MAKALAH MERANCANG SCAFOLD
Untuk memenuhi Tugas Tugas Matakuliah Fisika Keramik yang dibimbing oleh Dra. Hartatiek, M.Si
Oleh Kelompok 3 !. "ita Sutiami &. "osabi "osabiela ela +ra -ndin -ndinaa 3. Su/i 0lya +n +ntan Suryani
#!$%3&&'%33()* #!$%3& #!$%3&&'% &'%&$ &$%* %* #!$%3&&'%$)$%*
PRODI FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MALANG APRIL 2017
MERANCANG SCAFOLD A. PEND PENDAH AHUL ULUA UAN N
Siat desain s/aold merupakan aktor kun/i dalam rekayasa 1aringan tulang dan me2a me2aki kili li lebi lebih h dari dari seked sekedar ar komp kompon onen en pasi pasi.. era eran/ n/ah ah haru haruss memb memberi erika kan n duku dukung ngan an struktural struktural sementara untuk untuk pertumbuhan pertumbuhan sel selama regenerasi 1aringan, sementara pada akhirnya diserap, hanya menyisakan menyisakan 1aringan hidup yang yang baru dibentuk dan dan lesi sepenuhnya
sembuh. 4ambar !%.! menampilkan kesamaan antara konstruksi peran/ah dan sebuah peran/ah 3D untuk tu1uan regenerasi 1aringan tulang. Menurut Hutma/her, yang ideal sintetis /angkok tulang adalah bahan berpori yang dapat bertindak sebagai template sementara untuk pertumbuhan tulang dalam tiga dimensi. +ni harus #i* biokompatibel dan bioresorbable dengan tingkat degradasi dan resorpsi terkendali untuk men/o/okkan sel tulang 5 pertumbuhan 1aringan in 6itro dan 5 atau in 6i6o7 #ii* memiliki permukaan kimia yang /o/ok untuk tambahan sel, prolierasi, dan dierensiasi7 #iii* men1adi tiga dimensi dan sangat berpori dengan 1aringan berpori saling berhubungan untuk pertumbuhan sel, 6askularisasi, transportasi aliran nutrisi, dan sisa metabolisme7 #i6* memiliki siat mekanik untuk di/o/okkan dengan 1aringan di tempat implantasi7 #6* dilakukan dengan proses abrikasi yang dapat ditingkatkan untuk produksi massal7 dan #6i* men1adi sterilizable dan memenuhi persyaratan peraturan untuk penggunaan klinis. Se/ara umum peran/ah sintetik yang ideal diharapkan untuk meniru tulang cancellous berpori, yang memenuhi sebagian besar kriteria yang ter/antum. 4ambar !%.& me2akili semua langkah yang terlibat dalam desain peran/ah 3D untuk tu1uan regenerasi 1aringan tulang. +dealnya, teknik pengolahan yang paling modern didasarkan pada abrikasi peran/ah 3D berdasarkan data pen/itraan medis yang "biodecorated" dengan sel induk dan aktor pertumbuhan untuk memper/epat regenerasi tulang. eran/ah 3D ditanamkan ke pasien, di mana ia mengalami reabsorpsi pada saat yang sama bah2a tulang tersebut baru terbentuk, akhirnya memulihkan ungsinya. Di sini, gambaran dari persyaratan utama dalam desain peran/ah 3D untuk regenerasi 1aringan tulang akan disa1ikan, serta sebagai aspek yang paling rele6an dari teknik yang berbeda dari pengolahan yang digunakan sampai saat ini.
Gambar 10.1 Kesamaan antara kontruksi peran/ah dan peran/ah 3D untuk teknik 1aringan tulang. 4ambar menun1ukkan oto8oto 09piatory Kuil Keluarga Kudus sebelum dan setelah konstruksi #:ar/elona, Spanyol*
Gambar 10.2 rinsip peran/ah berbasis teknik 1aringan. Sebuah peran/ah disesuaikan disiapkan berdasarkan data pen/itraan medis oleh teknologi prototyping /epat #!83*, setelah penggabungan aktor pertumbuhan dan sel8sel #$*, dan ditanamkan ke pasien #(*. ;aktu, peran/ah diserap kembali dan penanaman kontruksi mengubah bentuk, untuk akhirnya membentuk 1aringan ungsional #'*.
B. TUJUAN !. Mengetahui dan memahami persyaratan untuk s/aold rekayasa 1aringan tulang &. Teknik pemrosesan s/aold C. PEMBAHASAN 1. Pr!"ara#a$ P$#%$& '$#'( S)a**+,- R(a"a!a Jar%$&a$ T',a$&
Se1ak
meledak> dengan pengembangan material baru dan struktur yang berungsi sebagai peran/ah. ?amun, penetrasi bahan8bahan peran/ah baru tersebut dan struktur dari penelitian laboratorium ke klinik telah sangat terbatas. enetrasi terbatas ini kemungkinan karena pertemuan banyak aktor, seperti kebutuhan untuk pemahaman yang lebih baik bahan dan persyaratan desain, pemahaman yang lebih lengkap dari degradasi material in 6i6o, perkembangan yang lebih komprehensi metode terukur untuk manuaktur, integrasi teknik desain komputasi dengan manuaktur peran/ah dan lebih disesuaikan terapi untuk meningkatkan penerimaan mereka. +ntegrasi semua aktor ini diperlukan untuk men/apai dari >konsep ke klinik> dalam persoalan s/aolding. Untuk insinyur peran/ah sukses untuk aplikasi klinis tertentu, seseorang harus memahami struktur 1aringan dasar dan persyaratan metabolisme untuk aplikasi peran/ah tertentu. Desain, bahan sintesis, dan pembuatan harus ditangani dengan mempertimbangkan yang paling rele6an US Food dan Drug -dministration #FD-* pedoman yang mengatur aplikasi klinis tertentu. Oleh karena itu, empat kebutuhan mendasar untuk peran/ah teknik 1aringan telah ditetapkan :entuk, Fungsi, Susunan, dan Fiksasi, yang dilambangkan sebagai persyaratan $F dan merupakan pilar utama untuk keberhasilan peran/ah. :entuk berhubungan dengan mengisi /a/at 3D yang kompleks, memandu bentuk 1aringan untuk men/o/okkan anatomi 3D asli. Fungsi terkait dengan dukungan sementara tuntutan ungsional sehari8hari, biasanya mekanik, dalam /a/at sampai 1aringan yang /ukup telah dibentuk untuk mengambil alih tuntutan tersebut. embentukan berhubungan dengan meningkatkan regenerasi 1aringan melalui pengiriman bahan biologis yang tepat dan dengan menyediakan lingkungan transportasi massa yang sesuai. Fiksasi
adalah terkait untuk penyediaan semua ini dalam sebuah paket yang ahli bedah dapat dengan mudah menanamkan dan melekat pada 1aringan sekitarnya /a/at. Telah ditetapkan dengan sangat baik bah2a disamping persoalan bahan, yang mana membutuhkan penggunaan bahan yang layak, non8mutagenik, non8antigen, non8 karsinogenik, tidak bera/un, non8teratogenik dengan sel yang tinggi 5 biokompatibilitas 1aringan, siat struktural dari peran/ah 3D memainkan peran penting dalam keberhasilan masa depan dalam aplikasi klinis. Oleh karena itu, 1ika tu1uannya adalah untuk meniru tulang cancellous adalah penting untuk mengetahui se/ara detail struktur tulang. emba/a dian1urkan untuk memba/a :ab !! untuk pembahasan lebih lan1ut terkait dengan struktur tulang. 4ambar !%.3 menampilkan struktur hirarkis tulang alami yang terdiri dari skala pan1ang yang berbeda dari makro ke nano. Tulang memiliki kalsiikasi lapisan luar kompak yang kuat #4ambar !%.3, -*, yang terdiri dari banyak sistem Ha6ersian silinder atau osteons #4ambar !%.3, :*. Sel8sel penduduk sebagai osteosit memperlihatkan reseptor membran sel yang merespon situs pengikatan spesiik #4ambar !%.3, @* dan dideinisikan dengan baik nanoar/hite/ture dari matriks ekstraselular sekitarnya #0@M* yang dibentuk oleh kristal apatit nanokristalin disusun dalam serat kolagen #4ambar !%.3, D*. studi yang berbeda telah menun1ukkan bah2a sel8sel sensiti pada tingkat8tingkat yang berbeda untuk men1amin memadainya regenerasi 1aringan.
Gambar 10. Organisasi hirarkis dari 1aringan tulang pada s kala pan1ang yang berbeda #
Oleh karena itu, tantangan utama adalah untuk mempertahankan tingkat kontrol akurat yang tinggi diatas makro #misalnya, bentuk tata ruang, kekuatan mekanik, kepadatan, dan porositas*, mikro #misalnya, ukuran pori8pori, distribusi pori, interkonekti6itas pori*, dan nanostructural siat #misalnya, luas permukaan, kekasaran, topograi* untuk men/apai regenerasi yang memadai. Di ba2ah ini adalah datar itur utama yang perlu dipertimbangkan ketika meran/ang peran/ah untuk tu1uan regenerasi 1aringan tulang
1. Ma)r+!#r')#'r Hal ini penting untuk menentukan 6olume yang akan membentuk regenerasi tulang. 2. S%*a# m(a$%! Sebagai template untuk memandu regenerasi 1aringan tulang, peran/ah harus memiliki kekuatan mekanik yang /ukup untuk menyediakan ungsi sementara dalam /a/at saat 1aringan meregenerasi. Aika siat mekanik tulang asli yang digunakan sebagai pedoman dalam meran/ang peran/ah, mereka harus menun1ukkan siat elastis linier dengan modulus ratusan megapas/al, dengan mikro tertanam menun1ukkan orientasi lebih disukai karena anisotropi tulang. Selain itu, penting untuk mengenali bah2a siat mekanik peran/ah akan menurun dengan degradasi peran/ah. Aadi, bahkan 1ika peran/ah memiliki siat mekanik yang /ukup pada saat implantasi, 1alan siat mekanik berubah selama degradasi 1uga dapat mempengaruhi ungsi dalam /a/at 1aringan. . U('ra$ /+r% /+r+!%#a! -a$ %$#r(+$(#%%#a! Meskipun diterima bah2a ukuran pori8 pori adalah 6ariabel penting untuk merangsang pertumbuhan ke sel dan pembentukan tulang baru, yang 1aringan berpori saling berhubungan dan porositas sangat penting dalam memastikan dengan leluasa distribusi keseragaman sel, kelangsungan hidup sel, prolierasi, dan migrasi in 6itro. Selain itu, porositas peran/ah ini #melebihi '%B* dan dera1at interkonekti6itas pori se/ara langsung mempengaruhi diusi nutrisi dan gas isiologis, dan penghapusan metabolik limbah dan oleh produk dari sel8sel yang telah menembus peran/ah. Ukuran kisaran pori8pori ini /ukup luas dan saat ini ada kekurangan konsensus mengenai porositas yang ideal diperlukan untuk pertumbuhan tulang. Hal ini 1uga diketahui bah2a pori8 pori dengan ukuran lebih ke/il dari !Cm sesuai untuk berinteraksi dengan protein dan terutama bertanggung 1a2ab untuk menginduksi pembentukan lapisan apatit seperti kontak dengan /airan isiologis #perilaku bioakti*. ori8pori dengan ukuran di kisaran !8&% Cm penting dalam pengembangan seluler, 1enis sel yang melekat, dan orientasi dan pengarahan seluler pertumbuhan ke dalam. Selain itu, pori ukuran antara !%% dan !%%% Cm sangat penting untuk men1amin pasokan nutrisi, pembuangan sampah dari sel, sehingga mempromosikan di pertumbuhan sel8sel tulang. -khirnya, kehadiran pori8pori ukuran lebih besar dari !%%% Cm akan memainkan peran penting dalam ungsi implan. . L'a! /rm'(aa$ -a$ #+/+&ra*% 3$a$+4 Saat ini, studi yang berbeda telah menetapkan bah2a penggunaan bahan struktur skala nano untuk mengontrol perilaku sel memiliki implikasi penting ketika meran/ang bahan8bahan baru untuk teknik 1aringan. Se/ara kon6ensional, peran/ah telah diran/ang se/ara makroskopik untuk memiliki siat mekanik yang mirip dengan 1aringan tulang alami, tanpa kompleksitas dan detail nano diamati pada organ nyata pada tingkat interaksi matriks sel #4ambar !%.3*. :erbeda pendekatan melalui tingkat skala nano ini dapat memberikan manaat nyata, karena sel8sel yang inheren sensiti terhadap perubahan nano lokal. :eberapa penelitian telah menun1ukkan bah2a hanya meningkatkan kekasaran nano dari dinding pori peran/ah menyebabkan peningkatan lampiran sel, prolierasi, dan ekspresi komponen matriks. 4ambar !%.$ menampilkan ilustrasi skematik mengenai pengaruh skala pan1ang yang berbeda pada penyebaran sel.
Gambar 10. engaruh arsitektur peran/ah pori pada adhesi sel dan kolonisasi. sel mengikat peran/ah dengan meratakan arsitektur ma/ros/ale dan mikros/ale dan menyebar seolah dibiakkan pada permukaan datar. eran/ah dengan arsitektur nano menun1ukkan area permukaan yang lebih besar untuk melekatnya protein, menghadirkan lebih banyak situs mengikat reseptor membran sel.
2. T($%( Mra$)a$& S)a**+,-
-da berbagai ma/am metodologi manuaktur untuk mengembangkan peran/ah berpori 3D. Teknik8teknik ini berkisar dari metode kon6ensional, seperti deproteinisasi dari tulang sapi, casting pelarut, pen/u/ian partikulat, pembekuan8pengeringan, replika gel casting, gas berbusa dan pengkombinasian diantara mereka, yang terutama diokuskan pada pengenalan pori8pori terbuka dan saluran saling terkait. Teknologi yang paling /anggih seperti rapid prototyping (RP) dan proses electrospinning yang memungkinkan kontrol akurat pada skala makro8nanoporosity. Tab, 10.1 merangkum itur utama dari perbedaan teknik pengolahan untuk pembuatan peran/ah 3D. ada umumnya, metodologi kon6ensional telah menun1ukkan reproduktiitas yang terbatas dan kontrol geometri internal lebih rendah. ?amun, abrikasi "8 assited merupakan kumpulan teknik yang dapat membangun sebuah obyek dalam hampir semua bentuk dengan mendepositokan lapisan dengan lapisan. Keuntungan dari teknik ini daripada metode kon6ensional adalah bah2a mereka memungkinkan produksi peran/ah 3D dengan struktur pori yang pasti dan teratur, yang ditentukan oleh ile a /omputeraided design #@-D*. Saat ini, teknologi electrospinning diperkenalkan pada aplikasi tulang untuk meregenerasi 1aringan. Karena kemampuannya diperoleh dalam skala nano dengan desain peran/ah berserat yang meniru struktur ungsional kolagen. Karena metodelogi pengolahan peran/ah /ukup banyak dan untuk menyederhanakannya maka bab ini akan dibahas se/ara rin/i tiga struktur peran/ah utama yang digunakan untuk meregenerasi 1aringan tulang. Gambar 10.5 merangkum struktur peran/ah utama yang akan dibahas dalam bab ini.
Tab,. 10 T($%( /$&+,a6a$ '$#'( mmb'a# /ra$)a6 ma(r+/+r+'! D
a. Pra$)a6 Brb'!a
Aenis peran/ah busa pada 1aringan makroporus mirip struktur tulang /an/ellous seperti yang telah ditun1ukkan oleh 8ray mi/rotomography. eran/ah busa ini menun1ukkan struktur interkonektiitas yang terbuka dengan porositas umum lebih tinggi dari =%B dan ukuran pori antara &%%8!%% μm . Metode yang berbeda digunakan untuk membuat peran/ah busa diringkas pada &ambar 10.. -da & metode yang digunakan, yaitu metode tidak langsung #seperti teknik replika busa* dan metode langsung #seperti pembentukan gas reaksi kimia dan agen permukaan akti yang berbusa*. rosedur busa ini dianggap rute paling eekti untuk membuat peran/ah pada umumnya dengan bentuk garis anatomi untuk regenerasi 1aringan keras.
Gambar 10.5 erbedaan teknologi yang digunakan untuk membuat peran/ah biokeramik dengan tu1uan meregenerasi 1aringan tulang. eran/ah yang sangat berpori dibuat dengan gas berbusa atau pen/u/ian garam #busa*. 0lektrospining adalah teknik serat8oam ultrathin yang menggunakan gaya elektrostatik. Rapid Prototyping memenuhi produksi peran/ah 3D dengan pasti dan struktur pori yang teratur.
!* Teknik repli/a busa (Foam replica technique) se/ara luas digunakan pembentukan busa keramik dan dikembangkan pertama kali pada tahun !='3. Eang terdiri dari proses replikasi polimer pada kombinasi dengan metode gel casting. ermulaan struktur #body green* dibuat dengan impregnasi dari spons polimer #umumnya sponge polyurethane U* dengan slurry #bubur* keramik. Spons polimer ini menun1ukkan makrostruktur yang diinginkan dan berungsi sebagai template sacrificial . Setelah kering, spons polimer dibakar pada temperature tinggi
(¿ 450 ℃ ) untuk
mengurangi kerusakan mikrostruktur (micro-cracing) dari lapisan keramik berpori. Sesudah spons polimer dipindahkan, keramik disinter dengan kepadatan yang diinginkan. Teknik ini lebih unggul dari pada teknik pembuatan peran/ah lainnya seperti kemampuan memproduksi busa dengan struktur yang sangat berpori dan dimensi pori disesuaikan. Selain itu, bentuk yang tidak teratur dapat disesuaikan sesuai ukuran dan bentuk /a/at tulang. ?amun seperti yang telah dibayangkan dalam teknik ini, replikasi menyebabkan kekuatan mekanik material sangat lemah sehingga membutuhkan kehadiran asa yang menguatkan. Kelemahan yang paling penting dari pelarut ini adalah menghilangkan repli/a #spons polimer*. Seringkali langkah ini menggunakan pelarut bera/un yang 1ika tidak dihilangkan se/ara menyeluruh dapat berbahaya bagi tubuh.
Gambar 10. Prb-aa$ m#+-,+&% '$#'( /mb$#'(a$ /ra$)a6. 384 Pr+!! /$&a-'(a$ -a/a# -%6%$-ar% -$&a$ m$&&'$a(a$ ra(#a$ b%+(+m/a#%b,.
&* 4as berbusa oleh reaksi kimia (!as foaming by chemical reactions*. Strategi lain untuk menambahkan struktur busa adalah gas berbusa melalui reaksi berbusa dari bubur keramik. embentukan gelembung8gelembung gas diperoleh dengan reaksi H 2 O2
kimia yang berbeda. Seperti penambahan O2
, atau melalui reaksi asam8basa dari
pembentukan gelembung8gelembung
yang diikuti oleh dekomposisi
Na H 2 P O4
C O2
dengan
NaHC O3
dengan
. Masing8masing strategi diikuti dengan
pengontrolan porositas, dimensi pori, dan bentuk pori dengan modulasi pada kondisi proses seperti konsentrasi agen reaktan dan temperatur. ada partikel, metode gas berbusa memberikan busa dengan interkonektiitas yang lebih tinggi dan porositas yang lebih tinggi daripada teknik replika. Oleh karena itu, metode ini banyak digunakan karena mudah, hemat biaya dan mudah untuk ditingkatkan. :anyak peran/ah dibuat dari teknik ini menghasilkan hasil klinis yang sukses dan se/epatnya diharapkan masuk ke dalam pasar komersial.
3* ermukaan akti agen berbusa (urface acti#e foaming agents). Metode lain yang digunakan tensioati#e molecules #suraktan* sebagai gas gelembung yang menstabilkan. enggabungan suraktan ini dapat digunakan pada kedua gel-cast foaming dan sol-gel foaming. Dalam kedua teknik sol dibentuk dengan prosedur yang berbeda dengan suraktan gas gelembung yang menstabilkan. Umumnya, untuk mendapatkan gas gelembung yang kuat, maka diperlukan pengadukan. Setelah itu, pengeringan dan periode penuaan diperlukan untuk meningkatkan stabilitas bubur5sol. -khirnya, proses pengadukan dilakukan untuk menghilangkan agen suraktan. :aru8 baru ini, teknologi ini digunakan untuk mendapatkan teknologi sistem peran/ah berbusa 3D pada pori nanokristalin H- dengan hierarchical terbuka yang dihubungkan dengan 1aringan macroporous ! dan $%% m dan ukuran kristal mirip dengan apatit biologis, dengan kombinasi rata8rata sol8gel dengan penambahan suraktan non8ionik 3F%&'r 10.74 Kombinasi ini memungkinkan penggabungan langkah8langkah foaming pada proses dengan pemanasan yang diper/epat, sehingga pembentukan 1aringan berpori saling berhubungan. Serta dapat dengan mudah disesuaikan dengan /ara mengontrol 1umlah suraktan yang ditambahkan. Terlebih lagi, untuk kasus 3D berhubungan dengan desain arsitektur busa H- sehingga merupakan internalisasi osteoblast yang paling baik, proliferation, dan deerensiasi, menun1ukkan kolonialisasi yang lebih memadai dari pada seluruh permukaan peran/ah dengan la1u degradasi yang tepat tanpa eek sitotostik. Terlebih, berdasarkan penelitian berpotensi tinggi sebagai regenerator tulang dan osteointegration yang memiliki kiner1a sangat baik. Di sisi lain, metode ini 1uga disarankan untuk membuat suntikan macroporous dari semen kalsium osat. ada kasus ini, agen suraktan berbusa harus bersiat biokompatibel dan larut dalam air sehingga dapat dihilangkan. -gen berbusa berbasis protein seperti albumen atau /ampuran protein dari putih telur, telah terbukti men1adi agen berbusa yang baik. Keuntungan paling penting dari penggunaan agen berbusa tersebut adalah suntikan dapat dia2etkan dan stabilitas pasta yang berbusa tinggi, macroporosity dapat ditentukan setelah suntikan.
Gambar 10.7 ori busa H- yang dibentuk oleh proses gas foaming saat dihadirkan suraktan. Dalam kasus ini, kehadiran suraktan memungkinkan memperoleh porositas yang berbeda. ( $opyright % &'', he Royal ociety of $hemistry)
4 Strategi untuk meningkatkan siat mekanik. Meskipun karakteristik struktu makro5mikro busa men1adi sangat baik untuk mimicing cancellous bone, tapi kurangnya kekuatan a2al men1adi salah satu kelemahan yang penting, dibatasi penggunaannya untuk sesuatu yang tidak penting. Se/ara umum, ada strategi yang berbeda untuk meningkatkan stabilitas mekanik, seperti meningkatkan suhu pengadukan, pelapisan dengan polimer biodegradable, memproduksi polimer komposit5keramik atau sintesis hibrida. elapisan polimer metode sederhana dan biaya lebih eekti yang mempertahankan morologi a2al dan integritas. rosedur ini didasarkan pada perendaman busa dalam larutan polimer biodegradable, yang diikuti dengan pengeringan pada temperature ruang. Komposit polimer5keramik berbusa didasarkan pada /ampuran keramik pada matrik polimer degradable pada permulaan #tanpa proses pengadukan*. engguanaan pelapisan polimer dan komposit berbusa merupakan /ara yang 1elas untuk mendorong ketangguhan dalam busa keramik. ?amun ase polimer menutupi asa keramik yang bersiat bioakti dan biokompatibel. Selain itu, kedua komponen menun1ukkan tingkat degradasi yang berbeda. +dealnya, dua ase harus menurunkan congruently dan dikontrol sesuai dengan aplikasi. Strategi alternati6e sintesis hibrida berbusa, diamana polimer degradable diperkenalkan ke tahap sol pada proses sol8gel berbusa. Kemudian interaksi yang halus antara bahan organik dan anorganik dihasilkan pada bahan hibrida ini sebagai ase tunggal, pengarahan dikontrol dengan degradasi kongruen dan siat mekaniknya disesuaikan. Selain itu, baru8baru ini ditemukan penelitian tentang peran/ah template glasses (!s) yang menun1ukkan peningkatan siat mekanik melalui proses biomimetik. Dengan demikian, perilaku bioakti yang luar biasa dari T4s dan struktur mesopori 3D dimungkinkan mampu membentuk kristal apatit. Tidak hanya permukaan luar, tetapi bagian dalam, yang memiliki peran penting dalam menentukan siat mekanik. b. Ra/%- Pr+#+#"/%$& S)a**+,-
Teknik " (Rapid prototype) meru1uk pada roduksi olid free-Form #SFF* dimana meliputi sekelompok teknik teknik yang paling bagus dengan produksi dalam skala besar untuk mengontrol ukuran pori internal, porositas, interkoneksi poros, siat mekanik, dan semua dimensi pada teknik 1aringan scaffold. Teknik " dideinisikan sebagai pengendapan ke bentuk yang diinginkan dengan /ara otomatis ke setiap urutan lapisan tomograi berbasis pada program gambar 3D melalui metode additi6e layer8by8layer. Maka dari itu, laporan menyatakan bah2a persyaratan paling penting untuk aplikasi translasi adalah throughput yang tinggi dan metode automatis, yang 1uga dapat memproduksi konstruksi patient8spe/ii/ kemudian metode " berpotensi digunakan untuk membentuk 1aringan yang dibuat.
Gambar 10.9 (a) ipe proses iatan RP. (b) $omputed tomography ($)-scanning of the built structures allo*s assessment of the accuracy of the process, by comparing the scan data to the design. Reproduced *ith permission from +. $opyright % &', /lse#ier
4ambar !%. menun1ukkan proses lengkap pada desain pembuatan s/aold dari teknik ". 4eometri desain eksternal dan internal dari poros s/aold dapat dibuat dengan menggunakan sot2are gambar 3D pada komputer atau dari data s/an klinis M"+ atau teknik tomograi. Kemudian ile @D dapat dihasilkan dengan mendeskripsikan geometri dan ukuran dari partikel yang akan dibentuk. Maka, ile dengan ormat ST< dibuat, suatu ile S
$. Teknik "@ didasarkan pada penggunaan /ampuran bubur. Teknik ini terdiri dari pendeposisian robot dari koloid suspensi #tinta* yang tinggi yang mampu se/ara penuh menampung berat badannya sendiri selama perakitan, berkat penyesuaian komposisi yang teliti dan siat 6iskoelastisitas. (. FDM menggunakan persediaan material ilamen # umumnya termoplastik * yang diberi asupan dan di panaskan pada kepala8kondensor sebelum diekstruksi lapisan demi lapisannya melalui lubang ke/il dengan menggunakan pipa semprot. Tabel !%.& merangkum keterbatasan dan kemampuan dari setiap teknik berbasis ". ada umumnya, teknologi S<- dan FDM memiliki kerugian yang hanya digunakan pada material dengan skala terbatas. S<-, 2alaupun men1adi teknologi terlama, memiliki kerugian yaitu siat kekuatan mekanik yang rendah pada produk akhirnya. roses dengan temperatur tinggi pada metode FDM dapat merugikan beberapa keramik # glass 5 keramik nanostruktur* atau ketika molekul bioakti6 ditambahkan. Selain itu, kema/etan dari pinggir pori membatasi kemungkinan untuk penggunaanya pada teknologi 1aringan. 3D memberikan keuntungan dengan ketelitian tinggi dan proses yang /epat, dan dapat pula digunakan untuk material berskala luas. :agaimanapun, penggunaan pelarut ra/un organik membutuhkan perlakuan khusus untuk menghilangkan ra/un sebelum pengimplanan, penambahan biaya dan 2aktu produksi, yang bertentangan untuk hasil akhir yang diinginkan. Sementara itu metodeS
Gambar 10.: 0ain RP-based techniques rele#ant for tissue engineering applications
Selain itu, produk akhir nya memiliki kekuatan mekanik yang baik. "@, 3D, dan S
Teknologi "@ 1uga disebut sebagai perakitan direct-*rite. erakitan ini paling unik di antara proses8proses tersebut karena memungkinkan untuk membangun peran/ah keramik menggunakan tinta berbasis air dengan konten organik minimal#!2tB* dan tanpa perlu bahan sacrificial atau /etakan .Suhu minimal yang diperlukan untuk menghapus konten organik ini rendah, sekitar 3%%8$%% @. Tinta koloid #lumpur* yang dikembangkan untuk "@ harus memenuhi dua kriteria penting. ertama, siat 6iskoelastik mereka harus memungkinkan mereka untuk mengalir melalui nozzel deposision dan kemudian di Gset dengan segera sehingga bentuknya dipertahankan sebagai lapisan tambahan yang disimpan atau ketika ter1asi 1arak /elah pada struktur dasar. Kedua, suspensi harus memiliki konsentrasi 6olume padat yang tinggi untuk meminimalkan penyusutan selama pengeringan sehingga 1aringan partikel mampu menahan tekanan kapiler terlibat. Stabilitas suspensi high8solid8 loading membutuhkan kekuatan dispersi tinggi antara partikel oleh karenanya peran dispersant sangat penting. Aumlah dispersant harus disesuaikan sehingga eisien melapisi partikel dalam suspensi, namun 1ika kelebihan dapat menyebabkan lokulasi partikel karena eek penipisan. ∘
Untuk menghindari lokulasi, penambahan polyethylenimine #0+*, bertindak sebagai agen flocculating . eran/ah yang dihasilkan menun1ukkan persentase porositas yang tinggi serta mudah dikontrol dan memiliki interkonekti6itas, serta dengan siat mekanik yang tinggi. Selain itu, dengan pengolahan sintering memungkinkan untuk meningkatkan siat
mekaniknya. Selain itu, penelitian telah mengungkapkan peningkatan kuat tekan peran/ah :io/erami/ "@8terbantu oleh polimer iniltrasi. Di sisi lain, leksibilitas dari /airan "@ telah memungkinkan penggabungan polimer biodegradable ke dalam tinta, pengolahan suhu tinggi dihapuskan yang memungkinkan penggabungan molekul biologis akti selama pengolahan peran/ah. :aru8baru ini, peran/ah polikaprolakton dan nanokristalin silikon8doped 3D hidroksiapatit telah dibuat dengan teknik " . Untuk meningkatkan eisiensi peran/ah mineral matriks tulang in 6i6o #D:M* didirikan selama proses "8dibantu. Studi in 6i6o menggunakan kelin/i Selandia :aru yang telah menun1ukkan siat regenerati yang luar biasa, dengan pembentukan tulang baru tidak hanya di bagian perier dari peran/ah tetapi 1uga dalam pori makro yang terbentuk empat bulan setelah implantasi. Selain itu, tantangan nyata dalam metodologi "@ adalah integrasi itur skala nano ke dalam matriks mikro8ma/rostru/ture seperti diatas, yang diperlukan adalah untuk respon seluler halus yang selaras. Oleh karena itu, karena siat pada roses sol8gel, sol 1uga bisa langsung di/etak sebelum pembentukan gelasi 1ika menun1ukkan siat 6iskoelastik yang memadai. Dengan demikian, peran/ah 3D dapat diproduksi dengan tiga skala porositas pori8 pori besar #$%%8!%%% m* dari metode abrikasi "8dibantu, menghasilkan mesopori #(8!% nm* dari penggunaan template kopolimer #F!&)* sebagai amesostru/ture yang mengarahkan agen, dan pori makro tambahan #!8% m* dari penggunaan acrificial 0ethyl $ellulose. Sol yang berisi template diekstrusi ke sebuah substrat dipanaskan menggunakan R$-assisted . Eang paling penting agar berhasil adalah 6iskositas sol, yang dikendalikan oleh konten metil selulosa. Sebagai /ontoh, 4ambar !%.!% menampilkan sebuah mesopori glass 3D dalam sistem SiO&8&O( dengan struktur pori hirarkis yang terdiri dari tiga skala pan1ang porositas yang berbeda #i* manghasilkan mesopori dengan diameter sekitar $ nm7 #+i* pori makro dengan diameter dalam kisaran 3%8% pM dengan interkoneksi sekitar &8$
Gambar 10.10 ilica-based mesoporous 12 scaffolds obtaining by combination of t*o polymers such as Pluronic F&3 and methyl cellulose using an R$-assisted technique
4ambar !%.!% berbasis silika peran/ah mesopori 3D diperoleh dari kombinasi dua polimer seperti luroni/ F!&) dan metil selulosa menggunakan teknik R$-assisted dan 8= pM7 dan #iii* pori makro ultra8besar dari sekitar $%% m. orositas hirarkis pada dimensi makro8mikro dan nano dari peran/ah yang dihasilkan membuat peran/ah tersebut /o/ok untuk aplikasi tulang dan teknik 1aringan. Di sisi lain, ark dan rekan ker1anya telah melaporkan produksi peran/ah dual8s/ale dengan menggabungkan proses "@ dan teknologi ele/trospinning, yang akan dibahas se/ara rin/i pada bagian berikutnya. Dalam proses ini, lapisan peran/ah mi/roibrous pertama kali dibangun melalui proses "@ dan kemudian polimer nanoibers se/ara langsung diendapkan ke lapisan mi/roibrous oleh ele/trospinning.
0le/trospinning adalah teknik sederhana yang menggunakan medan listrik untuk menghasilkan nano untuk mi/roiber dari polimer atau larutan 5 polimer keramik. serat padat diperoleh dari 1et listrik #menggunakan tegangan tinggi* yang terus meman1ang karena tolakan elektrostatik antara permukaan dan penguapan pelarut #4ambar !%.!!*. Salah satu keuntungan besar dari teknik ini adalah kemungkinan memperoleh permukaan yang tinggi daerah peran/ah yang meniru skala ukuran protein berserat yang ditemukan di alam 0@M. Kapasitas dengan mudah menghasilkan bahan pada skala pan1ang biologis yang telah men/iptakan minat yang besar dalam metodologi ini untuk teknik 1aringan dan aplikasi drug deli#ery. Teknik ele/trospinning mampu membentuk tikar berserat non82o6en yang men1amin serat produksi dari berbagai bahan prekursor yang men/akup polimer sintetis, alami polimer, semikonduktor, keramik, atau kombinasi mereka. ?amun, meskipun banyak manaat, sudah sangat sulit untuk meran/ang 3D makroskopik berpori
Gambar 10.11 Skema dari sistem ele/trospinning khas. Sebuah solusi polimer keramik men/air dipaksa melalui 1arum menggunakan pompa 1arum suntik. Aarum terhubung ke tegangan tinggi D@ pasokan, yang menyuntikkan biaya dari polaritas tertentu men1adi keramik 5 polimer meleleh. Aika elektrostatik kekuatan yang di/iptakan oleh tolakan dari tuduhan serupa /ukup untuk mengatasi permukaan ketegangan solusi lelehan polimer keru/ut Taylor terbentuk dan 1et serat dipan/arkan nyaape9.;hile serat 1et sedang menu1u kolektor membumi itu mengalami men/ambuk ka/au ketidakstabilan. Serat 1et diendapkan pada kolektor yang bisa berputar dan mener1emahkan, seperti yang digambarkan di sini
Eang diarsitekturi dengan menggunakan nanoibers, yang ditandai dengan serat ter1erat struktur membran padat yang dikemas. Keterbatasan ini membuatnya /o/ok untuk digunakan dalam kombinasi dengan proses "@8assisted seperti disebutkan di atas. Seperti yang telah berkomentar atas, keuntungan besar dari teknologi ele/trospinning adalah kontrol yang akurat dari ukuran serat, porositas, dan bentuk serat dengan 6ariabel pengolahan yang berbeda, seperti tegangan diterapkan, polimer la1u aliran lelehan, 1arak kapiler8kolektor, polimer 5 konsentrasi keramik, 6olatilitas pelarut, dan kondukti6itas pelarut. Kapasitas menyesuaikan ukuran serat adalah salah satu kekuatan dari ele/trospinning, karena serat dengan diameter dalam rentang ukuran nanometer erat meniru skala ukuran protein berserat yang ditemukan di 0@M alami, seperti kolagen. Kemampuan nanoibers ele/trospun untuk meniru 0@M ini sangat penting karena penelitian sebelumnya telah menun1ukkan bah2a ukuran skala struktur dan topograi memiliki peran penting dalam prolierasi sel dan adhesi. Auga, serat non82o6en yang berbentuk nanoibers memiliki raksi yang sangat tinggi yang dapat berinteraksi dengan sel8sel, hal ini membuat mereka ideal untuk lampiran sel. Selain itu, porositas ele/trospun membantu dalam transportasi nutrisi.
Gambar 10.12 siat yang diinginkan dan parameter proses yang diperlukan dalam peran/ah ele/trospun. "uang interiber optimal #mendukung pertumbuhan sel* dan ruang interiber besar #menghambat sel pertumbuhan*.
4ambar !%.!& menampilkan beberapa dari siat8siat yang diinginkan dari sebuah peran/ah ele/trospun untuk aplikasi teknik 1aringan, serta pentingnya mengendalikan ruang interiber untuk men/apai sel memiliki internalisasi dan kolonisasi yang lebih baik. enggunaan serat ele/trospun dan serat 1erat dalam aplikasi teknik 1aringan sering melibatkan beberapa pertimbangan, termasuk pilihan material, orientasi serat, porositas, modiikasi permukaan, dan aplikasi 1aringan. Dengan memariasikan parameter pengolahan dan larutan, orientasi serat #selaras 6s random* dan porositas 5 ukuran pori #sel iniltrasi* dari yang peran/ah ele/trospun dapat dikontrol dan dioptimalkan untuk setiap aplikasi indi6idu. Setelah abrikasi permukaan peran/ah dapat dimodiikasi dengan kepadatan tinggi bioakti molekul, karena luas permukaan peran/ah yang relati tinggi yang akan dibahas di bab berikutnya. Karena leksibilitas dalam pemilihan material serta kemampuan untuk mengendalikan siat peran/ah, peran/ah ele/trospun telah digunakan di se1umlah berbeda aplikasi 1aringan, termasuk pembuluh darah, tulang, sara, dan tendon 5 ligamen . Meskipun teknik ele/trospinning telah banyak dikembangkan dengan menggunakan biodegradable polimer, baru8baru ini, peneliti telah menun1ukkan kemungkinan untuk mendapatkan komposit :io/erami/ 5 biopolimer nanoibrous untuk aplikasi biomedis termasuk 1aringan regenerasi . Dalam beberapa tahun terakhir, nanopartikel anorganik, seperti H-, bioakti ka/a, dan karbon nanotube, telah se/ara luas /o8ele/trospun ke nanoibers polimer untuk meningkatkan baik siat mekanik dan respon biokompatibel. Maka , 1arum bio/erami/ yang bdiorientasikan pada serat polimer sangat menantang tapi sangat penting untuk meningkatkan siat mekanik dari peran/ah ini.
