkan informasi tentang kehilangan air transepidermal – atau aliran air melalui kulit,” kata Paller. “Memiliki perangkat yang dapat mengukur kehilangan air transepidermal dari jarak jauh, terus menerus atau sesuai program peneliti — dan tanpa mengganggu pasien saat tidur — merupakan sebuah kemajuan besar.”

Berukuran panjang hanya dua sentimeter dan lebar satu setengah sentimeter, perangkat ini terdiri dari ruang, kumpulan sensor, katup yang dapat diprogram, sirkuit elektronik, dan baterai kecil yang dapat diisi ulang. Alih-alih menyentuh kulit secara langsung, ruangan tersebut melayang beberapa milimeter di atasnya.

“Sensor tradisional yang dapat dipakai mengandalkan kontak fisik dengan kulit, sehingga membatasi penggunaannya dalam situasi sensitif, seperti perawatan luka atau untuk individu dengan kulit rapuh,” kata Rogers. “Perangkat kami mengatasi keterbatasan ini dengan menciptakan ruang kecil dan tertutup di atas permukaan kulit.”

Katup otomatis membuka dan menutup pintu masuk ke ruang ini — sebuah fungsi yang secara dinamis mengontrol akses antara ruang tertutup dan udara sekitar di sekitarnya. Saat katup terbuka, gas mengalir masuk atau keluar ruangan, sehingga perangkat dapat melakukan pengukuran dasar. Kemudian, saat katup menutup dengan cepat, gas akan terperangkap di dalam ruangan. Dari sana, serangkaian sensor mengukur perubahan konsentrasi gas seiring waktu.

“Jika perangkat kami tidak menggunakan katup yang dapat diprogram dan pendekatan pengukuran dinamis waktu untuk mengukur aliran spesies keluar dan masuk ke dalam kulit secara real-time, maka sistem tersebut dapat dibingungkan oleh perubahan konsentrasi spesies ini yang mungkin secara alami bervariasi di lingkungan sekitarnya,” kata Rogers. "Jika katup terbuka sepanjang waktu, sensor akan mendeteksi perubahan semacam ini - bukan karena apa pun yang berhubungan dengan kulit. Sebaliknya, jika katup selalu tertutup, maka pola fluks alami akan terganggu dan tidak memperhitungkan faktor lingkungan. Bagi pekerja di lingkungan yang berpotensi berbahaya, akan sangat membantu jika mengetahui berapa banyak spesies berbahaya yang masuk ke dalam tubuh melalui kulit."

Menggunakan Bluetooth, perangkat mengirimkan data ini langsung ke ponsel cerdas atau tablet untuk pemantauan waktu nyata. Hasil cepat ini dapat membantu petugas kesehatan mengambil keputusan yang lebih tepat — dan lebih cepat — dalam hal penanganan luka dan pemberian antibiotik.

Karena peningkatan uap air, CO2, dan VOC dikaitkan dengan pertumbuhan bakteri dan tertundanya penyembuhan, memantau faktor-faktor ini dapat membantu perawat mendeteksi infeksi lebih awal dan lebih percaya diri.

“Meresepkan antibiotik untuk luka bisa menjadi sebuah pertaruhan,” kata Ameer, pakar pendekatan rekayasa regeneratif untuk meningkatkan penyembuhan luka. "Kadang-kadang sulit untuk mengetahui apakah suatu luka terinfeksi atau tidak. Jika sudah jelas, hal ini mungkin sudah terlambat, dan pasien dapat mengalami sepsis, yang sangat berbahaya. Untuk menghindari hal ini, dokter akan meresepkan antibiotik spektrum luas. Hal ini dapat menyebabkan resistensi antibiotik, yang merupakan masalah yang semakin besar dalam layanan kesehatan. Mampu memantau luka dengan cermat dan terus-menerus serta meresepkan antibiotik pada tanda awal infeksi adalah hal yang jelas dan penting."

Meskipun pemantauan terus menerus penting untuk semua jenis luka, hal ini sangat penting terutama bagi pasien diabetes. Ameer sebelumnya telah mengembangkan berbagai strategi, termasuk gel antioksidan dan perban regeneratif, untuk mengobati tukak diabetik. Dua tahun lalu, Ameer bekerja sama dengan Rogers untuk menciptakan perban elektronik sementara pertama, yang menggunakan rangsangan listrik untuk mempercepat penyembuhan luka. Perangkat wearable baru ini menyediakan alat lain untuk membantu pasien yang rentan menghindari efek samping yang berisiko.

“Maag akibat diabetes adalah penyebab amputasi anggota tubuh bagian bawah non-traumatik nomor satu di seluruh dunia,” kata Ameer. "Terkadang luka tampak menutup, namun fungsi pelindung kulit belum sepenuhnya pulih. Perangkat kami dapat mengukur gas yang dikeluarkan secara tepat, sehingga memberikan informasi berguna tentang fungsi pelindung kulit."

Teknologi baru yang inovatif ini tidak hanya menawarkan wawasan yang belum pernah ada sebelumnya mengenai penyembuhan luka dan kesehatan kulit, tetapi juga dapat membuka jalan bagi kemajuan dalam pemantauan kemanjuran pengusir serangga, krim kulit, dan obat-obatan sistemik yang dirancang untuk meningkatkan kesehatan kulit.

CO2 dan VOC adalah gas yang menarik nyamuk dan hama lainnya. Jadi, mengukur emisi dari kulit dapat membantu peneliti memahami dan berpotensi mengurangi daya tarik nyamuk. Perangkat baru ini juga memungkinkan dokter kulit dan pasiennya mengukur seberapa cepat losion dan krim menembus kulit, sehingga dapat memberikan wawasan tentang permeabilitas dan fungsi pelindung kulit. Data ini juga dapat membantu peneliti lain mengembangkan sistem penghantaran obat transdermal yang lebih efektif, memantau efek obat yang diberikan secara sistemik untuk penyakit kulit, dan mengevaluasi keamanan kosmetik dan produk perawatan pribadi.

Selanjutnya, tim Northwestern berencana menyempurnakan kemampuan perangkat tersebut, termasuk menambahkan sensor untuk melacak perubahan tingkat pH dan mengembangkan sensor gas dengan selektivitas kimia yang ditingkatkan untuk deteksi dini disfungsi organ dan penyakit lainnya.

“Platform wearable yang tidak biasa ini memberikan cara baru untuk memikirkan dan memahami kesehatan kulit,” kata Rogers. “Teknologi ini bukan hanya tentang mengukur gas dan karakteristik kulit yang terkait. Ini tentang memprediksi kesehatan secara keseluruhan, mencegah infeksi dan penyakit, serta menciptakan masa depan di mana perawatan yang dipersonalisasi didorong oleh pelacakan kesehatan yang real-time, non-invasif, dan berkelanjutan melalui kumpulan parameter baru yang melengkapi parameter yang dapat ditangkap dengan perangkat wearable konvensional.”

Sumber