·
Sejarah
Umum Biomaterial
Definisi
biomaterial secara umum adalah suatu material tak hidup yang digunakan sebagai
perangkat medis dan mampu
berinteraksi dengan sistem biologis . Adanya interaksi
ini mengharuskan setiap
biomaterial memiliki sifat
biokompatibilitas, yaitu kemampuan suatu
material untuk bekerja selaras dengan
tubuh tanpa menimbulkan
efek lain yang
berbahaya. Ide untuk menggantikan organ manusia yang rusak
dengan material tak- hidup telah ada sejak lebih dari dua ribu tahun yang lalu
dimulai oleh Bangsa Romawi, China dan
Aztec yang memiliki peradaban
kuno tercatat menggunakan
emas untuk perawatan gigi . Pada masa itu perkembangan biomaterial diuji coba secara trial and
error terhadap tubuh manusia
ataupun binatang namun
tingkat kesuksesan nya tidak maksimal.
·
Biomaterial
Biomaterial adalah
bidang yang menggunakan ilmu
dari berbagai disiplin ilmu yang membutuhkan
pengetahuan dan pemahaman
mendasar dari sifat-sifat material pada
umumnya, dan interaksi
dari material dengan
lingkungan biologis. Bidang biomaterial
didesain untuk memberikan pemahaman dan
pengajaran di bidang fisika, kimia
dan biologi dari
material, dan juga
dengan berbagai bidang dari
teknik secara umum
seperti matematika,
kemasyarakatan, dan ilmu
sosial. Sebagai tambahan, mahasiswa
yang berurusan dengan bidang ini harus mencapai pemahaman yang
mendalam dan berusaha
untuk memperoleh pengalaman
pada penelitian biomaterial. Ketika pemahaman mahasiswa mengenai prinsip
dasar dari ilmu material teraplikasikan, pemahaman
penuh dari biomaterial
dan aplikasinya dengan lingkungan
biologis juga membutuhkan
derajat yang lebih
tinggi dari spesialisasi ilmu
yang ada. Bidang biomaterial mengarah pada ilmu material dan bidang ilmu
biologi serta kimia. Material buatan
manusia meningkat sesuai
dengan penggunaan
aplikasinya seperti pada drug-delivery dan terapi gen (gene therapy),
perancah untuk rekayasa jaringan
(tissue engineering), penggantian
bagian tubuh (body replacement), serta alat biomedis dan
bedah. Peningkatan ini sejalan
dengan meningkatnya kebutuhan manusia akan tingkat kehidupan yang lebih
baik.
·
Jenis-Jenis Biomaterial
1. BIOMATERIAL SINTETIK
Kebanyakan biomaterial
sintetik yang digunakan
untuk implantasi adalah
material umum yang sudah
lazim digunakan oleh para insiyur
dan ahli material. Pada umumnya, material ini dapat dibagi menjadi
beberapa kategori, yaitu : logam, keramik, polimer dan komposit.
A. LOGAM
Sebagai
bagian dari material, logam merupakan
material yang sangat banyak digunakan
untuk implantasi load-bearing. Misalnya, beberapa
dari kebanyakan pembedahan ortopedi
pada umumnya melibatkan implantasi dari material logam.
Mulai dari hal sederhana seperti kawat dan sekrup untuk pelat yang bebas dari
patah sampai pada total joint
prostheses (tulang sendi buatan)
untuk pangkal paha, lutut,
bahu, pergelangan kaki
dan banyak lagi. Dalam ortopedi, implantasi bahan logam
digunakan pada pembedahan maxillofacial,cardiovascular,dan sebagai material dental. Walaupun banyak
logam dan paduannya digunakan
untuk aplikasi peralatan
medis, tetapi yang paling sering digunakan adalah
baja tahan karat, titanium
murni dan titanium
paduan, serta paduan cobalt-base
B. POLIMER
Berbagai jenis
polimer banyak digunakan
untuk obat-obatan sebagai biomaterial. Aplikasinya mulai dari
wajah/muka buatan sampai pada pipa tenggorokan,dari ginjal
dan bagian hati sampai
pada komponen-komponen dari jantung, serta material untuk gigi
buatan sampai pada material untuk pangkal paha dan tulang
sendi lutut.Material polimer
untuk biomaterial ini
juga digunakan untuk bahan perekat medis dan penutup, serta pelapis yang digunakan untuk berbagai tujuan.
C.
KERAMIK
Keramik juga telah banyak
digunakan sebagai material
pengganti dalam ilmu kedokteran
gigi.Hal ini meliputi material untuk Mahkota gigi,tambalan dan gigi
tiruan.Tetapi, kegunaannya dalam bidang
lain dari pengobatan
medis tidak terlihat begitu
banyak bila dibandingkan
dengan logam dan
polimer. Hal ini dikarenakan
ketangguhan retak yang
buruk dari keramik yang akan sangat membatasi
penggunaannya untuk aplikasi pembebanan. Material keramik sedikit digunakan untuk
pengganti tulang sendi (joint
replacement), perbaikan tulang
(bone repair) dan
penambahan tulang (augmentation).
D. KOMPOSIT
Biomaterial
komposit yang sangat cocok
dan baik digunakan
di bidang kedokteran
gigi adalah sebagai
material pengganti atau
tambalan gigi. Walaupun masih terdapat
material komposit lain seperti
komposit karbon-karbon dan komposit
polimer berpenguat karbon yang dapat digunakan pada perbaikan
tulang dan penggantian
tulang sendi karena memiliki nilai modulus elastis yang
rendah, tetapi material ini tidak menampakkan adanya kombinasi dari sifat
mekanik dan biologis yang sesuai untuk aplikasinya. Tetapi juga,
material komposit sangat
banyak digunakan untuk prosthetic limbs (tungkai buatan),
dimana terdapat kombinasi
dari densitas/berat yang
rendah dan kekuatan yang tinggi
sehingga membuat material ini cocok untuk aplikasinya.
2. BIOMATERIAL ALAM
Beberapa material
yang diperoleh dari
binatang atau tumbuhan ada
pula yang penggunaannya
sebagai biomaterial yang
layak digunakan secara luas.Keuntungan pada penggunaan
material alam untuk implantasi adalah
material ini hampir sama dengan
material yang ada
pada tubuh.Menyikapi hal ini,maka terdapat bidang lain yang cukup
berkembang dan baik untuk dipahami yaitu bidang biomimetics.Material alam
biasanya tidak memberikan adanya bahaya racun yang sering dijumpai
pada material sintetik.Dan
juga, material ini dapat
membawa protein spesifik yang terikat didalamnya dan sinyal biokimia
lainnya yang mungkin dapat membantu proses
penyembuhan, pemulihan dan
integrasi dari jaringan (tissue).Selain itu, material alam
dapat juga digunakan untuk mengatasi masalah immunogenicity.Masalah lain yang
berkaitan dengan material ini adalah kecenderungannya untuk berubah sifat atau terdekomposisi pada
temperatur dibawah titik
lelehnya.Hal ini tentu
akan membatasi proses
fabrikasinya menjadi material
implantasi menjadi beragam
bentuk dan ukuran. Contoh dari
material alam adalah
kolagen,yang hanya terdapat
dalam bentuk serat,
mempunyai struktur
triple-helix,dan merupakan protein yang
sangat banyak terdapat
pada binatang diseluruh
dunia. Sebagai contoh, hampir 50 % protein pada kulit sapi adalah
kolagen. Hal tersebut membentuk
komponen yang signifikan
dari jaringan penghubung
seperti tulang,tendon,ligament dan kulit.Terdapat kurang
lebih sepuluh jenis
berbeda dari kolagen dalam tubuh,
yaitu :
A. Tipe I ditemukan terutama padakulit,
tulang dan tendon
B. Tipe II ditemukan pada tulang rawan
arteri pada tulang sendi
C. Tipe III merupakan unsur utama dari
pembuluh darah.
Kolagen sudah banyak
dipelajari untuk digunakan
sebagai biomaterial.Material
implantasi ini biasanya dalam
bentuk sponge yang tidak memiliki
kekuatan mekanik atau
kekakuan yang signifikan.Material ini
sangat menjanjikan sebagai perancah untuk
pertumbuhan jaringan-baru (neotissue
growth) dan tersedia juga
sebagai produk untuk penyembuh luka.Injectable collagen (kolagen yang disuntikkan atau
dimasukkan ke dalam
tubuh) sangat banyak digunakan
untuk proses augmentasi (penambah)
atau pembangun dari
jaringan dermal (dermal tissue) untuk bahan kosmetik.
Material alam lain yang ditinjau masih dalam tahap pertimbangan, termasuk karang,chitin (dari serangga dan binatang
berkulit keras seperti udang, kepiting
dan lain-lain), keratin
(dari rambut), dan
selulosa (dari tumbuhan)
·
Biokeramik
Keramik
adalah material logam dan non logam yang memiliki ikatan atom ionik atau ikatan
ionik dan ikatan kovalen. Sedangkan pengertian biokeramik adalah keramik yang
digunakan untuk kesehatan tubuh dan gigi pada manusia. Sifat biokeramik antara
lain tidak beracun, tidak mengandung zat karsinogenik, tidak menyebabkan
alergi, tidak menyebabkan radang, memiliki biokompatibilitas yang baik dan
tahan lama.
Kelebihan
biokeramik adalah biokeramik memiliki biokompatibilitas yang baik dengan sel-sel
tubuh dibandingkan dengan biomaterial polimer atau logam. Oleh karena itu,
biokeramik digunakan untuk tulang, persendian, dan gigi. Biokeramik juga
digunakan untuk melapisi biomaterial logam. Selain itu, biokeramik juga
digunakan sebagai penguat komponen komposit, dengan menggabungkan kedua sifat
material menjadi material baru yang memiliki sifat mekanis dan
biokompatibilitas yang baik. Struktur keramik juga dapat dimodifikasi dengan
tulang alami dengan tingkat porositas yang beragam. Biokeramik juga memiliki
kelemahan, antara lain sangat rapuh, kekuatan rendah, dan kerap dipandang
material yang lemah. Biokeramik dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
1. Bioaktif
keramik
Bioaktif
keramik memiliki stabilitas kimia yang tinggi dalam tubuh dan ketika diimplan pada
tulang yang hidup dapat berinkorporasi pada jaringan tulang mengikuti pola dari
kontak osteogenesis. Dengan kata lain, bioaktif keramik memiliki sifat osteoconduction
dan kapabilitas untuk berikatan kimia dengan jaringan tulang yang hidup.
Kekuatan mekanis dari bioaktif keramik umumnya lebih rendah dibandingkan
bioinert keramik. Contoh materialnya adalah hidroksi apatite, bio–glass,
A-W glass. Contoh aplikasinya untuk pelapisan pada metal bone
implants dan sebagai fillers pada dental implants.
2. Bioinert
keramik
Bioinert
keramik seperti namanya menghasilkan minimal respon pada tubuh. Bioinert
keramik tidak menyebabkan perubahan baik dari segi kimia maupun fisik dalam
tubuh. Sel membetuk kapsul serabut yang tidak menempel pada sekitar implan.
Implan ini memiliki kekuatan kompresi yang tinggi, ketahanan aus yang tinggi
dan bioinertness. Contoh materialnya adalah Alumina (Al2O3),
Zirconia (ZrO2) dan pyrolytic carbon. Contoh
aplikasinya femoral head in hip replacements dan dental implants.
3. Bioresorable
keramik
Bioresorable
keramik dapat diserap dalam tubuh dan tergantikan oleh tulang pada jaringan
tulang. Pola dari inkorporasinya pada jaringan tulang sama dengan kontak
osteogenesis walaupun antarmuka antara bioresorable keramik dengan tulang tidak
stabil. Contoh materialnya adalah β-tricalsium fosfat, hidroksi apatite,
karbonat, kalsium karbonat. Contoh aplikasinya untuk perbaikan tulang.
Alumina (Al2O3
Sejak abad
ke-17, lebih dari 2,5 juta implant femoral heads diciptakan dengan lebih
dari 3000 implan yang sukses diaplikasikan sejak tahun 1987 dibawah pengawasan
FDA (Food and Drug Administration). Alumina dengan kemurnian tinggi
(>99,5%), biasa digunakan pada tulang (femoral head, bone screws dan
bone plate, pelapisan porous untuk femoral
stems, porous spacers, knee prosthesis) dan gigi (crowns dan
bridges). Hal ini karena alumina memiliki sifat-sifat, seperti:
- Ketahanan korosi sangat baik.
- Biokompatibilitas baik.
- Ketahanan aus tinggi.
- Ketahanan retak tinggi.
|
Sifat (properties) Alumina (Al2O3)
|
Alumina Komersial Berkadar Tinggi
|
Standard ISO 6474
|
Standard ISO terbaru
|
|
|
Kadar Alumina
|
> 99,7
|
≥ 99,51
|
–
|
|
|
Kadar Aditif
|
< 0,02
|
< 0,1
|
–
|
|
|
Densitas
|
3,98
|
–
|
≥ 3,94
|
|
|
Ukuran butir rata-rata
|
3,6
|
< 7
|
< 4,5
|
|
|
Kekerasan (HV)
|
2400
|
> 2000
|
–
|
|
|
Bending Strength (Mpa)
|
595
|
> 400
|
> 450
|
Sifat
mekanik alumina tergantung pada ukuran butir (densitas), misalnya pada
persentase aditif. Dimensi butir >7 µm dapat menyebabkan menurunnya sifat
mekanik sebesar ± 20 %. Sedangkan kriteria yang diharapkan adalah butir
berukuran < 4 µm dan kemurnian > 99,7 %.
|
Sifat Al2O3 Lainnya
|
|
|
Kekasaran permukaan akhir (µm)
|
0,02
|
|
Compressive Strength (MPa)
|
4000 – 4500
|
|
Modulus Young (GPa)
|
380 – 420
|
|
Fracture Toughness (MN/m 3/2)
|
4,0 – 6,0
|
|
Implant Strength (Nc n/cm2)
|
40 – 50
|
Contoh
proses produksi (komponen hip joint)
Produksi
komponen sambungan persendian (hip joint) berdasarkan standar DIN 58
835, ASTM F603-83 dan ISO 6474 mengggunakan femoral ball head yang
terbuat dari keramik alumina (Al2O3) dengan kemurnian
tinggi yang didoping oleh magnesium okisda (MgO). Untuk tujuan ini, bola dengan
conical bore dihubungkan ke stem dengan suatu taper fitting
(metal cone). Ukuran ball head distandardisasi dengan diameter 22-56
mm.Produksi biokeramik pada dasarnya sama dengan memproduksi keramik rekayasa (engineering
ceramics) kualitas tinggi, yang melibatkan beberapa tahapan:
1. Persiapan
Bahan Baku
Untuk
memenuhi FDA (Food & Drug Administration), sebelum pemrosesan
keramik, bahan baku harus melalui pemeriksaan / pengujian dengan sangat teliti
mengenai kemurnian kimiawi, batasan ppm, specific surface, dan
distribusi ukuran butir.
2. Pembentukan
Keramik ball
heads diproduksi dari silinder yang di-press secara uni-aksial. Conical
bore dan bentuk dari ball head dibentuk melalui proses machining.
Pemrosesan material ini fleksibel dan jumlah impurities akan dikurangi
sampai tingkat terendah.
3.
Firing
Firing material dilakukan pada suatu furnace
di atas 1500oC. Karena tekanan parsial O2 tinggi, dan
masih adanya pengaruh dari impurities, maka warna yang dihasilkan oleh medical
grade alumina kualitas tinggi bukanlah putih, melainkan berwarna seperti
gading Namun, sterilisasi dengan menggunakan sinar gamma, warna yang awalnya
seperti gading berubah menjadi coklat muda yang merupakan tanda dari material
kualitas tinggi. Setelah pengujian densitas dan grain size, ball head
siap dilakukan proses machining.
4.
Machining
Ball head dituntut untuk memiliki toleransi
bentuk dan dimensi. Beban fracture dari ball head tergantung dari
kualitas cone yang digunakan untuk tapper fitting pada femoral
ball head dengan metal stem. Hip joint merupakan persendian antara ball
dan socket yang diberi pelumas berupa fluida synovial. Beberapa
tuntutan hanya dapat dipenuhi jika ball head dilakukan grinding
dengan diamond tools dan pemolesan (polishing) dengan suspensi diamond.
5.
Kontrol mutu
Inspeksi ball
head pada tahapan akhir ini untuk memenuhi rekomendasi GMP yang berhubungan
dengan spesifikasi standar nasional dan internasional, terutama ISO 9001 dan
spesifikasi pengujian customer. Tahapan control mutu ini meliputi
pengawasan kualitas secara komprehansif, meliputi:
- Crack dan porositas menggunakan
metode penetrasi dengan keefektifan tinggi.
- Verifikasi dimensi yang telah
ditentukan dari cone dan spherisitas.
- Inspeksi visual
Keuntungan
menggunakan alumina
- Akibat energi permukaan yang
tinggi, memudahkan dalam pencapaian permukaan yang sangat halus.
- Dengan sifatnya yang bioinert,
alumina memiliki biokompatibilitas yang tinggi.
- Dengan permukaan yang datar
(tidak) menonjol keluar, hanya berorder 0,01 µm.
- Koefisien gesekan pada
sambungan semakin menurun seiring dengan berjalannya waktu bila
dibandingkan dengan natural joint.
- Karena adanya penyerapan oleh
molekul biologis, suatu lapisan seperti cairan dapat terbentuk, sehingga
dapat memberikan pelumasan pada komponen, dengan mengurangi kontak
langsung dari dua permukaan.
Kerugian
menggunakan alumina
- Dapat terjadi failure
(kegagalan) pada interface.
- Gesekan dan keausan dari dua
permukaan dapat dipicu oleh pergerakan komponen acetabular.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar