Aplikasi Teknologi, Featured, Material Sains

Biomaterial Berbasis Logam

13 August 2009 4,591 views penulis: Print This Post Print This Post
Total Hip Replacement

Total Hip Replacement

Permintaan dan penggunaan biomaterial berbasis logam meningkat tajam akhir-akhir ini. Perubahan piramida umur penduduk dunia dengan meningkatnya jumlah penduduk dunia yang lanjut usia serta tingginya angka kecelakaan baik darat, laut dan udara merupakan sebab utama peningkatan tersebut. Sebagai gambaran, permintaan dan penggunaan biomaterial dari logam mencapai US$ 212,8 juta pada tahun 2008, bahkan penggunaan biomaterial dari logam sebagai pengganti tulang pangkal paha akan mencapai jumlah 272.000 buah pada tahun 2030. Kebanyakan dari biomaterial yang digunakan untuk gigi dan pengganti tulang atau ortopedik.  Biomaterial sebagai pengganti tulang atau gigi ini bersifat permanen sehingga logam dan alloy yang mempunyai ketahanan korosi yang tinggi yang bisa digunakan.

Syarat utama biomaterial

Syarat yang paling dasar adalah sifat anti karat yang tinggi. Tapi, bukan itu yang paling utama. Sifat yang utama yang harus dipunyai oleh biomaterial berbasis logam adalah kesuaian dengan sel hidup (excellent biocompatibility), karena biomaterial ditanam dalam tubuh atau mulut serta berhubungan langsung dengan sel hidup tubuh. Logam tersebut tidak boleh melepaskan ion-ion yang bersifat racun atau karsinogen bagi sel dan tubuh manusia. Bahkan akhir-akhir ini penggunaan baja tahan karat jenis 304 (campuran logam Fe-18%Cr-8%Ni) berkurang untuk penduduk berkulit putih karena ion nikel yang lepas dari baja  tersebut dapat menyebabkan alergi.

Pengembangan jenis logam baru untuk kegunaan biomaterial harus melalui uji biocompatibility yang sangat ketat. Uji In-Vitro dan In-Vivo harus dilaksanakan dan memang ada data sah yang menyatakan bahwa bahan tersebut tidak berbahaya untuk sel dan tubuh manusia. Oleh karena syarat serta ujian yang sangat ketat, jenis-jenis biomaterial yang sudah layak untuk komersialisasi sangat terbatas seperti biomaterial dari besi, cobalt atau titanium.

Baja Tahan Karat

Contoh penggunaan biomaterial

Contoh penggunaan biomaterial

Baja tahan karat merupakan biomaterial generasi awal karena sifat ketahanan karat, mudah diproduksi dan harganya yang murah. Tidak semua jenis baja tahan karat dapat digunakan sebagai biomaterial, biasanya baja tahan karat yang mempunyai matrik austenite saja yang digunakan seperti baja tahan karat 304 dan 316. Baja tahan karat 316 merupakan derivasi baja tahan karat 304 (Fe-18%Cr-8%Ni) dengan penambahan maksimal 2% Mo. Bahan ini tidak terlalu baik untuk biomaterial karena mudah terserang korosi yang sifatnya lokal seperti korosi batas butir atau pelubangan (pitting). Ditambah lagi, adanya keluhan dari pasien dari bangsa kulit putih yang merupakan efek samping akibat pelepasan ion nikel dari baja tersebut. Dalam dekade terakhir, ada penemuan yang berusaha untuk memperbaiki sifat baja tahan karat jenis austenit. Penggunaan unsur nitrogen (N) menunjukan bahwa jumlah nikel dapat dikurangi bahkan dihilangkan tanpa mengurangi kestabilan fasa austenit. Penggunaan nitrogen ini ternyata meningkatkan ketahanan korosi baja tersebut. Tapi, baja tahan karat ini masih dalam proses pengembangan.

Alloy Co-Cr

Komposisi campuran ini adalah Co-(26~30)%Cr-(5~7)%Mo. Ada dua jenis campuran logam ini yang digunakan sebagai biomaterial yaitu campuran logam Co-Cr cor dan campuran logam Co-Cr tempaan. Ciri utama campuran logam Co-Cr cor adalah mempunyai kandungan karbon yang tinggi. Kandungan ini menyebabkan pembentukan karbida (M23C6) yang besar sehingga campuran logam ini mempunyai ketahanan haus yang lebih baik daripada campuran logam Co-Cr tempaan. Campuran logam ini banyak digunakan untuk aplikasi gigi palsu.

Sebaliknya, campuran logam Co-Cr tempaan mempunyai kandungan karbon yang rendah. Tetapi, ini bukan berarti biomaterial ini mempunyai sifat fisika atau sifat mekanik yang rendah. Campuran logam ini melalui proses pemanasan serta deformasi baik suhu tinggi dan suhu kamar maka mikrostrukturnya lebih kecil dan seragam. Sifat mekanik bahan ini lebih baik seperti kekuatan tarikan, pemanjangan kecuali sifat ketahanan haus.

Titanium

Mungkin biomaterial ini yang penggunaannya meningkat tajam. Bahan ini mempunyai kekuatan yang tinggi, ringan dan ketahanan korosi yang baik. Bahkan, sifat ketahanan korosi ini lebih baik bila dibandingkan dengan campuran logam Co-Cr apalagi dengan baja tahan karat. Lapisan titanium oksida tipis yang melapisi bahan ini membuat korosi pada bahan ini tidak dapat berlanjut lagi. Pada awal, titanium murni (CP Ti; commercially pure Ti) dan campuran logam Ti-6%Al-4%V banyak digunakan. Tetapi, kedua bahan ini mempunyai kelemahan untuk digunakan sebagai biomaterial. Titanium murni mempunyai struktur Kristal HCP (Hexagonal Close-Packed) sehingga mempunyai modulus Young yang tinggi (120GPa) padahal modulus Young tulang hanya 30GPa. Ini akan mengakibatkan stress shielding dan tulang akan rusak serta kerusakan pada tulang pangkal paha yang palsu. Selain itu, campuran logam Ti-6%Al-4%V juga masih mempunyai struktur HCP sehingga tulang akan mendapatkan masalah. Di tambah lagi, ion Al dan ion V ditemukan berbahaya untuk sel dan sistem syaraf manusia. Untuk mengatasi masalah di atas, banyak campuran logam baru dibuat meskipun menggunakan unsur-unsur yang susah didapat. Campuran logam yang telah dikembangkan serta digunakan adalah campuran logam Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr, campuran logam Ti–12Mo–6Zr–2Fe (TMZF), campuran logam Ti–35Nb–7Zr–5Ta(TiOsteum). Campuran logam ini telah dikembangkan secara bersamaan di Amerika Serikat dan Jepang. Konsep pengembangan campuran logam in adalah peningkatan stabilitas fasa BCC (Body Centered Cubic) pada campuran logam tersebut baik suhu tinggi dan suhu kamar. Dengan stabilnya fasa BCC maka modulus Young biomaterial dari titanium akan mendekati modulus Young tulang.

Penutup

Penggunaan biomaterial berbasis logam akan terus meningkat karena keadaan penduduk di dunia. Hal yang paling penting adalah proses pengembangan dan riset terhadap campuran logam-campuran logam baru berdasarkan kebutuhan dan sifat yang diperlukan. Kemudian, pengawasan serta uji coba terutama biocompatibility sangat perlu diperhatikan karena biomaterial tersebut akan ditanam dan digunakan dalam tubuh manusia yang sangat rentan terhadap racun dan ion-ion yang dikeluarkan oleh logam tersebut.



Daftarkan di social page berikut (klik untuk submit):



3 Comments »

  • Deddy said:

    Terima kasih banyak atas paparannya yang menarik tentang Biometal.

    Ditunggu tulisan-tulisan selanjutnya.

    Mohon pencerahan mengenai text book yang baik untuk belajar biomaterial, termasuk Biometal, Bioceramic dan Biopolymer. Kebetulan saya mempunyai ketertarikan untuk memperlajari lebih dalam mengenai bidang ini.

  • Agus Solihin said:

    Pemaparan yang luar biasa. saya bergelut dibidang foundry (pengecoran logam), artikel ini menambah wawasan buat saya. trima kasih sekali. ditunggu bahasan-bahasan berikutnya

  • Okky said:

    penjelasan mantab kang! saya maba, dn butuh artikel spt ini, ditunggu posting2 yg lain

Tuliskan komentar anda!

You must be logged in to post a comment.