Perkembangan 3D bioprinting telah membuka peluang besar dalam bidang rekayasa jaringan (tissue engineering) melalui kemampuan mencetak struktur biologis yang menyerupai jaringan manusia. Teknologi ini diharapkan mampu menghasilkan scaffold sebagai tempat pertumbuhan sel hingga menjadi fondasi pengembangan organ buatan di masa depan. Namun, salah satu tantangan terbesar adalah mencetak hidrogel lunak yang memiliki kandungan air tinggi dan kekuatan mekanik rendah sehingga mudah berubah bentuk selama proses pencetakan.
Salah satu bioink yang paling banyak digunakan adalah natrium alginat karena bersifat biokompatibel, mudah membentuk gel melalui ikatan ionik, serta ekonomis. Akan tetapi, pada konsentrasi rendah alginat memiliki viskositas yang sangat rendah. Akibatnya, ketika dicetak menggunakan metode Direct Ink Writing (DIW), filamen hidrogel tidak mampu mempertahankan bentuknya dan mudah kolaps akibat gaya gravitasi sebelum proses crosslinking berlangsung.
Untuk mengatasi kendala tersebut, penelitian ini menerapkan metode Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH). Berbeda dengan DIW yang mencetak bioink langsung di udara, FRESH mencetak bioink di dalam support bath berbasis hidrogel yang berfungsi menopang filamen selama proses pencetakan. Setelah pencetakan selesai, support bath dapat dihilangkan melalui peningkatan suhu tanpa merusak scaffold yang terbentuk.
Penelitian menggunakan dua jenis support bath, yaitu gelatin dan komposit gelatin–agarose. Penambahan agarose bertujuan meningkatkan kekuatan mekanik serta stabilitas termal support bath sehingga mampu menopang hidrogel lunak dengan lebih baik.
Hasil karakterisasi reologi menunjukkan bahwa kedua support bath memiliki sifat shear-thinning, yaitu viskositas menurun saat diberikan gaya geser dan kembali meningkat setelah gaya dihilangkan. Sifat ini sangat penting dalam bioprinting karena memungkinkan nozzle bergerak dengan mudah selama proses ekstrusi, sementara material di sekitarnya tetap mampu menopang filamen yang telah dicetak. Penambahan agarose terbukti meningkatkan storage modulus dan complex viscosity, sehingga support bath menjadi lebih stabil terutama mendekati suhu transisi gel–sol sekitar 33°C.
Selain mengevaluasi support bath, penelitian ini juga menguji berbagai formulasi bioink berupa natrium alginat dengan konsentrasi 1–7% (b/v) serta campuran gelatin–alginat. Seiring meningkatnya konsentrasi alginat, viskositas bioink juga meningkat secara signifikan. Namun, bioink yang terlalu kental tidak selalu ideal karena memerlukan tekanan ekstrusi yang lebih tinggi dan berpotensi menurunkan viabilitas sel.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode FRESH mampu mengatasi keterbatasan tersebut. Formulasi alginat 2% yang sebelumnya tidak dapat dicetak menggunakan DIW berhasil menghasilkan scaffold dengan dimensi yang sangat mendekati desain awal. Demikian pula campuran gelatin–alginat menunjukkan akurasi geometri yang tinggi. Temuan ini menunjukkan bahwa keberhasilan bioprinting tidak hanya ditentukan oleh viskositas bioink, tetapi juga oleh kemampuan support bath dalam mempertahankan bentuk struktur selama proses pencetakan.
Karakteristik lain yang dievaluasi adalah kemampuan scaffold menyerap cairan fisiologis (swelling). Seluruh formulasi menunjukkan peningkatan penyerapan cairan hingga 24 jam, dengan campuran gelatin–alginat memiliki nilai swelling tertinggi. Kapasitas retensi air yang tinggi merupakan karakteristik penting karena mendukung difusi nutrisi, oksigen, dan metabolit yang diperlukan untuk pertumbuhan dan kelangsungan hidup sel.
Aspek keamanan biomaterial juga menjadi perhatian utama. Melalui uji sitotoksisitas menggunakan sel fibroblas L929, baik support bath gelatin maupun gelatin–agarose menunjukkan viabilitas sel di atas 90%, sehingga keduanya dikategorikan tidak bersifat toksik. Hasil ini memperlihatkan bahwa penambahan agarose tidak mengurangi biokompatibilitas support bath dan tetap aman digunakan untuk aplikasi bioprinting yang melibatkan sel hidup.
Keunggulan lain dari penelitian ini adalah penerapan Life Cycle Assessment (LCA) untuk mengevaluasi dampak lingkungan dari proses pencetakan. Analisis menunjukkan bahwa metode FRESH memang memerlukan energi tambahan untuk mempertahankan suhu support bath. Namun, kebutuhan energi tersebut merupakan kompromi yang layak karena mampu menghilangkan sekitar 50% kegagalan geometrik yang pada metode DIW. Selain meningkatkan efisiensi proses, FRESH juga mengurangi limbah material dan penggunaan bahan kimia sintetis akibat kegagalan pencetakan, sehingga memberikan keseimbangan yang lebih baik antara kinerja teknis dan keberlanjutan lingkungan.
Keberhasilan mencetak hidrogel lunak dengan presisi tinggi memiliki implikasi yang luas bagi pengembangan rekayasa jaringan, mulai dari scaffold untuk tulang rawan, kulit, dan pembuluh darah hingga model jaringan untuk pengujian obat. Pendekatan FRESH juga memungkinkan penggunaan bioink dengan konsentrasi polimer yang lebih rendah sehingga menghasilkan lingkungan mikro yang lebih ramah bagi sel.
Secara keseluruhan, penelitian ini menunjukkan bahwa kombinasi support bath gelatin–agarose dan bioink alginat berkonsentrasi rendah mampu mengatasi keterbatasan metode DIW dalam mencetak hidrogel lunak. Penambahan agarose meningkatkan stabilitas mekanik dan termal support bath, menghasilkan scaffold dengan akurasi geometrik tinggi tanpa mengurangi viabilitas sel. Ditambah dengan hasil analisis LCA yang menunjukkan potensi peningkatan keberlanjutan proses, sistem FRESH berbasis gelatin–agarose menawarkan solusi yang menjanjikan untuk pengembangan bioprinting generasi berikutnya. Inovasi ini diharapkan dapat mempercepat penerapan teknologi bioprinting dalam rekayasa jaringan dan regenerative medicine, mendukung pengembangan biomaterial yang lebih presisi, aman, dan berkelanjutan.
Oleh: Prihartini Widiyanti
