9 Oct 2019 Gakken Editorial

Penggunaan Nanoteknologi bagi Masa Depan Penglihatan Manusia

Nanoteknologi mampu meningkatkan penglihatan terhadap cahaya inframerah maupun cahaya tampak. Simpulan dari satu percobaan yang dilakukan kepada tikus. Suntikan tunggal nanopartikel di mata tikus diberikan penglihatan inframerah hingga 10 minggu dengan efek samping minimal, memungkinkan mereka untuk melihat cahaya inframerah bahkan di siang hari dan dengan kekhususan yang cukup untuk membedakan antara bentuk yang berbeda.

Temuan ini dapat mengarah pada kemajuan teknologi penglihatan inframerah manusia, termasuk aplikasi potensial dalam enkripsi sipil, keamanan, dan operasi militer.

Manusia dan mamalia lain terbatas untuk melihat kisaran panjang gelombang cahaya yang disebut cahaya tampak. Tetapi, radiasi infra merah yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, ada di sekitar kita. Manusia, hewan, dan benda memancarkan cahaya inframerah saat mereka mengeluarkan panas, sekaligus juga dapat memantulkan cahaya inframerah.

"Cahaya tampak yang dapat dirasakan oleh penglihatan alami manusia hanya menempati sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik," kata penulis senior Tian Xue dari Universitas Sains dan Teknologi Cina. "Gelombang elektromagnetik lebih panjang atau lebih pendek dari cahaya tampak membawa banyak informasi."

Sekelompok ilmuwan multidisiplin yang dipimpin oleh Xue dan Jin Bao di Universitas Sains dan Teknologi Cina serta Gang Han di Universitas Kedokteran Massachusetts, mengembangkan nanoteknologi untuk bekerja pada struktur mata yang ada.

"Ketika cahaya memasuki mata dan mengenai retina, batang dan kerucut--atau sel fotoreseptor--menyerap foton dengan panjang gelombang cahaya yang terlihat dan mengirimkan sinyal listrik yang sesuai ke otak," kata Han. "Karena panjang gelombang inframerah terlalu panjang untuk diserap oleh fotoreseptor, kita tidak dapat melihatnya."

Dalam studi ini, para ilmuwan membuat nanopartikel yang dapat menempel erat pada sel fotoreseptor dan bertindak sebagai transduser cahaya inframerah kecil. Ketika cahaya inframerah mengenai retina, nanopartikel menangkap panjang gelombang inframerah yang lebih panjang dan memancarkan panjang gelombang yang lebih pendek dalam rentang cahaya yang terlihat. Batang atau kerucut di dekatnya kemudian menyerap panjang gelombang yang lebih pendek dan mengirimkan sinyal normal ke otak, seolah-olah cahaya tampak telah mengenai retina.

"Dalam percobaan kami, partikel nano menyerap cahaya inframerah sekitar 980 nm dalam panjang gelombang dan mengubahnya menjadi cahaya memuncak pada 535 nm, yang membuat cahaya inframerah muncul sebagai warna hijau," kata Bao.

Para peneliti menguji nanopartikel pada tikus, mamalia dengan struktur penglihatan seperti manusia, tidak dapat melihat inframerah secara alami. Tikus yang menerima suntikan menunjukkan tanda-tanda fisik tidak sadar bahwa mereka mendeteksi cahaya inframerah, seperti pupil yang menyempit, sementara tikus yang disuntik hanya dengan larutan buffer tidak merespons terhadap cahaya inframerah.

Untuk menguji apakah tikus dapat merespon cahaya inframerah, para peneliti membuat serangkaian tugas labirin untuk menunjukkan bahwa tikus dapat melihat inframerah dalam kondisi siang hari, bersamaan dengan cahaya tampak.

Dalam kasus yang jarang terjadi, efek samping dari suntikan seperti keruh kornea terjadi tetapi menghilang dalam waktu kurang dari seminggu. Ini mungkin disebabkan oleh proses injeksi saja karena tikus yang hanya menerima suntikan larutan buffer memiliki tingkat efek samping yang serupa. Tes lain tidak menemukan kerusakan pada struktur retina setelah injeksi sub-retina.

"Dalam penelitian kami, kami telah menunjukkan bahwa kedua batang dan kerucut mengikat nanopartikel ini dan diaktifkan oleh cahaya inframerah dekat," kata Xue. "Jadi kami percaya teknologi ini juga akan bekerja di mata manusia, tidak hanya untuk menghasilkan penglihatan super tetapi juga untuk solusi terapeutik dalam defisit penglihatan warna merah manusia."

Teknologi inframerah saat ini bergantung pada detektor dan kamera yang sering dibatasi oleh siang hari dan membutuhkan sumber daya luar. Para peneliti percaya nanopartikel bio-terintegrasi lebih diinginkan untuk aplikasi inframerah potensial dalam enkripsi sipil, keamanan, dan operasi militer.

"Di masa depan, kami pikir mungkin ada ruang untuk meningkatkan teknologi dengan versi baru nanopartikel berbasis organik, terbuat dari senyawa yang disetujui FDA yang tampaknya menghasilkan penglihatan inframerah yang lebih cerah," kata Han.

Para peneliti juga berpikir lebih banyak pekerjaan yang dapat dilakukan untuk menyempurnakan spektrum emisi nanopartikel agar sesuai dengan mata manusia yang menggunakan lebih banyak kerucut daripada batang untuk penglihatan sentral mereka dibandingkan dengan mata tikus. "Ini adalah subjek yang menarik karena teknologi yang kami buat di sini pada akhirnya dapat memungkinkan manusia untuk melihat di luar kemampuan alami kita," kata Xue.

Masa Depan Penglihatan Manusia

Laporan penelitian di atas semakin kuat, ketika penelitian lain menemukan kesimpulan yang sama. Kemajuan dalam pembuatan versi nanopartikel ini yang suatu hari nanti dapat memberikan penglihatan malam di dalam diri manusia.

Mata manusia dan mamalia lainnya dapat mendeteksi cahaya antara panjang gelombang 400 dan 700 nanometer (nm). Sebaliknya, cahaya Near-infrared (NIR), memiliki panjang gelombang lebih panjang - 750 nm hingga 1,4 mikrometer. Kamera pencitraan termal dapat membantu orang melihat dalam gelap dengan mendeteksi radiasi NIR yang dikeluarkan oleh organisme atau benda, tetapi perangkat ini biasanya besar dan tidak nyaman.

Han dan rekan-rekannya bertanya-tanya apakah mereka dapat memberikan visi tikus NIR dengan menyuntikkan jenis nanomaterial khusus, yang disebut konversi partikel nano (UCNPs), ke mata mereka. Nanopartikel ini, yang mengandung unsur tanah jarang erbium dan ytterbium, dapat mengubah foton berenergi rendah dari cahaya NIR menjadi cahaya hijau berenergi lebih tinggi yang dapat dilihat mata mamalia.

Meskipun UCNP bertahan di mata tikus selama setidaknya 10 minggu dan tidak menyebabkan efek samping yang nyata, Han ingin meningkatkan keamanan dan sensitivitas bahan nano sebelum ia berencana untuk mencobanya pada manusia.

"UCNP dalam makalah kami yang diterbitkan bersifat anorganik, dan ada beberapa kelemahan di sana," kata Gang Han, Ph.D., pemimpin penelitian, "Biokompatibilitasnya tidak sepenuhnya jelas, dan kita perlu meningkatkan kecerahan partikel nano untuk penggunaan manusia." Sekarang, tim sedang bereksperimen dengan UCNP yang terdiri dari dua pewarna organik, bukan unsur tanah jarang.

"Kami telah menunjukkan bahwa kami dapat membuat UCNP organik dengan kecerahan jauh lebih baik dibandingkan dengan yang anorganik," katanya. Nanopartikel organik ini dapat memancarkan cahaya hijau atau biru. Selain memiliki sifat yang lebih baik, pewarna organik juga bisa memiliki lebih sedikit hambatan regulasi.

Salah satu langkah berikutnya untuk proyek ini mungkin menerjemahkan teknologi ke sahabat manusia. "Jika kita memiliki anjing super yang bisa melihat cahaya NIR, kita bisa memproyeksikan pola ke tubuh seorang pelanggar hukum dari kejauhan, dan anjing itu bisa menangkap mereka tanpa mengganggu orang lain," kata Han.

Di samping penglihatan super seperti yang kerap kita temui dalam film-film, teknologi ini juga dapat memicu penemuan aplikasi medis yang penting, seperti mengobati penyakit mata.

"Kami benar-benar mencari cara menggunakan lampu NIR untuk melepaskan obat dari UNCP khususnya di fotoreseptor," kata Han.

Sumber:
  1. Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal NanoantennaeCell, 2019; DOI: 10.1016/j.cell.2019.01.038
  2. American Chemical Society

Riset dan Terobosan Mata


9 Oct 2019 Gakken Editorial