PENERAPAN BIOMATERIAL LOGAM PADA TULANG

BIOMATERIAL

PENGERTIAN 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 BIOMATERIAL

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.

·         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.

·         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.

·         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. Seperti yang terlihat pada tabel 2.1.2.1 diatas, material keramik sedikit digunakan untuk pengganti tulang sendi (joint replacement), perbaikan tulang (bone repair) dan penambahan tulang (augmentation).

·         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.

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 :

· Tipe I ditemukan terutama pada kulit, tulang dan tendon

· Tipe II ditemukan pada tulang rawan arteri pada tulang sendi dan

· 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).

Biomaterial berbasis Logam

Table biomaterial berbasis logam

LOGAM DAN PADUANNYA 316L stainless steel CP-Ti, Ti-Al-V, Ti-Al- Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti- Mo-Zr-Fe Co-Cr-Mo, Cr-Ni-Cr- Mo Ni-Ti

Fiksasi retak (fracture fixation), stents, instrument Bedah Pengganti tulang dan sendi, fiksasi retak, implantasi denta Pengganti tulang dan sendi, implantasi dental, perbaikan protesa dental, pompa jantungl, pacemaker encapsulation Pelat tulang, stents, kawat orthodonti

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

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.

Penggunaan biomaterial

Karakteristik dan Sifat Magnesium

Simbol: Mg
Nomor atom: 12
Berat atom: 24,305
Klasifikasi: logam alkali tanah
Fase pada Suhu Kamar: Padat
Kepadatan: 1,738 gram per cm potong dadu
Titik leleh: 650 ° C, 1202 ° F
Titik didih: 1091 ° C, 1994 ° F
Ditemukan oleh: Joseph Black di tahun 1755. Terisolasi oleh Sir Humphry Davy pada tahun 1808.

Dalam kondisi standar magnesium merupakan logam ringan dengan warna putih keperakan. Bila terkena udara, magnesium akan memudar dan menjadi dilindungi oleh lapisan tipis oksida. Ketika magnesium bersentuhan dengan air, magnesium akan bereaksi dan menghasilkan gas hidrogen. Jika terendam air, Anda akan melihat gelembung gas mulai terbentuk.

Penggunaan magnesium

Salah satu kegunaan utama logam magnesium dalam paduan logam. karena itu adalah baik kuat dan ringan. Hal ini sering dicampur dengan aluminium, seng, mangan, silikon, dan tembaga untuk membuat paduan yang kuat dan ringan untuk digunakan sebagai suku cadang kendaraan bermotor, komponen pesawat, dan rudal.

Logam magnesium juga digunakan dalam komponen elektronik. Cahaya dan sifat listrik yang baik membuat elemen baik untuk digunakan dalam kamera, ponsel, komputer laptop, dan komponen elektronik genggam lainnya.

Aplikasi lain dari magnesium dalam berbagai senyawa. Beberapa senyawa yang digunakan sebagai obat-obatan seperti magnesium hidroksida yang digunakan untuk membantu pencernaan (Milk of Magnesia) dan magnesium sulfat (garam Epsom) yang digunakan dalam sabun mandi untuk meredakan otot-otot yang sakit.

Tubuh manusia membutuhkan magnesium untuk kesehatan. Hal ini digunakan untuk membuat protein, tulang yang kuat, dan untuk mengatur suhu tubuh.

Bila dibakar, Magnesium berwarna putih yang sangat terang. Pada suatu waktu bubuk magnesium digunakan untuk menghasilkan kilatan cahaya untuk fotografi.

Manfaat magnesium

Manfaat Magnesium bagi Kesehatan – Magnesium sangat dibutuhkan untuk kesehatan tubuh, karena kalsium digunakan untuk lebih dari 300 reaksi biokimia dalam tubuh. Magnesium adalah mineral urutan nomer 4 yang paling penting untuk kesehatan. Sekitar 50% dari total magnesium tubuh disimpan didalam tulang kita. Bagian yang tersisa dari magnesium yang terutama ditemukan dalam sel-sel jaringan tubuh dan organ. Hanya 1% saja magnesium yang ada dalam darah, dan tubuh manusia akan selalu menjaga agar kadar darah konstan magnesium. Advertisement Magnesium diperlukan untuk menjaga otot dan saraf agar berfungsi normal dan menjaga irama detak jantung. Dengan ini magnesium membantu untuk mendukung sistem kekebalan tubuh dan menjaga tulang yang kuat. Magnesium juga membantu mengatur kadar gula darah, sehingga dapat meningkatkan tekanan darah yang normal dan mendukung metabolisme energi dan protein sintesis. Magnesium memiliki efek positif dalam pengobatan gangguan kesehatan seperti penyakit jantung, hipertensi, dan diabetes. Dieta Magnesium akan diserap oleh usus kecil, dan disekresikan melalui ginjal. Manfaat kesehatan dari magnesium termasuk mempertahankan saraf tubuh, otot dan tulang. Hal ini juga membantu dalam sintesis protein dan metabolisme sel. Magnesium sangat penting untuk mempertahankan detak jantung yang normal dan digunakan oleh dokter untuk mengobati ketidakteraturan irama jantung. Manfaat kesehatan lain dari magnesium adalah mencegah osteoporosis, kejang eklampsia, kadar gula, asma, diabetes, sembelit, nyeri punggung dan gangguan kejiwaan. 

Penggunaan magnesium untuk implant tulang

Logam ringan Magnesium merupakan implant ideal bagi penyembuhan patah tulang, karena dapat terurai secara biologis. Operasi kedua kalinya untuk mengangkat kembali implant dalam tubuh tidak diperlukan.

Dalam teknik kedokteran, pemasangan implant atau organ tubuh artifisial dewasa ini sudah menjadi kelaziman. Mulai dari penanaman gigi palsu hingga sendi panggul buatan. Akan tetapi, juga terdapat implant yang tidak harus selamanya berada dalam tubuh, misalnya pelat penyangga tulang yang patah.

Dalam kedokteran ortopedi modern, penyembuhan kasus patah tulang semakin banyak memanfaatkan sekrup dan pelat-pelat penyangga dari logam nirkarat. Metodenya lebih unggul dibanding cara konvensional menggunakan bebatan gips. Tapi kerugiannya, harus dilakukan operasi kedua kalinya untuk mencabut kembali sekrup-sekrup dan pelat logam penyangga. Untuk menghindari hal itu, kini dikembangkan implant yang dapat terurai sendiri secara biologis.

Dengan menyekrup dan menahap tulang yang patah menggunakan lempengan logam baja tahan karat atau Titanium, tulang dapat pulih dan menyambung kembali dalam jangka waktu relatif lebih pendek. Namun dalam jangka waktu tertentu, implant logam yang merupakan benda asing dalam tubuh itu, harus diangkat kembali. Jika tidak, benda asing itu akan tumbuh terus bersama tulang dan jaringan ototnya. Artinya harus dilakukan  operasi sekali lagi. Juga operasi semacam itu tetap mengundang risiko.

Magnesium terurai secara biologis

Namun dengan metode yang dikembangkan sekolah tinggi kedokteran Hannover, dengan memasang implant penyangga dari logam ringan Magnesium, di masa depan tindak operasi semacam itu, diharapkan tidak diperlukan lagi. 

Metode bebatan gips akan bertahap ditinggalkan.

Dr. Frank Witte dari sekolah tinggi kedokteran Hannover yang mengembangkan implant Magnesium itu menjelaskan : “Di satu sisi, hal ini menyangkut perekatan yang stabil ujung tulang. Di sisi lainnya, saya ingin, jika tulangnya sembuh, material implant-nya tidak perlu harus diangkat lagi. Berlatar belakang ini, sekrup kecil dan pelat penyangga dari campuran logam Magnesium, misalnya untuk tulang lengan yang patah, dapat digunakan.”

Akan tetapi, logam Magnesium untuk implant ortopedi, juga bukanlah material yang tanpa masalah. Sebab, logam Magnesium biasa, tidak bisa dikontrol seberapa lama hingga logam ringan ini terurai seluruhnya. Juga dipertanyakan, apakah logam yang terurai itu tertimbun dalam tulang atau otot, atau dibuang keluar tubuh bersama dengan air seni?

Juga pada penguraian Magnesium secara tidak terkontrol, terbentuk gas Hidrogen, Jika penguraiannya terlalu cepat, dapat terbentuk kista berisi gas, yang menyebabkan rasa sakit luar biasa pada pasien.

Campuran dengan mineral langka

Implant Magnesium terurai pada tulang binatan percobaan.

Menimbang kelemahan logam Magnesium itu, Dr.Frank Witte yang memimpin laboratorium untuk bio-mekanik dan bio-material ortopedi klinis, melakukan sejumlah eksperimen, untuk menemukan campuran logam Magnesium yang ideal. Persyaratan yang harus dipenuhi campuran logam itu, adalah, tidak terurai terlalu cepat, serta tidak mudah patah seperti logam Magnesium murni. Dengan begitu, tulang yang patah memiliki cukup waktu untuk tumbuh kembali.

“Kami meneliti campuran logam, yang mengandung mineral yang langka. Dalam kombinasi dengan Magnesium, mineralnya memicu sifat mekanis yang bagus. Campurannya juga mengembangkan sifat korosif yang memuaskan. Dengan itu kami memiliki penguraian yang relatif terkontrol dalam tubuh“, papar Witte.

Dalam bentuk campuran logam semacam itu, Magnesium menjadi materi yang amat menjanjikan, untuk dibuat implant pemulihan tulang patah, yang dapat terurai sendiri secara biologis. Uji coba pada binatang percobaan di laboratorium membuktikan, target dan harapan telah tercapai.

Dr.Frank Witte dalam penelitian di laboratoriumnya juga mengamati, oksida Magnesium yang terbentuk ketika logamnya terurai, bahkan mendorong penyembuhan tulang yang terluka. :“Jika kita cangkokkan tepung oksida Magnesium pada tulang, kami melihat pembentukan tulang amat positif pada empat minggu pertama.” 

Stent untuk membantu pelebaran pembuluh darah yang menyempit.

Penunjang pembuluh darah

Penelitian lebih lanjut akan menegaskan, seberapa besar tingkat penerimaan tubuh atas implant campuran logam Magnesium terbaru itu. Jika riset klinis menegaskan sifat positif dari campuran logam itu, maka di masa depan penggunaannya akan semakin rutin, untuk menggantikan implant dari baja tahan karat atau logam Titanium.

Selain digunakan sebagai implant bagi penyembuhan tulang yang patah, logam Magnesium terbaru itu juga digunakan sebagai jaringan penunjang pembuluh darah yang menyempit. Dengan memasang pembuluh darah artifisial dari Magnesium berbentuk selang jaringan atau Stents, pembuluh darah yang menyempit dapat diperlebar.

Jaringan penunjang dari Magnesium mencegah terjadinya kembali penyumbatan. Juga dalam waktu beberapa bulan, jaringan penunjang itu akan terurai sendiri secara biologis. Yang tersisa adalah pembuluh darah yang kembali lancar dan terbuka.