Biocetak tiga dimensi (3D) adalah pemanfaatan teknik percetakan 3D untuk menggabungkan sel, faktor pertumbuhan, dan biomaterial untuk membuat bagian biomedis yang secara maksimal meniru karakteristik jaringan alami. Secara umum, biocetak 3D menggunakan metode lapis demi lapis untuk menyimpan bahan yang dikenal sebagai biotinta untuk membuat struktur mirip jaringan yang kemudian digunakan dalam bidang teknik medis dan rekayasa jaringan. Biocetak mencakup beragam biomaterial.
Saat ini, biocetak dapat digunakan untuk mencetak jaringan dan organ untuk membantu penelitian obat dan pil. Namun, inovasi yang muncul berkisar dari biocetak sel atau matriks ekstraseluler yang diendapkan ke lapisan gel 3D demi lapis untuk menghasilkan jaringan atau organ yang diinginkan. Selain itu, biocetak 3D telah mulai menggabungkan percetakan perancah. Perancah ini dapat digunakan untuk meregenerasi sendi dan ligamen.
Proses
Biocetak 3D umumnya mengikuti tiga langkah, pra-biocetak, biocetak, dan pasca-biocetak.
Pra-biocetak
Pra-biocetak adalah proses menciptakan model yang nantinya akan dibuat oleh printer dan memilih bahan yang akan digunakan. Salah satu langkah pertama adalah mendapatkan biopsi organ. Teknologi umum yang digunakan untuk biocetak adalah computed tomography (CT) dan magnetic resonance imaging (MRI). Untuk mencetak dengan pendekatan lapis demi lapis, rekonstruksi tomografi dilakukan pada gambar. Gambar yang berupa 2D kemudian dikirim ke printer untuk dibuat. Setelah gambar dibuat, sel-sel tertentu diisolasi dan dikalikan. Sel-sel ini kemudian dicampur dengan bahan cair khusus yang menyediakan oksigen dan nutrisi lain untuk membuatnya tetap hidup. Dalam beberapa proses, sel-sel dienkapsulasi dalam bola seluler dengan diameter 500μm. Agregasi sel ini tidak memerlukan perancah, dan diperlukan untuk menempatkan dalam fusi jaringan seperti tubular untuk proses seperti ekstrusi.
Biocetak
Pada langkah kedua, campuran cairan sel, matriks, dan nutrisi yang dikenal sebagai biotinta ditempatkan dalam kartrid printer dan disimpan menggunakan scan medis pasien. Ketika pra-jaringan biocetak ditransfer ke inkubator, pra-jaringan berbasis sel ini matang menjadi sebuah jaringan.
Biocetak 3D untuk membuat konstruksi biologis biasanya melibatkan pengeluaran sel kepada perancah biokompatibel menggunakan pendekatan lapis demi lapis berturut-turut untuk menghasilkan struktur tiga dimensi seperti jaringan. Organ buatan seperti hati dan ginjal yang dibuat dengan biocetak 3D terbukti kurang memiliki unsur-unsur penting yang mempengaruhi tubuh seperti pembuluh darah yang bekerja, tubulus untuk mengumpulkan urin, dan pertumbuhan miliaran sel yang diperlukan untuk organ-organ ini. Tanpa komponen-komponen ini, tubuh tidak memiliki cara untuk mendapatkan nutrisi penting dan oksigen jauh di dalam interiornya. Karena setiap jaringan dalam tubuh secara alami terdiri dari berbagai jenis sel, banyak teknologi untuk mencetak sel-sel ini dalam kemampuannya untuk memastikan stabilitas dan kelangsungan hidup sel selama proses pembuatan. Beberapa metode yang digunakan untuk biocetak sel 3D adalah fotolitografi, biocetak magnetik, stereolitografi, dan ekstrusi sel langsung.
Pasca-biocetak
Proses pasca biocetak diperlukan untuk membuat struktur yang stabil dari bahan biologis. Jika proses ini tidak dipelihara dengan baik, integritas mekanik dan fungsi objek cetak 3D berisiko. Untuk mempertahankan objek, diperlukan stimulasi mekanis dan kimiawi. Stimulasi ini mengirimkan sinyal ke sel untuk mengontrol pemodelan ulang dan pertumbuhan jaringan. Selain itu, dalam perkembangan terakhir, teknologi bioreaktor telah memungkinkan pematangan jaringan yang cepat, vaskularisasi jaringan dan kemampuan untuk bertahan hidup dari transplantasi.
Bioreaktor bekerja dengan menyediakan transportasi nutrisi konvektif, menciptakan lingkungan gayaberat mikro, mengubah tekanan yang menyebabkan larutan mengalir melalui sel, atau menambahkan kompresi untuk pembebanan dinamis atau statis. Setiap jenis bioreaktor sangat ideal untuk berbagai jenis jaringan, misalnya bioreaktor kompresi ideal untuk jaringan tulang rawan.
Pendekatan biocetak
Para peneliti di lapangan telah mengembangkan pendekatan untuk menghasilkan organ hidup yang dibangun dengan sifat biologis dan mekanik yang sesuai. Biocetak 3D didasarkan pada tiga pendekatan utama: Biomimikri, perakitan mandiri dan blok bangunan jaringan mini.
Biomimikri
Pendekatan pertama biocetak disebut biomimikri. Tujuan utama dari pendekatan ini adalah untuk menciptakan struktur buatan yang identik dengan struktur alami yang ditemukan dalam jaringan dan organ dalam tubuh manusia. Biomimikri membutuhkan duplikasi bentuk, kerangka kerja, dan lingkungan mikro organ dan jaringan. Aplikasi biomimikri dalam biocetak melibatkan pembuatan bagian seluler dan ekstraseluler yang identik. Agar pendekatan ini berhasil, jaringan harus direplikasi pada skala mikro. Oleh karena itu, perlu untuk memahami lingkungan mikro, sifat kekuatan biologis dalam lingkungan mikro ini, organisasi yang tepat dari jenis sel fungsional dan pendukung, faktor kelarutan, dan komposisi matriks ekstraseluler.
Perakitan mandiri otonom
Pendekatan kedua dari biocetak adalah perakitan mandiri otonom. Pendekatan ini bergantung pada proses fisik perkembangan organ embrionik sebagai model untuk mereplikasi jaringan yang diinginkan. Ketika sel dalam tahap pengembangan awal, sel akan membuat blok pembangun matriks ekstraselulernya sendiri, pensinyalan sel yang tepat, dan pengaturan dan pola independen untuk menyediakan fungsi biologis dan arsitektur mikro yang diperlukan. Perakitan mandiri otonom menuntut informasi spesifik tentang teknik perkembangan jaringan dan organ embrio. Ada model "bebas perancah" yang menggunakan bola perakitan mandiri yang mengalami fusi dan pengaturan sel menyerupai jaringan yang berkembang. Perakitan mandiri otonom bergantung pada sel sebagai pendorong dasar histogenesis serta memandu blok bangunan, sifat struktural, dan fungsional jaringan ini. Hal ini menuntut pemahaman yang lebih dalam tentang bagaimana mekanisme jaringan embrio berkembang serta lingkungan mikro yang dikelilingi untuk menciptakan jaringan yang dicetak.
Jaringan mini
Pendekatan ketiga dari biocetak adalah kombinasi dari pendekatan biomimikri dan perakitan mandiri, yang disebut jaringan mini. Organ dan jaringan dibangun dari komponen fungsional yang sangat kecil. Pendekatan jaringan mini mengambil potongan-potongan kecil ini dan memproduksi dan mengaturnya menjadi kerangka yang lebih besar.
Printer
Mirip dengan printer tinta biasa, bioprinter memiliki tiga komponen utama. Komponen tersebut yaitu perangkat keras yang digunakan, jenis bio-tinta, dan bahan yang digunakan untuk mencetak (biomaterial). "Bio-tinta adalah bahan yang terbuat dari sel-sel hidup yang berperilaku seperti cairan, memungkinkan orang untuk" mencetaknya "untuk membuat bentuk yang diinginkan. Untuk membuat bio-tinta, para ilmuwan membuat bubur sel yang dapat dimasukkan ke dalam kartrid dan dimasukkan ke dalam printer yang dirancang khusus, bersama dengan kartrid lain yang berisi gel yang dikenal sebagai bio-kertas".
Dalam biocetak, ada tiga jenis printer utama yang telah digunakan. Ini adalah printer inkjet, terbantu-laser, dan ekstrusi. Printer inkjet terutama digunakan dalam biocetak untuk produk skala besar dan cepat. Salah satu jenis printer inkjet, disebut printer inkjet drop-on-demand, mencetak bahan dalam jumlah yang tepat, meminimalkan biaya dan pemborosan. Printer yang menggunakan laser menyediakan percetakan resolusi tinggi; Namun, printer ini sering kali mahal. Printer ekstrusi mencetak sel lapis demi lapis, seperti halnya percetakan 3D untuk membuat konstruksi 3D. Selain sel, printer ekstrusi juga dapat menggunakan hidrogel yang diinfuskan dengan sel.
Aplikasi
Ada beberapa aplikasi untuk biocetak 3D di bidang medis. Seorang pasien bayi dengan penyakit pernapasan langka yang dikenal sebagai Tracheobronchomalacia (TBM) diberi belat trakea yang dibuat dengan percetakan 3D. Biocetak 3D dapat digunakan untuk merekonstruksi jaringan dari berbagai wilayah tubuh. Pasien dengan penyakit kandung kemih stadium akhir dapat diobati dengan menggunakan jaringan kandung kemih yang direkayasa untuk membangun kembali organ yang rusak. Teknologi ini juga berpotensi diterapkan pada tulang, kulit, tulang rawan, dan jaringan otot. Meskipun ada beberapa contoh rekayasa jaringan menggunakan teknologi biocetak 3D dan tujuan akhir merekonstruksi jaringan adalah merekonstruksi seluruh organ, hanya sedikit keberhasilan dalam mencetak organ yang berfungsi penuh karena ketidakefisienan prosedur medis yang diperlukan dalam proses tersebut. Peneliti Israel membangun jantung seukuran kelinci dari sel manusia pada tahun 2019.
Dampak
Biocetak 3D berkontribusi pada kemajuan signifikan di bidang medis rekayasa jaringan dengan memungkinkan penelitian dilakukan pada bahan inovatif yang disebut biomaterial. Biomaterial adalah bahan yang diadaptasi dan digunakan untuk mencetak objek tiga dimensi. Beberapa zat terekayasa yang paling terkenal biasanya lebih kuat daripada bahan tubuh rata-rata, termasuk jaringan lunak dan tulang. Konstituen ini dapat bertindak sebagai pengganti di masa depan, bahkan perbaikan, untuk bahan tubuh asli. Alginat misalnya, adalah polimer anionik dengan banyak implikasi biomedis termasuk kelayakan, biokompatibilitas yang kuat, toksisitas rendah, dan kemampuan struktural yang lebih kuat dibandingkan dengan beberapa bahan struktural tubuh. Hidrogel sintetik juga merupakan hal biasa, termasuk gel berbasis PV. Kombinasi asam dengan cross-linker berbasis-UV yang diprakarsai UV telah dievaluasi oleh Wake Forest Institute of Medicine dan ditentukan sebagai biomaterial yang cocok. Insinyur juga mengeksplorasi opsi lain seperti mencetak saluran mikro yang dapat memaksimalkan difusi nutrisi dan oksigen dari jaringan tetangga Selain itu, Badan Pengurangan Ancaman Pertahanan bertujuan untuk mencetak organ mini seperti hati, hati, dan paru-paru sebagai potensi untuk menguji obat baru lebih akurat dan mungkin menghilangkan kebutuhan untuk pengujian pada hewan.