Inspirasi Teknologi dari Gigitan Nyamuk

Inspirasi dari alam

(Salatiga-5/7/2021) Hai Sobat Vektora!!! Teknologi dilahirkan dari pemikiran manusia untuk mempermudah kehidupan. Setiap waktu manusia mengembangkan teknologi untuk menjawab kebutuhan yang terus bertambah. Asal muasal inspirasi munculnya teknologi bisa dikatakan hampir tidak terbatas. Tidak sedikit teknologi diperoleh melalui inspirasi dari alam. Salah satunya yang paling sederhana adalah benda bernama velcro. Material perekat tanpa lem ini sering ditemukan pada tas, jaket, dompet dan benda lainnya. Sejarah penemuannya, pada tahun 1941 seorang ahli teknik listrik asal Swiss bernama George de Mestral sedang berjalan-jalan dengan anjingnya di perbukitan Alps. Mestral melihat celana dan bulu anjingnya ditempeli biji tumbuhan burdock (Arctium sp.), yaitu sejenis semak yang banyak tumbuh di perbukitan Alps. Mirip dengan biji rumput jarum, biji burdock bisa menempel kepada organisme lainnya sehingga tersebar hingga jarak yang jauh. Mestral tertarik dengan biji semak tersebut dan mengamatinya di bawah mikroskop. Dia melihat bahwa biji burdock memiliki banyak kait di permukaannya dan menemukan ide cemerlang. Setelah 10 tahun lamanya melakukan eksperimen yang tak terhitung jumlahnya dengan kait dan loop dari berbagai bahan, Mestral mendapatkan paten untuk bahan perekat jenis baru, yang saat ini kita kenal dengan nama Velcro.

Biji tumbuhan burdock (Arctium sp.) memiliki kait-kait         Gambar close-up penampang melintang velcro                                                        

Alam ternyata tidak hanya menginspirasi penemuan bahan sederhana. Bahkan alat transportasi berteknologi tinggi seperti kereta peluru (bullet train) Shinkansen di Jepang mendapatkan inspirasi yang sangat berharga dari dunia hewan. Shinkansen pertama diluncurkan pada tahun 1990. Kereta ini dapat melaju hingga kecepatan 120 mil per jam. Kecepatan yang sangat tinggi ternyata membawa efek samping yang buruk. Setiap kereta keluar dari terowongan maka akan terdengar suara keras seperti guntur, penumpang juga merasa seakan-akan kereta ditekan pada kedua sisinya. Pada waktu itu seorang ahli teknik sekaligus pengamat burung bernama Eiji Nakatsu memberi solusi yang jitu. Ia menemukan bahwa kereta mendorong udara di depannya hingga membentuk dinding angin. Ketika dinding angin ini bertumbukan dengan udara di luar terowongan maka akan menciptakan suara keras sekaligus tekanan yang kuat pada badan kereta. Nakatsu berpikir bahwa kereta perlu menyibak udara saat melewati terowongan. Inspirasi cemerlang ia dapatkan dari burung raja udang (kingfisher), burung pemakan ikan ini mencari mangsa dengan cara menceburkan dirinya ke dalam air. Paruhnya berbentuk seperti pisau sehingga ketika masuk ke dalam air hampir tidak menimbulkan gelombang di permukaan airnya. Sebelumnya Nakatsu telah mencoba bentuk yang berbeda-beda untuk moncong lokomotif, namun sejauh ini bentuk yang terbaik adalah yang mirip dengan paruh burung raja udang. Sekarang kereta super cepat di Jepang memakai bentuk moncong lokomotif yang menyerupai paruh burung. Faktanya, kereta-kereta ini mampu melaju 10 persen lebih cepat dan 15 persen lebih hemat bahan bakar dibandingkan tipe pendahulunya.

 Paruh burung raja udang dada putih                                        Kereta api Shinkansen (bullet train)

Apa itu microneedles?

Pada artikel ini penulis akan mengulas sedikit tentang inspirasi teknologi kesehatan yang sedang dikembangkan dewasa ini. Khususnya berkaitan dengan kemampuan istimewa yang dimiliki nyamuk. Bukan kemampuan terbang, tetapi justru kemampuannya mengisap darah. Bagaimana bisa gigitan nyamuk bisa membantu manusia? Bukannya selama ini gigitan nyamuk hanya membawa berbagai masalah penyakit? Lalu apa yang istimewa dari gigitan seekor nyamuk selain membuat gatal dan bentol pada kulit kita?

Para pembaca tentu pernah merasakan disuntik atau minimal pernah melihat jarum suntik. Kalau tidak dibius tentu terasa sakit saat jarum suntik ditusukkan pada kulit. Sekitar satu dekade lampau telah dimulai upaya untuk mengembangkan jarum suntik mikro (microneedles) sebagai pengganti jarum suntik hipodermis tradisional (traditional hypodermic needles). Jarum suntik mikro berguna untuk mengambil darah atau menyuntikkan agen terapi dalam jumlah kecil pada lapisan terluar kulit yang kaya akan pembuluh darah kapiler tanpa terasa sakit. Pernah ada penelitian yang menyatakan bahwa tusukan hingga sedalam 1,5 mm tidak akan menimbulkan rasa sakit. Umumnya ukuran diameter jarum suntik mikro ini berkisar antara 40-100 μm. Sebagai perbandingan, ukuran diameter luar jarum suntik hipodermis tradisional yang terkecil adalah sekitar 320 μm, dan diameter dalamnya 160 μm.

Istimewanya gigitan nyamuk

Alam menunjukkan kompleksitasnya melalui perangkat dan mekanisme gigitan nyamuk. Nyamuk memiliki alat penusuk tanpa rasa sakit tercanggih daripada semua jarum suntik yang pernah dikembangkan manusia. Mulut nyamuk betina berevolusi menjadi proboscis, yang merupakan jarum mikro biologis yang menyerupai sebuah sistem biomikroelektromekanikal yang elegan. Sebagai contoh panjang proboscis nyamuk penyebar penyakit demam berdarah dengue, Aedes aegypti, umumnya 1,8 mm dengan diameter internal 20 μm. Proboscis walaupun nampak sederhana, sebenarnya merupakan struktur kolektif yang rumit. Bagian luarnya disebut labium berbentuk seperti selongsong terbelah dan berujung pada labella. Bagian dalamnya disebut fascicle berupa seperangkat stylets/alat mulut untuk mengisap darah.

Fascicle/fasikel terdiri enam macam stylets, yaitu 1) sebuah tabung labrum, merupakan stylet terbesar, berujung runcing dan berfungsi seperti selang untuk menyedot darah, 2) sepasang madibel berbentuk tabung tipis, 3) sepasang maksila berbentuk jarum bergigi semacam gergaji dengan ketajaman nano, dan 4) sebuah hipofaring berbentuk pipih dengan kanal air liur (saliva) di bagian tengahnya. Fasikel berperan sebagai mekanisme penusuk dan saluran makanan. Saat mengisap darah, labium akan melengkung dan tetap berada di permukaan kulit, jadi sebenarnya hanya fasikel yang melakukan penetrasi ke dalam kulit.

Seorang peneliti dari China bernama Kong pada tahun 2010 menggunakan kamera khusus untuk merekam seekor nyamuk Aedes albopictus yang sedang mengisap darah. Ternyata proses tersebut tidak sesederhana kelihatannya karena terdapat serangkaian mekanisme kompleks yang harus bekerja secara sinergis.

• Proses bermula setelah nyamuk meraba dan menemukan tempat yang sesuai pada kulit calon mangsanya.
• Ujung proboscis ditekan pada permukaan kulit.
• Lalu labella merentangkan permukaan kulit sehingga ujung fasikel mudah merobek lapisan terluar.
• Kemudian maksila yang bergigi digunakan untuk menggergaji jauh ke dalam jaringan kulit.
• Sepasang mandibel berfungsi membuka jaringan kulit yang telah ditusuk agar tidak menjepit fasikel.
• Sedangkan labium berguna sebagai penyangga agar fasikel tidak bengkok saat ditusukkan.
• Ketika sebagian besar fasikel sudah masuk ke dalam permukaan kulit, fasikel terlepas dari celah labium dan labium terlipat membentuk lengkungan.
• Ujung tabung labrum mengoyak pembuluh kapiler sehingga terjadi pendarahan.
• Kelenjar ludah menyuntikkan saliva untuk mencegah pembekuan darah.
• Begitu kolam darah terbentuk, nyamuk dengan cepat mengisap darah dengan tabung labrum.

Inilah rahasia mengapa gigitan nyamuk tidak terasa sakit. Saat penetrasi fasikel ke dalam kulit, semua bagian alat mulut bekerja dalam mekanisme yang teratur. Bagian yang berperan paling penting adalah maksila dan tabung labrum. Istimewanya, mekanisme elegan yang dimiliki nyamuk ini memerlukan tenaga yang luar biasa kecil, hanya 10-20 μN! Tenaga ini jauh lebih kecil daripada jarum mikro ultra tajam yang pernah dibuat oleh manusia. Jarum mikro buatan ini memerlukan tenaga 10 mN (10.000 μN), jelas masih jauh lebih besar daripada tenaga tusukan proboscis nyamuk.

Lalu mengapa tetap terasa gatal setelah digigit nyamuk? Sebenarnya rasa gatal itu disebabkan oleh reaksi alergi terhadap air liur (saliva) yang dikeluarkan nyamuk untuk mencegah penggumpalan darah dan untuk mencari pembuluh darah dengan pembentukan hematoma. Bukan oleh proses penetrasi alat mulut nyamuk ke dalam kulit kita.

Ilustrasi proboscis/ alat mulut nyamuk rumah (Culex quinquefasciatus)

Scanning electron microscope stylet nyamuk Ae albopictus        Scanning electron microscope (SEM) fasikel nyamuk Ae. aegypti

Tantangan masa depan

Tusukan jarum suntik selain menimbulkan rasa sakit juga menyebabkan kerusakan pada jaringan kulit. Teknologi baru jarum mikro (microneedles) dalam dunia kedokteran telah menarik minat yang besar. Namun, tantangan utamanya adalah karena jarum mikro yang selama ini pernah dibuat ternyata mudah patah. Contohnya jarum mikro yang dibuat dengan bahan silikon. Jarum jenis ini terbukti cukup kokoh, namun terlalu rapuh sehingga beresiko patah di dalam kulit. Sebaliknya, jarum mikro yang dibuat dari polimer tidak mudah patah tetapi terlalu lentur sehingga melengkung ketika ditusukkan ke permukaan kulit. Jarum mikro juga bisa dibuat dengan bahan logam, akan tetapi biaya manufakturnya sangat tinggi. Alhasil pembuatan jarum mikro tanpa rasa sakit masih menyisakan teka-teki yang belum terpecahkan. Dengan segala ikhtiar, semoga suatu saat alam akan mengungkapkan rahasianya yang belum diketahui oleh peradaban manusia untuk membuat jarum yang tidak membuat kita meringis kesakitan saat disuntik. (Sidiq Setyo Nugroho, S.Si., M.Sc., Peneliti B2P2VRP Salatiga)