Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Alshakim Nelson di Universitas Washington sedang mengeksplorasi bahan baru untuk pencetakan 3D dengan fokus pada keberlanjutan dan fungsionalitas biologis. Alih-alih mengoptimalkan perangkat keras printer, tim ini mengembangkan bioplastik yang dapat dicetak sendiri yang sepenuhnya dapat terurai secara hayati sekaligus menawarkan sifat mekanis yang sebanding dengan polimer pencetakan 3D tradisional.
“Kami membutuhkan bahan yang dapat dicetak 3D dan dapat terurai secara hayati, tetapi juga memiliki sifat mekanik yang baik,” kata Nelson. “Bahan tersebut harus dapat bersaing dengan plastik komersial [for 3D printing] yang ada di luar sana saat ini.”
“Rasanya seperti memasak, kecuali bahan-bahannya tidak terbatas, dan jenis makanan yang bisa Anda buat juga tidak terbatas,” begitulah cara Angus Berg, seorang mahasiswa sarjana yang bekerja di laboratorium Nelson (lihat video di bawah ini), menggambarkan penelitian tersebut.
Lebih Kuat Saat Tertekan“Protein dapat terurai secara hayati dan dapat bersumber dari sumber hayati, jadi kami ingin melihat apakah kami dapat memasukkannya ke dalam siklus hidup pencetakan 3D,” kata Nelson. “Kemudian kami ingin melihat apakah kami dapat membentuknya dan membuat desain yang lebih kompleks [through 3D printing] yang masih dapat terurai secara hayati di akhir siklus hidup.”
Inti dari proyek ini berkisar pada protein sebagai bahan baku. Protein ini berasal dari alam dan, karena struktur molekulnya, cocok untuk membentuk geometri yang kompleks. Dikombinasikan dengan strategi pencetakan khusus, bahan-bahan tersebut tidak hanya menawarkan stabilitas tetapi juga dapat berubah bentuk di bawah tekanan dan kembali ke konfigurasi yang lebih kuat. Desain kisi yang dikembangkan bersama Profesor Lucas Meza memungkinkan biopolimer ini untuk memperkuat diri mereka sendiri di bawah beban mekanis tanpa retak. Perilaku ini didukung oleh distribusi energi di dalam struktur mikro dan menawarkan potensi untuk aplikasi dalam perangkat medis dan konstruksi ringan.
“Saya memiliki tim mahasiswa dan postdocs yang sangat hebat yang melakukan pengamatan dengan sangat baik,” kata Nelson. “Mereka hanya menjadi ilmuwan yang baik, memperhatikan ketika sesuatu yang menarik terjadi [in an experiment] dan harus diteliti lebih lanjut.”
Tim ini juga bekerja pada bahan fungsional yang menggabungkan agen terapeutik. Salah satu contohnya adalah stent yang dicetak 3D yang secara terus menerus melepaskan senyawa antiinflamasi, yang dihasilkan oleh mikroorganisme yang tertanam di dalam material. Sistem biologis ini tetap bertahan dalam jangka waktu yang lama dan dapat disimpan dalam bentuk kering hingga enam bulan, kemudian diaktifkan kembali saat dibutuhkan.
“Salah satu hal keren yang kami temukan adalah bahwa bahan-bahan ini dapat bertahan dalam jangka waktu yang lama,” kata Nelson. “Mereka dapat terus menghasilkan senyawa yang diinginkan selama satu tahun atau lebih. Bahan-bahan ini juga stabil dalam keadaan kering selama enam bulan. Itu berarti kita bisa menyimpannya sampai kita membutuhkannya dan kemudian mengeluarkannya dari rak dan memasukkannya ke dalam media dan mulai berproduksi dengan sangat cepat. Mimpi besarnya adalah memikirkan untuk menggunakan ini untuk produksi dalam skala yang lebih lokal dan mungkin dalam volume yang lebih kecil sesuai kebutuhan.”
Konsep ini juga memiliki potensi untuk misi luar angkasa. Dalam misi jangka panjang, seperti perjalanan ke Mars, sistem ini dapat mendukung rantai pasokan medis otonom.
“Jika Anda berpikir tentang misi ke Mars yang memakan waktu hampir dua tahun, Anda harus membawa semuanya,” kata Nelson. “Bisakah kita menggunakan jenis struktur yang dapat dicetak ini untuk produksi sesuai permintaan dari berbagai senyawa terapeutik? Bisakah bioproduksi semacam ini dilakukan di luar angkasa? Saya pikir itu mungkin.”
Ke depannya, Nelson bertujuan untuk memperluas penggunaan protein nabati, seperti yang berasal dari beras hasil rekayasa genetika. Hal ini dapat meningkatkan jejak lingkungan dari pencetakan 3D sekaligus mempertahankan integritas fungsional.
“Kami baru-baru ini menemukan bahwa kami dapat mencetak dengan protein dari beras hasil rekayasa genetika,” kata Nelson. “Protein ini memiliki sifat yang baik dan juga dapat memberikan fungsi baru, jadi saya sangat senang dengan hal itu. Ini merupakan kesempatan lain bagi kita untuk menggunakan imajinasi kita tentang apa yang mungkin dilakukan saat ini – dan apa yang akan terjadi di masa depan.”
Tujuan utamanya adalah untuk mengintegrasikan bahan multifungsi yang dapat terurai secara hayati ke dalam pembuatan bahan aditif – bukan hanya sebagai pengganti, tetapi juga sebagai kelas bahan yang berbeda dengan sendirinya.
