BAHAN BIOMATERIAL KERAMIK DAN STAINLESS STEEL 316L SEBAGAI BAHAN IMPLAN TULANG DAN GIGI DENGAN METODE DIP COATING

paintpaintBAHAN BIOMATERIAL KERAMIK DAN STAINLESS STEEL 316L 

SEBAGAI BAHAN IMPLAN TULANG DAN GIGI DENGAN 

METODE DIP COATING

1.         Pengertian Keramik

             Keramik adalah material non metal yang telah di kenal luas dan banyak dijumpai dalam kehidupan sehari-hari. Pada umumnya keramik tahan terhadap temperatur yang tinggi, kekerasan yang sangat tinggi, massa jenis yang rendah dan mempunyai thermal konduktivitas yang rendah dari pada logam. Keburukan dari keramik adalah cacat (flaws), seperti retak (cracks), ruang hampa (voids), terperangkapnya kotoran/udara (inclusion). Dimana cacat ini akan mudah menyebar. Dimana dalam perkembangannya dapat digunakan untuk bidang kesehatan seperti dalam pencangkokan tulang atau jaringan lunak dalam tubuh manusia. Salah satu material keramik yang digunakan adalah Hydroaxyapatite (HAp). Di alam Hydroaxyapatite mudah dijumpai yaitu material ini berbentuk batu karang (coral). Dimana material ini mempunyai keuntungan dapat menyesuaikan keadaan pada tubuh (biocompatible). Disamping itu juga HAp, mempunyai kelemahan yaitu untuk fatik (fatigue), material ini tak mampu menahan beban bila material ini digunakan dalam bentuk yang besar (bulk) seperti dalam ilmu bedah tulang.

 

1.1       Hydroaxyapatite (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)

Merupakan komponen kristalin utama pada fasa mineral tulang. Hydroxiapatite ini dapat membentuk ikatan fisik dengan tulang setelah di implankan ke dalam tubuh.

Aplikasinya:

·                     Scaffolds for tissue growth

·                     Pengisi tulang yang rusak/cacat

·                     Coating pada metal implants

Material Hidroksiapatit dapat dihasilkan dari limbah cangkang telur dengan memanfaatkan kalsium dari kulit telur kemudian direaksikan dengan senyawa. 3 Telur ayam merupakan sumber protein, lemak, vitamin, mineral dan air. Putih dan kuning telur ayam mengandung banyak mineral seperti sulfur, magnesium dan sodium. Sedangkan kalsium (Ca) yang dibutuhkan dalam sintesis hidroksiapatit banyak terdapat di cangkang telur ayam berupa senyawa kalsium karbonat (CaCO3) yaitu sebesar 95%.13

Hidroksiapatit pada umumnya dimanfaatkan sebagai bahan baku pembuatan biomaterial berupa tulang buatan dan gigi manusia. Hidroksiapatit dari kulit telur dapat dihasilkan setelah melakukan kalsinasi pada suhu 900˚C. Dalam pembuatan biomaterial rasio perbandingan antara kalsum fosfat (Ca/P) yang diijinkan adalah sebesar 1,67.

1.1.1    Sifat Mekanik Hidroaxipatite

Terdapat banyak variasi sifat mekanik dari hidroksiapatit yang disintesis. Menurut beberapa para ahli sebagai berikut

a. Jarco melaporkan hidroksiapatit padat memiliki rata –rata kekuatan tekan dan tarik masing masing adalah 917 Mpa dan 196 Mpa.

 b. Kato melaporkan hidroksiapatit memiliki kekuatan tekan 3000 kg/mm2 (294 Mpa), kekuatan tekuk 1500 kg/cm2 (147 Mpa) dan kekerasan Vickers 350 kg/mm2 (3,43 Gpa).

 c. Suchanek melaporkan bahwa hidroksiapatit padat memiliki kekuatan tekuk 38-250 Mpa,kekuatan tekan 120-900 Mpa.

1.1.2    Sifat Kimia Hidroaxypatite

Hidroksiapatit memiliki sifat kimia yang penting yaitu biocompatible, bioaktif, dan bioresorbable. Biocompatible maksudnya material tersebut tidak menyebabkan reaksi penolakan dari sistem kekebalan oleh tubuh manusia yang dianggap benda asing. Bioaktif adalah material yang dapat menimbulkan respon biologis antara implan dan jaringan. Bioresorbable material akan melarut sepanjang waktu (tanpa memperhatikan mekanisme yang menyebabkan pemindahan material) dan mengijinkan 3 jaringan yang baru terbentuk tumbuh pada sembarang permukaan.

1.1.3    Keuntungan dan kerugian menggunakan keramik base Hap untuk pengganti tulang.

a.Keuntungan

Ada beberapa keuntungan dalam penggunaan hidroaxyapatite bio aktif keramik base untuk menghasilkan material yang unggul. Keuntungan dari kenyamanan dalam tubuh(biocompartable) dari Hidroxyapatite adalah:

A. Cepat bersesuaian ke dalam tubuh manusia, saat bersamaan tubuh tidak merasakan apa-apa kalau ada benda asing didalamnya.

B. Hidroxyapatite mempunyai kemampuan pengikat ke tulang.

b.Kerugian

A. Tidak dapat digunakan untuk bentuk yang besar (bulk) khususnya beban Fatik (fatigue) karena tidak mampu menahan beban yang besar. Seperti dalam ilmu bedah tulang.

B. Sifat perekat antara pelapis kalsium pospate dan material cangkoknya sangat kurang / lemah.

Manufaktur dari hydroxyapatite keramik Proses pelapisan adalah salah satu proses untuk membuat hydroxyapatite. Pelapisan adalah suatu proses yang sangat baik untuk mendapatkan sifat biocompatible untuk unsur yang dimiliki oleh sambungan tulang dengan keramik.

1.2            Stainless Steel

                 Di Indonesia banyak bahan yang dapat dijadikan biomaterial, sehingga perlu adanya review untuk bahan biomaterial yang banyak di Indonesia sehingga nantinya dapat digunakan sebagai acuan untuk penelitian biomaterial berbahan baku dari Indonesia.

                 Stainless steel adalah bahan yang banyak digunakan dalam industri, terutama industri yang membuat implan tulang, bahan ini salah satu jenis baja yang tahan terhadap karat serta sifat mekanis yang baik. Industri cor di Indonesia masih menggunakan bahan-bahan impor umtuk membuat stainless steel ini. Bahan –bahan pembuat stainless steel adalah nikel murni, ferrokrom (Fe-Cr), ferromangan (Fe-Mg), ferromangan (Fe-Mn), ferrosilicon (Fe-Si), ferromolybden (Fe-Mo) dan scrap low carbon steel.

            Review dari Suh (1998) mengatakan bahan yang baik untuk biomaterial adalah stainless steel, keramik dan polymer. Review ini bertujuan untuk mengenal sifat bahan pengganti tulang yang bahannya banyak ditemukan di Indonesia sehingga menjadi wawasan untuk pembuatan tulang implant buatan Indonesia

1.2.1 Biomaterial Logam

                       Logam banyak digunakan secara baik untuk pengganti implan tulang yang mendapat pembebanan seperti di pinggul dan lutut berbentuk kawat, pin, sekrup dan pelat. Logam juga dipakai dalam katup jantung buatan dan pegangan pembuluh darah yang menyebabkan alat pacu jantung. Logam murni kadang digunakan biomaterial tetapi bnyak juga memakai paduan untuk memperbaiki sifat dari logam murni. Yang sering digunakan dalam biomaterial adalah stainless steel 316L, paduan kobalt dan kromium molybdenum, dan tintanium murni dan paduan tintanium. (Tabel 1). Pemilihan utama dari logam dan paduannya sebagai biomaterial adalah sifat mekanik yang sesuai dan ketahanan terhadap korosi dan harga yang layak. Dari keempat bahan logam yang disebutkan dalam Tabel 1 Stainless steel dipilih sebagai bahan pembuat bone implan karena mempunyai ketahanan korosi yang tinggi. Semua stainless steel mempunyai campuran kromium minimal 10,5 % berat.

Menurut Alvarado, J. dkk (2003) manfaat dari stainless steel adalah:

a. Hambatan korosi tinggi, bahan ini dapat menghambat korosi tinggi baik di atmosfir maupun dalam lingkungan air.

b. Tahan panas dan api, campuran paduan kromium dan nikel melindungi kekuatan stainless steel dari temperatur tinggi.

c. Sehat, stainless steel mudah dibersihkan sehingga menjadi pilihan pertama untuk bahan yang kondisi sehat, hampir setiap alat yang berhubungan dengan kesehatan seperti rumah sakit, dapur, rumah jagal dan proses makanan menggunakan stainless steel.

d. Penampilan baik, lapisan terang membuat perawatan yang mudah pada stainless steel.

e. Keuntungan kekuatan pada berat, sifat keras yang dimiliki stainless steel sangat bagus pada pengerjaan dingin dan bentuk yang tipis.

f. Mudah fabrikasi, dengan modern pembuatan baja stainless steel dapat mudah dipotong, las, bentuk, dimesin dan dibuat.

g. Tahan dipukul, keuletan yag tinggi embuat stainless steel mampu pukul.

h. Harga yang mahal. Ketika total ongkos dipertimbangkan, stainless steel sering menjadi opsi yang sedikit mahal.

Bahan stainless steel yang sering digunakan untuk implikasi biomaterial adaalah stanless steel 316L. Komposisi kimia dari bahan ini disajikan dalam Tabel berikut:

1.3       Sifat Mekanik Biomaterial Logam

Sifat mekanik sangat penting saat merancang bahan pengganti tulang yang mendapat beban dari luar. Kekuatan tarik dan kelelahan dari logam dapat dibandingkan dengan keramik dan polimer, sehingga logam dipilih sebagai pengganti tulang yang meyangga beban kerena sifatnya mekaniknya. Tetapi komposit logam yang homogen menyebabkan tegangan yang tidak sama dengan tulang lain, sehingga dapat menghilangkan rangsangan mekanik yang depelukan untuk menjaga keseimbangan. Sifat mekanik logam tidak hanya ditentukan oleh jenis logam tapi proses pembuatan logam juga mempengaruhi sifat mekanik dari logam. Pengerjaan logam seperti pengerjaan dingin, pengerjaan panas, forging, rolling logam yang menghasilkan deformasi membuat logam lebih kuat dan lebih keras. Terlebih lagi kekuatan logam yang lebih kuat dan lebih keras tersebut dibarengi dengan penurunan sifat ulet dan lebih medah reaktif sifat kimianya.

1.4       Pemilihan bahan untuk kedokteran

Bahan untuk biomedical dari logam dan keramik telah diketahui. Masing-masing mempunyai keunggulan dan kelemahan masing-masing. Pemilihan bahan untuk implant tulang disesuaikan dengan sifat mekanik dan kegunaan bahan. Contoh stainless steel direkomendasikan untuk tulang yang menahan beban tapi gerakan gesekan tidak terlalu banyak seperti lutut. Sedangkan keramik untuk tulang sendi yang bergesekan banyak seperti sambungan tulang pinggul. Dilihat dari sifat mekanik kedua bahan dapat diharapkan penyusunan bahan komposit terdiri dari logam dan keramik sehingga saling melengkapi keduanya.

1.5       Kesimpulan

Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa logam stainless steel merupakan bahan bagus untuk tulang karena sifat mekanik tetapi kurang cocok untuk jaringan. Keramik juga bahan yang bagus untuk tulang karena sifatnya yang pas untuk jaringan tetapi bahan ini rapuh sehingga tidak boleh kena benturan. Diharapkan muncul bahan komposit penggabungan dari keduanya sehingga saling melengkapi

1.6       Pengaplikasian serta metode yang digunakan

Berdasarkan data Badan Pusat Statistik Nasional (2015) jumlah kecelakaan yang terjadi di Indonesia pada tahun 2007 sebanyak 49553 kecelakaan, dan terus meningkat setiap tahunnya yaitu 59164 kecelakaan pada tahun 2008, 62960 kasus pada tahun 2009, 66488 kasus pada tahun 2010, 108696 dan 117949 kasuspada tahun 2011 dan 2012, dimana patah tulang merupakan salah satu kasus yang paling banyak terjadi dalam kecelakaan.

Kasus patah tulang juga dapat terjadi akibat osteoporosis. Tingginya angka kasus patah tulang menyebabkan tingginya kebutuhan akan implan tulang. Hidroksiapatit telah diketahui sebagai material pengganti yang baik untuk implan tulang dan gigi dalam dunia kesehatan disebabkan karena kemiripan sifat kimia dan biologinya dengan jaringan tulang manusia. Meskipun demikian hidroksiapatit memiliki kekuatan mekanik yang kurang baik sehingga kurang cocokdigunakan sebagai pengganti tulang yang menopang bagian tubuh yang berat.

Metal atau logam merupakan suatu material yang memiliki kriteria mekanik yang kuat dan mampu menahan berat tubuh jika digunakan sebagai material pengganti tulang. Akan tetapi sifat kimia dan biologi dari logam tidak sesuai dengan jaringan tulang manusia sehingga menghasilkan ketidakstabilan implan [Rad

dkk, 2014].

Hidroksiapatit memiliki sifat mekanik yang kurang baik sehingga digunakan sebagai pelapis (coating) pada permukaan material logam untuk mengkombinasikan kekuatan dan kekerasan permukaan logam dengan sifat bioactive dari hidroksiapatit.

“Penggunaan hidroksiapatit sebagai coating juga dapat meningkatkan ketahanan logam terhadap korosi dan kemampuan mengikat implant terhadap jaringan tulang [Rad dkk, 2014]”.

            Pembuatan coating hidroksiapatit dapat dilakukan dengan berbagai metode

deposisi seperti thermal spraying, sputtering, electrophoretic deposition, dan dip coating. Metode dip coating merupakan metode deposisi yang memiliki kelebihan seperti biaya yang murah dan prosesnya yang sederhana. Selain itu metode ini juga dapat digunakan untuk melapisi substrat dengan bentuk yang kompleks. Berdasarkan kelebihan tersebut maka metode dip coating dipilih sebagai metode deposisi dalam pelapisan hidroksiapatit pada logam stainless steel.

Beberapa teknik pelapisan dalam pembuatan hydroxyapatite dapat dilihat pada tabel berikut :

 

         Sagu merupakan tanaman tropis yang banyak tumbuh di Indonesia. Pemanfaatan sagu dalam bentuk pati selama ini terbatas hanya sebagai bahan pangan. Menurut Belitz (2009) sagu dapat dimanfaatkan sebagai binder, thickener, dan stabilizer. Sehingga pada penelitian ini sagu dimanfaatkan sebagai binder dalam proses pelapisan hidroksiapatit pada stainless steel 316L.

1.7       Metodologi Penelitian

1.7.1    Bahan dan Alat yang digunakan

Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah

a. Hidroksiapatit

b. Sagu sebagai binder,

c. Akuades sebagai pelarut, dan

d. Aseton untuk membersihkan stainless steel 316L

1.7.2    Alat-alat yang digunakan

            Alat-alat yang digunakan antara lain :

a. dip coating unit

b.  furnace yang berfungsi untuk sintering sampel

c. stopwatch untuk mengukur lama pencelupan

d. kertas amplas, gelas kimia, timbangan, dan magnetic stirrer yang digunakan untuk

persiapan suspensi dan substrat.

1.8       Prosedur Penelitian

a. Persiapan Suspensi

Hidroksiapatit ditimbang sebanyak 10 gram dan dimasukkan ke dalam gelas

kimia. Kemudian ditambahkan akuades sebanyak 20 gram, serta sagu yang telah ditimbang sebanyak 1; 1,25 dan 1,5 gram. Larutan diaduk dengan magnetic stirrer

selama 16, 20 dan 24 jam.

b. Persiapan Substrat

Stainless steel 316L dipotong dengan ukuran 2 x 3 cm, kemudian di amplas. Stainless steel yang telah di amplas disterilkan dengan cara direndam dalam aseton selama 15 menit, setelah itu dibilas menggunakan akuades. Substrat kemudian dikeringkan menggunakan oven dengan temperatur 80 ºC selama 10 menit.

c. Proses Pelapisan

Substrat yang telah disterilkan dicelupkan kedalam suspensi selama 20 detik, dan dilakukan 1 kali pencelupan. Substrat yang telah dilapisi hidroksiapatit kemudian dikeringkan dengan suhu 110 ºC selama 30 menit, kemudian disinterring dengan temperatur 800 ºC selama 1 jam.

d. Karakterisasi

Karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM)

dilakukan untuk mengetahui ketebalan lapisan hidroksiapatit dan keadaan permukaan lapisan. X-ray diffraction (XRD) bertujuan untuk melihat senyawa kimia yang terdeposisi pada substrat, sedangkan Autograph digunakan untuk mengetahui shear strength dari coating hidroksiapatit yang dihasilkan.

1.8       Hasil Penelitian

            Rasio binder yang digunakan berpengaruh terhadap coating yang dihasilkan. Gambar dibawah merupakan hasil SEM permukaan coating pada berbagai rasio binder.

         

Gambar. Hasil SEM Permukaan Coating pada Pengadukan 24 jam dan

Rasio Binder:HA:Akuades (a) 1,5:10:20, (b) 1:10:20.

Rongga pada permukaan coating terlihat semakin banyak pada rasio binder yang lebih banyak. Rongga pada permukaan lapisan tersebut merupakan hasil dari binder yang habis terbakar dan menyebabkan dispersi partikel tidak terjadi secara maksimal, sehingga menyebabkan partikel dalam suspense mengalami agglomerasi.

 

Gambar 4. Tampak Lintang Coating pada Rasio Binder:HA:Akuades 1,25:10:20 dan

Pengadukan (a)16 jam, (b)20 jam, dan (c)24 jam.

Gambar diatas merupakan tampak lintang dari stainless steel 316L yang telah dilapisi hidroksiapatit menggunakan rasio binder:HA:akuades 1,25:10:20 pada berbagai variasi waktu pengadukan, yaitu16 jam, 20 jam, dan 24 jam. Pada waktu pengadukan 16 jam diperoleh lapisan dengan ketebalan sekitar 35 μm dan mengalami peningkatan menjadi 77 μm pada waktu pengadukan 20 jam. Akan tetapi ketebalan lapisan kembali mengalami penurunan pada waktu pengadukan 24 jam yaitu sekitar 60 μm.

Semakin lama waktu pengadukan maka partikel dalam suspensi akan semakin terdispersi, dan menghasilkan suspensi yang lebih stabil sehingga ketebalan coating yang diperoleh akan semakin tinggi. Akan tetapi dengan bertambahnya waktu pengadukan partikel mengalami aglomerasi dan menyebabkan partikel tidak terdispersi secara maksimal dan menghasilkan coating yang lebih tipis.

Daftar Pustaka

1. Waode. H, Nurlaela R, Dahlang T.PEMBUATAN DAN PENGUJIAN SIFAT MEKANIK GIGI TIRUAN BERBAHAN KERAMIK DAN HIDROKSIAPATIT DARI CANGKANG TELUR. Univ Hasanudin Makasar

2. Riezka. R, Dwi, A., Ediman. G.2005.Preparasi dan Karakterisasi Keramik Silika (SiO2) Sekam Padi dengan Suhu Kasinasi 800oC - 1000Oc. Universitas Lampung.

3. Fatahul. A, Eka, S.M.,2009. KERAMIK (ADVANCECERAMICS) SEBAGAI MATERIAL ALTERNATIF DI BIDANG KESEHATAN. Politeknik Negeri Sriwijaya

4. Putri, H.H., Ahmad F., Amun, A.2016.PELAPISAN HIDROKSIAPATIT PADA STAINLESS STEEL 316L MENGGUNAKAN METODE DIP COATING DENGAN VARIASI RASIO BINDER PATI SAGU DAN WAKTU PENGADUKAN.Universitas Riau