Printer 3D dalam Kedokteran: Penggunaan yang Menyenangkan dan Aplikasi Potensial

Isi

• Mengubah Pengobatan Dengan Printer 3D
• Bagaimana Cara Kerja Printer 3D?
• Membuat Telinga
• Perbedaan Antara Cetakan dan Perancah
• Manfaat Potensial dari Telinga yang Tercetak
• Mencetak Rahang Bawah
• Prostetik dan Item yang Dapat Dicangkok
• Lebih Banyak Contoh
• Bioprinting dengan Sel Hidup: Kemungkinan Masa Depan
• Penggantian Organ dan Jaringan
• Beberapa Keberhasilan Bioprinting
• Mencetak Bagian Hati
• Membuat Kornea
• Manfaat Organ Mini, Organoid, atau Organ pada Chip
• Struktur yang Meniru Paru-Paru
• Beberapa Tantangan untuk Bioprinting
• Referensi

Linda Crampton mengajar sains dan teknologi informasi kepada siswa sekolah menengah selama bertahun-tahun. Dia senang belajar tentang teknologi baru.

Mengubah Pengobatan Dengan Printer 3D

Pencetakan 3D merupakan aspek menarik dari teknologi yang memiliki banyak aplikasi berguna. Salah satu aplikasi printer 3D yang menarik dan berpotensi sangat penting adalah pembuatan bahan yang dapat digunakan dalam pengobatan. Materi ini termasuk perangkat medis implan, bagian tubuh buatan atau prostetik, dan instrumen medis khusus. Mereka juga termasuk cetakan jaringan manusia hidup serta organ mini. Di masa depan, organ implan dapat dicetak.

Printer 3D memiliki kemampuan untuk mencetak objek tiga dimensi yang solid berdasarkan model digital yang disimpan dalam memori komputer. Media pencetakan yang umum adalah plastik cair yang mengeras setelah pencetakan, tetapi media lain tersedia. Ini termasuk bubuk logam dan "tinta" yang mengandung sel-sel hidup.

Kemampuan printer untuk menghasilkan bahan yang kompatibel dengan tubuh manusia meningkat pesat. Beberapa bahan sudah digunakan dalam pengobatan sedangkan sebagian lainnya masih dalam tahap percobaan. Banyak peneliti terlibat dalam penyelidikan. Pencetakan 3D memiliki potensi menggiurkan untuk mengubah perawatan medis.

Bagaimana Cara Kerja Printer 3D?

Langkah pertama dalam pembuatan objek tiga dimensi oleh printer adalah mendesain objek. Ini dilakukan dalam program CAD (Computer-Aided Design). Setelah desain selesai, program lain membuat instruksi untuk menghasilkan objek dalam serangkaian lapisan. Program kedua ini kadang-kadang dikenal sebagai program pengiris atau sebagai perangkat lunak pengiris, karena program ini mengubah kode CAD untuk keseluruhan objek menjadi kode untuk serangkaian irisan atau lapisan horizontal. Lapisan tersebut mungkin berjumlah ratusan atau bahkan ribuan.

Printer membuat objek dengan menyimpan lapisan material sesuai dengan instruksi program pemotong, mulai dari bagian bawah objek dan bekerja ke atas. Lapisan yang berurutan digabungkan bersama. Proses tersebut disebut sebagai manufaktur aditif.

Filamen plastik sering digunakan sebagai media pencetakan 3D, terutama pada printer yang berorientasi pada konsumen. Printer melelehkan filamen dan kemudian mengeluarkan plastik panas melalui nosel. Nozel bergerak di semua dimensi saat melepaskan plastik cair untuk membuat objek. Pergerakan nosel dan jumlah plastik yang diekstrusi dikendalikan oleh program alat pengiris. Plastik panas membeku segera setelah dilepaskan dari nosel. Jenis media cetak lainnya tersedia untuk tujuan khusus.

Bagian telinga yang terlihat dari luar tubuh disebut pinna atau daun telinga. Sisa telinga terletak di tengkorak. Fungsi pinna adalah mengumpulkan gelombang suara dan mengirimkannya ke bagian telinga berikutnya.

Membuat Telinga

Pada Februari 2013, para ilmuwan di Cornell University di Amerika Serikat mengumumkan bahwa mereka telah mampu membuat pinna telinga dengan bantuan pencetakan 3D. Langkah-langkah yang diikuti oleh para ilmuwan Cornell adalah sebagai berikut.

• Model telinga dibuat dalam program CAD. Para peneliti menggunakan foto telinga asli sebagai dasar untuk model ini.
• Model telinga dicetak dengan printer 3D, menggunakan plastik untuk membuat cetakan berbentuk telinga.
• Hidrogel yang mengandung protein yang disebut kolagen ditempatkan di dalam cetakan. Hidrogel adalah gel yang mengandung air.
• Kondrosit (sel yang menghasilkan tulang rawan) diperoleh dari telinga sapi dan ditambahkan ke kolagen.
• Telinga kolagen ditempatkan dalam larutan nutrisi di piring laboratorium. Saat telinga berada di dalam larutan, beberapa kondrosit menggantikan kolagen.
• Telinga itu kemudian ditanamkan di punggung tikus di bawah kulitnya.
• Setelah tiga bulan, kolagen di telinga telah sepenuhnya diganti dengan tulang rawan dan telinga telah mempertahankan bentuk dan perbedaannya dari sel-sel tikus di sekitarnya.

Perbedaan Antara Cetakan dan Perancah

Dalam proses pembuatan telinga yang dijelaskan di atas, telinga plastik adalah cetakan lembam. Fungsi utamanya adalah memberikan bentuk yang benar untuk telinga. Telinga kolagen yang terbentuk di dalam cetakan bertindak sebagai perancah kondrosit. Dalam rekayasa jaringan, perancah adalah bahan yang biokompatibel dengan bentuk tertentu dan tempat sel tumbuh. Perancah tidak hanya memiliki bentuk yang benar tetapi juga memiliki sifat yang mendukung kehidupan sel.

Sejak proses pembuatan telinga asli dilakukan, para peneliti Cornell telah menemukan cara untuk mencetak perancah kolagen dengan bentuk yang benar yang diperlukan untuk membuat telinga, menghilangkan kebutuhan akan cetakan plastik.

Manfaat Potensial dari Telinga yang Tercetak

Telinga yang dibuat dengan bantuan printer dapat bermanfaat bagi orang yang kehilangan telinga karena cedera atau penyakit. Mereka juga dapat membantu orang yang lahir tanpa telinga atau memiliki telinga yang belum berkembang dengan baik.

Saat ini, telinga pengganti terkadang dibuat dari tulang rawan di tulang rusuk pasien. Mendapatkan tulang rawan merupakan pengalaman yang tidak menyenangkan bagi pasien dan dapat merusak tulang rusuk. Selain itu, telinga yang dihasilkan mungkin tidak terlihat terlalu natural. Telinga juga dibuat dari bahan buatan, tetapi sekali lagi hasilnya mungkin tidak sepenuhnya memuaskan. Telinga yang dicetak memiliki potensi untuk terlihat lebih seperti telinga alami dan berfungsi lebih efisien.

Pada Maret 2013, sebuah perusahaan bernama Oxford Performance Materials melaporkan bahwa mereka telah mengganti 75% tengkorak pria dengan cetakan tengkorak polimer. Printer 3D juga digunakan untuk membuat peralatan perawatan kesehatan, seperti kaki palsu, alat bantu dengar, dan implan gigi.

Mencetak Rahang Bawah

Pada Februari 2012, ilmuwan Belanda melaporkan bahwa mereka telah membuat rahang bawah buatan dengan printer 3D dan ditanamkan ke wajah seorang wanita berusia 83 tahun. Rahang terbuat dari lapisan bubuk logam titanium yang menyatu dengan panas dan ditutup dengan lapisan bioceramic. Bahan bioceramic kompatibel dengan jaringan manusia.

Wanita itu menerima rahang buatan karena dia mengalami infeksi tulang kronis di rahang bawahnya sendiri. Dokter merasa bahwa operasi rekonstruksi wajah tradisional terlalu berisiko bagi wanita tersebut karena usianya.

Rahang memiliki persendian sehingga bisa digerakkan, serta rongga untuk perlekatan otot dan alur untuk pembuluh darah dan saraf. Wanita itu bisa mengatakan beberapa kata segera setelah dia bangun dari anestesi. Keesokan harinya dia sudah bisa menelan. Dia pulang setelah empat hari. Gigi palsu dijadwalkan untuk ditanamkan di rahang di kemudian hari.

Struktur tercetak juga digunakan dalam pelatihan medis dan dalam perencanaan pra-bedah. Model tiga dimensi yang dibuat dari pemindaian medis pasien dapat sangat berguna bagi ahli bedah, karena dapat menunjukkan kondisi spesifik di dalam tubuh pasien. Ini dapat menyederhanakan operasi yang kompleks.

Prostetik dan Item yang Dapat Dicangkok

Rahang logam yang dijelaskan di atas adalah jenis prostetik, atau bagian tubuh buatan. Produksi prostetik adalah area di mana printer 3D menjadi penting. Beberapa rumah sakit sekarang memiliki printer sendiri atau bekerja sama dengan perusahaan pemasok medis yang memiliki printer.

Pembuatan prostetik dengan pencetakan 3D seringkali merupakan proses yang lebih cepat dan lebih murah daripada pembuatan dengan metode manufaktur konvensional. Selain itu, lebih mudah membuat penyesuaian yang disesuaikan untuk pasien jika perangkat dirancang dan dicetak khusus untuk orang tersebut. Pemindaian rumah sakit dapat digunakan untuk membuat perangkat yang disesuaikan.

Anggota badan pengganti sering kali dicetak 3D saat ini, setidaknya di beberapa bagian dunia. Lengan dan tangan yang dicetak seringkali jauh lebih murah daripada yang diproduksi dengan metode konvensional. Salah satu perusahaan percetakan 3D bekerja sama dengan Walt Disney untuk membuat tangan palsu yang penuh warna dan menyenangkan untuk anak-anak. Selain menciptakan produk yang lebih murah dan lebih terjangkau, inisiatif ini bertujuan "untuk membantu anak-anak melihat prostetik mereka sebagai sumber kegembiraan daripada rasa malu atau batasan".

Lebih Banyak Contoh

• Pada akhir 2015, tulang belakang yang dicetak berhasil ditempatkan pada pasien. Pasien juga telah menerima tulang dada dan tulang rusuk yang dicetak.
• Pencetakan 3D digunakan untuk menghasilkan implan gigi yang lebih baik.
• Sendi pinggul pengganti sering dicetak.
• Kateter yang sesuai dengan ukuran dan bentuk tertentu dari bagian tubuh pasien akan segera menjadi umum.
• Pencetakan 3D sering dilibatkan dalam pembuatan alat bantu dengar.

Bioprinting dengan Sel Hidup: Kemungkinan Masa Depan

Mencetak dengan sel hidup, atau bioprinting, sedang terjadi saat ini. Ini proses yang rumit. Sel-selnya tidak boleh terlalu panas. Sebagian besar metode pencetakan 3D melibatkan suhu tinggi, yang akan membunuh sel. Selain itu, cairan pembawa untuk sel tidak boleh merusaknya. Cairan dan sel yang dikandungnya dikenal sebagai bio-ink (atau bioink).

Penggantian Organ dan Jaringan

Penggantian organ yang rusak dengan organ yang terbuat dari printer 3D akan menjadi revolusi yang luar biasa dalam dunia kedokteran. Saat ini, donor organ tidak cukup tersedia untuk semua orang yang membutuhkannya.

Rencananya adalah mengambil sel dari tubuh pasien sendiri untuk dicetak organ yang mereka butuhkan. Proses ini harus mencegah penolakan organ. Sel-sel tersebut kemungkinan besar adalah sel induk, yang merupakan sel tidak terspesialisasi yang mampu menghasilkan jenis sel lain jika distimulasi dengan benar. Jenis sel yang berbeda akan disimpan oleh printer dalam urutan yang benar. Para peneliti menemukan bahwa setidaknya beberapa jenis sel manusia memiliki kemampuan luar biasa untuk mengatur diri sendiri saat disimpan, yang akan sangat membantu dalam proses pembuatan organ.

Jenis printer 3D khusus yang dikenal sebagai bioprinter digunakan untuk membuat jaringan hidup. Dalam metode umum pembuatan tisu, hidrogel dicetak dari satu kepala pencetak untuk membentuk perancah. Tetesan cairan kecil, masing-masing berisi ribuan sel, dicetak ke perancah dari kepala printer lain. Tetesan segera bergabung dan sel menjadi terikat satu sama lain. Ketika struktur yang diinginkan telah terbentuk, perancah hidrogel dilepas.Ini mungkin terkelupas atau mungkin terhanyut jika larut dalam air. Perancah biodegradable juga dapat digunakan. Ini berangsur-angsur rusak di dalam tubuh yang hidup.

Dalam pengobatan, transplantasi adalah pemindahan organ atau jaringan dari donor ke penerima. Implan adalah penyisipan alat buatan ke dalam tubuh pasien. Bioprinting 3D berada di antara dua ekstrem ini. Baik "transplantasi" dan "implan" digunakan saat mengacu pada barang-barang yang diproduksi oleh bioprinter.

Beberapa Keberhasilan Bioprinting

Implan dan prostetik tidak hidup yang dibuat oleh printer 3D sudah digunakan pada manusia. Penggunaan implan yang mengandung sel hidup membutuhkan lebih banyak penelitian, yang sedang dilakukan. Seluruh organ belum bisa dibuat dengan pencetakan 3D, tapi bagian organ bisa. Banyak struktur berbeda telah dicetak, termasuk bercak otot jantung yang mampu berdetak, bercak kulit, ruas pembuluh darah, dan tulang rawan lutut. Ini belum ditanamkan ke manusia. Pada 2017, para ilmuwan mempresentasikan prototipe printer yang dapat membuat kulit manusia untuk implantasi, dan pada 2018 ilmuwan lain mencetak kornea dalam proses yang suatu hari nanti dapat digunakan untuk memperbaiki kerusakan pada mata.

Beberapa penemuan yang diharapkan dilaporkan pada tahun 2016. Sebuah tim ilmuwan menanamkan tiga jenis struktur bioprint di bawah kulit tikus. Ini termasuk pinna telinga manusia seukuran bayi, sepotong otot, dan bagian tulang rahang manusia. Pembuluh darah dari sekitarnya meluas ke semua struktur ini saat berada di tubuh tikus. Ini merupakan perkembangan yang menggembirakan, karena suplai darah diperlukan untuk menjaga jaringan tetap hidup. Darah membawa nutrisi ke jaringan hidup dan membuang limbahnya.

Menarik juga untuk dicatat bahwa struktur yang ditanam dapat tetap hidup sampai pembuluh darah berkembang. Prestasi ini dicapai dengan adanya pori-pori kecil di struktur yang memungkinkan nutrisi masuk ke dalamnya.

Mencetak Bagian Hati

Membuat Kornea

Ilmuwan di Universitas Newcastle di Inggris telah membuat kornea dengan cetakan 3D. Kornea adalah penutup mata kita yang transparan dan terluar. Kerusakan serius pada penutup ini dapat menyebabkan kebutaan. Transplantasi kornea sering kali menyelesaikan masalah, tetapi tidak tersedia cukup kornea untuk membantu semua orang yang membutuhkannya.

Para ilmuwan memperoleh sel induk dari kornea manusia yang sehat. Sel-sel tersebut kemudian ditempatkan dalam gel yang terbuat dari alginat dan kolagen. Gel melindungi sel saat bergerak melalui satu nosel printer. Dibutuhkan kurang dari sepuluh menit untuk mencetak gel dan sel-sel dalam bentuk yang benar. Bentuknya didapat dengan memindai mata seseorang. (Dalam situasi medis, mata pasien akan dipindai.) Setelah campuran gel dan sel dicetak, sel induk menghasilkan kornea lengkap.

Kornea yang dibuat dengan proses pencetakan belum ditanamkan ke mata manusia. Mungkin akan butuh waktu sebelum mereka. Namun, mereka berpotensi membantu banyak orang.

Merangsang sel induk untuk menghasilkan sel khusus yang diperlukan untuk membuat bagian tertentu dari tubuh manusia pada waktu yang tepat merupakan tantangan tersendiri. Namun, ini adalah proses yang dapat memberikan manfaat luar biasa bagi kita.

Manfaat Organ Mini, Organoid, atau Organ pada Chip

Para ilmuwan telah mampu membuat organ mini dengan pencetakan 3D (dan dengan metode lain). "Organ mini" adalah versi miniatur dari organ, bagian dari organ, atau bercak jaringan dari organ tertentu. Mereka disebut dengan berbagai nama selain istilah organ mini. Kreasi cetakan mungkin tidak mengandung semua jenis struktur yang ditemukan di organ berukuran penuh, tetapi ini merupakan perkiraan yang baik. Penelitian menunjukkan bahwa mereka dapat memiliki kegunaan penting, meskipun mereka tidak dapat ditanamkan.

Organ mini tidak selalu diproduksi dari sel yang dipasok oleh donor acak. Sebaliknya, mereka sering kali dibuat dari sel-sel orang yang menderita suatu penyakit. Peneliti bisa mengecek efek obat pada mini organ. Jika suatu obat ditemukan bermanfaat dan tidak berbahaya, itu dapat diberikan kepada pasien. Ada beberapa keuntungan dari proses ini. Salah satunya adalah bahwa obat yang mungkin bermanfaat untuk versi khusus pasien dari suatu penyakit dan untuk genom spesifiknya dapat digunakan, yang meningkatkan kemungkinan pengobatan yang berhasil. Hal lainnya adalah bahwa dokter mungkin dapat memperoleh obat yang tidak biasa atau biasanya mahal untuk pasien jika mereka dapat menunjukkan bahwa obat tersebut kemungkinan besar efektif. Selain itu, pengujian obat pada organ mini dapat mengurangi kebutuhan hewan percobaan.

Struktur yang Meniru Paru-Paru

Pada 2019, para ilmuwan di Rice University dan University of Washington mendemonstrasikan kreasi mereka dari organ mini yang meniru paru-paru manusia. Mini-lung terbuat dari hidrogel. Ini berisi struktur seperti paru-paru kecil yang diisi dengan udara secara berkala. Jaringan pembuluh yang berisi darah mengelilingi struktur.

Saat distimulasi, paru-paru simulasi dan pembuluh darahnya mengembang dan berkontraksi secara ritmis tanpa putus. Video tersebut menunjukkan bagaimana struktur tersebut bekerja. Meskipun organoid tidak berukuran penuh dan tidak meniru semua jaringan di paru-paru manusia, kemampuannya untuk bergerak seperti paru-paru merupakan perkembangan yang sangat penting.

Beberapa Tantangan untuk Bioprinting

Membuat organ yang cocok untuk implantasi adalah tugas yang sulit. Organ adalah struktur kompleks yang berisi berbagai jenis sel dan jaringan yang diatur dalam pola tertentu. Selain itu, seiring berkembangnya organ selama perkembangan embrio, mereka menerima sinyal kimiawi yang memungkinkan struktur halus dan perilaku rumitnya berkembang dengan baik. Sinyal ini kurang ketika kami mencoba membuat organ secara artifisial.

Beberapa ilmuwan berpikir bahwa pada awalnya — dan mungkin untuk beberapa waktu mendatang — kita akan mencetak struktur implan yang dapat menjalankan satu fungsi organ alih-alih semua fungsinya. Struktur yang lebih sederhana ini mungkin sangat berguna jika mereka mengimbangi kerusakan yang serius pada tubuh.

Meskipun mungkin perlu waktu bertahun-tahun sebelum organ yang dicetak dengan biopetak tersedia untuk implan, kita mungkin melihat manfaat baru dari teknologi ini sebelum itu. Laju penelitian tampaknya meningkat. Masa depan pencetakan 3D dalam kaitannya dengan kedokteran seharusnya sangat menarik dan juga mengasyikkan.

Referensi

• Telinga buatan yang dibuat dengan printer 3D dan sel tulang rawan hidup dari Majalah Smithsonian.
• Rahang transplantasi dibuat dengan printer 3D dari BBC (British Broadcasting Corporation)
• Tangan dicetak 3D berwarna-warni dari American Society of Mechanical Engineers
• Bioprinter membuat bagian tubuh yang dikembangkan di laboratorium untuk transplantasi dari The Guardian
• Kornea manusia cetak 3D pertama dari layanan berita EurekAlert
• Printer 3D membuat hati manusia terkecil dari New Scientist
• Organ cetakan 3D mini meniru detak jantung dan hati dari New Scientist
• Organ yang meniru paru-paru dari Popular Mechanics
• Printer 3D baru membuat telinga, otot, dan jaringan tulang seukuran manusia dari sel-sel hidup dari Science Alert
• Bioprinter 3-D untuk mencetak kulit manusia dari layanan baru phys.org

Artikel ini akurat dan benar sepanjang pengetahuan penulisnya. Konten hanya untuk tujuan informasi atau hiburan dan tidak menggantikan nasihat pribadi atau nasihat profesional dalam masalah bisnis, keuangan, hukum, atau teknis.