orthopaedic biomaterial

8/20/2019 Orthopaedic Biomaterial

http://slidepdf.com/reader/full/orthopaedic-biomaterial 1/21

Dasar Genetika dari Berbagai Manifestasi

Kelainan Orthopaedi

PEMBIMBING :

Yoyos Dias Ismiarto dr! "pO#$K%! M Kes! &I'"! ''D

O(E) :

Preodita Agradi

B*GI*N O+#)OP*EDI D*N #+*,M*#O(OGI&*K,(#*" KEDOK#E+*N ,NI-E+"I#*" P*D.*D.*+*N

B*ND,NG/012

1



BIOM*#E+I*( O+#)OP*EDI

I! Keb3t3han 3nt3k Biomaterial dalam Orthopaedi

Pernyataan biomaterial mengarah ke semua material sintetik maupun natural

yang digunakan pada klinik, untuk mengganti, menstabiliasasi dan memperbesar

kerusakan jaringan. Pada ilmu orthopaedi, biomaterial ini digunakan untuk internal

fiksasi pada fraktur, osteotomi dan arthodesis, penutupan luka, pergantian soft tissue,

dan total joint arthoplasty. Untuk menjamin kenyamanan dan keselamatan para

penggunanya , orthopaedi biomaterial harus biokompatibel (dapat secara in vivo

tidak menimbulkan reaksi yang berbahaya bagi tubuh), bebas korosi dan degradasi

(dapat bertahan dalam tubuh tanpa menimblkan efek samping)

Biomaterial harus mempunyai standar yang tinggi dalam kualitas dan dapat

terjangkau dalam harga. aterial yang digunakan biasa terbuat dari metalik,polimer

dan keramik dan kemampuan material tersebut dapat dimengerti dan efisien dalam

praktek secara klinikal.

1!1 Biokompatibilitas

!arena bahan tersebut merupakan bahan material yang berasal dari luar, maka

diharapkan material tersebut harus tidak berbahaya bagi tubuh dan tidak menjadi

racun dalam tubuh. Biokompatibilitas adalah level dasar dari suatu reaksi atau efek

samping yang mungkin timbul dalam suatu proses implantasi. "ontohnya material

#



yang mempunyai sedikit reaksi bahkan tidak ada reaksi sama sekali pada tubuh

(seperti cobalt$chromium metallic) inert. %nteraktive biomaterial yang dibuat untuk

menimbulkan keuntungan khusus seperti jaringan yang tidak tumbuh (contohnya

porous tantalum). Biomaterial yang menarik sel kemudian diabsorbsi atau di

remodeling (seperti biodegradable polymeric scaffolds untuk functional tissue

engineering) dapat disebut viable. &eplant biomaterial yang terdiri dari jaringan asli

yang dikultur in vitro pada pasien (contoh chondroplasty untuk pengobatan focal

cartilage defect. aterial yang menimbulkan biologi respon yang besar harus

dipertimbangkan sebagai tidak biokompatibel.

1!/ +esistensi Korosi dan Degradasi

Pada lingkungan in vivo pada tubuh manusia dapat sangat korosif. !orosif

dapat membuat masalah diantaranya dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan

dari material tersebut yang berlanjut pada penurunan dari kekuatan dari implant

tersebut da dapat berefek pada biocompatibility, menyebabkan nyeri, bengkak dan

perusakan jaringan sekitarnya.

!orosi 'alvanic timbul akibat adanya potensial elektrokimia yang terjadi

pada dua buah metal pada kontak fisik dan membenamkan diri dalam media

konduktif seperti serum maupun cairan interstitial. !orosi galvanic dapat terlihat pada

plat fiksasi fraktur pada permukaan antara plat dan skre . !orosi galvanic juga dapat

disebabkan ketidak murnian implant (intergranular korosion). alapun jarang

intergranular korosion ditemukan pada hip prostetik yang retak dengan beberapa

*



lubang. 'alvanik korosi dapat dicegah dengan memastikan keaslian dari material

manufaktur

!orosi +retting timbul pada permukaan kontak antar material yang

mempunyai micromotion ketika underload. +retting corrosion juga membuat problem

pada stainesteel sistem plate dan skre , melalu kombinasi kerusakan mekanik akibat

scre yang keras dan micromotion ketika diimplan dan menyebabkan kerusakan

mekanik !orosi ini dapat dihindari dengan tidak memasang skre terlalu ketat,

menjaga koneksi tapper bebas dari debris dan mendisain taper untuk menurunkan

mircomotion

!orosi "evice timbul akibat dari perbedaan tekanan oksigen di dalam dan

diluar dari celah yang berhubungan dengan elektrolit dan perubahan P . "elah dan

celah yang potensial adalah hal yang umum dari implant orthopaedi seperti pada plat

dan acetabular cemenless componen dan kepala dari sre . "revice cororotion in

dapat dicegah dengan menghindari seminimal mungkin defek yang mungkin terjadi

selama pembuatan pabrik dan selama intraoperatif.

-egradasi orthopeadic biomaterial seperti polymer juga merupakan bentuk

dari korosi akibat terekspos dengan lingkungan yang keras. apa suatu kasus

degradasi sudah terprogram dalam material tersebut seperti biomaterial yang akan

kehilangan kekuatannya setelah beberapa aktu tertentu. /kibatnya berat molekul

akan menurun dan terjadi cristalisasi dan pemadatan. Perubahan itu megakibatkan

penurunan dari ketangguhan dari material dan menyebabkan keretakan serta dapat

menaikkan elastisitas dari produk. -egradasi dapat dicegah dengan mengubah cara

0



paking dan sterilisasi tehnik juga terapi thermal untuk menghilangkan radikal bebas

dari material.

1!2 Properti Mekanikal

1!2!1 "tress and "train

Pada penggunaan stainless steel pada tulang akan menyebabkan plat tersebut

menjadi memanjang. ensile test pada steinestell plat dapat digunakan untuk

mengukur steel mekanisme properties dengan mengelompokan stres versus strain.

23ternal load terhambat oleh internal load tegaklurus dengan cross section.

aterial dengan elastic modulus yang tinggi lebih kaku dan lebih tehan dari

deformitas daripada material dengan elastic modulus yang rendah. al ini dapat kita

lihat pada gambar 1.

Gambar 1! K3r4a "tress dan "train

4



1!2!/ Yield dan ,ltimate "tress

Bila peregangan dengan beban diaplikasikan dan secara berkala ditambah

maka curve stress dan strain menjadi non linier. Pelepasan beban akan terjadi

pemanjangan yang permanen (plastik deformitas) dari steines steel plat. tress pada

saat deformitas dimulai dinamakan yield stress. /pabila beban bertambah plastic

damage terakumulasi pada steiness steel dan kemudian plat akan ruptur. a3imum

stress setelah yield sebelum ruptur disebut ultimate stress.

1!2!2 &atig3e

Pada kondisi fatigue jumlah dari stress cycles dimana material dapat menahan

berkebalikan dengan proportional jarak dari pengaplikasian stress, jumlah dari siklus

stress dari material yang dapat ditahan dan stress akan berkurang. tress dimana

material dapat menahan 15 juta siklus stress tanpa kegagalan disebut endurance limit

(fatigue strength)

Pemberian berjuta$juta siklus stress setiap tahun pada pasien juga muskuloskeletal

systemnya, implan orthopaedi seperti total joint arthroplasti yang permanen harus

cukup kombinasi ukuran, bentuk dan pilihan material untuk memastikan

kemampuannya untuk menurunkan stress diba ah endurance limit.

6



1!2!5 Isotropi6 dan *nisotropi6 Beha4ior

aterial yang mempunyai mekanikal properti yang sama pada semua arah

disebut isotropik. etal dan keramik yang banyak digunakan di orthopaedi umumya

bersifat isotropik. uskuloskeletal tissue (tulang, otot, ligamen, tendon, tulang

kartilago) yang mempunyai properti secara directional disebut anisotropik. !ortikal

bone memperlihatkan perbedaan stress strain dan fatigue ketika di beri beban secara

longitudinal maupun tranversal. !etika diberi beban secara tranveral jaringan tersebut

menjadi lebih lemah

1!2!7 'ombine "tress "tates

alaupun simple loading regimen berguna untuk menentukan mekanikal

properties, kebanyakandari orthopedik device biasanya terdiri dari kombinasi a3ial,

bending, dan torsi yang menyebabkan stress yang komplek bukan hanya satu arah,

beban dikombinasikan pada permukaan material.

1!5 8ear resistan6e

etalik, polymeric, dan keramik pada produk orthopaedik adalah

nondegradable. &eaksi sesudahnya, khususnya partikel yang sangat kecil akan satu

persatu berjatuhan dan akan mengarah kepada kerusakan jaringan dan kegagalan

terapi. Pada umunya material dengan kekerasan yang tinggi seperti keramik,

mendemonstrasikan lebih baik ear resistance daripada metalik atau permukaan

polymerik. !eramik dapat lebih baik dalam ear resistance karena permukaan

7



mereka dipoles menjadi lebih halus, dan mempunyai kelembaban, memungkinkan

untuk e3istnya pelumas8lumbricated film pada permukaan sendi.

1!7 Kontrol K3alitas dan )arga

Pentingnya kualitas kontrol mencerminkan level regulasi dan standard

material, manufacturing proses dan terapi seperti permbersihan, sterilisasi, paking.

emua tahapan dalam manufakture dapat dia asi oleh +ood and -rug /dministration

(+-/) untuk memastikan bah a mereka aman dan efektif untuk digunakan.

II! Pengg3naan Metal dalam *lat Orthopaedi

/pabila logam yang dicairkan mengalami pendinginan akan membentuk

material padat. eiring dengan menurunnya suhu, akan terbentuk kristal inti kecil,

masing$masing disertai atom penyerta. -iantara masing$masing kristal inti tersebut

terdapat ruang antar kristal yang terbentuk teratur dan dalam susunan tertentu sesuai

dengan suhu pembenukan dan campuran molekul logam pada saat pencampuan. al

ini dapat kita lihat pada gambar #.

9



Gambar /! "3s3nan kristal inti molek3l logam yang berbeda9beda

!etika logam cair menjadi dingin, semakin banyak atom yang nyatu pada inti

(gambar */ dan B) dan kristal individual akan membesar dalam ukurannya (gambar

*"). :engan kristal akan membuat hubungan dengan kristal disekelilingnya yang

akan semakin memadatkan hubungan antar kristal (gambar *-).

Gambar 2! Mikrostr3kt3r logam

;



'ambaran mikrostruktur dari logam ini dapat kita lihat dapat kita lihat dengan

cara mengosok permukaan logam, memisahkan permukaannya dengan cairan korosif

ringan untuk memperlihatkan hubungan antara grain dan melihatnya diba ah

mikroskop. al ini dapat kita lihat pada gambar 0.

Gambar 5! Mikrostr3kt3r logam diba ah mikroskop

%mplan logam pada umumnya dibentuk melalui proses casting, forging, atau,

e3trusion dilanjutkan dengan perlakuan pemanasan setelah proses casting, forging,

atau, e3trusion. Proses casting adalah memasukkan logam cair kedalan cetakan

bentuk yang diinginkan, sehingga saat logam menjadi dingin akan terbentuk logam

sesuai dengan keinginan kita. Proses molding adalah membentuk logam dengan

15



meletakan logam panas diantara dua logam cetak sehingga ketika logam cetakan

disatukan logam panas akan mengikuti bentuk logam cetakan tersebut. Proses

e3trusion adalah memasukan logam cair kedalam tabung dengan lubang diujung

tabung lalu dilakukan pendorongan dari ujung lainnya sehingga logam cair akan

keluar dari lubang membentuk logam sesuai bentuk lubang tersebut. al ini dapat kita

lihat pada gambar 4.

Gambar 7! Proses pembent3kan logam

11



/!1 Besi "tainles;"tainless "teels

tainless steels sangat sering digunakan secara temporer sebagai implant pada

plat untuk fraktur, skre , hip nail alaupun stainless steel juga digunakan pada

charnley$style femoral komponen untuk hip replacement. tainless steel didominasi

oleh logam besi$carbon. 2lement campuran dari tainless steel termasuk

molybdenum, chromium, dan sedikit mangan dan silicon. edical grade untuk

tainless steel memenuhi standar dalam kekuatan yang tinggi, pernghantar yang baik,

dan fatigue performance yang baik

!arbon ditambahkan untuk memungkinkan pembentukan dari metalik

carbides dalam mikrostruktur. "arbides lebih keras dibandingkan material di

sekelilingnya dan distribusi yang seragam dari carbide menyediakan kekuatan dari

baja. ambahan element logam lainnya seperti molybdenum akan menstabilisasi

carbides. <ika konsentrasi karbon terlalu tinggi, segregate dari carbide akan

melemahkan baja yang memungkinkan untuk terjadinya korosi. Untuk memastikan

tingkat korosif untuk penggunaan medis, carbides ditekan serendah mungkin (5.5*=

sampai 5.59=)

!romium ditambahkan untuk membentuk ikatan "r#>* pada permukaan

yang menyediakan resistensi terhadap korosi dengan membentuk passive layer antara

lingkungan dengan baja. "hromium juga menstabilisasi body$center fase kubik. ?ikel

juga ditambahkan untuk mengimbangi kromium. Penambahan keduanya menambah

kekuatan dan resistensi terhadap korosi.

1#



/!/ 'obalt *lloy

"obalt alloy berelemen dasar "obalt ditambah dengan chrome, nikel,

mangans, tungsten, molybdenum, niobium, besi, dan karbon. -apat digunakan untuk

komponen pada atroplasti, nail, sre , dan pelat fraktur.

/!2 #itani3m *lloy

erdiri dari titanium dengan tambhan almunium, vanadium, besi, niobium dan

seng (@inc). -igunakan untuk fraktur hard are, komponen artroplasti sendi, scre ,

ire, nail, dan scre untuk fiksasi dan stabilisasi fraktur 8 sendi buatan. !omposisi

dari berbagai logam aloy dapat kita lihat pada gambar 6.

Gambar <! Komposisi logam aloy

1*



III! Polymer

Polymer merupakan molekul besar yang terdiri dari molekul yang lebih kecil,

disebut Amer berasal dari Bahasa Cunani Ameros yang artinya Abagian . Polimer

yang sering digunakan di bidang orthopaedi adalah, polietilen, polipropilen,

politetrafloroetilen, polivinil klorida (PD"), polimetilmetakrilat, asam metalik, asam

poliglikolin, asam polilaktik, polietilen oksida (poliasetat) dan polistiren. -apat

digunakan untuk artroplasti dan sebagai bone cement.

ifat dari polimer ditemtukan oleh bahan kimia pembentuknya, berat molekul,

fisik monomernya, isomerisasi, dan kristalisasi. Polyethylene merupakan polimer

paling sederhana. Polimer memiliki sifat ketidak seragaman dalam distribusi

penyusunan rantai monomernya (gambar 7). al ini yang akan mempengaruhi sifat

ketangguhan, kekuatan dan kekakuan polimer tersebut.

Gambar =! Distrib3si peny3s3nan rantai monomer

10



2!1 PMM* Bone 'ement

-iperkenalkan oleh "harnley pada tahun 1;75an. P / dalam aplikasi

orthopaedi dibagi menjadi # bagian E cairan methylmethacrylate dan serbuk (barium

sulfat atau @irconia) serta inisiator (diben@oyl pero3yde). Proses pembentukan P /

dimulai ketika monomer dalam cairan bertemu dengan inisiator membentuk monomer

menjadi polymer yang mengandung material radioopak melalui ikatan$iktan karbon.

/nibiotik dapat ditambahkan kedalam pembentukan P / ini.

Performa P / sebagai semen ditentukan juga oleh proses pencampuran dan

pengadukan bergantung pada pembentukan porus yang terjadi. Pembuatan dan

penerapan P / dengan menggunakan proses vakum akan memberikan hasil yang

lebih baik dibandingkan dengan pembuatan semen menggunakan tangan, hal ini akan

mempengaruhi kekuatan dan ketahanan material tersebut.

2!/ ,lta9)igh Mole63lar 8eight Polyethylene $,)M8PE%

Penggunaan pertama dari U P2 dalam implan sendi panggul pada tahun

1;65an. ingga saat ini U P2 masih menjadi material terpilih pada permukaan

implan sendi panggul, karena lebih kuat dan lebih tahan pada robekan dibandingkan

dengan polyethylene.

iga metode yang digunakan untuk membentuk U P2 dalam komponen

implan orthopaedi E ram e3trusiFn, compression molding, dan direct compression

molding. "ara sterilisasi mula$mula digunakan paparan sinar gama, oksidasi berlebih

14



akan menimbulkan keretasan dan menurunkan ketahanan U P2. >leh karena itu

digunakan cara paparan ethylene o3ide atau gas plasma.

2!2 Biodegradable Polymers

Biodegradable Polymers dapat dibuat atau diurai dengan proses kimia dan

dapat dikendalikan dengan baik. Pada aplikasi penggunaannya dalam orthopaedi

dapat menggantikan penggunaan biomaterial yang lebih permanan, misalkan

penggunaannya pada jahitan, mur, dan pin yang lama$kelamaan menghilang dan

diserap oleh jaringan tubuh sehingga sembuh. Biodegradable Polymers dapat

menghilangkan kebutuhan akan mengambil kembali implan dari dalam tubuh. <uga

mempercepat jaringan kembali pada fungsinya semula.

Bahan pertama Biodegradable Polymers adalah polylactic acid, polyglycolic

acid, polyydio3anone poly prolactone. Dahan$bahan ini adapat disintesis dari bahan$

bahan kimia campuran beberapa monomer. <enis lain dari Biodegradable Polymers

adalah hidrogel, porus, menyerap air dan memiliki koefisien friksi yang kecil. -apat

digunakan sebagai pembuatan jaringan tulang ra an dan tulang.

16



I-! Bahan Keramik

!eramik merupakan material yang teroksidasi seluruhnya dan relatif inert

terhadap korosi dan degradasi kimia i.

5!1 Ikatan ionik dan ko4alen

!eramik merupakan susunan tiga dimensi dari muatan positif ion metal dan

muatan negatif ion non metal, sering kali merupakan oksigen. 2lemen yang memiliki

sifat bermuatan positif akan memiliki banyak muatan nefatif pada selubung luar

atomnya dan hal ini juga berlaku kelabikannya pada elemen muatan negatif, dimana

muatan totalnya tetap nol. :okalisasi pertukaran elektron antar inti membuat keramik

menjadi material yang baik sebagai penghambat panas dan aliran listrik. aterial

keramik lainnya diikat dengan ikatan kovalen G ikatan yang terjadi karena elektron

pada bagian terluar ion beberapa molekul saling berikatan. %katan ionik dan kovalen

ini adalah insulator yang baik.

5!/ Mikrostr3kt3r keramik

!ebanyakan material keramik memiliki struktur mikro poligranular yang

mirip dengan aloy metal. !arakteristik keramik bergantung pada ukuran

mikrostruktur tersebut, yaitu ukuran grain, porositas, dan jenis serta distribusi grain.

irip dengan aloy, keramik dapat diubah sifatnya dengan proses termal.

17



5!2 Keramik dalam arthroplasty

olusi penggunaan keramik dalam arthroplasty muncul seiring dengan

permasalahan penggunaan polyethylene. !eramik memiliki kekerasan yang baik,

elastis modulus yang tinggi, memungkinkan untuk digosok sehingga sangat licin dan

mengurangi gesekan pada permukaan. emiliki sifat tahan basah, sehingga

memungkinkan untuk pembentukan lapisan pelumasan diatara dua permukaan

keramik untuk mengurangi perlengketan kedua permukaan keramik.

5!2!1 *l3mina

/lumunium oksida (/l #> *) memiliki ketahanan abrasi ketika permukaan yang

digosok menghasilkan koefisien friksi yang rendah jika dihadapkan pada U P2

dan alumina. Pengalaman jangka panjang antara alumina$polyethylene untuk

penggantian sendi panggul menunjukkan ketahanan yang lebih tinggi dibanding

penggunaan metal$polyethylene.

5!2!/ >ir6onia

Penggunaan @irconia dengan polyethylene tidak sebaik penggunaan alumina.

Beberapa penelitian mengungkapkan perbandingan langsung antara penggunaan

alumina, @irconia dan polyethylene dalam pergantian sendi panggul menunjukkan

tingkat ketahanan yang rendah dari kelompok @irconia. Hirconia memiliki sifat yang

mudah berubah dengan panas yang tinggi, megakibatkan timbulnya larangan untuk

penggunaan sterilisasi autoklaf.

19



/khir$akhir ini telah diperkenalkan komposit @irkonia oksida yang memiliki

ketahanan dan kekerasan permukaan yang lebih baik dibandingkan dengan @irconia

dan aloy metal lainnya. ?amun hal ini masih membutuhkan penelitian yang lebih

lama lagi.

5!5 Keramik sebagai pengganti t3lang

Beberapa materi gelas dan keramik ditemukan memiliki sifat osteoinduktif G

osteoblast mengalami fase mineralisasi jika terjadi kontak dengan permukaan

keramik. ekanisme kimia i proses ini belum dimengerti sepenuhnya, namun hasil

dari proses ini menghasilkan kekuatan yang cukup kuat, sehingga digunakan dalam

pelapisan keramik pada beberapa implant untuk memperkuatnya.

Penggunaan keramik ini dimaksudkan untuk terjadinya penyerapan keramik

biomaterial untuk kemudian digantikan dengan tulang yang mengalami remodeling.

+ase mineral pada tulang adalah hydro3iapatite G calcium phosphate, bergantung

pada suhu dan keadaan lingkungannya. asil penelitian bertahun$tahun menunjukkan

hasil yang bervariasi karena bergantung pada beberapa faktor tersebut.

emen ydro3yapatite yang dapat disuntikkan telah dikembangkan memiliki

kemamapuan dan kekuatan yang setara dengan cancellous bone. al ini leha dicoba

dengan menggunakan model binatang, dapat digunakan sebagai autograf untuk

penanganan defek pada tulang.

1;



Beberapa material lainnya yang sedang dikembangkan adalah gelas bioaktif

yang larut secara in vivo membentuk lapisan gel kaya akan kalsium dan fosfat

membantu proses mineralisasi tulang.

-! "IMP,(*N

Biomaterial yang digunakan di bidang orthopaedi memiliki fungsi yang unik

dan memerlukan keamanan. %dealnya material harus biokompatibel, tahan terhadap

korosi dan degradasi dan memiliki sifat yang sesuai dengan kebutuhan.untuk

memahaminya diperlukan pengetahuan tentang kimia i, mikrostruktur, dan

bagaimana mikrostruktur tersebut dipengaruhi oleh pembuatnya.

#5



D*&#*+ P,"#*K*

2inhorn 1./., >I!eefe &.<., Buck(alter <./., Biomaterials in Orthopaedic Basic

Science: Foundations of Clinical Practice , * rd edition, &osemont, %:, U /, //> ,

#557

#1

orthopaedic biomaterial

Documents