Pencetakan 3D Organ Manusia – Seberapa Realistis Itu?

Dunia pencetakan 3D sedang berkembang dengan kecepatan yang sangat cepat. Perkiraan menunjukkan bahwa ukuran pasar global pencetakan 3D—produk dan layanan—akan tumbuh tiga kali lipat antara 2020 dan 2026. Dengan nilai US$12,6 miliar pada 2020, pasar dapat tumbuh menjadi lebih dari US$37 miliar pada 2026.

Lonjakan dalam pasar aplikasi didukung dengan baik oleh ruang di mana inovasi terjadi—baik di tingkat institusi maupun bisnis/perusahaan. Perusahaan teknologi besar AS, misalnya, sangat aktif dengan pencetakan 3D—seperti yang terlihat dari jumlah paten yang mereka terbitkan sejak 2010. General Electrics, misalnya, telah menerbitkan sebanyak 342 paten antara 2010 dan 2019.

Namun, bidang pencetakan 3D selalu menghadapi pertanyaan penting tentang penerapan dalam kehidupan nyata. Meskipun selalu menjadi ruang yang secara ilmiah menarik dan memikat untuk dieksplorasi, banyak yang bertanya, ‘Seberapa realistis itu?’

Baru-baru ini, sebuah eksperimen sukses menunjukkan seberapa nyata hal itu dapat menjadi ketika tim peneliti di University of Virginia School of Engineering and Applied Science mengembangkan apa yang bisa menjadi template untuk blok bangunan pertama yang kompatibel dengan organ manusia yang dicetak sesuai permintaan. Pada segmen berikutnya, kami akan menelusuri eksperimen tersebut dan apa yang dicapainya secara lebih detail. 

Biomaterial dengan Properti Mekanik Terkontrol yang Menyesuaikan dengan Berbagai Jaringan Manusia 

Eksperimen ini dipimpin oleh Liheng Cai dan Jinchang Zhu. Liheng Cai adalah asisten profesor ilmu dan teknik material serta teknik kimia, dan Jinchang Zhu adalah mahasiswa Ph.D.-nya.

Metode bioprinting yang mereka gunakan disebut Digital Assembly of Spherical Particles (DASP). Teknik ini menempatkan partikel biomaterial dalam matriks pendukung berbasis air untuk membangun struktur 3D yang menyediakan lingkungan kondusif bagi sel untuk tumbuh.

Dalam mempublikasikan temuan mereka di jurnal Nature Communications, para ilmuwan menamai laporan tersebut ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets.’ Istilah Voxel berasal dari fakta bahwa proses pencetakan mengikuti cara ‘voxel’—versi 3D dari piksel—membangun objek 3D. 

“Partikel hidrogel baru kami merupakan voxel fungsional pertama yang pernah kami buat. Dengan kontrol yang tepat atas properti mekanik, voxel ini dapat berfungsi sebagai salah satu blok bangunan dasar untuk konstruksi pencetakan masa depan kami.”

“Partikel hidrogel baru kami merupakan voxel fungsional pertama yang pernah kami buat. Dengan kontrol yang tepat atas properti mekanik, voxel ini dapat berfungsi sebagai salah satu blok bangunan dasar untuk konstruksi pencetakan masa depan kami.”

Dalam upayanya menjadi lebih spesifik untuk pengguna umum, Zhu menyoroti kualitas menonjol dari teknik mereka dibandingkan metode bioprinting lainnya. Ia menekankan elemen ‘Kontrol’ dalam teknologi mereka, yang membuatnya memungkinkan untuk mencetak organoid.

Organoid ini tidak lain adalah model berbasis sel 3D yang dapat berfungsi sebagai jaringan manusia. Ini dapat dimanfaatkan untuk mempelajari perkembangan penyakit dalam upaya kami yang terus berkembang untuk menemukan obat. 

Lompatan Besar Dibandingkan Teknologi Bioprinting yang Ada

Zhu menyebut inovasi mereka sebagai ‘lompatan besar’ dibandingkan teknologi bioprinting yang ada karena ia ‘kokoh dan ramah sel.’ Partikel hidrogel polimer yang digunakan dalam eksperimen dapat meniru jaringan manusia dengan mengubah susunan dan ikatan kimia monomer molekul tunggal, yang terhubung menjadi rantai untuk membentuk jaringan.

Jika dibandingkan dengan solusi serupa lainnya, solusi yang ditawarkan oleh Cai dan Zhu juga terbukti kurang beracun dan lebih biokompatibel. 

Tim juga mencapai perbaikan signifikan dalam penggunaan bioprinter mereka. Nozel multisaluran yang mereka rancang dapat mencampur komponen hidrogel sesuai permintaan. Ini membantu menyelesaikan tantangan yang muncul dari proses cross-linking super cepat, yang mengubah tetesan cair menjadi gel elastis yang mengembang dengan air dalam waktu 60 detik.

Teknik DASP menghilangkan hambatan ini dengan menempatkan tetesan besar dari nozel yang sempit dan bergerak cepat ke dalam matriks, langsung menahannya. Dengan cara ini, ia menyelesaikan masalah inti dalam ilmu materi lunak dan 3D bioprinting: manipulasi presisi voxel viskoelastik. Dalam merangkum pencapaian tersebut, Cai berkata:

“Kami kini telah meletakkan dasar untuk voxelated bioprinting. Ketika sepenuhnya terwujud, aplikasi DASP akan mencakup transplantasi organ buatan, pemodelan penyakit dan jaringan, serta penyaringan kandidat untuk obat baru. Dan kemungkinan tidak akan berhenti di situ.”

Seperti yang telah kita lihat, inovasi seputar 3D bioprinting telah berlangsung lama. Oleh karena itu, sangat jelas bahwa banyak perusahaan ternama telah mengadopsi teknologi ini. Pada segmen berikutnya, kami akan menelusuri dua perusahaan yang telah memfasilitasi ruang ini dalam ilmu kedokteran dan teknologi perawatan kesehatan.

#1. Northwell Health

Perusahaan mengklaim bahwa mereka ‘100% berkomitmen menjadi sistem kesehatan pertama yang mencetak 3D cure Anda’. Salah satu intervensi paling penting Northwell Health di bidang ini adalah pada prostetik.

Perusahaan 3D-printed an anggota prostetik amfibi. Solusinya adalah Fin yang memungkinkan amputee masuk dan keluar air tanpa mengganti prostetik.

Manfaat fin ini termasuk penggunaan material serat karbon mutakhir dan pemanfaatan bentuk ergonomis untuk memastikan gerakan yang tahan lama dan efisien. Northwell menggunakan nilon yang diperkuat serat karbon untuk mencetak fin, yang menekankan kekuatan dan fleksibilitas. Selain itu, daya tahannya membuatnya cocok untuk digunakan di darat dan di air. 

Fin ini memiliki dinamika material yang unik. Ia memiliki lubang berbentuk kerucut yang dapat mengontrol jumlah air yang melewatinya. Desain dan penataan lubang memungkinkan drag dan propulsi alami di dalam air. Jumlah lubang dapat disesuaikan dengan kebutuhan spesifik amputee. 

Northwell Health telah lama menjadi pelopor dalam mengembangkan model tubuh berdetail yang dicetak 3D untuk membantu ahli bedah merencanakan operasi dengan lebih baik. Perusahaan ini dapat menyadari potensi pencetakan 3D sebelum menjadi tren yang begitu berkembang. 

Dalam kutipan yang berasal dari 2018, Todd Goldstein, direktur 3D Design and Innovation Center di Northwell Health, mengatakan hal berikut:

“Penggunaan pencetakan 3D dalam kedokteran memungkinkan kami mengambil anatomi pasien dari layar komputer dan menaruhnya ke tangan dokter. Teknologi jenis ini mengubah permainan bagi semua pihak yang terlibat, karena memungkinkan dokter untuk lebih baik memvisualisasikan patologi, memungkinkan pasien benar‑benar melihat perawatan apa yang dibutuhkan, dan memungkinkan perawatan yang lebih tepat dan spesifik pasien di hampir semua spesialisasi.”

Pada tahun 2023, Northwell Health mencatat pendapatan sebesar US$16,9 miliar dan margin EBITDA sebesar 6,3%.

#2. Psyonic

Perusahaan lain yang telah melakukan pekerjaan luar biasa di bidang ini adalah Psyonic. Ability Hand, produk unggulan Psyonic, adalah tangan bionik pertama di dunia yang dapat merasakan sentuhan dan tercepat. Dijanjikan untuk mengembalikan kehidupan dan mobilitas ke kondisi semula, PSYONIC memanfaatkan pencetakan 3D untuk memprototipe secara efisien, meningkatkan keterjangkauan dan akses, serta meningkatkan daya tahan dan ketahanan terhadap benturan.

Psyonic telah menambahkan nilai signifikan pada solusinya dengan memasukkan sensor di ujung jari tangan bionik yang mendeteksi tekanan saat pemakai menggenggam objek dan mengirimkan getaran ke lengan untuk mengkomunikasikan sensasi tersebut.

Akibatnya, pengguna tangan dapat merasakan aksi dan bekerja dengan objek paling halus dengan mudah, nyaman, dan tanpa hambatan. Ketangguhannya membuatnya mampu menahan benturan keras tanpa pecah. Ia juga tahan air dan dilengkapi dengan berbagai pola pegangan untuk penggunaan sepanjang hari.

Ability Hand menawarkan total 32 pola pegangan, di mana 19 di antaranya telah ditentukan sebelumnya dan tersedia untuk digunakan. Ia ringan, dengan berat 490 gram. Ia multi‑artikulasi, dengan semua lima jari siap menekuk dan meluruskan, dan ibu jari dapat berputar secara listrik dan manual. 

Ia dapat diisi daya dengan USB‑C dalam satu jam. Ia kompatibel lintas platform dan bekerja dengan sebagian besar sistem pengenalan pola EMG pihak ketiga, sistem kontrol langsung EMG, transduser linear, dan resistor sensitif gaya.

Menurut informasi pendanaan terbaru yang tersedia, kampanye ekuitas crowdfunding Psyonic telah mengumpulkan lebih dari $1 juta hingga saat ini.

Terlihat dari contoh-contoh bagian tubuh manusia yang dicetak 3D ini bahwa, secara realistis, pencetakan 3D organ manusia bukanlah mimpi yang jauh. Meskipun kami telah membahas salah satu terobosan paling signifikan di bidang ini baru-baru ini, kami akan mengeksplorasi lebih banyak penelitian relevan untuk memahami potensi besar masa depan.

Klik di sini untuk mempelajari teknik baru yang memungkinkan pencetakan 3D jaringan otak fungsional.

Masa Depan Pencetakan 3D: Sedekat Mungkin dengan Realitas 

Penggunaan hidrogel yang tidak efisien dalam produksi organ yang dicetak 3D memiliki beberapa sejarah. Laporan riset 2022 mengutip contoh tim studi yang dipimpin oleh Profesor Thomas Scheibel di University of Bayreuth berhasil menghasilkan “bio‑ink” atau hidrogel melalui pencampuran sutra laba‑laba dengan sel fibroblas tikus menggunakan pencetakan 3D.

Gel tersebut dapat bertransformasi dengan cepat dari cair menjadi padat saat mengalir melalui kepala printer ke permukaan ekstrusi. Pengetahuan ini ditemukan dapat digunakan untuk mereplikasi jaringan otot jantung menggunakan kerangka sutra laba‑laba dan kardiomiosit.

Laporan 2023 yang secara komprehensif menyelidiki realitas penggunaan pencetakan 3D untuk mereplikasi organ manusia menyatakan bahwa hal itu akan menjadi ‘segera menjadi realitas’. Laporan tersebut mencantumkan banyak contoh yang menunjukkan masa depan yang menjanjikan dalam semua implikasi yang mungkin.

Sebagai contoh, pada tahun 2022, di San Antonio, Texas, Dr. Arturo Bonilla dapat menanamkan telinga luar pada seorang wanita berusia 20 tahun—yang lahir tanpa telinga—dengan membangun telinga kanan dengan bentuk dan ukuran yang persis sama dengan telinga kirinya. Kasus ini sangat penting karena merupakan contoh pertama di mana telinga yang ditanamkan merupakan produk dari bioprinter 3D yang menggunakan sel kartilago wanita tersebut.

Peneliti berbasis Polandia juga berhasil mencetak prototipe pankreas fungsional dengan aliran darah yang stabil. Eksperimen ini dilakukan pada babi dan diamati selama dua minggu. Sementara itu, upaya untuk menyesuaikan teknik tersebut untuk paru‑paru manusia juga sedang berlangsung. Michal Wszola, pencipta Bionic Pancreas, dan United Therapeutics Corporation (UTHR ) mencetak kerangka paru manusia dengan 4.000 kilometer kapiler dan 200 juta alveolus (kantung udara kecil) yang dapat menukar oksigen pada model hewan.

Para ilmuwan di Wake Forest Institute for Regenerative Medicine mengembangkan sistem bioprinting kulit seluler yang dapat dipindahkan. Mereka percaya bahwa segera, akan memungkinkan untuk membawa printer langsung ke samping tempat tidur pasien yang menderita luka yang tidak sembuh, seperti luka bakar, memindai dan mengukur area luka, dan mencetak kulit 3D, lapis demi lapis, langsung pada permukaan luka.

Profesor Tal Dvir adalah direktur rekayasa jaringan dan kedokteran regeneratif di Tel Aviv University, Israel. Ia memimpin proyek hati “berukuran kelinci” yang dicetak 3D, yang memiliki sel, ruang, pembuluh darah utama, dan detak jantung. Saat membicarakan penemuan tersebut dan potensinya untuk masa depan, Dvir mengatakan:

“Kami kini sedang mengerjakan sel‑sel pacemaker, sel‑sel atrial, sel‑sel ventrikel. Terlihat bagus. Saya percaya ini adalah masa depan.”

Para ahli kesehatan percaya bahwa kemampuan peradaban manusia untuk mencetak organ 3D akan membantu mengurangi daftar tunggu 106.000 orang untuk donor organ. Setiap hari, 17 pasien meninggal saat menunggu. Kemampuan mencetak organ manusia secara 3D akan menyelamatkan banyak nyawa.

Menurut Mark Skylar‑Scott, asisten profesor di Departemen Bioengineering Universitas Stanford:

“Bidang ini telah berkembang sangat cepat selama dua dekade terakhir, dari kandung kemih yang dicetak hingga kini jaringan seluler tinggi dengan pembuluh yang dapat dihubungkan ke pompa—dan model 3D kompleks yang menyerupai komponen jantung dengan sel‑sel jantung terintegrasi.”

Sekarang hampir pasti bahwa pencetakan 3D organ manusia akan merevolusi prosedur perawatan dan sistem perawatan kami. Namun, hal ini harus mengatasi beberapa tantangan.

Misalnya, ia harus lebih tahan terhadap stres. Produksi dan manufaktur harus lebih inklusif dalam hal kompatibilitas bahan baku. Ia harus menjadi lebih efisien energi sehingga dapat ditingkatkan skalanya lebih cepat. 

Ia harus menghilangkan senyawa organik volatil yang dipancarkan oleh printer 3D yang sering bersifat karsinogenik dan beracun serta dapat menyebabkan masalah kesehatan serius seperti kerusakan organ, iritasi tenggorokan, dan mual. Akhirnya, ia harus menjadi biaya‑efektif dan terjangkau untuk memberi manfaat bagi sebagian besar populasi yang kurang terlayani di seluruh dunia. 

Klik di sini untuk daftar saham bioprinting 3D paling menjanjikan.