Berdasarkan data Riset Kesehatan Dasar (Riskesdas) tahun 2018, terdapat 92.976 orang di Indonesia yang mengalami cedera, dengan 5,5% diantaranya adalah patah tulang. Akibat cedera ini maka dibutuhkan scaffold tulang yang diberikan pasca operasi untuk merangsang pertumbuhan jaringan di sekitar tulang yang patah. Rekayasa jaringan tulang telah banyak dikembangkan untuk mengatasi permasalahan defek tulang yakni dengan merestorasi dan mempertahankan fungsi alami jaringan tulang. Rekayasa jaringan tulang ini dilakukan dengan cara mengimplankan scaffold tulang ke bagian tulang yang mengalami defek massa. Scaffold merupakan matriks ekstraselular yang menjadi medium tumbuh dari jaringan tulang alami pada jaringan tulang yang mengalami defek massa hingga kembali meregenerasi diri.
Tulang terdiri dari matriks ekstraseluler (ECM) dimana pada skala nano, memiliki struktur berserat yang timbul dari interaksi antara komponen organik (terutama kolagen tipe-1) dan anorganik (mineral apatit karbonat). Struktur skala nano ini dapat direplikasi dalam scaffold sintetis menggunakan pendekatan electrospinning, yang menghasilkan struktur berserat dengan diameter serat mulai dari nanometer hingga mikrometer. Struktur berserat memiliki porositas tinggi, luas permukaan tinggi, dan struktur yang mirip dengan ECM asli dalam tulang.
Pembuatan scaffold melalui metode electrospinning memberikan porositas dan diameter berukuran mikro atau nano yang tidak akan menghalangi sel dalam berilfiltrasi atau bermigrasi. Selain itu, struktur microfiber dan nanofiber yang terbentuk secara acak dapat meningkatkan perlekatan sel dan proliferasi sel. Scaffold tulang dapat dibuat dari komposit, yaitu paduan dari material anorganik (hidroksiapatit) dan beberapa material organik dari jenis polimer.
Hidroksipatit Ca10(PO4)6(OH)2 / HA adalah komponen anorganik utama dari jaringan keras tulang dan menyumbang 60-70% dari fase mineral dalam tulang manusia. Hidroksiapatit bersifat osteokonduktif, yaitu mampu menginduksi dan menstimulasi sel-sel punca dan osteoblas untuk berproliferasi dan diferensiasi dalam proses regenerasi tulang. Selain itu, hidroksiapatit memiliki sifat bioaktif yaitu mudah berinteraksi dengan lingkungannya sehingga material keramik bioaktif ini dapat berinteraksi dengan cairan tubuh. Sifat bioaktif dan osteokonduktif dapat merangsang sel tulang di sekitar material implan untuk berinfiltrasi sehingga dapat mempercepat proses mineralisasi tulang baru. Hidroksiapatit memiliki komposisi dan struktur kristal yang mirip dengan tulang dan saat ini merupakan material yang paling banyak digunakan dalam aplikasi biomedis.
Hidrokasiapatit memiliki kelemahan yakni rapuh, sehingga perlu ditambahkan polimer untuk memperkuat sifat mekaniknya. Polycaprolactone (PCL) merupakan jenis polimer yang dapat digunakan sebagai alternatif untuk scaffold tulang. PCL merupakan polimer alifatik linier yang mempunyai struktur semikristalin, dengan titik leleh rendah (59-64°C). Polimer ini juga memiliki waktu degradasi yang lebih lama dibandingkan polimer biodegradable lain yang tersedia, seperti polylactide (PLA) atau polyglycolide acid (PGA) dan memiliki permeabilitas tinggi serta memiliki sifat non toksik. Dibutuhkan waktu 2 tahun untuk PCL terdegradasi sepenuhnya. Scaffold yang difabrikasi dari PCL dapat memberikan ketahanan yang lama pada rekayasa jaringan lunak serta dapat menstimulasi pertumbuhan jaringan di sekitarnya. PCL sudah banyak digunakan dalam upaya perbaikan atau regenerasi jaringan ikat. PCL bersifat hidrofobik, sehingga perlu ditambahkan polimer yang bersifat hidrofilik.
Gelatin (C102H151N31) merupakan derivat dari kolagen yang merupakan unsur utama kulit, tulang dan jaringan penghubung. Gelatin memiliki sifat hidrofilik sehingga dapat memperbaiki sifat PCL. Gelatin juga berperan dalam migrasi, mineralisasi, dan dapat meningkatkan adhesi sel. Gelatin sering dikompositkan dengan hidroksiapatit karena dapat meningkatkan sifat mekanik dan mampu menempel serta mengisi pori-pori hidroksiapatit sehingga matriks yang dihasilkan menjadi lebih kuat. Selain gelatin, modifikasi scaffoldPCL-HA dapat ditambah dengan kitosan. Kitosan merupakan produk turunan dari kitin dengan sifat biokompatibel, biodegradable, non-toksik, antimikroba, dan hidrofilik. Penambahan kitosan pada PCL-HA, selain meningkatkan hidrofilisitas PCL juga dapat berfungsi sebagai agen antimikroba. Berdasarkan latar belakang ini maka akan dikaji pengaruh penambahan gelatin, kitosan dan kolagen pada scaffold PCL-HA dan menentukan variasi terbaik dari beberapa jenis kombinasi bahan yang dikaji.
Scaffold nanofiber dibuat dengan metode electrospinning dengan berbagai variasi bahan. Terdapat 7 variasi bahan yaitu PCL-HA, PCL-gelatin, PCL-kitosan, PCL-kolagen, PCL-HA-gelatin, PCL-HA-kitosan, PCL-HA-kolagen. Proses electrospinning menggunakan tegangan sebesar 26 kV. Jarak antara ujung syringe dengan kolektor alumunium foil adalah 10 cm. Proses electrospinning dilakukan dengan flow rate 0.5 μL/jam, waktu running 2 jam dan jenis kolektor yang flat.
Dari proses elektrospining tersebut dihasilkan nanofiber scaffold komposit PCL-HA ditambah kombinasi beberapa macam polimer yaitu gelatin, kitosan dan kolagen. Dihasilkan ukuran diameter fiber antara 303,3nm – 1423 nm, sifat mekanik (modulus elastisitas antara 1,65 MPa-9,80 MPa, Tensile strength 0,13 MPa- 0,81 MPa dan elongasi 5,96% – 61,5%), dan viabilitas sel antara 70,46% – 91,78% menunjukkan sifat tidak toksit. Ditinjau dari sifat mekanik dan sitotoksisitasnya, nanofiber scaffold PCL-HA- polimer bersesuaian dengan karakteristik tulang conselus. Variasi komposisi bahan mempengaruhi ukuran diameter, sifat mekanik dan sitototoksisitas scaffold. Nanofiber scaffold komposit terbaik dimiliki sampel komposit antara PCL-HA dan gelatin.
Penulis: Dr. Aminatun, M.Si
Artikel selengkapnya dapat dibaca pada:
Biopolymer-based polycaprolactonehydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering, Aminatun, Tri Suciati, Yessie Widya Sari, Mona Sari, Kartika A . Alamsyah, Wulan Purnamasari & Yusril YusuF. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials, https://doi.org/10.1080/00914037.2021.201831
