1. Latar Belakang Teknis dan Signifikansi

Susunan elektroda jarum mikro yang sangat dapat diregangkan dapat menembus lapisan permukaan jaringan biologis, beradaptasi dengan deformasi yang disebabkan oleh pergerakan jaringan, dan mencapai penginderaan yang ditargetkan dan stimulasi listrik pada organisme hidup melalui pendekatan invasif minimal. Mereka menyediakan antarmuka bioelektronik yang stabil, meningkatkan kualitas perekaman sinyal, dan mengurangi kerusakan jaringan, sehingga dapat diterapkan secara luas dalam ilmu saraf, rekayasa jaringan, dan bioelektronik yang dapat dikenakan.

Teknologi microneedle saat ini memiliki keterbatasan yang signifikan: sebagian besar microneedle tidak memiliki kemampuan regangan, dan sulit untuk menyesuaikan parameter seperti distribusi panjang dan area deteksi elektroda microneedle pada tingkat perangkat individual. Alasan utamanya terletak pada ketidakcocokan antara proses pembuatan elektroda microneedle yang kaku dan material fleksibel yang dapat diregangkan, serta tantangan teknis dalam integrasi material dan pola struktur tiga-dimensi (3D) microneedle.

2. Tim Peneliti dan Publikasi Prestasi

Kelompok riset yang dipimpin oleh Hangbo Zhao dari Department of Aerospace and Mechanical Engineering dan Department of Biomedical Engineering di University of Southern California (USC) (dengan Qina Zhao, seorang mahasiswa doktoral di departemen tersebut, sebagai penulis pertama), bekerja sama dengan kelompok riset Rhanor Gillette dan Mattia Gazzola dari University of Illinois di Urbana-Champaign (UIUC), menerbitkan artikel sampul diKemajuan Ilmu Pengetahuan. Artikel ini melaporkan desain, manufaktur, dan aplikasi penginderaan elektrofisiologi dari rangkaian elektroda mikroneedle jenis baru yang dapat diregangkan, yang dapat berfungsi sebagai antarmuka bioelektronik yang efisien. Misalnya, telah digunakan untuk mendeteksi sinyal elektromiografi intramuskular (EMG) dari berbagai kelompok otot di daerah bukal Aplysia (kelinci laut).

Fokus penelitian kelompok Zhao berasal dari ketertarikan mereka pada mekanisme pergerakan otot hewan-bertubuh lunak, seperti peregangan dan pembengkokan tentakel gurita, serta cara merayap dan mencari makan siput laut. Mempelajari mekanisme aksi terkoordinasi dari beberapa-kelompok otot yang didistribusikan dalam ruang 3D sangat penting dalam bidang biologi, bionik, dan robotika.

3. Inovasi Teknologi Inti

Skema Manufaktur Hibrida: Metode manufaktur unik yang menggabungkan etsa laser, fabrikasi mikro, dan pencetakan transfer diadopsi sehingga berhasil menciptakan rangkaian elektroda jarum mikro yang sangat dapat diregangkan (dengan tingkat regangan 60%-90%) dan dapat dialamatkan secara individual. Melalui proses berbiaya rendah dan terukur, morfologi, panjang, area deteksi, impedansi, dan tata letak elektroda microneedle dapat disesuaikan secara fleksibel.

Peraturan Area Deteksi Elektroda: Metode etsa hidrogel 3D baru telah ditemukan, yang memungkinkan pengetsaan selektif pada jarum mikro dalam beberapa detik, memastikan bahwa hanya daerah ujung elektroda yang tetap konduktif. Dengan teknologi etsa kimia hidrogel-, area deteksi ujung elektroda dapat diatur secara tepat untuk jarum mikro dengan panjang berbeda, sehingga mendeteksi sinyal jaringan pada kedalaman berbeda.

Desain Struktural dan Material: Susunan elektroda microneedle terdiri dari elektroda microneedle polimida dan kabel penghubung elastis serpentin. Setelah dilapisi dengan lapisan konduktif emas, lapisan ini diikat secara kovalen ke elastomer silikon, yang tidak hanya memastikan daya regangan tinggi tetapi juga menghindari masalah pengelupasan saat digunakan.

Diagram skema langkah-langkah fabrikasi susunan elektroda microneedle yang dapat diregangkan.

Pengujian kelenturan susunan elektroda microneedle yang dapat diregangkan

4. Verifikasi dan Efek Eksperimental

Skenario Eksperimental: Dalam percobaan mendeteksi sinyal EMG intramuskular dari daerah bukal Aplysia yang terisolasi, elektroda jarum mikro dengan panjang berbeda dimasukkan ke dalam kelompok otot yang berbeda. Elektroda dapat mengikuti deformasi otot bukal dan secara stabil merekam sinyal EMG dari setiap kelompok otot.

Perbandingan Kinerja: Dibandingkan dengan sinyal EMG permukaan yang direkam oleh susunan elektroda microneedle planar, sinyal EMG intramuskular yang direkam oleh elektroda microneedle yang dapat diregangkan ini lebih kuat dan lebih spesifik. Hal ini membuktikan bahwa ia dapat secara efektif mendeteksi sinyal dari jaringan aktif dalam organisme hidup dan juga dapat digunakan sebagai alat stimulasi listrik pada jaringan dalam, memberikan dukungan untuk penelitian biologi dan ilmu saraf.

Verifikasi Kemampuan Inti: Eksperimen ini sepenuhnya menunjukkan bahwa elektroda microneedle ini memiliki kemampuan untuk berfungsi sebagai antarmuka bioelektronik 3D, menyeimbangkan kekakuan struktural dan fleksibilitas material dari microneedles. Kekakuan yang relatif tinggi memungkinkannya dimasukkan secara stabil ke dalam jaringan biologis, sedangkan daya regangan yang tinggi memastikan daya rekat yang kuat pada jaringan biologis yang lunak dan bergerak.

Pengukuran in vitro sinyal elektromiografi intramuskular dan permukaan pada otot bukal Aplysia dilakukan dengan menggunakan susunan elektroda mikroneedle yang dapat diregangkan dan susunan mikroelektroda datar.

Contoh eksperimental ini menunjukkan kemampuan elektroda mikroneedle ini untuk berfungsi sebagai antarmuka bio-elektronik 3D.

5. Penerapan Prospek Pencapaian

Sebagai antarmuka bioelektronik yang canggih, susunan elektroda microneedle yang dapat diregangkan ini memiliki nilai aplikasi potensial di berbagai bidang:

Penginderaan elektrofisiologis di bidang antarmuka otak-komputer;

Penginderaan elektrokimia cairan interstisial kulit;

Stimulasi listrik pada jaringan saraf dan otot.

6. Akses ke Makalah

Tautan ke makalah penelitian yang relevan: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202