Organ yang dapat dicetak adalah perangkat yang dibuat secara artifisial yang dirancang untuk penggantian organ dan diproduksi menggunakan teknik percetakan 3D. Penggunaan utama dari organ yang dapat dicetak adalah dalam transplantasi. Penelitian saat ini sedang dilakukan pada struktur jantung, ginjal, dan hati buatan, serta organ utama lainnya. Untuk organ yang lebih rumit, seperti jantung, konstruksi yang lebih kecil seperti katup jantung juga telah menjadi subjek penelitian. Beberapa organ yang dicetak mendekati persyaratan fungsionalitas untuk implementasi klinis, dan terutama mencakup struktur berlubang seperti kandung kemih, serta struktur pembuluh darah seperti tabung urin.
Percetakan 3D memungkinkan konstruksi lapis demi lapis struktur organ tertentu untuk membentuk perancah sel. Ini dapat diikuti oleh proses pembenihan sel, yang mana sel-sel yang menarik disalurkan langsung ke struktur perancah. Selain itu, proses mengintegrasikan sel ke dalam materi yang dapat dicetak, alih-alih melakukan penyemaian setelahnya telah dieksplorasi.
Printer inkjet yang dimodifikasi telah digunakan untuk menghasilkan jaringan biologis tiga dimensi. Kartrid printer diisi dengan suspensi sel hidup dan gel pintar, yang digunakan untuk menyediakan struktur. Pola sel-sel cerdas dan sel-sel hidup yang bergantian dicetak menggunakan nozzle percetakan standar, dengan sel-sel yang akhirnya bergabung bersama untuk membentuk jaringan. Ketika selesai, gel didinginkan dan dicuci, hanya menyisakan sel-sel hidup.
Sejarah
Percetakan 3D untuk menghasilkan konstruksi seluler pertama kali diperkenalkan pada tahun 2003, ketika Thomas Boland dari Universitas Clemson mematenkan penggunaan percetakan inkjet untuk sel. Proses ini menggunakan sistem pembercakan yang dimodifikasi untuk pengendapan sel ke dalam matriks 3D terorganisasi yang ditempatkan pada substrat.
Sejak penemuan awal Boland, percetakan 3D dari struktur biologis yang juga dikenal sebagai biocetak, telah dikembangkan lebih lanjut untuk mencakup produksi jaringan dan struktur organ, yang bertentangan dengan matriks sel. Selain itu, lebih banyak teknik untuk percetakan, seperti biocetak ekstrusi yang telah diteliti dan kemudian diperkenalkan sebagai alat produksi.
Percetakan organ telah didekati sebagai solusi potensial untuk kekurangan global akan donasi organ. Organ-organ yang telah berhasil dicetak dan diimplementasikan dalam pengaturan klinis dapat berbentuk datar, seperti kulit, pembuluh darah, seperti pembuluh darah, atau berlubang, seperti kandung kemih. Ketika organ buatan disiapkan untuk transplantasi, organ tersebut sering diproduksi dengan sel-sel dari penerima sendiri.
Organ yang lebih kompleks, yaitu organ yang terdiri dari struktur seluler padat, sedang menjalani penelitian; organ-organ ini termasuk jantung, pankreas, dan ginjal. Perkiraan kapan organ tersebut dapat diperkenalkan sebagai perawatan medis yang layak bervariasi. Pada 2013, perusahaan Organovo memproduksi hati manusia menggunakan biocetak 3D, meskipun tidak cocok untuk transplantasi, dan terutama digunakan sebagai media untuk pengujian obat. Pada tahun 2018, dokter dari Belfast mentransplantasikan replika ginjal yang dicetak 3D.
Teknik percetakan 3D
Percetakan 3D untuk pembuatan organ buatan telah menjadi topik utama studi dalam rekayasa biologi. Karena teknik pembuatan cepat yang disyaratkan oleh percetakan 3D menjadi semakin efisien, penerapannya dalam sintesis organ buatan telah menjadi semakin jelas. Beberapa manfaat utama dari percetakan 3D terletak pada kemampuannya struktur perancah yang diproduksi secara massal, serta tingkat presisi anatomi yang tinggi dalam produk perancah. Ini memungkinkan terciptanya konstruksi yang lebih efektif menyerupai struktur mikro organ alami atau struktur jaringan.
percetakan organ menggunakan percetakan 3D dapat dilakukan dengan menggunakan berbagai teknik, yang masing-masing memberikan keuntungan spesifik yang dapat disesuaikan dengan jenis produksi organ tertentu. Dua jenis percetakan organ yang paling menonjol adalah biocetak berbasis tetes dan biocetak ekstrusi. Banyak yang lain ada, meskipun tidak seperti yang biasa digunakan, atau masih dalam pengembangan.
Biocetak berbasis tetesan (Inkjet)
Biocetak berbasis tetesan menciptakan konstruksi seluler menggunakan tetesan individu dari bahan yang ditunjuk, yang seringkali dikombinasikan dengan garis sel. Setelah kontak dengan permukaan substrat, setiap tetesan mulai mempolimerisasi, membentuk struktur yang lebih besar ketika tetesan individu mulai menyatu. Polimerisasi dihasut oleh kehadiran ion kalsium pada substrat, yang berdifusi ke dalam bioink cair dan memungkinkan pembentukan gel padat. Biocetak berbasis tetesan umumnya digunakan karena kecepatannya yang efisien, meskipun aspek ini membuatnya kurang cocok untuk struktur organ yang lebih rumit.
Biocetak ekstrusi
Biocetak ekstrusi melibatkan deposisi konstan bahan cetak tertentu dan garis sel dari ekstruder, sejenis kepala cetak bergerak. Ini cenderung menjadi proses yang lebih terkontrol dan lebih lembut untuk deposisi bahan atau sel, dan memungkinkan kepadatan sel yang lebih besar untuk digunakan dalam konstruksi jaringan 3D atau struktur organ. Namun, manfaat tersebut diatur kembali oleh kecepatan percetakan yang lebih lambat karena teknik ini. Biocetak ekstrusi sering digabungkan dengan sinar UV, yang memfotopolimerisasi bahan cetakan untuk membentuk konstruksi yang lebih stabil dan terintegrasi.
Bahan cetak
Bahan untuk percetakan 3D biasanya terdiri dari polimer alginat atau fibrin yang telah diintegrasikan dengan molekul adhesi seluler, yang mendukung perlekatan fisik sel. Polimer semacam itu dirancang khusus untuk menjaga stabilitas struktural dan menerima integrasi seluler. Istilah "bioink" telah digunakan sebagai klasifikasi luas bahan yang kompatibel dengan biocetak 3D.
Bahan-bahan cetak harus sesuai dengan spektrum kriteria yang luas, salah satu yang terpenting adalah biokompatibilitas. Perancah yang dihasilkan dibentuk oleh bahan cetak 3D harus secara fisik dan kimia sesuai untuk proliferasi sel. Biodegradabilitas adalah faktor penting lainnya, dan memastikan bahwa struktur yang terbentuk secara artifisial dapat dihancurkan setelah transplantasi berhasil, untuk digantikan oleh struktur seluler yang sepenuhnya alami. Karena sifat percetakan 3D, bahan yang digunakan harus dapat disesuaikan dan disesuaikan, disesuaikan dengan beragam jenis sel dan konformasi struktural.
Hidrogel alginat telah muncul sebagai salah satu bahan yang paling umum digunakan dalam penelitian percetakan organ, karena sangat dapat disesuaikan, dan dapat disesuaikan untuk mensimulasikan sifat mekanik dan biologis tertentu yang menjadi ciri khas jaringan alami. Kemampuan hidrogel untuk disesuaikan dengan kebutuhan spesifik memungkinkannya digunakan sebagai bahan perancah yang dapat disesuaikan, yang cocok untuk berbagai struktur jaringan atau organ dan kondisi fisiologis. Tantangan utama dalam penggunaan alginat adalah kestabilannya dan degradasi yang lambat, yang menyulitkan perancah gel buatan untuk diurai dan diganti dengan matriks ekstraseluler sel yang ditanamkan sendiri. Hidrogel alginat yang cocok untuk percetakan ekstrusi juga sering kurang berstruktur dan mekanis; Namun, masalah ini dapat dimediasi oleh penggabungan biopolimer lain, seperti nanoselulosa, untuk memberikan stabilitas yang lebih besar. Sifat-sifat bioink alginat atau campuran-polimer dapat merdu dan dapat diubah untuk aplikasi dan jenis organ yang berbeda.
Struktur organ
Vaskularisasi
Transfer nutrisi dan oksigen ke sel-sel di seluruh organ yang dicetak sangat penting untuk fungsinya. Dalam jaringan yang sangat kecil atau tipis dengan ketebalan kurang dari satu milimeter, sel dapat menerima nutrisi melalui difusi. Namun, organ yang lebih besar membutuhkan pengangkutan nutrisi ke sel-sel yang lebih dalam di dalam jaringan mengharuskan jaringan untukdivaskularisasikan, dan dengan demikian dapat menerima darah untuk pertukaran zat seperti oksigen dan limbah sel. Teknik percetakan organ awal menciptakan jaringan padat yang tidak dapat melakukan vaskularisasi, atau hanya mengalami vaskularisasi secara perlahan ketika pembuluh darah inang memasuki transplantasi, yang mengarah ke masalah seperti nekrosis di dalam jaringan yang dapat mengancam kesehatan dan keberhasilan pemulihan penerima transplantasi. Teknik yang lebih baru dikembangkan memungkinkan organ tercetak dibuat dengan struktur 3D yang lebih kompleks, termasuk pembuluh darah internal yang sudah ada sebelumnya, yang memungkinkan integrasi yang lebih cepat dari transplantasi ke dalam sistem sirkulasi inangnya. Ada beberapa teknik untuk membuat sistem vaskular yang saat ini sedang dikembangkan. Salah satu metode adalah percetakan ekstrusi yang terpisah dari pembuluh yang kemudian dimasukkan ke dalam jaringan yang lebih besar. Metode lain adalah percetakan korban, di mana seluruh jaringan dicetak sekaligus, dan bioink yang dapat dilarutkan atau dilepas digunakan untuk membentuk bagian dalam pembuluh. Setelah scaffolding pengorbanan ini dihapus, biasanya dengan metode kimia atau termal, sisa jaringan kemudian akan mengandung pola vaskular.
Sumber sel
Penciptaan organ lengkap seringkali membutuhkan penggabungan berbagai jenis sel yang berbeda, diatur dengan cara yang berbeda dan berpola. Salah satu keuntungan organ yang dicetak 3D, dibandingkan dengan transplantasi tradisional, adalah potensi untuk menggunakan sel yang berasal dari pasien untuk membuat organ baru. Ini secara signifikan mengurangi kemungkinan penolakan transplantasi, dan dapat menghilangkan kebutuhan akan obat-obatan imunosupresif setelah transplantasi, yang akan mengurangi risiko kesehatan transplantasi. Namun, karena tidak selalu mungkin untuk mengumpulkan semua jenis sel yang dibutuhkan, mungkin perlu untuk mengumpulkan sel induk dewasa atau menginduksi pluripotensi dalam jaringan yang dikumpulkan. Ini melibatkan pertumbuhan dan diferensiasi sel yang intensif sumber daya dan dilengkapi dengan risiko kesehatan potensial, karena proliferasi sel dalam organ yang dicetak terjadi di luar tubuh dan memerlukan penerapan faktor pertumbuhan dari luar. Namun, kemampuan beberapa jaringan untuk mengatur dirinya sendiri menjadi struktur yang berbeda dapat memberikan cara untuk membangun jaringan dan membentuk populasi sel yang berbeda secara bersamaan, meningkatkan kemanjuran dan fungsionalitas percetakan organ.