laporan tugas akhir pelapisan aop pada niti wire...

Nama : Dicky Zulfikar Mohammad

NRP : 2707100007

Dosen Pembimbing: Yuli Setiyorini, ST., M.Phil.

Pelapisan AOP pada NiTi Wire

Orthodontic

Laporan Tugas Akhir

Latar Belakang

NiTi merupakan suatu paduan logam yang digunakan secara luas untuk

aplikasi di dunia orthodontic(Michiardi dkk, 2007)

Kandungan Ni yang relatif cukup tinggi hingga mencapai 50% dapat

menyebabkan resiko alergi atau bahkan keracunan pada tubuh manusia

yang dikarenakan adanya pelepasan ion Ni(Chu dkk, 2009)

Perlu adanya rekayasa permukaan pada logam NiTi yang bertujuan

untuk mengurangi pelepasan ion Ni(Michiardi dkk, 2007)

Salah satu alternatif untuk mengurangi pelepasan ion Ni yaitu

dengan menggunakan metode pelapisan Advanced Oxidation

Process (AOP) (Chu dkk, 2009)

NiTi Wire Orthodontic Aplikasi NiTi Wire Orthodontic

Rumusan Masalah

Apakah metode AOP bisa

mengurangi pelepasan Ni pada

orthodontic wire?

Temperatur pada saat proses coating dan

perendaman di dalam larutan saliva dianggap

konstan.

Larutan saliva yang digunakan dianggap homogen.

Batasan Masalah

Tujuan

Untuk mengurangi pelepasan ion Ni pada

ortodontic wire dengan menggunakan

metode pelapisan AOP.

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan

kontribusi dalam dunia kedokteran khususnya

bidang orthodentic untuk mengurangi

pelepasan Ni pada orthodontic wire.

Manfaat Penelitian

Tinjauan Pustaka

Paduan NiTi

NiTi adalah logam paduan yang memiliki kemampuan pengingat

bentuk dan memiliki ketahanan korosi yang sangat baik(Michiardi dkk,

2007)

NiTi pertama kali diaplikasikan sebagai hydraulic line coupler pada

pesawat F-14, dan aplikasi selanjutnya yaitu sebagai wire

orthodontic(Ohara, 2005)

Beberapa produk yang dikomersialkan antara lain adalah FLEXINOL

(buatan Dynalloy, Inc.), SENTALLOY (buatan GAC International),

dan NiTiBriteTM (buatan Johnson Matthey, Inc.)

Tinjauan Pustaka(cont’d)

Advanced Oxidation Process Coating

Pada awalnya, metode AOP diaplikasikan untuk pemurnian air, udara,

dan tanah dari senyawa beracun(Joseph, 2009)

Tetapi selama beberapa dekade terakhir, AOP telah dikembangkan dan

menunjukkan bahwa metode tersebut banyak diaplikasikan di dunia

industri(Joseph dkk, 2009)

Salah satu aplikasi penting yang berhubungan di bidang biomaterial

adalah untuk mengasilkan lapisan titania sebagai upaya untuk mencegah

pelepasan ion Ni pada logam NiTi(Chu dkk, 2009)

AOP merupakan salah satu metode coating dengan menggunakan

sistem ultraviolet/ H2O2 photocatalytic system(Chu dkk, 2009)


Hidroksil radikal (OH) dihasilkan dari dekomposisi langsung H2O2

dengan radiasi UV(Chu, 2009)

Selama proses AOP pada NiTi, reaksi dengan sistem UV/H2O2 tidak

stabil karena jumlah OH yang dihasilkan dengan dekomposisi katalis

dibawah sinar UV berkurang yang disebabkan oleh konsumsi H2O2

secara kontinyu(Chu, 2009)

Masalah ini dapat diatasi dengan AOP yang dimodifikasi menggunakan

UV/sistem peroksida secara electrokimia, dimana H2O2 dapat

diproduksi secara kontinyu pada katoda dengan reduksi oksigen, skema

dapat dilihat pada gambar berikut(Chu, 2009)


Reaksi pada larutan elektrolit : O2+2H2O+2e H2O2+2OH- (1)

Reaksi untuk menghasilkan OH : H2O2 2OH (2)

uv

Skema Metode AOP


Kelebihan dari metode AOP ini adalah metode yang digunakan

relatif mudah dan sederhana, dibandingkan metode lain, sehingga

dapat diaplikasikan untuk logam selain NiTi

Hasil dari coating pun juga sangat baik, karena dapat menghasilkan

lapisan titania yang padat dan terdapat zona bebas Ni pada

permukaan paling luarnya(Chu dkk, 2009)

Metodologi Penelitian

Bahan yang dibutuhkan untuk penelitian adalah sebagai berikut:

1. NiTi wire MASEL 4832-204 diameter 0,014 inci

2. Larutan Saliva (NaCl 180 gr; KCl 8,45 gr; CaCl2 4,8 gr; NaHCO3 4 gr;

KH2PO4 0,1225 gr)

3. Larutan polishing ( mengandung H2O : HF : HNO3 dengan rasio 5:1:4 ).

4. Na2SO4 0.02 mol/L, pH = 3

5. Katoda grafit

6. Acetone

7. Oksigen

Spesimen NiTi wire MASEL

Metodologi Penelitian(cont’d)

Alat yang dibutuhkan untuk penelitian adalah sebagai berikut:

Alat yang ada di gedung robotika ITS:

1. SEM(Scanning Electron Microscope)

2. EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)

3. ICP(Inductively coupled plasma)

4. XRD (X-Ray Diffraction)

Alat yang ada di Laboratorium Teknik Material dan Metalurgi

1. Lampu UV

2. Ultrasonic cleaner

3. Chamber

4. Chemical polisher

5. Gelas ukur

6. Adaptor DC

7. Kabel


Skema pelapisan AOP

Diagram Alir Penelitian


Analisa Analisa Morfologi

Analisa morphologi menggunakan Scanning Electron Mycroscopy (SEM) Merk FEI,

Type: Inspect-S50 dengan range energi 15-20 kV. Analisa ini dilakukan untuk

untuk memahami struktur permukaan dari sampel yaitu NiTi sebelum dan

sesudah dicoating. Adapun preparasi dari pengujian ini yaitu kawat NiTi dilapisi

dengan emas.

Analisa Chemical composition

Analisa chemical composition menggunakan EDX. Analisa ini dilakukan untuk

mengetahui komposisi kimia yang ada pada NiTi sebelum dan sesudah pelapisan,

yaitu kandungan Ni, Ti, dan O (sesudah pelapisan)

Analisa XRD

Analisa ini bertujuan untuk mengetahui apakah senyawa TiO2 dapat terbentuk

pada permukaan NiTi setelah dicoating AOP. Pengujian ini menggunakan alat

PANalytical tipe X’Pert PRO


Analisa Analisa Ni release

Analisa ini bertujuan untuk mengetahui seberapa banyak ion Ni yang telah lepas

selama perendaman di dalam larutan saliva. Sample (berupa NiTi wire yang

tidak mengalami pelapisan dan yang mengalami pelapisan) akan dicelupkan pada

botol yang mengandung 70 ml larutan saliva. Botol ini akan ditutup rapat dan

diletakan pada termostatic chamber pada temperatur 370C. Pengambilan larutan

saliva dilakukan setiap dua minggu sekali selama 2 bulan. Setelah 2 bulan,

larutan yang telah diambil dianalisa dengan ICP (Inductively Coupled Plasma)

untuk mengetahui kandungan ion Ni+ yang terlepas dari spesimen. Analisa ini

menggunakan alat ICP merk Teledyne Leeman Labs, tipe Prodigy.


Thermo controler

Thermo Couple

NiTi Wire dalam Chamber berisi saliva

Pemanas menggunakan

Lampu

+/- 37oC

Chamber

Skema perendaman NiTI dalam Saliva

NiTi Coating

pH 3

NiTi Coating

pH 6,25

NiTi Normal

pH 3

NiTi Normal

pH 6,25

Analisa Data dan Pembahasan

Pengamatan Visual

Hasil pengamatan visual kawat NiTi untuk: (a) spesimen non coating dan coating AOP (b)

spesimen coating AOP yang direndam saliva pada pH 3 dan ph 6,25

(a) (b)

Analisa Data dan Pembahasan(cont’d)

Analisa SEM

Hasil SEM NiTi dengan skala 40 μm pada :(a)spesimen normal (b)spesimen normal dengan perendaman saliva

pH 3 (c)spesimen normal dengan perendaman saliva pH 6,25 (d)Spesimen coating AOP (e) Spesimen coating

AOP dengan perendaman saliva pH 3 (f) spesimen coating dengan perendaman saliva pH 6,25

(a) (b) (c)

(d) (f) (e)

Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) Analisa EDX

Element Wt% At%

TiK 43.04 48.08

NiK 56.96 51.92

Matrix Correction ZAF

Element Wt% At%

OK 08.06 22.65

TiK 40.27 37.79

NiK 51.66 39.55

Matrix Correction ZAF

(a) (b)

(c)

(d)

Hasil EDX untuk : (a) spesimen NiTi Normal dan (b) kandungan unsurnya (c) spesimen NiTi coating AOP dan (d) kandungan unsurnya


Analisa XRD

Hasil pola difraksi XRD pada spesimen NiTi yang dicoating AOP

20 30 40 50 60 70 802Theta (°)

0

100

400

900

1600

2500

Inte

nsity (

counts

)

TiO2

NiTi

Fe (holder)


0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

1 2 3 4 5 6 7 8

Ni

Rel

eas

e r

ata-

rata

(PP

M)

Lama Perendaman (Minggu)

Spesimen Coating AOP

Spesimen Normal

0

0,4

0,8

1,2

1,6

2

1 2 3 4 5 6 7 8

Ni

Rel

eas

e r

ata-

rata

(PP

M)

Lama Perendaman (Minggu)

Spesimen Coating AOP

Spesimen Normal

Analisa ICP

Ni Release perendaman kawat NiTi pada saliva

dengan pH 3 Ni Release perendaman kawat NiTi pada saliva

dengan pH 6,25

Ni Release


Perhitungan Mass Loss Ni dengan rumus:

m = v.c/s

Dengan m : massa nickel yang hilang (μgr/cm2)

v : massa awal NiTi (gram)

s : luas permukaan spesimen (cm2) (1,957 cm2 )

c : Nickel release (ppm)


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Mas

s L

oss

(μ

gr/

cm

2 )

Immersion Times (hours)

pH 3 pH 6 Spesimen Coating AOP Spesimen Normal

Mass Loss vs Immersion Times pada spesimen NiTi

Mass loss Ni


Perhitungan i corr dengan rumus:

i cor = zF dm

A dt

= (b+2cu) zFm

A h 3600

Dengan z : valensi dari Nickel (2)

A : berat atom (58,70)

m : massa nickel yang hilang (μgr/cm2)

F : konstanta Faraday (96500 C/Mol)

h : waktu dalam satuan jam (hours).


0

1E-11

2E-11

3E-11

4E-11

5E-11

6E-11

7E-11

2 502 1002 1502

i c

orr

μA

/c

m2

Immersion Times (Log hours) PH 3 Spesiman Coating AOP

0

5E-10

1E-09

1,5E-09

2E-09

2,5E-09

3E-09

2 502 1002 1502

i c

orr

μA

/c

m2

Immersion Times (Log hours)

pH 3 pH 6 Spesimen Normal

Hasil i corr

i cor vs Immersion Times pada spesimen AOP

coating pada saliva pH 3

i cor vs Immersion Times pada spesimen Normal

pada saliva pH 3 dan pH 6,25

Kesimpulan Setelah melakukan penelitian dengan metode pelapisan AOP pada NiTi wire rothodontic

dengan variasi pH dapat disimpulkan bahwa:

Pada analisa SEM pada kawat NiTi dapat disimpulkan bahwa dengan metode

coating AOP dapat mengurangi kerusakan lapisan pasif dibandingkan spesimen tanpa

coating pada pH 3. Namun pada pH 6,25 pada spesimen yang dicoating maupun yang

tidak dicoating lapisan pasif masih bertahan. Deposit selalu terbentuk di kedua pH,

namun jumlah deposit lebih banyak pada pH 6,25.

Pada analisa EDX dapat disimpulkan bahwa dengan menggunakan coating AOP

pada kawat NiTi dapat mengurangi kandungan Nikel pada permukaan. Ditemukan unsur

Ti, Ni, dan O, kemudian dilakukan uji XRD dan ditemukan senyawa TiO2 sebagai produk

coating. Lapisan TiO2 dapat terbentuk, namun masih terdapat kandungan Nikel yang

masih cukup tinggi pada permukaan, padahal dalam penelitian sebelumnya dengan

metode coating yang sama dapat menghasilkan permukaan yang bebas dari unsur Nikel.

Pada analisa ICP, jika dibandingkan antara spesimen yang dicoating dengan

spesimen yang tidak dicoating, dapat disimpulkan bahwa metode coating AOP dapat

mengurangi rilis Nikel sampai 0,0483 PPM dari 1,627 PPM pada pH 3 selama 2 bulan.

Sedangkan pada pH 6,25 Nikel tidak rilis sama sekali pada spesimen yang dicoating AOP,

namun pada spesimen yang dicoating Nikel rilis sebesar 0,341 PPM. Hasil rilis Ni ini

juga masih dibawah batas minimal Nikel di dalam tubuh. Ketahanan korosi juga memiliki

performa yang baik pada spesimen yang dicoating, karena nilai i corr lebih kecil

dibandingkan spesimen yang tidak dicoating pada pH 3.

Saran

Perlu penyempurnaan metode coating AOP agar lapisan

coating dapat merata ke seluruh permukaan NiTi wire.

Sebaiknya waktu proses coating AOP lebih lama agar hasil

coating lebih merata.

Daftar Pustaka Brantley, William A., dan Theodore Eliades. 2001. Orthodontic Materials:Scientific and

Clinical Aspects. New York: Thieme.

CHU, Cheng-lin, C. Guo, X.B. Sheng, Y.S. Dong, P.H. Lin, K.W.K. Yeung, Paul K. Chu. 2009.

“Microstructure, nickel suppression and mechanical characteristics of electropolished and

photoelectrocatalytically oxidized biomedical nickel titanium shape memory alloy”. Acta

Biomaterialia 5:2238-2245.

CHU, Cheng-lin, R. Wang, L. Yin, Y. Pu, Y. Dong, C. Guo, X. Sheng, P. Lin, P. Chu. 2009. “Surface

treatment of NiTi shape memory alloy by modified advanced oxidation process”. Trans.

Nonferrous Met. Soc. China 19:574-580.

Cui, Guanglei, Wei Xu, Xinhong Zhou, Xunwen Xiao, Lei Jiang, Daoben Zhu. 2006. “Rose-like

superhydrophobic surface based on conducting dmit salt”. Colloids and Surfaces A:

Physicochem. Eng. Aspects 272:63-67.

Denkhaus, E., dan K. Salnikow. 2002. “Nickel essentiality, toxicity, and carcinogenicity”. Critical

Reviews in Oncology/Hematology 42:35-56.

Guilemany, J.M., N. Cinca, S. Dosta, A.V. Benedetti. 2009. “Corrosion behaviour of thermal

sprayed nitinol coatings”. Corrosion Science 51:171-180.

Huang, Her-Hsiung, Yu-Hui Chiu, Tzu-Hsin Lee, Shih-Ching Wu, Hui-Wen Yang, Kuo-Hsiung Su,

Chii-Chih Hsu. 2003. “Ion release from NiTi orthodontic wires in artificial saliva with various

acidities”. Biomaterials 24:3585–3592.

Joseph, Collin G, G.L. Puma, A. Bono, D. Krishnaiah .2009. “Sonophotocatalysis in advanced

oxidation process: A short review”. Ultrasonics Sonochemistry 16:583-589.

Daftar Pustaka Li, Xiaoji, J. Wang, E. Han, W. Ke. 2007. “Influence of fluoride and chloride on corrosion behavior

of NiTi orthodontic wires”. Acta Biomaterialia 3:807-815.

Liu, Jia-Kuang, Tzer-Min Lee, I-Hua Liu. 2011. “Effect of loading force on the dissolution behavior

and surface properties of nickel-titanium orthodontic archwires in artificial saliva”. Am J Orthod

Dentofacial Orthop 140:166-176.

Michiardi, A., A. Aparicio, J. A. Planell, F.J. Gil. 2007. “Electrochemical behaviour of oxidized NiTi

shape memory alloys for biomedical applications”. Surface & Coatings Technology 201:6484–

6488.

Muller, A.W.J., F.J.M.J. Maessen, C.L. Davidson. 1990. “Determination of the corrosion rates of six

dental NiCrMo alloys in an artificial saliva by chemical analysis of the medium using ICP-AES”.

Dent Mater 6:63-68.

Ohara, Alberto Teramoto. 2005. SENTALLOY: The Inside History of Superelasticity.

America: GAC International Books. First Editon.

Paúl, A., C. Ábalos , A. Mendoza, E. Solano, F.J. Gil. 2011. “Relationship between the surface

defects and the manufacturing process of orthodontic Ni–Ti archwires”. Materials Letters

65:3358–3361.

Petoumenou, Evangelia, Martin Arndt, Ludger Keilig, Susanne Reimann, Hildegard Hoedarath,

Theodore Eliades, Andreas Jager, Christoph Bourauel. 2009. “Nickel concentration in the saliva of

patients with nickel-titanium orthodontic appliances”. Am J Orthod Dentofacial Orthop

135:59-65.

Daftar Pustaka Poon, W. Y. 2004. Surface modification on NiTi shape memory alloys in order to

improve their surface anti-corrosion capability and impede the out-diffusion of Ni

from NiTi substrate in simulated body fluid. M.Phil Thesis, City University of Hong Kong,

p.1.

Prymak, O, A. Klocke, B. Kahl-Nieke, M. Epple. 2004. “Fatigue of orthodontic nickel–titanium

(NiTi) wires in different fluids under constant mechanical stress”. Materials Science and

Engineering A 378:110-114.

Reclaru, Lucien, Pierre-Yves Eschler, Reto Lerf, Andreas Blatter. 2005. “Electrochemical corrosion

and metal ion release from Co-Cr-Mo prosthesis with titanium plasma spraycoating”.

Biomaterials 26: 4747–4756.

Rossi, S., F. Deflorian, A. Pegoretti, D. D'Orazio, S. Gialanella. 2008. “Chemical and mechanical

treatments to improve the surface properties of shape memory NiTi wires”. Surface & Coatings

Technology 202: 2214–2222.

Ryhanen, J. 1999. Biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory metal

alloy. PhD Thesis, University of Oulu, p. 27.

Schiff, Nicholas, Brigitte Grosgogeat, Michele Lissac, Francis Dalard. 2002. “Influence of fluoride

content and pH on the corrosion resistance of titanium and its alloys”. Biomaterials 23:1995-

2002.

Daftar Pustaka Setcos, James C., Amir Babaei-Mahani, Lucy Di Silvio, Ivar A. Mjor, Nairn H.F. Wilson. 2006. “The

safety of nickel containing dental alloys”. Dental Materials 22: 1163–1168.

Staffolani, N., F. Damiani, C. Lilli, M. Guerra, N.J. Staffolani, S. Belcastro, P. Locci. 1999. “Ion

release from orthodontic appliances”. Journal of Dentistry 27: 449–454

Wichelhaus, Andrea, M. Geserick, R. Hibst, F. G. Sander. 2005. “The effect of surface treatment

and clinical use on friction in NiTi orthodontic wires”. Dental Materials 21: 938–945.

Xu, J.L., F. Liu, F.P. Wang, D.Z. Yu, L.C. Zhao. 2009. “Formation of Al2O3 coatings on NiTi alloy by

micro-arc oxidation method”. Current Applied Physics 9:663–666.

Yeung, K.W.K. 2004. Development of a novel spinal implant for progressive scoliosis

correction. PhD thesis, the University of Hong Kong, p. 87.

Zhang, K.M., D.Z. Yang, J.X. Zou, T. Grosdidier, C. Dong. 2006. “Improved in vitro corrosion

resistance of a NiTi alloy by high current pulsed electron beam treatment”. Surface & Coatings

Technology 201: 3096–3102.

Sekian dan Terima Kasih

laporan tugas akhir pelapisan aop pada niti wire...

Documents