Cangkok Tulang yang Dicetak Laser Dapat Mengubah Penyembuhan Tulang

Tim insinyur dari ETH Zurich memperkenalkan cara yang lebih efisien dan praktis untuk membuat cangkok tulang. Pendekatan mereka menggunakan bahan baru dan pencetakan laser untuk mempercepat pemulihan dengan risiko lebih rendah. Berikut hal-hal yang perlu Anda ketahui.

Mengapa Fraktur Tulang Meningkat

Kemungkinan besar Anda setidaknya pernah mengenal seseorang yang mengalami patah tulang. Mulai dari kecelakaan masa kanak-kanak hingga trauma berat, semuanya memerlukan penanganan medis agar tulang pulih dengan baik.

Sayangnya, jumlah orang yang mengalami patah tulang terus meningkat di seluruh dunia. Peningkatan ini mencerminkan populasi generasi baby boomer yang menua. Laporan dari International Osteoporosis Foundation (IOF) menunjukkan bahwa lebih dari 37 juta fraktur kerapuhan terjadi pada lansia tahun lalu saja, dan tren ini diperkirakan berlanjut seiring penuaan populasi.

Bagaimana Tulang Pulih Secara Alami

Tubuh manusia memiliki kemampuan luar biasa dan dapat memulihkan retak serta patah tulang ringan dengan sendirinya. Mula-mula, tubuh mengirimkan berbagai sel jaringan lunak ke area yang rusak. Sel-sel sementara ini bertindak sebagai perancah agar tulang baru dapat terbentuk dan akhirnya mengeras.

Keberhasilan ini antara lain berkat perpaduan unik lorong dan rongga mikroskopis di seluruh tulang. Menariknya, fragmen tulang yang lebih kecil daripada uang logam dapat memiliki terowongan mikroskopis sepanjang lebih dari 54 kilometer.

Kapan Fraktur Tulang Memerlukan Intervensi Bedah

Dalam beberapa keadaan, patah tulang begitu parah sehingga tubuh tidak mampu memulihkan luka tanpa bantuan tenaga kesehatan. Fraktur terbuka yang parah secara khusus memerlukan reposisi yang dipertahankan dengan pin dan implan logam.

Pengangkatan tumor juga dapat menyisakan bagian tulang yang hilang. Dokter harus mengisi bagian yang hilang itu agar tulang dapat diposisikan dengan benar. Dalam beberapa kasus, cangkok dibuat dari tulang pasien sendiri.

Cangkok Autolog

Cangkok autolog merupakan cara yang paling umum digunakan tenaga kesehatan untuk menangani keadaan ini. Bentuknya beragam, dengan pilihan yang paling umum menggunakan tulang pasien, keramik, atau logam.

Masalah pada Cangkok Autolog

Cangkok autolog dapat mempercepat pemulihan, tetapi juga memiliki kekurangan. Dibutuhkan operasi tambahan untuk mengambil jaringan tulang yang akan digunakan sebagai cangkok. Langkah ini menambah biaya dan risiko, sekaligus memperpanjang waktu serta membutuhkan tenaga profesional tambahan.

Terobosan Cangkok Tulang Cetak Laser dari ETH Zurich

Makalah ilmiah berjudul “A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1”¹ yang diterbitkan di Advanced Materials menyoroti pendekatan sepenuhnya baru yang berpotensi merevolusi layanan kesehatan pada masa mendatang.

Fabrikasi Mikro 2PP

Untuk membuat cangkok yang lebih baik dan lebih stabil, tim menggunakan metode yang dikenal sebagai polimerisasi dua foton (2PP). Teknik ini awalnya dikembangkan sebagai penulisan laser langsung untuk rekayasa jaringan dan pengembangan obat, serta menggunakan pulsa laser femtodetik.

Laser mungil berintensitas tinggi ini digunakan untuk mengeraskan bahan fotosensitif khusus. Keunggulan pendekatan tersebut adalah kemampuannya membantu insinyur membuat arsitektur 3D beresolusi tinggi pada skala submikron. Kemampuan terakhir inilah yang menarik perhatian Xiao-Hua Qin, Profesor Rekayasa Biomaterial di ETH Zurich, beserta timnya.

Diperlukan Hidrogel Baru

Meniru matriks ekstraseluler (ECM) manusia bukanlah tugas mudah karena membutuhkan tingkat kerumitan yang tidak dapat dicapai strategi 2PP tradisional. Tim mencatat bahwa laser dua foton dapat memusatkan reaksi fotokimia tepat pada satu area sehingga memberikan kendali jauh lebih besar dibandingkan pendekatan satu laser terdahulu.

Namun, gel tersebut tidak cukup kaku untuk mempertahankan bentuk dan tidak cukup reaktif untuk tetap berada di tempatnya. Untuk mengatasi masalah ini, tim berfokus membuat hidrogel baru.

Saat ini, fabrikasi 2PP menggunakan hidrogel yang mengandung protein termetakrilasi.  Pengikat silang tiol komersial yang larut dalam air, seperti ditiotreitol, lazim digunakan. Protein ini tidak memiliki mekanisme pengikatan silang kuat yang diperlukan untuk mendukung pertumbuhan tulang.

Sumber – ETH Zurich

Bahan ini tidak mampu mendukung tingkat kerumitan tulang manusia, dan percobaan menggunakannya menghasilkan banyak cacat struktural. Solusi tradisionalnya adalah menambah konsentrasi polimer, tetapi tim memutuskan untuk tidak mengambil langkah tersebut.

Agen Pengikat Silang Tiol PVA (PVASH)

Para insinyur memutuskan bahwa cara terbaik untuk mencapai tujuan mereka adalah mengembangkan hidrogel yang sama sekali baru. Hidrogel dengan pengikat silang tiol makromolekuler polivinil alkohol yang larut dalam air (PVASH) menggunakan molekul khusus agar tetap stabil dan biokompatibel.

Secara khusus, tim terlebih dahulu mencampurkan PVASH dengan PVA yang difungsionalisasi dengan norbornena (nPVA). Langkah berikutnya adalah menambahkan fotoinisiator untuk memastikan proses laser bekerja dengan benar.

Perubahan utama dalam pendekatan ini adalah penggunaan beberapa gugus reaktif. Strategi tersebut membuat gel mengeras lebih cepat dan lebih menyeluruh ketika terkena radiasi laser. Pengembang juga dapat menggunakan satu molekul untuk menghubungkan rantai polimer dan molekul lainnya untuk memastikan reaksi terhadap cahaya.

Pencetakan Laser

Pencetakan laser merupakan keunggulan penting yang memungkinkan insinyur menghasilkan struktur tulang alami dengan detail selebar hanya 500 nanometer. Untuk tugas ini, tim menggunakan laser 20 mW.

Kemampuan mikroskopis ini memastikan struktur tulang memiliki rongga dan jalur alami. Desainnya juga dapat diprogram sebelumnya dan dicetak dengan kecepatan 400 milimeter per detik. Kecepatan tersebut merupakan rekor dunia baru sekaligus menunjukkan arti penting kemajuan ini dalam mempercepat pemulihan pasien.

Mikroperancah

Bahan tersebut tampaknya mampu meniru kerumitan tulang manusia dengan sangat baik sehingga sel segera memulai proses pemulihan alami. Terowongan dan lorong mikroskopis yang sangat panjang menyediakan daya lekat ideal untuk menarik dan mendukung pertumbuhan sel sehat.

Pengujian Laboratorium Perancah Tulang Cetak Laser

Para ilmuwan melakukan sejumlah uji laboratorium untuk mengetahui apakah teori mereka bertahan dalam kondisi dunia nyata. Para insinyur gembira melihat studi tabung reaksi menunjukkan pertumbuhan sel yang cepat.

Hidrogel dicetak dalam bentuk khusus, dan dalam beberapa hari tubuh mulai menghasilkan kolagen, salah satu tahap terpenting dalam pertumbuhan tulang. Para insinyur juga mengamati cara polimer terurai di dalam tubuh dan memastikan bahwa bahan tersebut sama sekali tidak berbahaya.

Selanjutnya, mereka mengevaluasi hidrogel dan molekul pengikat silang tiol-ena. Kinerjanya melampaui harapan dengan menghasilkan perbaikan jaringan rusak yang kuat dan alami dalam waktu lebih singkat dibandingkan metode lain.

Hasil Pengujian Cangkok Tulang Cetak Laser

Hasil pengujian menegaskan pentingnya penelitian ini bagi sektor kesehatan. Para ilmuwan mencatat peningkatan besar pada setiap tahap proses, mulai dari pembentukan cangkok, masuknya sel, hingga terurainya perancah secara biologis. Penelitian tersebut menghasilkan sel tulang yang pulih dan identik dengan sel yang terbentuk secara alami.

Keunggulan Cangkok Tulang Cetak Laser

Hidrogel baru ini menawarkan banyak manfaat, termasuk fleksibilitas struktur dan penempatan yang lebih besar. Hidrogel tradisional tidak dapat dibentuk. Penambahan molekul penghubung meningkatkan stabilitas secara signifikan sehingga bahan dapat dicetak langsung sesuai kebutuhan setiap pasien.

Geser untuk Gulir →

Ketepatan

Keunggulan penting lainnya adalah tingkat ketepatan yang lebih tinggi. Hidrogel baru berbasis PVASH memberi insinyur lebih banyak pilihan dalam desain dan kerumitan keseluruhan struktur pada tingkat mikroskopis.

Respons Pasien yang Lebih Baik

Meskipun para ilmuwan baru melakukan uji laboratorium, mereka mencatat bahwa proses pemulihan dengan strategi baru ini menimbulkan pembengkakan yang jauh lebih sedikit. Hal tersebut terjadi karena hidrogel bersifat biokompatibel sehingga lebih mudah diterima sel tubuh dibandingkan logam atau keramik.

Aplikasi Dunia Nyata & Garis Waktu:

Penerapan penemuan ini di dunia nyata dapat menjangkau berbagai industri. Penggunaan yang paling jelas adalah di sektor kesehatan, tempat teknologi ini dapat membantu mengurangi biaya dan waktu pemulihan pasien patah tulang.

Prostetik

Teknologi ini kelak dapat digunakan untuk membuat prostesis yang lebih realistis serta tampak dan terasa seperti bagian tubuh asli, bukan sekadar pengganti. Dalam skenario ideal, teknologi tersebut menyediakan fondasi dan pertumbuhan sel menyelesaikan sisanya.

Robotika

Industri robotika juga dapat memanfaatkan teknologi ini untuk menciptakan desain biomekanis yang lebih kuat. Perpaduan sel dan struktur hidup dengan perangkat mekanis dapat menghasilkan mesin yang lebih efisien dan cakap pada masa mendatang.

Garis Waktu

Mungkin diperlukan setidaknya sepuluh tahun sebelum teknologi ini cukup matang untuk digunakan pada manusia. Penelitian masih berada pada tahap awal dan, meski sejauh ini sangat berhasil, masih banyak hambatan ilmiah serta regulasi yang harus diatasi sebelum teknologi tersebut digunakan secara luas.

Peneliti Cangkok Tulang Cetak Laser

Para peneliti ETH Zurich memimpin studi Cangkok Tulang Cetak Laser. Makalah tersebut mencantumkan Xiao-Hua Qin dan Ralph Müller sebagai penulis utama. Mereka didukung oleh Wanwan Qiu, Margherita Bernero, Muja Emilie Ye, Xianjun Yang, dan Philipp Fisch.

Masa Depan

Masa depan cangkok tulang cetak laser belum dapat dipastikan. Teknologi ini masuk akal dan telah menunjukkan potensi besar. Namun, masih banyak pengujian yang harus diselesaikan, termasuk uji coba pada manusia.

Langkah berikutnya adalah beralih ke pengujian pada hewan. Para ilmuwan telah mengumumkan kemitraan strategis dengan AO Research Institute Davos untuk memfasilitasi tahap pengembangan berikutnya. Bergantung pada hasil pengujian ini, penelitian kemudian akan berlanjut kepada pasien manusia.

Berinvestasi dalam Inovasi HealthTech

Sejumlah perusahaan terus mendorong inovasi di sektor HealthTech. Perusahaan-perusahaan ini menunjukkan kesediaan mencari solusi kreatif untuk masalah penting tersebut. Berikut salah satu pelopor pasar yang patut diketahui.

Xtant Medical Holdings

Xtant Medical (XTNT ) Holdings bermula sebagai Bacterin International di laboratorium Montana State University pada awal 1990-an. Proyek ini bertujuan meneliti praktik medis yang lebih baik dengan berfokus pada implan kedokteran regeneratif.

Xtant Medical Holdings mengganti namanya pada 2000, lalu meluncurkan lini implan bedah pada 2006. Produk tersebut menarik banyak perhatian dan perusahaan berhasil menggelar IPO pada 2013. Pada saat yang sama, perusahaan mulai mengakuisisi perusahaan riset regenerasi tulang lain, termasuk X-spine pada 2016.

Pada 2020, Xtant mengalihkan fokusnya ke rekonstruksi tulang belakang.  Sebagai bagian dari strategi ini, perusahaan terus melakukan akuisisi dan membentuk kemitraan strategis. Sejak itu, perusahaan kembali berekspansi ke bidang ilmu regenerasi tulang lainnya.

Saat ini, Xtant diakui sebagai salah satu perusahaan ortobiologis terkemuka di dunia. Perusahaan ini menawarkan sejumlah produk untuk meningkatkan hasil perawatan pasien dan terus berinvestasi dalam pilihan yang lebih efektif. Investor yang mencari perusahaan teknologi medis bereputasi baik sebaiknya meneliti lebih lanjut produk Xtant.

Berita dan Kinerja Terbaru Xtant Medical Holdings (XTNT)

Kesimpulan tentang Cangkok Tulang Cetak Laser

Mudah dipahami mengapa ada dorongan kuat untuk menemukan solusi yang lebih baik bagi pasien dengan cedera tulang kompleks, seperti trauma tulang belakang. Populasi terus menua dan cedera semacam ini akan makin umum pada masa depan. Karena itu, penelitian ini dapat meletakkan dasar bagi strategi pemulihan yang lebih cepat dan andal.

Pelajari perkembangan menarik lainnya di sektor HealthTech di sini.

Referensi

^{1. Qiu, W., Bernero, M., Ye, M. E., Yang, X., Fisch, P., Müller, R., & Qin, X. H. A Water-Soluble PVA Macrothiol Enables Two-Photon Microfabrication of Cell-Interactive Hydrogel Structures at 400 mm s−1. Advanced Materials, e10834. https://doi.org/10.1002/adma.202510834}