Penjelasan Bioprinting 3D:Definisi, Sejarah, Mekanisme, dan Jenis Kunci

Bioprinting 3D mewakili sekelompok teknologi tahap awal. Bidang penelitian ini mengkaji penggunaan bahan biologis dalam pencetakan implan fungsional dan perangkat uji yang mensimulasikan, menstimulasi, atau mereplikasi jaringan nyata, baik untuk implan pasien atau alat penelitian. Meskipun teknologi ini masih berada pada tahap awal, teknologi ini menjanjikan perubahan paradigma dalam intervensi medis yang memiliki implikasi dramatis dan luas.

Artikel ini akan membahas:Apa itu bioprinting 3D? , sejarahnya, cara kerjanya, dan jenisnya.

Apa yang Dimaksud dengan Bioprinting 3D?

Bioprinting 3D adalah penggunaan bahan biologis dan biofungsional dalam pembuatan aditif. Printer yang sangat spesialis digunakan untuk membuat struktur 3D yang terbuat dari bahan biologis ini. Beberapa contohnya adalah:sel hidup, kerangka bioaktif atau bahan perancah, dan biomolekul. Prosesnya menggunakan metode pencetakan 3D yang khas untuk menyimpan bahan biologis secara berlapis, sehingga menghasilkan konstruksi tiruan, kerangka, dan pengganti biologis untuk beragam tujuan medis.

Tujuan dari bioprinting 3D ini adalah pembuatan konstruksi jaringan kompleks yang sangat fungsional dan akhirnya organ. Ini digunakan untuk tujuan medis seperti implantasi pasien, pengujian obat, dan pemodelan patologi. Teknologi ini saat ini beroperasi pada tingkat yang cukup primitif. Namun, dalam hal fungsi jaringan, kemajuan penelitian menunjukkan bahwa hal ini akan merevolusi layanan kesehatan dengan memungkinkan pembuatan organ khusus yang secara fungsional serupa (atau lebih baik dari) jaringan alami yang ditirunya.

Kapan Bioprinting 3D Dimulai?

Tidak ada satu momen pun ketika teknologi dan penelitian yang menghasilkan bioprinting 3D tiba-tiba menjadi solusi bagi pasien. Namun, beberapa peristiwa penting menonjol dalam menentukan dasar-dasar teknologi ini. Gabor Forgacs mengamati bahwa sel dapat disusun menjadi struktur spasial “baru” dan sel-sel tersebut akan menggabungkan dan mempertahankan struktur tersebut tanpa batas waktu. Pemahaman ini kemudian menjadi kunci dalam konstruksi 3D struktur biologis, karena mengajarkan bahwa struktur tersebut dapat diinduksi untuk mempertahankan bentuknya.

Bahan biokompatibel mulai digunakan dalam solusi perawatan kesehatan regeneratif sekitar tahun 2000. Hal ini mengarah langsung pada pembangunan perancah spasial, yang dikembangkan di Universitas Wake Forest. Perancah dikolonisasi dengan sel pasien yang dikultur, dan ditanamkan tanpa obat penolakan atau imunosupresi. Hal ini terbukti stabil dalam jangka panjang. Pada tahun 2002, teknologi bio-ekstrusi dilaporkan oleh Landers, dan dikomersialkan sebagai “3D-Bioplotter”. Wilson dan Boland menggunakan printer inkjet HP yang dimodifikasi sebagai bioprinter pada tahun 2003 dan kemudian pada tahun 2004 mengembangkan bioprinting bermuatan sel dengan printer SLA komersial yang membuat perancah.

Bagaimana Cara Kerja Bioprinting 3D?

Proses bioprinting 3D umumnya terdiri dari langkah-langkah berikut:

1. Membuat desain 3D dari jaringan atau organ yang akan dicetak. Alat seperti BioPrint Pro dari Allevi 3D berkembang pesat.
2. Pilih bio-tinta yang ideal. Bahan yang digunakan dalam pencetakan 3D mengandung bahan seperti:protein dan faktor pertumbuhan dalam resin biokompatibel yang difoto. Ini adalah bahan siap pakai, siap untuk mencetak peralatan bioprinter SLA yang tidak sesuai. Sebelum dicetak, organ tersebut harus diinfus dengan sel pasien yang dikultur yang akan distimulasi untuk “menumbuhkan” organ tersebut.
3. Bioprinter membuat model sesuai desain, memprosesnya melalui perangkat lunak pemotong standar. Bio-tinta diformulasikan untuk berbagai metode produksi, seperti ekstrusi, inkjet, dan pencetakan SLA. Tinta bio yang disimpan menyatu untuk membentuk struktur berpori, siap untuk pematangan sel.
4. Struktur cetakan diubah menjadi bentuk yang lebih stabil dan bertautan silang melalui berbagai proses, disesuaikan dengan jenis tinta bio tertentu.
5. Setelah ikatan silang, bahan cetakan diinkubasi dalam bioreaktor. Jaringan/organ yang dicetak akan diperlakukan sebagai makhluk hidup dalam proses ini, untuk mengoptimalkan perkembangannya.

Untuk informasi lebih lanjut, lihat panduan kami tentang Cara Kerja Printer 3D.

Apa Pentingnya Bioprinting 3D?

Meningkatnya penggunaan bioprinting di semua bidang perawatan pasien, pengembangan obat, dan penelitian adalah hasil dari pengembangan perangkat yang semakin canggih. Ini adalah tahap awal dari apa yang kemungkinan besar akan menjadi pembuatan jaringan dan organ pengganti penuh. Kemampuan untuk membuat organ baru untuk implan bedah hampir merevolusi seluruh sektor medis. Hal ini memungkinkan perawatan pasien dengan jaringan pasien yang diinduksi untuk menghasilkan transplantasi yang baru, sempurna, dan “nyata” dengan sedikit atau tanpa risiko penolakan. Gambar 1 adalah contoh organ bioprint:

Organ bioprint 3D.

Kredit Gambar:Shutterstock.com/guteksk7

Apa Tujuan Bioprinting 3D?

Bioprinting adalah proses memberikan perancah yang siap diinkubasi dan berisi sel pasien yang dapat diinkubasi dan dipelihara untuk menjadi organ pengganti. Ini merupakan langkah kunci yang tak tergantikan dalam menyediakan jaringan dan organ yang siap ditransplantasikan kepada pasien, sehingga sistem kekebalan pasien akan mengenalinya sebagai “dirinya sendiri”. 

Apa Saja Jenis-Jenis Bioprinting 3D?

Bioprinting telah berkembang menjadi tiga rangkaian berbeda, yang masing-masing memiliki kesulitan dan manfaatnya sendiri:

1. Bioprinting berbasis inkjet

Bioprinting berbasis inkjet menggunakan pencetakan inkjet yang dimodifikasi secara khusus untuk menempatkan sel hidup dan biomaterial ke dalam konstruksi 3D stereolitografik untuk membangun struktur biologis—jaringan dan organ. Kepala cetak mengeluarkan tinta bio yang berisi sel pasien dan media pendukung biologis, menghasilkan “gambar” setiap irisan dalam desain 3D, yang dibuat di lapisan sebelumnya. Tinta bio ini mengandung elemen yang diawetkan dengan sinar UV atau diperkeras dengan panas yang mengintegrasikan dan mengikat setiap lapisan ke lapisan di bawahnya. Dengan cara ini, jaringan yang dirancang ditata menjadi struktur 3D yang kemudian dapat diinkubasi hingga matang.

Bioprinting berbasis inkjet memiliki resolusi tinggi, kecepatan tinggi, dan cocok untuk menerapkan beberapa jenis sel atau biomaterial dalam satu cetakan. Meskipun masih jauh dari arus utama, teknologi ini merupakan metode eksperimental utama dalam rekayasa jaringan untuk pengobatan regeneratif dan implan serta pengujian obat.

2. Bioprinting Berbantuan Tekanan

Bioprinting berbantuan tekanan menggunakan pengiriman tetesan halus bio-tinta yang digerakkan secara pneumatik atau hidrolik ke platform pembangunan. Ini membangun jaringan seperti yang dirancang, dalam proses lapis demi lapis. Ketika lapisan bio-tinta diendapkan, lapisan tersebut disembuhkan melalui paparan sinar ultraviolet atau perubahan suhu. Proses ini membantu membuat struktur integral yang dapat diinkubasi untuk mematangkan jaringan siap pakai pasien (atau uji penelitian). Proses ini lebih sederhana dalam banyak hal dibandingkan alternatif lainnya. Hal ini memungkinkan penempatan sel campuran, untuk meniru jaringan nyata lebih dekat. Resolusinya lebih rendah, karena berbasis tetesan ekstrusi. Dalam banyak kasus, hal ini merupakan kerugian kecil dibandingkan metode konstruksi jaringan yang kuat.

3. Bioprinting Berbantuan Laser

Bioprinting berbantuan laser menggunakan laser untuk mentransfer dan menyimpan sel hidup atau biomaterial secara tepat ke dalam platform pembangunan. Ini menciptakan struktur biologis 3D yang diinginkan, seperti jaringan dan organ. Sinar laser menguapkan material substrat pada pita transfer berisi tinta bio. Hal ini menyebabkan media menguap dan mengeluarkan bio-ink ke dalam build. Ini menyimpan tetesan bio-tinta yang tepat ke dalam lapisan demi lapisan untuk menciptakan struktur 3D yang diinginkan. Ini adalah simulasi pencetakan bubble jet.

Bioprinting berbasis laser menawarkan berbagai keunggulan dibandingkan teknik pencetakan 3D lainnya, termasuk kontrol presisi tinggi atas penempatan sel, kemampuan mencetak dengan resolusi tinggi, dan kemampuan menggunakan berbagai biomaterial, termasuk biomaterial dengan komposisi yang lebih kompleks. Kekuatan laser yang berlebihan dapat mengakibatkan kerusakan sel, dan teknik ini tidak dilengkapi dengan peralatan yang memadai untuk menghasilkan kepadatan sel yang tinggi.

Apa Saja Pendekatan Bioprinting 3D yang Berbeda?

Berbagai pendekatan bioprinting 3D tercantum di bawah ini:

1. Biomimikri

Biomimikri menggunakan proses dan bahan jaringan alami untuk memecahkan masalah bioprinting struktural dan fungsional. Biomimikri dapat menciptakan metode yang lebih efektif untuk menghasilkan jaringan dan organ biologis yang serupa. Penggunaan bahan matriks ekstraseluler alami (ECM) untuk membuat perancah untuk rekayasa jaringan adalah salah satu bentuk biomimikri. ECM memberikan dukungan struktural pada sel. Menggunakan bahan ECM alami seperti kolagen dan asam hialuronat dapat meningkatkan integritas struktural dan fungsionalitas hasil jaringan cetakan.

Menggunakan tinta bio yang mengandung bahan non-alami yang meniru sifat jaringan alami, seperti kekakuan, elastisitas, dan daya rekat sel, dapat membantu menciptakan jaringan cetakan yang berfungsi lebih baik. Beberapa peneliti sedang mengeksplorasi metode pencetakan 3D yang meniru cara laba-laba memintal jaring untuk menciptakan sifat kompleks dan lebih khas alam dalam struktur biologis yang dicetak.

2. Majelis Mandiri Otonom

Perakitan mandiri yang otonom berupaya memungkinkan sel untuk mengatur dirinya sendiri dan membentuk struktur yang diperlukan tanpa memerlukan manipulasi/penempatan langsung. Pendekatan ini berupaya meniru cara sel berkumpul secara alami, dalam pertumbuhan jaringan normal. Sel pasien dicampur dengan bio-tinta yang mengandung bahan gel yang dapat dibentuk menjadi bentuk yang diinginkan. Sel dan bio-tinta kemudian diinkubasi untuk memungkinkan terjadinya pengorganisasian mandiri. Hal ini membentuk struktur jaringan atau organ yang lebih dekat dengan alam. Pendekatan ini berbeda dengan metode bioprinting tradisional, di mana sel ditempatkan secara tepat dalam pola yang telah ditentukan untuk membuat struktur.

Bioprinting yang dapat dirakit sendiri secara otonom memiliki keuntungan besar dibandingkan bioprinting tradisional jika dapat dicapai secara berulang dan dapat diprediksi. Misalnya, memungkinkan terciptanya struktur jaringan yang lebih kompleks dan realistis dengan memobilisasi proses perkembangan-morfogenetik. Menghilangkan kebutuhan akan manipulasi eksternal mengurangi kerusakan sel yang dapat menjadi penghalang dalam bioprinting.

Para peneliti sedang mengembangkan bahan dan teknik baru untuk memandu proses perakitan mandiri yang alami dan intrinsik, untuk memberikan hasil yang lebih alami dan berfungsi lebih tinggi. Ini mungkin merupakan bidang penelitian paling signifikan dalam bioprinting, karena berpotensi membawa revolusi lain dalam rekayasa jaringan dan pengobatan regeneratif.

3. Tisu Mini

Jaringan mini (atau jaringan mikro) adalah struktur seluler tiga dimensi yang terbatas. Ini digunakan dalam penemuan obat, pengujian toksisitas, dan rekayasa jaringan—dan khususnya bukan sebagai implan pasien. Mereka dicetak dengan metode yang umum digunakan:tinta bio normal yang dicampur dengan sel hidup. Pembuatan jaringan mini menawarkan keunggulan dibandingkan kultur sel cawan Petri 2D tradisional yang biasanya digunakan. Dengan meniru lebih dekat kompleksitas jaringan alami, mereka menawarkan hasil yang lebih realistis untuk pengujian obat dan skrining toksisitas. Para peneliti berharap dapat merakit jaringan dan organ yang lebih besar yang berpotensi digunakan sebagai implan pada pasien dengan mencetak elemen-elemen kecil.

Apa Langkah-Langkah Proses Bioprinting 3D?

Bioprinting merupakan proses yang membutuhkan ketelitian dan kontrol yang tinggi dalam segala hal. Setiap langkah di bawah ini merupakan bidang penelitian intensif, karena teknik dan bahan alternatif terus dikembangkan:

1. Pra-Bioprinting

Proses pra-bioprinting terdiri dari berbagai langkah yang semuanya harus benar-benar tepat—margin varian dan kesalahan minimal jika hasilnya adalah struktur jaringan yang bermanfaat. Langkah pertama adalah membuat konsep dan menentukan struktur yang diinginkan. Hal ini akan menentukan bentuk, ukuran, dan sifat fisik umum jaringan serta jenis sel dan bahan pendukung/nutrisi yang akan digunakan. Setelah garis besar struktur ditentukan, alat CAD khusus digunakan untuk membuat model struktur 3D yang sangat detail. Bio-tinta yang sesuai kemudian dipilih atau dibuat, mengandung campuran struktural, pengerasan, dan nutrisi yang sesuai untuk jaringan yang akan ditumbuhkan. Seleksi dan budidaya sel secara in vitro adalah langkah yang paling rumit, yang melibatkan inkubasi dan mendorong reproduksi sel dalam media kultur dalam kondisi yang dikontrol ketat, untuk memastikan kelangsungan hidup dan kecukupannya.

2. Biocetak

Bioprinting adalah langkah realisasi akhir yang mengambil pekerjaan dasar dan membangun sampel jaringan yang diperlukan. Ini siap untuk inkubasi dan rencana penggunaan untuk evaluasi obat, pengujian toksisitas, atau implan pasien. Sampel jaringan dibuat dengan metode stereolitografi atau dengan pengorganisasian mandiri yang dirancang ke dalam rencana.

3. Pasca-Bioprinting

Setelah bioprinting, terdapat berbagai langkah pemrosesan penting yang memastikan fungsi dan kelangsungan jaringan yang dibangun. Pertama, bahan matriks yang dicetak harus dihubungkan secara silang untuk menciptakan struktur yang kuat dan stabil. Berbagai metode tersedia, biasanya pengobatan UV, perlakuan panas, dan bahan kimia yang diaplikasikan secara eksternal. Pematangan/inkubasi kemudian memungkinkan sel membelah dan berdiferensiasi. Kondisi lingkungan yang dikontrol secara ketat diperlukan agar hal ini dapat berlangsung. Selama pematangan, dan setelah matang, kelangsungan hidup sel dinilai untuk memastikan sel menjalankan fungsi yang diharapkan. Setelah matang, jaringan yang dibangun dikarakterisasi untuk menentukan karakter fisik, biologis, dan biokimia. Proses ini menggunakan teknik seperti histologi atau imunohistokimia untuk menilai perilaku jaringan. Terakhir, jaringan bioprint akan diuji untuk memastikannya berfungsi sesuai harapan. Tersedia berbagai macam tes yang disesuaikan untuk jenis jaringan tertentu.

Apa Saja Penerapan Bioprinting 3D?

Bioprinting memiliki daftar aplikasi yang terus bertambah, namun fungsi utama yang dimilikinya saat ini tercantum di bawah:

1. Penilaian kinerja obat dan reaksi merugikan.
2. Tes toksikologi.
3. Implan pasien.

Apa Manfaat Bioprinting 3D?

Bioprinting adalah serangkaian teknik canggih yang memungkinkan kemampuan yang semakin canggih di sebagian besar bidang layanan kesehatan pasien, pengembangan obat, lingkungan, dan pengujian toksisitas. Di bawah ini tercantum beberapa manfaatnya:

1. Memungkinkan pembuatan struktur jaringan kompleks secara presisi.
2. Dapat digunakan untuk membuat model organ 3D untuk pengujian obat. Hal ini memungkinkan pengujian formulasi obat yang lebih cepat dan tidak dibatasi etika.
3. Mengurangi kebutuhan pengujian pada hewan.
4. Dapat membuat implan khusus, disesuaikan dengan kebutuhan pasien tertentu.
5. Dapat membangun jaringan dan organ hidup untuk transplantasi, meskipun kapasitas ini masih terbatas pada struktur sederhana. Ini akan dibuat dari sel pasien, sehingga penolakannya minimal.

Apa Keterbatasan Bioprinting 3D?

Bioprinting memiliki keterbatasan parah yang menjadi subjek penelitian ekstensif, termasuk:

1. Saat ini tidak dapat mencetak jaringan dan organ kompleks dengan berbagai jenis sel, pembuluh darah, dan saraf.
2. Bahan bioprinting mahal dan sulit diproduksi.
3. Mekanisme proses pencetakan sering kali merusak atau menghancurkan sel. Hal ini membatasi kelangsungan hidup jaringan yang dicetak.
4. Masih merupakan teknologi berbasis laboratorium yang mahal dan intensif. Ini menggunakan peralatan yang mahal dan membutuhkan keterampilan yang luar biasa.
5. Masih belum ada standar atau pedoman yang diterima secara luas. Penilaian hasil antara metode dan kelompok penelitian merupakan hal yang menantang.

Bagaimana Bioprinting 3D Mendorong Inovasi dalam Industri Medis?

Bioprinting dirancang untuk menjadi alat bedah regeneratif utama untuk berbagai penyakit degeneratif dan kondisi fisiologis. Mencetak jantung baru yang berfungsi untuk menggantikan jantung pasien yang rusak masih merupakan sebuah prospek yang jauh, namun landasan awal telah ada. Saat ini, bioprinting memperpendek dan mengurangi biaya evaluasi obat dan siklus sertifikasi. Hal ini mengurangi hambatan masuk pasar untuk obat-obatan baru.

Jenis Pencetakan 3D Apa itu Bioprinting?

Bioprinting umumnya didasarkan pada metode stereolitografi, membangun jaringan lapis demi lapis dari file 3D. Revolusi berikutnya kemungkinan besar akan mengarahkan hal ini ke arah pengorganisasian mandiri, setidaknya dalam distribusi dan penentuan posisi seluler.

Untuk mempelajari lebih lanjut, lihat panduan lengkap kami tentang 8 Jenis Proses Pencetakan 3D.

Apakah Pencetakan 3D dan Bioprinting 3D Itu Sama?

Tidak, pencetakan 3D dan bioprinting 3D tidak sama, namun ada kesamaannya. Beberapa alat yang digunakan dalam bioprinting dapat dipertukarkan dengan alat yang digunakan dalam sektor pembuatan prototipe cepat. Namun, perbedaan antara kedua sektor ini jelas dan diperkirakan akan meningkat dengan cepat. Bioprinting dengan cepat melampaui batasan kompleksitas sektor pembuatan prototipe cepat, karena para peneliti berupaya menghasilkan hasil yang lebih kompleks dan berfungsi lebih tinggi.

Ringkasan

Artikel ini menyajikan bioprinting 3D, menjelaskannya, dan membahas berbagai jenis dan aplikasinya. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang pencetakan 3D di industri lain, hubungi perwakilan Xometry.

Xometry menyediakan berbagai kemampuan manufaktur, termasuk pencetakan 3D dan layanan bernilai tambah lainnya untuk semua kebutuhan pembuatan prototipe dan produksi Anda. Kunjungi situs web kami untuk mempelajari lebih lanjut atau meminta penawaran gratis tanpa kewajiban.

Penafian

Konten yang muncul di halaman web ini hanya untuk tujuan informasi. Xometry tidak membuat pernyataan atau jaminan apa pun, baik tersurat maupun tersirat, mengenai keakuratan, kelengkapan, atau validitas informasi. Parameter kinerja apa pun, toleransi geometrik, fitur desain spesifik, kualitas dan jenis bahan, atau proses tidak boleh dianggap mewakili apa yang akan dikirimkan oleh pemasok atau produsen pihak ketiga melalui jaringan Xometry. Pembeli yang mencari penawaran suku cadang bertanggung jawab untuk menentukan persyaratan khusus untuk suku cadang tersebut. Silakan lihat syarat dan ketentuan kami untuk informasi lebih lanjut.

Dekan McClements

Dean McClements adalah lulusan B.Eng Honors di bidang Teknik Mesin dengan pengalaman lebih dari dua dekade di industri manufaktur. Perjalanan profesionalnya mencakup peran penting di perusahaan terkemuka seperti Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace, dan Hyster-Yale, tempat ia mengembangkan pemahaman mendalam tentang proses teknik dan inovasi.

Baca lebih banyak artikel oleh Dean McClements