Bioprinting Berpanduan Ultrasound: Garis Depan Baru dalam Kedokteran Presisi

Sistem kesehatan dan medis telah berkembang pesat selama abad terakhir. Pada zaman dahulu, manusia bergantung pada tanaman obat. Namun tentu saja, mereka kekurangan konsistensi dan spesifikasi dalam pengiriman obat.

Kemudian, pil dan kapsul menjadi populer untuk menyimpan farmasi. Mereka larut ketika bersentuhan dengan cairan gastrointestinal, menembus dinding usus, dan kemudian diserap ke dalam aliran darah melalui kapiler darah tanpa kontrol atas pelepasan obat. 

Penggunaan lapisan pada obat untuk menyamarkan rasa pahitnya lebih lanjut mengubah laju pelepasan obat. Seiring waktu, bahan pelapis berkembang dari emas dan perak menjadi mutiara, gula, dan pelapis enterik.

Pelapis enterik adalah lapisan polimer luar pada obat oral. Penghalang ini mencegah obat larut dalam lingkungan lambung kita, sehingga memungkinkan pelepasan terkontrol. Kemajuan lebih lanjut dalam pelapis ini selama bertahun‑tahun telah membuat pengiriman obat menjadi lebih baik.

Terapi nanopartikel pertama dalam bentuk konjugat polimer‑obat dilaporkan pada tahun 1950-an, sementara nanoteknologi pertama, yang dikenal sebagai liposom, baru ditemukan pada tahun 1960-an. Kedua‑nya menandai asal usul nanokarier.

Seiring waktu, polimer pintar dan hidrogel dikembangkan untuk menstabilkan sistem pengiriman obat, sementara upaya dilakukan untuk mengembangkan sistem pengiriman obat nanoteknologi yang terarah.

Dalam beberapa tahun terakhir, kemajuan signifikan telah dicapai dalam pengembangan perangkat pengiriman obat terlokalisasi yang memungkinkan kontrol presisi atas pelepasan obat. Teknik seperti misel, hidrogel, liposom, dan nanopartikel menawarkan pelepasan berkelanjutan agen terapeutik pada lokasi tertentu.

Pendekatan ini meningkatkan efektivitas pengobatan sambil meminimalkan toksisitas jaringan dengan menghindari sirkulasi sistemik agen terapeutik. 

Perangkat pengiriman obat yang dapat ditanam, khususnya, secara efektif mengirimkan obat ke wilayah terlokalisasi. Perangkat ini terbuat dari komponen yang biokompatibel dan dapat terurai, serta dapat dirancang untuk melepaskan obat dengan dosis berbeda serta untuk pengiriman kontinu dan intermiten. 

Fokus khusus adalah pada implan jaringan dalam yang non‑invasif, juga dikenal sebagai implan pintar atau implan minimal invasif. Perangkat ini, yang dirancang untuk memantau fungsi tubuh, memberikan obat, atau bahkan membantu regenerasi jaringan, ditempatkan di dalam tubuh tanpa prosedur bedah yang ekstensif.

Sekarang, tim ilmuwan Caltech telah membuat kemajuan signifikan menuju tujuan utama memberikan kemampuan kepada dokter untuk mencetak kapsul miniatur secara presisi yang dapat mengirimkan sel yang diperlukan untuk perbaikan jaringan pada lokasi yang tepat, seperti di dalam jantung yang berdebar.

Untuk ini, mereka telah membangun platform pencetakan suara jaringan dalam in vivo (DISP). Teknik teknik pencetakan 3D in vivo berpanduan pencitraan baru¹ telah dipublikasikan di jurnal Science.

DISP: Pencetakan Suara Berpanduan Pencitraan untuk Terapi Jaringan Dalam

Pencetakan tiga dimensi (3D) atau manufaktur aditif semakin populer berkat fleksibilitasnya, kemampuan menciptakan desain kompleks, dan opsi kustomisasi.

Dalam proses manufaktur ini, objek 3D dibuat dari file digital dengan menumpuk lapisan material. Hal ini memungkinkan prototipe cepat, biaya manufaktur yang lebih rendah, dan produk yang dipersonalisasi, yang mendorong adopsi luasnya, terutama di bidang seperti manufaktur, kesehatan, dan bahkan mode. 

Dalam bidang kesehatan, pencetakan 3D merevolusi produksi implan medis. Ini telah menjadi alat yang sangat berharga untuk menghasilkan implan spesifik pasien, baik secara eksternal maupun langsung di dalam tubuh.

Namun, janji implan yang dapat disesuaikan ini menghadapi keterbatasan kebutuhan prosedur bedah invasif. Implan untuk dalam tubuh lebih dibatasi oleh kebutuhan bahan prekursor dan metode polimerisasi yang aman untuk digunakan dalam tubuh manusia yang dapat diaktifkan dengan presisi dari luar tubuh. Untuk mengatasi masalah ini, ilmuwan beralih ke pencetakan ultrasonik.

Sebagai contoh, dalam sebuah studi² tahun lalu, peneliti dari Fakultas Teknik Biomedis Technion memperkenalkan teknik non‑invasif untuk bioprinting jaringan dan sel dalam tubuh secara mendalam melalui iradiasi gelombang suara eksternal yang dipancarkan dari transduser ultrasonik eksternal.

Sekarang, tim ilmuwan dari California Institute of Technology telah membangun platform yang memanfaatkan pencetakan ultrasonik berpanduan pencitraan, yang mampu menembus jauh lebih dalam dibandingkan metode lain.

Alih‑alih pencetakan 3D tradisional yang menggunakan nozzle, dalam studi ini, terdapat berkas suara terfokus yang menghasilkan lonjakan suhu terkontrol untuk memulai proses serupa pencetakan.

Didanai oleh National Institutes of Health, American Cancer Society, Heritage Medical Research Institute, dan Challenge Initiative di UCLA, studi ini menggabungkan ultrasonik dengan liposom suhu rendah (LTSLs) yang dimuat dengan agen penghubung silang. 

Liposom atau vesikel lipid adalah struktur kecil tertutup yang ditemukan dalam sel hidup yang mengandung lipid, yaitu sekelompok senyawa seperti lemak, lilin, monoglikida, dan diglikida yang melakukan berbagai fungsi dalam tubuh kita, termasuk menyimpan energi, memberi sinyal, menyerap vitamin, membuat hormon, dan berperan sebagai komponen struktural membran sel.

Vesikel ini digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk penargetan obat, pengiriman obat, dan studi in vitro tentang dinamika membran sel. 

Liposom dalam studi ini dicelupkan dalam larutan polimer yang mengandung monomer polimer yang diinginkan dan muatan yang akan dikirim, seperti obat terapeutik.

Polimer tersebut adalah agen kontras pencitraan yang terungkap ketika penghubungan silang terjadi. Dalam studi ini, vesikel gas digunakan untuk tujuan ini. Melalui pemantauan waktu nyata, pencitraan ultrasonik berbasis vesikel gas (GVs) memungkinkan pembuatan pola khusus pada hewan hidup. 

GVs adalah nanostruktur protein berisi udara yang berfungsi sebagai agen pencitraan dan terapeutik untuk ultrasonik, resonansi magnetik, dan teknik optik. Mereka semakin banyak digunakan sebagai agen kontras dalam pencitraan ultrasonik karena sifat unik yang memungkinkan mereka menghasilkan kontras nonlinier di bawah ultrasonik. GVs dapat dikodekan secara genetik dan direkayasa, menjadikannya agen pencitraan yang serbaguna.

Penggabungan LTSL yang dimuat dengan agen penghubung silang ke dalam bio‑ink memungkinkan platform baru ini menawarkan penghubungan silang yang cepat dan presisi dari beragam biomaterial fungsional sesuai permintaan menggunakan ultrasonik terfokus.

Tim memvalidasi platform mereka dengan berhasil mencetak di dekat area kanker pada kandung kemih tikus dan jauh di dalam otot kaki kelinci secara in vivo. 

Dengan menggunakan platform DISP untuk mencetak polimer yang dimuat dengan obat kemoterapi (doksorubisin) di dekat tumor kandung kemih pada tikus, tim berhasil mencapai kematian sel tumor yang jauh lebih tinggi selama beberapa hari dibandingkan mereka yang menerima obat melalui injeksi langsung larutan obat.

Keamanan, Presisi, dan Biokompatibilitas: Potensi Klinis DISP

Tim Caltech telah mengembangkan teknik untuk mencetak polimer 3D pada lokasi spesifik jauh di dalam hewan hidup. Elham Davoodi, asisten profesor teknik mesin di University of Utah, adalah penulis utama studi ini, yang menyelesaikannya saat menjadi peneliti pascadoktoral di Caltech.

Metode ini memanfaatkan suara untuk lokalisasi. Sudah, metode ini digunakan untuk mencetak polimer mirip lem untuk menutup luka internal dan kapsul polimer untuk pengiriman obat selektif.

Sebelumnya, ilmuwan menggunakan cahaya inframerah untuk mengaktifkan polimerisasi, proses di mana unit kecil yang disebut monomer dihubungkan menjadi molekul lebih besar yang disebut polimer, dalam hewan hidup.

Namun, inframerah memiliki penetrasi yang sangat terbatas. “Hanya mencapai tepat di bawah kulit,” catat Wei Gao, profesor rekayasa medis di Caltech dan Peneliti Heritage Medical Research Institute.

Sebaliknya, teknik baru ini dapat mencapai jaringan dalam dan juga dapat mencetak berbagai material untuk beragam aplikasi sambil “mempertahankan biokompatibilitas yang sangat baik.”

Untuk mewujudkan pencetakan in vivo jaringan dalam, tim beralih ke ultrasonik, sebuah platform yang banyak digunakan dalam biomedis untuk tujuan ini. 

Namun mereka membutuhkan cara untuk mengaktifkan pengikatan monomer, atau penghubungan silang, pada lokasi spesifik dan hanya ketika diinginkan.

Jadi, tim memperkenalkan cara baru, menggabungkan ultrasonik dengan (LTSL) yang dimuat dengan agen penghubung silang dan kemudian terbenam dalam larutan polimer yang mengandung monomer polimer dan muatan. Komponen tambahan, seperti sel dan material konduktif seperti perak atau nanotube karbon, juga dapat dimasukkan di sini. Bioink yang dihasilkan kemudian disuntikkan langsung ke dalam tubuh.

Sekarang, untuk memulai pencetakan, ilmuwan menggunakan ultrasonik terfokus, yang meningkatkan suhu di area target beberapa (sekitar 5) derajat. Hal ini menyebabkan liposom melepaskan isinya, sehingga pencetakan polimer dapat dimulai di lokasi yang presisi. Menurut Gao:

“Meningkatkan suhu beberapa derajat Celsius sudah cukup bagi partikel liposom untuk melepaskan agen penghubungan silang kami. Di mana agen dilepaskan, di situlah polimerisasi atau pencetakan terlokalisasi akan terjadi.”

Vesikel gas, yang berasal dari bakteri dan digunakan sebagai agen kontras pencitraan di sini, memberi tahu kita bahwa semuanya berfungsi sebagaimana mestinya dengan muncul kuat dalam pencitraan ultrasonik. Mereka sensitif terhadap perubahan kimia yang terjadi ketika larutan monomer cair menghubungkan silang untuk membentuk jaringan gel.

Ketika transformasi terjadi, vesikel mengubah kontras, yang teridentifikasi oleh pencitraan ultrasonik. Hal ini memungkinkan ilmuwan dengan mudah mendeteksi kapan dan secara tepat di mana penghubungan silang polimerisasi terjadi, sehingga mereka dapat memodifikasi pola yang sedang dicetak pada hewan hidup.

Selain gel bioadhesif dan polimer, studi ini juga menjelaskan penggunaan teknik ini untuk mencetak hidrogel bioelektrik, polimer dengan material konduktif terbenam yang digunakan untuk pemantauan internal tanda vital fisiologis. 

Sekarang, verifikasi platform DISP melalui percobaan sukses pada tikus dan kelinci tanpa tanda-tanda peradangan atau kerusakan jaringan menunjukkan potensi platform untuk pengiriman obat terlokalisasi, penggantian jaringan, dan bioelektronik. Dengan tubuh membersihkan tinta yang belum terpolimerisasi dalam waktu seminggu, hal ini semakin menyoroti profil keamanan platform.

Selain itu, kemampuannya mencetak material berisi sel, berisi obat, bioadhesif, dan konduktif menunjukkan keberagaman untuk berbagai aplikasi medis. Namun tentu saja, agar dapat diterapkan secara klinis, platform ini memerlukan penyempurnaan lebih lanjut.

“Ini adalah arah riset baru di bidang bioprinting. Tahap berikutnya kami adalah mencoba mencetak pada model hewan yang lebih besar, dan semoga, dalam waktu dekat, kami dapat mengevaluasinya pada manusia.”

– Gao

Tim berupaya meningkatkan kemampuan platform DISP untuk melokalisasi secara presisi dan menerapkan ultrasonik terfokus melalui pembelajaran mesin.

“Di masa depan, dengan bantuan AI, kami ingin dapat secara otomatis memicu pencetakan berpresisi tinggi dalam organ yang bergerak seperti jantung yang berdebar.”

– Gao

Berinvestasi dalam 3D Bio-Printing

Pemain awal dalam industri pencetakan 3D, 3D Systems (DDD ) adalah salah satu nama terkemuka yang patut diperhatikan seiring perkembangan bidang ini. Perusahaan menyediakan solusi pencetakan 3D dan manufaktur digital yang komprehensif, termasuk printer 3D untuk logam, material, dan plastik, perangkat lunak, serta layanan. Dari laboratorium gigi dan produsen otomotif hingga perancang semikonduktor dan pembuat perangkat medis, mereka merancang perangkat lunak dan mengembangkan printer untuk semua jenis industri dan material.

3D Systems (DDD )

3S Systems beroperasi melalui dua segmen: Healthcare Solutions, yang melayani laboratorium gigi, kedokteran regeneratif, perangkat medis, dan layanan kesehatan pribadi, dan Industrial Solutions, yang melayani transportasi, kedirgantaraan, pertahanan, dan manufaktur umum. 

Pada tahun 2021, perusahaan mengakuisisi Allevi untuk memperluas inisiatif kedokteran regeneratifnya dengan mempercepat pertumbuhan laboratorium riset farmasi. Seperti yang dicatat perusahaan di situs webnya, bioprinting 3D telah memajukan pengembangan model pra‑klinis bebas hewan dan pemodelan penyakit 3D melalui desain bioprint iteratif serta kemampuannya mereplikasi biologi manusia in vivo.

Tahun yang sama, perusahaan juga mengakuisisi Additive Works GmbH, sebuah perusahaan perangkat lunak Jerman, untuk memperluas kemampuan simulasi dalam optimasi cepat proses pencetakan 3D skala industri.

Saham perusahaan saat ini diperdagangkan pada $1.94, turun 22.26% YTD. Pada level harga ini, saham 3D Systems telah mengalami penurunan signifikan dari puncaknya sekitar $48.60, yang tercapai pada awal 2021, serupa dengan banyak saham lain di pasar. 

3D Systems telah mencapai kapitalisasi pasar sebesar $345.6 million, dan EPS (TTM) nya adalah -1.93, serta P/E (TTM) adalah -1.32.

Mengenai keuangan perusahaan, mereka menunjukkan bahwa pada kuartal pertama 2025, 3D Systems mencatat pendapatan sebesar $94.5 million, yang merupakan penurunan 8% dibandingkan kuartal yang sama tahun lalu karena penjualan material yang lebih rendah.

Pendapatan Healthcare Solutions mencapai $41.3 million, sementara $53.2 million berasal dari Industrial Solutions.

Ini, kata CEO Dr. Jeffrey Graves, mencerminkan “kelanjutan tekanan pendapatan atas yang menantang karena banyak pelanggan menunda investasi modal mereka” untuk mendapatkan kejelasan lebih besar mengenai potensi dampak tarif selain ketidakpastian geopolitik dan makroekonomi yang terus berlangsung.

Margin laba kotor untuk periode tersebut adalah 34.6%, dan margin laba kotor non‑GAAP adalah 35% karena volume yang lebih rendah dan harga yang tidak menguntungkan. Sementara itu, kerugian bersih sebesar $37 million. Pada akhir Maret 2025, kas dan setara kasnya sebesar $135 million, dan total utang, bersih dari biaya pembiayaan yang ditangguhkan, sebesar $212.3 million.

Namun, perusahaan sedang mengerjakan inisiatif penghematan biaya sebesar $50 million, yang akan selesai pada pertengahan 2026. Diproyeksikan juga akan mencapai titik impas pada basis EBITDA pada kuartal terakhir tahun ini.

Selain itu, neraca keuangannya menguat sebagai hasil penjualan portofolio Geomagic, memberikan peningkatan lebih dari $100 million setelah pajak pada cadangan kas menjadi $250 million per 30 April 2025.

Aspek positif 3D Systems sebagai pilihan investasi adalah bahwa perusahaan melihat pertumbuhan stabil di pasar Dirgantara dan Pertahanan, dan sistem perangkat keras terbarunya mencatat pertumbuhan penjualan. Selain itu, infrastruktur AI adalah area lain yang difokuskan 3D Systems untuk mendorong kemajuannya.

“Pemeliharaan investasi R&D kami secara sengaja selama beberapa tahun terakhir telah menghasilkan gelombang signifikan pengenalan teknologi baru di seluruh portofolio produk kami, termasuk platform polimer dan logam kami.”

– Gravel

Dia mencatat bahwa meskipun hal ini berdampak negatif pada profitabilitas jangka pendek, minat pelanggan yang kuat berarti “sistem baru kami semakin dipilih untuk manufaktur komponen berkualitas tinggi/keandalan tinggi, untuk aplikasi dalam tubuh manusia, dan dalam sistem industri canggih.” Beberapa produk baru kini memasuki fase kritis komersialisasi.

Tahun ini, sejauh ini,  3D Systems telah berkolaborasi dengan produsen kendaraan komersial terkemuka Daimler Truck (DTG.DE ) untuk memfasilitasi pencetakan suku cadang secara remote. Pencetakan sesuai permintaan ini bertujuan mengatasi kemacetan rantai pasokan dan mengurangi waktu pengiriman sebesar 75%. 

Resin pencetakan 3D NextDent yang telah divalidasi secara klinis dilaporkan kini mencakup lebih dari 30 aplikasi, termasuk yang berfokus pada perbaikan gigi. Perusahaan juga mengumumkan implan wajah PEEK cetak 3D pertama dalam solusi manufaktur aditif di tempat perawatan bekerja sama dengan University Hospital Basel.

Pada acara terbaru, 3D Systems juga meluncurkan beberapa produk baru, seperti QuickCast® Diamond™ dan PSLA 270, serta modul baru untuk printer ekstrusi pelet EXT Titan berformat besar. Mereka juga memperkenalkan printer 3D Figure 4® 135 berkapasitas tinggi dan presisi serta material Figure 4 Tough 75C FR Black untuk mengurangi biaya manufaktur dengan variasi tinggi dan volume rendah. 

Terbaru tentang 3D Systems

Kesimpulan

Sistem kesehatan telah mengalami transformasi besar selama beberapa dekade terakhir. Perjalanan ini dari ramuan herbal ke nanomedisin canggih menunjukkan bahwa evolusi pengiriman obat ditandai oleh inovasi teknologi. 

Sekarang, perkembangan terbaru oleh ilmuwan Caltech merupakan langkah luar biasa ke depan dalam revolusi medis. Dengan menggunakan gelombang suara yang sama yang saat ini digunakan untuk melihat ke dalam tubuh untuk tujuan pencitraan, platform DISP mampu menembus jauh lebih dalam ke jaringan. Campuran khusus solusi (bioink) dan transduser ultrasonik terfokus (FUS) memungkinkan pencetakan yang presisi.

Seiring teknologi ini maju menuju model hewan yang lebih besar dan uji klinis pada manusia, DISP, dengan biokompatibilitas, presisi, dan adaptabilitasnya, menjanjikan redefinisi pengiriman obat dan penyembuhan internal.

Klik di sini untuk daftar saham bioprinting 3D teratas.

Studi yang Dirujuk:

1. Davoodi, E., Li, J., Ma, X., Najafabadi, A. H., Yoo, J., Lu, G., Sani, E. S., Lee, S., Montazerian, H., Kim, G., Williams, J., Yang, J. W., Zeng, Y., Li, L. S., Jin, Z., Sadri, B., Nia, S. S., Wang, L. V., Hsiai, T. K., Weiss, P. S., Zhou, Q., Khademhosseini, A., Wu, D., Shapiro, M. G., & Gao, W. (2025). Imaging-guided deep tissue in vivo sound printing. Science, 388(6747), 616–623. https://doi.org/10.1126/science.adt0293

2. Debbi, L., Machour, M., Dahis, D., Shoyhet, H., Shuhmaher, M., Potter, R., Tabory, Y., Goldfracht, I., Dennis, I., Blechman, T., Fuchs, T., Azhari, H., & Levenberg, S. (2024). Ultrasound mediated polymerization for cell delivery, drug delivery, and 3D printing. Small Methods, 8(6), 2301197. https://doi.org/10.1002/smtd.202301197