Tugas Biomaterial

Murdani Agustian

27414640

4ic09

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.

Defenisi dari biomaterial adalah semua material sintetik yang digunakan untuk menggantikan atau memperbaiki fungsi jaringan tubuh berkelanjutan atau sekedar bersentuhan dengan cairan tubuh kadangkala terbatas, karena tidak meli seperti instrumen bedah atau dental. Walaupun instrumen ini digunakan pada cairan tubuh, instrumen ini tidak akan menggantikan atau memperbanyak fungsi dari jaringan tubuh manusia. Harus diperhatikan juga bahwa te pada instrumen bedah, yaitu beberapa tipe baja tahan karat. Hampir sama dengan sebelumnya, baja tahan karat dan paduan ingat bentuk ( digunakan untuk instrumen dental/ yang tersebut diatas sebagai material yang digunakan untuk seperti lengan buatan. Defenisi dari biomaterial adalah semua material sintetik yang digunakan untuk menggantikan atau memperbaiki fungsi jaringan tubuh berkelanjutan atau sekedar bersentuhan dengan cairan tubuh[ kadangkala terbatas, karena tidak melibatkan material yang digunakan untuk seperti instrumen bedah atau dental. Walaupun instrumen ini digunakan pada cairan tubuh, instrumen ini tidak akan menggantikan atau memperbanyak fungsi dari jaringan tubuh manusia.

Harus diperhatikan juga bahwa terdapat beberapa material yang digunakan pada instrumen bedah, yaitu beberapa tipe baja tahan karat. Hampir sama dengan sebelumnya, baja tahan karat dan paduan ingat bentuk (shape memory alloys digunakan untuk instrumen dental/endodontica juga tidak dilibatkan dari definisi yang tersebut diatas sebagai material yang digunakan untuk external prostheses seperti lengan buatan atau alat seperti alat bantu pendengaran.

Sifat dan Syarat Biomaterial pada Material Implant

Pesyaratan umum biomaterial adalah faktor biokompabilitas dari suatu material. Biokompabilitas merupakan suatu sifat dimana biomaterial  tidak memberikan respon yang merugikan dan respon yang bersifat toksik terhadap tubuh begitu pula sebaliknya, tubuh tidak memberikan reaksi yang merugikan bagi material.

Untuk biomaterial yang pemasangannya di luar tubuh biasanya mempersyaratkan biokompabilitas dan strength atau fleksibilitas tertentu. Sedangkan untuk material yang diimplan ke dalam tubuh biasanya harus dapat berintegrasi dengan jaringan dimana ia ditempatkan atau dapat beroseointegrasi. Dalam hal ini sifat beroseointegrasi adalah suatu material yang memiliki kemiripan dengan jaringan tubuh dan dapat aktif berinteraksi pada jaringan sekitarnya.

Khusus untuk material implant orthopedik atau material yang kerjanya memerlukan kekuatan mekanik persyaratannya dapat dilihat pada bagan di bawah ini.

Tabel 1 Biomaterial Implat

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, 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).

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 karsinogik, itdak menyebabkan alergi, tidak menyebabkan radang, memiliki biokompatibel yang baik, 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 biokompatibel yang baik. Struktur keramik juga dapat dimodifikasi dengan tulang alami dengan tingkat porosity yang beragam. Biokeramik juga memiliki kelemahan, antara lain sangat rapuh, kekuatan rendah, dan kerap dipandang material yang lemah.

Biokeramik dapat diklasifikasikan sebagai berikut: 

Reaksi sel – implant	Akibat	Contoh
Bioinert	Sel membetuk kapsul serabut yang tidak menempel pada disekitar impalnt	Alumina (Al2O3), Zirconia (ZrO2) dan karbon
Bioaktif	Sel membentuk ikatan antar muka dengan implant	Hidroksi apatit, bio-glass, A-W glass
Bioresorable	Sel mengganti implant	β-tricalsium fosfat, hidroksi apatit karbonat, kalsium karbonat

Tabel 2 Biokeramik

Proses Produksi Keramik Biomaterial Mengandung Material Tulang pada Alumina Substrat 

Proses pembuatan biomaterial keramik dimana substrate alumina dilapisi dengan lapisan intermediet kalsium pirofosfat untuk menambal pori-pori material kalsium fosfat di keramik alumina substrate. Pori-pori material kalsium fosfat adalah pori-pori yang berasal dari tulang. Lapisan intermediet kalsium pirofosfat dan pori-pori material tulang berikatan.

Processing

1.      Persiapan dari keramik alumina substrate

Slurry (adonan) disiapkan dengan penggilingan bubuk Alumina bersama dengan binder (bahan pengikat), dispersant, air dll. Sampel dibuat dengan membentuk balok yang didapat dari adukan. Setelah pengeringan, sampel disinterisasi untuk membentuk Sampel alumina keramik substrate padat

2.      Persiapan Kalsium Metafosfat (CP)

Kalsium Karbonat dan Amonium Bifosfat digiling basah (dengan menggunakan larutan alkohol) di dalam ball mill yang mengandung alumina milling balls. Setelah hasil adonan difilter, hasil adonan tersebut dipanaskan untuk menghilangkan larutan alkohol, kemudian dikeringkan di pemanas pada suhu 70°C selama 24 jam. Bubuk kering dipanaskan di suhu tinggi (800°C) selama 8 jam. Selanjutnya terbentuk bubuk Kalsium Metafosfat yang berbentuk seperti buih / busa.

3.      Pelapisan Alumina substrate dengan Kalsium Metafosfat (pelapisan pertama)

Komposisi lapisan larutan Kalsium Metafosfat disiapkan dengan mencampur bubuk Kalsium Metafosfat dengan air deionisasi dengan bantuan dispersant pada beragam konsentrasi. Sampel Alumina substrat dilapisi dengan cara mencelupkan didalam larutan Kalsium Metafosfat. Setiap lapisan substrat kemudian disinterisasi sehingga dapat mencapai ikatan yang kuat antara lapisan dan substrat. Sinterisasi berada pada suhu lebih dari 950°C. Kalsium Metafosfat tidak menempel ke alumina substrat sejak temperature sinterisasi lebih kecil dari titik lebur Kalsium Metafosfat. Ketika suhu sinterisasi mencapai 1000°C, Kalsium Metafosfat berikatan kuat dengan Alumina substrat. Ketika suhu sinterisasi naik ke 1050°C , sebuah fasa baru terbentuk yaitu β-Kalsium Metafosfat yang berada di daerah permukaan dari produk sinterisasi. Setelah sekian waktu dipanaskan dengan suhu 1050°C, seluruh Kalsium Metafosfat bertransformasi menjadi β-Kalsium Metafosfat

4.      Pelapisan substrate dengan komposisi lapisan kedua mengandung Kalsium Metafosfat dengan Hidroksiapatite

CaCO₃ dan NH₄H₂PO₄ digiling selama 5 jan di dalam ball mill yang mengandung alumina milling ballsball milldengan adanya alcohol. Campuran dikeringkan dan digerinda untuk membentuk bubuk. Kemudian bubuk dicampur dengan air deionisasi untuk membentuk komposisi adonan yang memiliki perbedaan konsentrasi solid. Hasil komposisi adonan digunakan sebagai komposisi lapisan kedua yang digunakan pada sampel alumina substrat yang sudah mengandung lapisan dari Kalsium Pirofosfat (first coating) yang memiliki perbedaan ketebalan. Berdasarkan pengamatan menggunakan X-Ray difraksi, bahwa fasa β-Tri Kalsium Fosfat dan fasa β-Kalsium Pirofosfat yang terbentuk di lapisan kedua tergantung pada ketebalan lapisan dari pelapisan pertama dan suhu sinterisasi. dengan larutan alcohol. Setelah campuran dikeringkan dipemanas, Bubuk kering tersebut dipanaskan mencapai 1400°C pada tekanan atmosfer selama 8 jam. Hasilnya adalah Tetracalsium Fosfat atau Hidroksiapatit. Hidorksiapatit dicampur dengan Kalsium Metafosfat dengan perbandingan 1:2 di dalam

Proses untuk memproduksi biokeramik material pada tulang:

1.                  Mempersiapkan keramik alumina substrat

2.                  Membentuk lapisan Kalsium Fosfat pada keramik alumina substrat

3.                  Memanaskan material tulang sampai terbentuk material tulang berpori

4.                  Melapisi material tulang berpori dengan material Kalsium Fosfat

5.                  Menempatkan material tulang berpori yang telah dilapisi pada layer Kalsium Fosfat di Alumina substrat untuk membentuk komposit dan disinterisasi untuk mengikat material tulang berpori ke keramik alumina substrat.

Aplikasi Penggunaan Biomaterial Keramik

Porous Ceramic

Merupakan keramik inert, mekanikal stabilitasnya tinggi ketika tulang tumbuh di pori-pori keramik. Biasanya digunakan untuk struktur penghubung atau tempat penggantungan pada formasi tulang. Keramik porous ini hanya digunakan pada aplikasi yang tidak menopang beban dikarenakan kekuatannya yang rendah. Contohnya hydrokxyapatite. 

Hydroxyapatite (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)

Merupakan komponen kristalin utama pada fasa mineral tulang. Encourages pertumbuhan tulang pada sepanjang permukaannya. Hydroxiapatite ini dapat membentuk ikatan fisik dengan tulang setelah di inplankan ke dalam tubuh.

Corail® Total Hip System

Tulang paha Corail memiliki kekuatan yang tinggi, alat dari titanium memiliki tekstur permukaan yang kasar, sehingga harus dicoating menggunakan hydroxyapatite. Permukaan yang kasar dari titanium dan hidroxyapatite tetap memungkinkan tulang baru untuk tumbuh di sekitar implant secara biologis tanpa membutuhkan bantuan perekat atau material pembantu lainnya.

Dental Implant

Gigi Implan (Dental Implants) adalah gigi yang terbuat dari bahan titanium berteknologi tinggi yang berfungsi sebagai pengganti akar gigi asli yang hilang. Titanium digunakan karena secara biologis titanium adalah bahan yang dapat beradaptasi dengan tubuh manusia. Gigi implan (Dental Implants) dapat digunakan untuk menggantikan satu atau seluruh gigi yang hilang.

Dental Implant

Melalui operasi, gigi implan diletakkan di dalam tulang rahang yang berfungsi sebagai jangkar bagi gigi pengganti. Setelah terbentuk ikatan antara gigi implan dan tulang rahang, gigi implan dapat menjadi penyangga yang kokoh untuk crowns (makhota buatan), bridge (protesa gigi jembatan), ataupun gigi palsu. Umunya biomaterial yang digunakan pada dental implant ini adalah Al₂O₃, Hidroxyapatite, HA coating, bioactive glasses, endodontic glasses, Ca(OH)_2.

Prosedur ini dapat menggantikan satu atau banyak gigi tanpa mempengaruhi gigi di sebelahnya dan dapat menjadi solusi jangka panjang bagi orang yang kehilangan seluruh giginya.

Keuntungan dari sebuah implan

Kelebihan	Kekurangan
Kuat, keras, dan tangguh	Mudah korosif
Merupakan konduktor panas dan listrik yang baik	Mudah menyerap listrik
Bisa bersifat magnetic	Mudah beradu dengan benda yang lain
Mudah dicairkan /dipanaskan sehingga mudah dibentuk dan dicetak.	Fraktur / patah dan mahal

 Biomaterial polimer.

Kelebihan	Kekurangan
Kenyal dan elastic	Tidak kuat karena terlalu lunak
Lebih akurat dalam pencetakan	Memerlukan sendok cetak perorangan
Waktu penyimpanan bisa tahan lama	Berpotensi distorsi
Tidak mudah robek	Harus diisi dengan stone secepatnya.
Mudah dibentuk dalam pencetakan	Kotor (lengket)
Murah	Aroma yang terkadang menyengat mengganggu kenyamanan pasien.

               Komposit

Kelebihan	Kekurangan
Kuat untuk tambalan	Mudah mengkerut
Tidak berbahaya	Mudah rusak
Sewarna dengan gigi	Warna mudah berubah

Keramik

Kelebihan	Kekurangan
Biokompatibilitas baik	Mudah Rapuh
Terlihat natural (hasilnya)	Mengeluarkan suara klicking saat gigi berontak
Daya tahan tinggi terhadap pemakaian dan distorsi	Tidak dapat dihaluskan dengan cepatsetelah digrinding
Tahan terhadap serangan kimia	Terlalu lemah untuk pembuatan mahkota penuh tanpa inti
Mempunyai daya kompresif strength yang lebih tinggi	Tidak ada pengikat untuk dasar akrilik denture dan memerlukan alattambahan

adalah

1.      Tidak perlu ada dua gigi untuk dijadikan penangga.

2.      Tidak perlu ada pekerjaan pemangkasan gigi untuk memasang mahkota.

3.      Hanya mengganti gigi yang hilang.

4.      Bisa dipasang untuk menggantikan beberapa gigi yang hilang. Tidak ada batasan rentang asalkan kesehatan pasien dan tulang rahang baik.

5.      Gigi mirip seperti gigi asli.

Kendati demikian sistem implan ini juga memiliki kelemahan.

1.      Biaya lebih mahal.

2.      Waktu pemasangan relative lebih lama.

3.      Biaya tidak ditanggung asuransi gigi.