Perkembangan inovatif dalam regenerasi tulang telah dicapai dengan penciptaan perancah piezoelektrik oleh tim peneliti yang dipimpin KAIST. Memanfaatkan hidroksiapatit (HAp) untuk menghasilkan sinyal listrik di bawah tekanan, perancah ini meniru lingkungan alami jaringan tulang, dan menunjukkan hasil yang menjanjikan dalam mendorong pertumbuhan tulang melalui penelitian di laboratorium dan pada hewan. Kemajuan ini membuka jalur baru untuk desain biomaterial dan pemahaman proses regenerasi tulang.
Regenerasi tulang adalah prosedur yang rumit, dan pendekatan yang ada saat ini untuk memfasilitasi regenerasi ini, seperti cangkok dan penerapan faktor pertumbuhan, menghadapi tantangan seperti tingginya biaya. Namun terobosan telah dilakukan dengan terciptanya bahan piezoelektrik yang memiliki kemampuan untuk meningkatkan perkembangan jaringan tulang.
Tim peneliti KAIST yang dipimpin oleh Profesor Seungbum Hong dari Departemen Sains dan Teknik Material (DMSE) mengumumkan pada tanggal 25 Januari pengembangan perancah biomimetik yang menghasilkan sinyal listrik pada penerapan tekanan dengan memanfaatkan kemampuan osteogenik unik hidroksiapatit (HAp) . Penelitian ini dilakukan bekerja sama dengan tim yang dipimpin oleh Profesor Jangho Kim dari Departemen Teknik Biosistem Konvergensi di Chonnam National University.
HAp merupakan bahan dasar kalsium fosfat yang terdapat pada tulang dan gigi. Zat mineral biokompatibel ini juga dikenal dapat mencegah kerusakan gigi dan sering digunakan dalam pasta gigi.
Terobosan dalam Regenerasi Tulang
Penelitian sebelumnya mengenai perancah piezoelektrik mengkonfirmasi efek piezoelektrik dalam mendorong regenerasi tulang dan meningkatkan fusi tulang dalam berbagai bahan berbasis polimer, namun terbatas dalam mensimulasikan lingkungan seluler kompleks yang diperlukan untuk regenerasi jaringan tulang yang optimal. Namun, penelitian ini menyarankan metode baru untuk memanfaatkan kemampuan osteogenik unik HAp untuk mengembangkan bahan yang meniru lingkungan jaringan tulang dalam tubuh hidup.
Gambar 1. Desain dan karakterisasi perancah biomimetik yang berasal dari piezoelektrik dan topografi. (a) Representasi skematis dari peningkatan mekanisme regenerasi tulang melalui isyarat listrik dan topografi yang disediakan oleh perancah P (VDF-TrFE) yang digabungkan dengan HAp. (b) Diagram skema proses fabrikasi. Kredit: Laboratorium Pencitraan dan Integrasi Material KAIST
Tim peneliti mengembangkan proses manufaktur yang memadukan HAp dengan film polimer. Perancah fleksibel dan berdiri bebas yang dikembangkan melalui proses ini menunjukkan potensi luar biasa dalam mendorong regenerasi tulang melalui percobaan in-vitro dan in-vivo pada tikus.
Memahami Prinsip Regenerasi Tulang
Tim juga mengidentifikasi prinsip-prinsip regenerasi tulang yang menjadi dasar perancah mereka. Dengan menggunakan mikroskop kekuatan atom (AFM), mereka menganalisis sifat listrik perancah dan mengevaluasi sifat permukaan terperinci yang terkait dengan bentuk sel dan pembentukan protein kerangka sel. Mereka juga menyelidiki pengaruh piezoelektrik dan sifat permukaan pada ekspresi faktor pertumbuhan.
Gambar 1. Desain dan karakterisasi perancah biomimetik yang berasal dari piezoelektrik dan topografi. (a) Representasi skematis dari peningkatan mekanisme regenerasi tulang melalui isyarat listrik dan topografi yang disediakan oleh perancah P (VDF-TrFE) yang digabungkan dengan HAp. (b) Diagram skema proses fabrikasi. Kredit: Laboratorium Pencitraan dan Integrasi Material KAIST
Profesor Hong dari KAISTDMSE mengatakan, “Kami telah mengembangkan material komposit piezoelektrik berbasis HAp yang dapat bertindak seperti ‘perban tulang’ melalui kemampuannya untuk mempercepat regenerasi tulang.” Dia menambahkan, “Penelitian ini tidak hanya menyarankan arah baru dalam merancang biomaterial, namun juga signifikan dalam mengeksplorasi efek piezoelektrik dan sifat permukaan pada regenerasi tulang.”
Referensi: “Perancah yang Direkayasa Secara Piezoelektrik dan Topografi untuk Mempercepat Regenerasi Tulang” oleh Soyun Joo, Yonghyun Gwon, Soyeon Kim, Sunho Park, Jangho Kim dan Seungbum Hong, 4 Januari 2024, Bahan & Antarmuka Terapan ACS.
DOI: 10.1021/acsami.3c12575
Penelitian ini didukung oleh Tim Penelitian dan Pengembangan KAIST, Pusat Penelitian Bersama KUSTAR-KAIST, Proyek Singularitas Global KAIST, dan Proyek Penelitian Dasar yang didanai pemerintah oleh National Research Foundation of Korea.
