Dalam kemajuan besar dalam teknik bioprinting 3D, sel dan jaringan telah diciptakan untuk berperilaku seperti di lingkungan alami mereka untuk membangun struktur biologis 'nyata'
Pencetakan 3D adalah prosedur di mana bahan ditambahkan bersama-sama dan dengan demikian bergabung atau dipadatkan di bawah kendali digital komputer untuk membuat objek atau entitas tiga dimensi. Rapid Prototyping dan Additive Manufacturing adalah istilah lain yang digunakan untuk menggambarkan teknik pembuatan objek atau entitas yang kompleks ini dengan melapisi material dan membangunnya secara bertahap – atau sekadar metode 'aditif'. Teknologi yang luar biasa ini telah ada selama tiga dekade setelah secara resmi ditemukan pada tahun 1987, hanya baru-baru ini telah menjadi pusat perhatian dan popularitas karena tidak hanya menjadi sarana untuk memproduksi prototipe tetapi juga menawarkan komponen fungsional yang lengkap. Begitulah potensi kemungkinan dari 3D percetakan yang sekarang mendorong inovasi besar di banyak bidang termasuk teknik, manufaktur, dan kedokteran.
Berbagai jenis metode pembuatan aditif tersedia yang mengikuti langkah-langkah yang sama untuk mencapai hasil akhir akhir. Pada langkah penting pertama, desain dibuat menggunakan perangkat lunak CAD (Computer-Aided-Design) di komputer yang disebut cetak biru digital. Perangkat lunak ini dapat memprediksi bagaimana struktur akhir akan berubah dan juga berperilaku, sehingga langkah pertama ini sangat penting untuk hasil yang baik. Desain CAD ini kemudian diubah menjadi format teknis (disebut file .stl atau bahasa tessellation standar) yang diperlukan printer 3D untuk dapat menginterpretasikan instruksi desain. Selanjutnya, printer 3D perlu diatur (mirip dengan printer 2D biasa, rumah atau kantor) untuk pencetakan yang sebenarnya – ini termasuk mengonfigurasi ukuran dan orientasi, memilih cetakan lanskap atau potret, mengisi kartrid printer dengan bubuk yang tepat . Itu printer 3D kemudian memulai proses pencetakan, secara bertahap membangun desain satu lapisan mikroskopis bahan pada satu waktu. Lapisan ini biasanya memiliki ketebalan sekitar 0.1 mm meskipun dapat disesuaikan agar sesuai dengan objek tertentu yang sedang dicetak. Seluruh prosedur sebagian besar otomatis dan tidak diperlukan intervensi fisik, hanya pemeriksaan berkala untuk memastikan fungsionalitas yang benar. Sebuah objek tertentu membutuhkan waktu beberapa jam hingga hari untuk diselesaikan, tergantung pada ukuran dan kerumitan desainnya. Lebih lanjut, karena ini merupakan metodologi 'tambahan', ekonomis, ramah lingkungan (tanpa pemborosan) dan juga memberikan cakupan yang jauh lebih besar untuk desain.
Level selanjutnya: Bioprinting 3D
pencetakan bio adalah perpanjangan dari pencetakan 3D tradisional dengan kemajuan terbaru yang memungkinkan pencetakan 3D diterapkan pada bahan hidup biologis. Sementara pencetakan inkjet 3D sudah digunakan untuk mengembangkan dan memproduksi perangkat dan peralatan medis canggih, langkah lebih jauh perlu dikembangkan untuk mencetak, melihat, dan memahami molekul biologis. Perbedaan penting adalah bahwa tidak seperti pencetakan inkjet, bioprinting didasarkan pada bio-tinta, yang terdiri dari struktur sel hidup. Jadi, dalam bioprinting, ketika model digital tertentu dimasukkan, jaringan hidup tertentu dicetak dan dibangun lapis demi lapis. Karena komponen seluler yang sangat kompleks dari tubuh makhluk hidup, bioprinting 3D berkembang perlahan dan kompleksitas seperti pilihan bahan, sel, faktor, jaringan menimbulkan tantangan prosedural tambahan. Kompleksitas ini dapat diatasi dengan memperluas pemahaman dengan mengintegrasikan teknologi dari bidang interdisipliner misalnya biologi, fisika dan kedokteran.
Kemajuan besar dalam bioprinting
Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan di Materi Fungsional Tingkat Lanjut, para peneliti telah mengembangkan teknik bioprinting 3D yang menggunakan sel dan molekul yang biasanya ditemukan di jaringan alami (lingkungan asli mereka) untuk membuat konstruksi atau desain yang menyerupai struktur biologis 'nyata'. Teknik bioprinting khusus ini menggabungkan 'perakitan mandiri molekuler' dengan 'pencetakan 3D' untuk menciptakan struktur biomolekuler yang kompleks. Perakitan mandiri molekuler adalah proses di mana molekul mengadopsi pengaturan yang ditentukan sendiri untuk melakukan tugas tertentu. Teknik ini mengintegrasikan 'kontrol mikro dan makroskopik fitur struktural' yang disediakan oleh 'pencetakan 3D' dengan 'kontrol skala-nano dan molekuler' yang diaktifkan oleh 'perakitan mandiri molekuler'. Ini menggunakan kekuatan perakitan mandiri molekuler untuk merangsang sel-sel yang sedang dicetak, yang sebaliknya merupakan batasan dalam pencetakan 3D ketika 'tinta cetak 3D' biasa tidak menyediakan sarana ini untuk ini.
Para peneliti 'menanamkan' struktur dalam 'tinta bio' yang mirip dengan lingkungan aslinya di dalam tubuh sehingga struktur tersebut berperilaku seperti di dalam tubuh. Tinta bio ini, juga disebut tinta yang dapat dirakit sendiri, membantu mengontrol atau memodulasi sifat kimia dan fisik selama dan setelah pencetakan, yang kemudian memungkinkan untuk menstimulasi perilaku sel. Mekanisme unik saat diterapkan pencetakan biologis memungkinkan kita untuk melakukan pengamatan tentang bagaimana sel-sel ini bekerja di dalam lingkungan mereka, sehingga memberi kita gambaran dan pemahaman tentang skenario biologis yang sebenarnya. Ini meningkatkan kemungkinan membangun struktur biologis 3D dengan mencetak beberapa jenis biomolekul yang mampu merakit menjadi struktur yang terdefinisi dengan baik pada berbagai skala.
Masa depan sangat penuh harapan!
Penelitian bioprinting sudah digunakan untuk menghasilkan berbagai jenis jaringan dan dengan demikian dapat menjadi sangat penting untuk rekayasa jaringan dan pengobatan regeneratif untuk memenuhi kebutuhan jaringan dan organ yang cocok untuk transplantasi – kulit, tulang, cangkok, jaringan jantung dll. Selanjutnya, tekniknya membuka berbagai kemungkinan untuk merancang dan membuat skenario biologis seperti lingkungan sel yang kompleks dan spesifik untuk memungkinkan kemakmuran rekayasa jaringan dengan benar-benar menciptakan objek atau konstruksi - di bawah kendali digital dan dengan presisi molekul - yang menyerupai atau meniru jaringan dalam tubuh. Jaringan hidup, tulang, pembuluh darah dan, berpotensi dan model seluruh organ dimungkinkan untuk dibuat untuk prosedur medis, pelatihan, pengujian, penelitian dan inisiatif penemuan obat. Generasi yang sangat spesifik dari konstruksi khusus pasien yang disesuaikan dapat membantu dalam merancang perawatan yang akurat, bertarget, dan dipersonalisasi.
Salah satu kendala terbesar dalam bioprinting dan pencetakan inkjet 3D secara umum adalah pengembangan perangkat lunak yang canggih dan canggih untuk memenuhi tantangan pada langkah pertama pencetakan – menciptakan desain atau cetak biru yang sesuai. Misalnya, cetak biru objek tak hidup dapat dibuat dengan mudah, namun ketika membuat model digital, misalnya hati atau jantung, hal ini menantang dan tidak mudah seperti kebanyakan objek material. Bioprinting jelas memiliki banyak keuntungan – kontrol yang presisi, kemampuan pengulangan, dan desain individual, namun masih menghadapi beberapa tantangan – yang paling penting adalah penyertaan berbagai jenis sel dalam struktur spasial karena lingkungan hidup bersifat dinamis dan tidak statis. Penelitian ini telah berkontribusi terhadap kemajuan bioprinting 3D dan banyak hambatan yang dapat dihilangkan dengan mengikuti prinsip-prinsip mereka. Jelas bahwa keberhasilan bioprinting mempunyai beberapa aspek yang menyertainya. Aspek terpenting yang dapat memberdayakan bioprinting adalah pengembangan biomaterial yang relevan dan tepat, peningkatan resolusi pencetakan dan juga vaskularisasi agar berhasil menerapkan teknologi ini secara klinis. Tampaknya mustahil untuk 'menciptakan' organ yang berfungsi penuh dan layak untuk transplantasi manusia melalui bioprinting, namun bidang ini mengalami kemajuan pesat dan banyak perkembangan yang terjadi saat ini hanya dalam beberapa tahun. Hal ini seharusnya dapat mengatasi sebagian besar tantangan yang terkait dengan bioprinting karena para peneliti dan insinyur biomedis sudah berada di jalur menuju kesuksesan bioprinting yang kompleks.
Beberapa masalah dengan Bioprinting
Sebuah titik kritis yang diangkat di bidang pencetakan biologis adalah bahwa pada tahap ini hampir tidak mungkin untuk menguji kemanjuran dan keamanan pengobatan biologis yang 'dipersonalisasi' yang ditawarkan kepada pasien dengan menggunakan teknik ini. Selain itu, biaya yang terkait dengan perawatan tersebut merupakan masalah besar terutama dalam hal manufaktur. Meskipun sangat mungkin untuk mengembangkan organ fungsional yang dapat menggantikan organ manusia, namun demikian, saat ini belum ada cara yang pasti untuk menilai apakah tubuh pasien akan menerima jaringan baru atau organ buatan yang dihasilkan dan apakah transplantasi tersebut akan berhasil. semua.
Bioprinting adalah pasar yang berkembang dan akan fokus pada pengembangan jaringan dan organ dan mungkin dalam beberapa dekade, hasil baru akan terlihat pada pencetakan organ manusia dan pencetakan 3D. transplantasi. 3D pencetakan biologis akan terus menjadi perkembangan medis yang paling penting dan relevan dalam hidup kita.
***
Sumber (s)
Hedegaard CL 2018. Perakitan Mandiri Hirarkis Peptida-Protein yang Dipandu Secara Hidrodinamik. Materi Fungsional Tingkat Lanjut. https://doi.org/10.1002/adfm.201703716
***
