Tulang buatan

Tulang buatan mengacu pada bahan mirip tulang yang dibuat di laboratorium yang dapat digunakan dalam cangkok tulang, untuk menggantikan tulang manusia yang hilang karena patah tulang parah, penyakit, dll. 
Fraktur tulang, dapat berupa patah total atau sebagian pada tulang, adalah kondisi yang sangat umum yang memiliki lebih dari tiga juta kasus di AS per tahun. Tulang manusia memiliki kemampuan untuk meregenerasi diri dengan siklus resorpsi tulang dan pembentukan tulang. Sel yang bertanggung jawab untuk resorpsi tulang adalah osteoklas, sedangkan sel yang bertanggung jawab untuk pembentukan tulang adalah osteoblas. Namun, jika kerusakan tulang disebabkan oleh penyakit atau cedera parah, menjadi sulit bagi tubuh untuk memperbaiki sendiri. Ketika tubuh manusia tidak dapat meregenerasi jaringan tulang yang hilang, ahli bedah turun tangan dan mengganti tulang yang hilang menggunakan autograft, allograft, dan cangkok sintetis (tulang buatan). Ketika membandingkan tulang buatan dengan autograft dan allograft, metode ini tidak begitu invasif dan lebih biokompatibel karena menghindari risiko infeksi virus yang tidak diketahui.
Ketika merancang biomaterial yang ditanam, kriteria utama adalah biokompatibilitas, osteokonduktivitas, porositas tinggi, dan kompatibilitas biomekanik. Tulang buatan awalnya terbuat dari bahan-bahan seperti logam dan keramik padat, yang cukup kuat untuk menopang pemuatan dalam tulang. Namun, kekakuan dari bahan-bahan tersebut menciptakan beban yang sangat besar pada pasien dan tidak konsisten dengan kriteria untuk  biomaterial implan. Tulang tiruan yang terbuat dari logam dan keramik cenderung memiliki kinerja yang buruk dalam hal biokompatibilitas karena sulit untuk berbaur dengan jaringan tulang. Dengan demikian, untuk lebih membantu mereka yang membutuhkan untuk menjalani kehidupan yang lebih nyaman, para insinyur telah mengembangkan teknik baru untuk menghasilkan dan merancang struktur dan bahan tulang tiruan yang lebih baik.
Dua komponen utama tulang adalah hidroksiapatit [Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂], dan serat kolagen. Hidroksiapatit, yang merupakan salah satu bentuk kalsium fosfat paling stabil, membentuk sekitar 60 hingga 65 persen dari tulang. Sisa tulang terdiri dari bahan termasuk kondroitin sulfat, keratan sulfat, dan lipid. Peningkatan penelitian dan pengetahuan mengenai organisasi, struktur sifat kolagen dan hidroksiapatit telah menyebabkan banyak perkembangan dalam perancah berbasis kolagen dalam rekayasa jaringan tulang. Struktur hidroksiapatit sangat mirip dengan tulang asli, dan kolagen dapat bertindak sebagai kabel molekular serta meningkatkan biokompatibilitas implan.

Demografi cedera tulang

Di Amerika Serikat, lebih dari 6,5 juta cacat tulang dan lebih dari 3 juta kasus cedera wajah telah dilaporkan setiap tahun. Lebih dari 2,2 juta prosedur cangkok tulang dilakukan di seluruh dunia per tahun. Penyebab umum untuk kerusakan tulang adalah reseksi tumor, malformasi kongenital, trauma, patah tulang, pembedahan, osteoporosis, dan artritis. Menurut National Ambulatory Medical Care Survey (NAMCS), pada 2010, ada sekitar 63 juta kunjungan ke departemen bedah ortopedi dan sekitar 3,5 juta kunjungan untuk patah tulang di unit gawat darurat di AS. Di antara 6,5 juta patah tulang atau kasus cacat, sekitar 887.679 orang dirawat di rumah sakit.

Cangkok tulang saat ini

Penelitian tentang jenis bahan dalam pencangkokan tulang secara tradisional berpusat pada produksi komposit polisakarida organik (chitin, chitosan, alginate) dan mineral (hidroksiapatit). Perancah alginat, terdiri dari ion kalsium yang saling terkait, secara aktif dieksplorasi untuk regenerasi kulit, hati, dan tulang. Meskipun banyak mineral dapat diadaptasi untuk komposisi tulang, hidroksiapatit tetap merupakan bahan yang dominan, karena kekuatannya dan model tulang manusia Jager-Fratzl yang dikenal menyediakan kerangka kerja yang sudah ada sebelumnya untuk penspasian dan pembuatan tulang buatan.

Jenis material

Bahan yang cocok untuk digunakan dalam tulang buatan harus biokompatibel, osteokonduktif, dan kuat secara mekanis. Hidroksiapatit sering digunakan dalam penelitian tulang buatan karena memiliki biokompatibilitas dan osteokonduktivitas yang diperlukan untuk implan tulang yang efektif dan tahan lama, tetapi sangat rapuh, dan selanjutnya menunjukkan tingkat penguraian sekitar 10% dari berat per tahun, yang secara signifikan lebih lambat dari tingkat pertumbuhan tulang yang baru terbentuk, memerlukan langkah-langkah untuk meningkatkan laju penguraian. Untuk aplikasi yang membutuhkan bahan dengan ketangguhan yang lebih baik, nacre buatan berstruktur nano dapat digunakan karena kekuatan tarik dan modulus Young nya yang tinggi. Dalam banyak kasus, menggunakan satu jenis bahan membatasi kemampuan implan tulang buatan, sehingga biasanya komposit digunakan. Implan yang terdiri dari kitosan dan hidroksiapatit memanfaatkan biokompatibilitas kitosan dan kemampuannya untuk dibentuk menjadi bentuk keropos yang kompleks serta osteokonduktivitas hidroksiapatit untuk membuat komposit yang memiliki ketiga ciri tersebut. Komposit lain yang cocok untuk digunakan dalam tulang tiruan adalah yang menggunakan alginat, biopolimer yang dikenal karena sifat pembentuk perancahnya. Penggunaan untuk alginat dalam komposit termasuk komposit kitosan untuk perbaikan jaringan tulang, komposit bioglass untuk memperbaiki atau mengganti tulang yang rusak atau sakit, atau komposit keramik-kolagen untuk regenerasi tulang.  

Percetakan inkjet tulang

Percetakan inkjet menjadi cara yang efisien untuk menghasilkan tulang buatan. Pertama, model tulang dibuat dengan cara merekonstruksi gambar-gambar pemindaian CAT yang diperoleh dari pasien. Kemudian bahan tulang tiruan digunakan sebagai "tinta" untuk pencetakan 3D. Menurut cangkok resolusi, model tulang 3D akan dibagi menjadi beberapa lapisan. Printer akan mencetak sebuah lapisan, lalu yang berikutnya pada lapisan terakhir, dan akhirnya menghasilkan tulang buatan. Sebagian besar penelitian baru-baru ini menunjukkan nanokristal hidroksiapatit (HA) adalah bahan yang ideal untuk tulang buatan cetakan inkjet. Nanokristal HA disintesis oleh sintesis basah menggunakan diammonium fosfat dan kalsium klorida sebagai prekursor fosfor dan kalsium. Selain itu, polycaprolactone (PCL) juga dapat digunakan untuk pencetakan inkjet dari tulang buatan dalam beberapa laporan penelitian. Dibandingkan dengan memperbaiki tulang yang rusak, teknik pencetakan 3D dapat menghasilkan implan yang memenuhi kebutuhan perbaikan pribadi. Di sisi lain, teknik pencetakan 3D menghasilkan implan dengan sedikit efek buruk pada pasien. Sel inang dari berbagai klasifikasi, seperti limfosit dan eritrosit, menunjukkan respons imunologis minimal terhadap cangkok buatan.