PENGEMBANGAN PROTOTIPE SAMBUNGAN TULANG PANGGUL

PRODUK INDONESIA

 

Jamari* 1)

Iwan Budiwan 2)

Rifky Ismail 1)

Sugiyanto 1)

Muhammad Tauviqirrahman 1)

Eko Saputra 1)

 

1)Laboratorium Perancangan Teknik dan Tribologi, Universitas Diponegoro

Jl. Prof. Sudharto, SH. Tembalang-Semarang Jawa Tengah 50275, Telp. +62247460059

2)RS. Ortopedi Prof.dr.R.Soeharso

Jl. A. Yani, Pabelan, Kartasura Surakarta Jawa Tengah 57162, Telp. +62271714458

*E-mail : j.jamari@gmail.com

 

 

Abstrak, Kerusakan permanen pada sambungan tulang panggul (hip joint) akibat proses pengapuran, penuaan atau kecelakaan memerlukan tindakan penggantian dengan sambungan tulang panggul buatan. Di Indonesia, jumlah penggantian sendi panggul masih relatif kecil jika dibandingkan dengan jumlah penggantian di negara-negara maju. Faktor tingginya harga menjadi faktor yang dominan selain kurangnya pengetahuan pasien. Hingga saat ini, produk sambungan tulang panggul buatan yang digunakan berbagai rumah sakit merupakan produk impor, belum ada industri kesehatan nasional yang mampu membuatnya. Tujuan yang ditargetkan pada penelitian ini adalah: (1) mendapatkan data dimensi sambungan tulang panggul buatan untuk pasien di Indonesia, (2) menghasilkan prototipe yang lolos pengujian kekuatan dan kekerasan serta memiliki ketepatan geometri, (3) menghasilkan prototipe yang

mampu menahan beban, dan (4) material bahan baku yang digunakan lolos dalam percobaan bio-kompatibilitas pada tubuh hewan. Metode yang digunakan dalam penelitian ini meliputi: observasi data pasien sambungan tulang panggul buatan di RSO dr. Soeharso Solo, pengujian mekanis terhadap material bahan baku dan perbandingannya dengan sambungan tulang panggul produk impor, pengujian bio-kompatibilitas bahan baku pada tubuh kelinci, serta proses manufaktur sambungan tulang panggul buatan. Hasilnya menunjukkan bahwa (1) kebutuhan sambungan tulang panggul buatan orang Indonesia memiliki range dimensi 38-51 mm. Rata-rata dimensi kepala tulang femur adalah 43 mm, (2) prototipe yang dibuat memiliki ketepatan permesinan yang baik dan menggunakan material yang telah lolos pengujian yang telah ditargetkan, (3) pemilihan desain dan material dinyatakan layak untuk menahan beban aktifitas manusia berdasarkan pengujian metode elemen hingga dan (4) pengujian bio-kompatibilitas material pada tubuh kelinci tidak menimbulkan reaksi negatif dengan prosentase keberhasilan 83%.

 

Kata Kunci: sendi panggul buatan, prototipe, produk dalam negeri, pengujian mekanis.

 

Pendahuluan

Sambungan tulang panggul buatan terdiri dari beberapa komponen. Komponen-komponen tersebut adalah acetabular shell, acetabular liner, femoral head dan femoral stem sebagaimana terlihat pada Gambar 1. Sambungan tulang panggul buatan digunakan sebagai pengganti sendi panggul yang telah rusak akibat proses pengapuran, penuaan atau kecelakaan.

 

Gambar 1. Sambungan tulang panggul buatan.

Kebutuhan akan tulang panggul buatan dibeberapa negara maju sangat besar. Sejumlah kasus penggantian sambungan tulang panggul buatan ditemukan di benua Eropa pada tahun 2005, sejumlah 230.000 kasus ditemukan di Amerika pada tahun 2004, sedikitnya 150.000 kasus ditemukan di Jepang untuk kurun beberapa tahun terakhir [1].

Di Indonesia, observasi lapangan dan survey telah dilakukan di Rumah Sakit Ortopedi (RSO) dr. Soeharso, Solo yang merupakan rumah sakit rujukan ortopedi di Jawa Tengah dan salah satu rumah sakit ortopedi terbaik level nasional. Hasil survey menunjukkan angka penggantian sambungan tulang panggul buatan di rumah sakit ini mencapai 200-400 orang pertahun [2]. Meskipun diakumulasikan secara nasional, jumlah penggantian sendi panggul di Indonesia masih relatif kecil jika dibandingkan dengan jumlah penggantian di negara-negara maju. Faktor tingginya harga, sulitnya akses fasilitas kesehatan dan rendahnya pengetahuan pasien menjadi faktor yang dominan terhadap rendahnya jumlah penggantian sambungan tulang panggul buatan ini.

Tingginya harga tulang panggul buatan salah satunya disebabkan produk tersebut masih 100% impor. Hingga saat ini, belum ada produk sambungan tulang buatan dalam negeri yang dijual komersial. Hal ini disebabkan karena tingginya kesulitan proses manufaktur dan kurangnya pengetahuan tentang material penyusun komponen tersebut [3]. Berkaitan dengan hal tersebut, Laboratorium Perancangan Teknik (Lab EDT), Jurusan Teknik Mesin UNDIP mengembangkan sambungan tulang panggul buatan produk dalam negeri yang lebih kompetitif dari segi harga tetapi dapat bersaing dari segi kualitas. Tujuan dari penelitian ini adalah :1) Mendapatkan data dimensi sambungan tulang panggul buatan untuk pasien di Indonesia; (2) Menghasilkan prototipe yang lolos pengujian kekuatan dan kekerasan serta memiliki ketepatan geometri; (3) Menghasilkan prototipe yang mampu menahan beban; (4) Materialnya lolos dalam percobaan bio-kompatibilitas pada tubuh hewan.

 

Gambar 2. Road map penelitian tentang sambungan tulang panggul buatan produk

Indonesia.

Road Map Penelitian

Lab EDT telah melakukan penelitian mengenai sambungan tulang panggul buatan selama beberapa tahun. Penelitian ini berdasarkan road map yang telah ditetapkan (Gambar 2). Penelitian dimulai dari kajian material viskoelastis yang merupakan salah satu pilihan material pada acetabular liner [4].

Penelitian berikutnya mengenai mekanika kontak yang terjadi pada sambungan tulang panggul buatan dilakukan menggunakan metode elemen hingga dan menghasilkan beberapa alternatif desain sambungan tulang panggul buatan [5]. Tahun 2010 pemantapan desain dilakukan dengan penelitian tentang analisa pengaruh ketebalan acetabular liner terhadap tekanan kontak pada sambungan tulang panggul buatan [6]. Tahun 2011 telah dilakukan penelitian tentang analisis pengaruh pembebanan terhadap tegangan dalam sambungan tulang panggul buatan dengan metode elemen hingga [7], dilanjutkan dengan proses finalisasi desain dan pembuatan prototipe sambungan tulang panggul buatan tahap 1 [8]. Pemilihan material dengan mempertimbangkan beberapa pilihan bahan dilakukan dengan analisa kontak Ceramic-on-Crosslinked UHMWPE pada sambungan tulang panggul buatan [9].

Beberapa penelitian pendahuluan ini kemudian dilanjutkan dengan penelitian yang ditargetkan menghasilkan prototipe sambungan tulang panggul buatan tahap 2 (tahun 2012) dengan target sebagaimana telah dijelaskan pada tujuan penelitian di atas. Paper ini menjelaskan bagaimana langkah-langkah penelitian yang dilakukan untuk menghasilkan prototipe tahap 2 dan mencapai tujuan yang telah ditetapkan.

 

Metodologi Penelitian

Bahan baku yang akan digunakan pada penelitian ini adalah material stainless steel AISI 316L yang digunakan pada komponen acetabular shell, femoral head dan femoral stem pada sambungan tulang panggul buatan. Material ini merupakan material yang banyak digunakan sebagai material ortopedik hingga saat ini [3].

Penelitian ini menggunakan beberapa metode:

1.  Observasi data pasien dan analisis statistik di RSO dr. Soeharso, Solo.

2.  Simulasi numerik menggunakan metode elemen hingga untuk menganalisa desain dan material yang dipilih. Software komersial ABAQUS digunakan untuk analisa metode elemen hingga.

3.  Pengujian material bahan baku AISI 316L dan perbandingannya terhadap produk impor merk XYZ buatan Amerika. Standar pengujian yang digunakan berasal dari ASTM untuk pengujian tarik, kekerasan dan impact.

4.  Pengujian material bahan baku dengan menanamkan pada tubuh kelinci dan analisa bio-kompatibilitas.

5.  Proses pemesinan untuk mendapatkan prototipe tahap 2.

 

Pelaksanaan penelitian ini, selain dilakukan oleh Lab. Perancangan Teknik dan Tribologi, Jurusan Teknik Mesin UNDIP dan RSO dr. Soeharso Solo juga melibatkan beberapa institusi: Politeknik Manufaktur Ceper (Klaten), Program Studi Teknik Mesin Diploma UGM (Jogja), Jurusan Biologi UNDIP, Unit Pelaksana Teknis (UPT) LIK Kaligawe Semarang, UPT LIK Takaru, Tegal, dan Politeknik Negeri Semarang.

Hasil dan Pembahasan

Hasil yang signifikan dari penelitian ini adalah:

1.  Dari hasil observasi lapangan terhadap data pengguna sambungan tulang panggul buatan didapatkan bahwa ukuran kepala femur yang paling banyak dijumpai pada pasien adalah diameter 43 mm. Range ukuran kepala femur ini berkisar antara 38-51 mm. Pada beberapa katalog sambungan tulang panggul buatan produk impor, ukuran terkecil yang disediakan adalah 40 mm. Beberapa pasien dengan dimensi kepala femur yang lebih kecil harus menunggu datangnya produk impor sebelum proses operasi berlangsung. Hal ini menjadikan waktu tunggu bagi beberapa pasien menjadi lebih lama. Untuk itu, sambungan tulang panggul buatan yang nantinya akan diproduksi missal akan memperhatikan range dimensi yang sesuai untuk orang Indonesia.

2.  Berdasarkan pertimbangan ketersediaan bahan, daya beli pasien, pengalaman penggunaan bahan di RSO dr. Soeharso serta data sekunder (literature) diputuskan material yang digunakan pada penelitian ini adalah AISI 316 L sebagai komponen logam dan UHMWPE sebagai bearing polimer untuk penahan beban dan gesekan.

3.  Simulasi numerik menggunakan metode elemen hingga menggunakan software ABAQUS membuktikan bahwa desain yang telah dirancang dan material yang telah dipilih (AISI 316L dan UHMWPE) mampu menahan beban pada berbagai normal aktifitas manusia. Contoh simulasi numerik pada acetabular liner terlihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Simulasi pembebanan pada acetabular liner menggunakan metode elemen hingga.

Nilai tegangan maksimal yang terjadi ketika aktifitas melompat bagi pasien sambungan tulang panggul buatan berkisar 50-65% kekuatan luluh material sehingga material dan desain diperkirakan mampu menahan beban dengan baik dan terhindar dari kegagalan. Uraian data simulasi yang lebih lengkap dapat dijumpai pada [10].

4.  Sebagai upaya bench-marking terhadap material AISI 316L (bahan baku yang akan digunakan), studi komparasi dilakukan dengan mengamati produk sambungan tulang panggul buatan produk impor merek XYZ buatan Amerika yang banyak digunakan oleh RSO dr. Soeharso, Solo. Produk impor ini dijadikan specimen percobaan dan diuji. Gambar 4 (a-c) menunjukkan produk sambungan tulang panggul buatan produk impor yang telah dibelah untuk diuji mekanis, komposisi unsur dan struktur mikro.

(b)

 

(a)

 

(c)

 

Gambar 4. Sambungan tulang panggul buatan produk impor: (a) acetabular shell, (b) acetabular liner dan (c) femoral head - femoral stem.

Perbandingan antara material bahan baku dengan material yang digunakan pada produk impor menunjukkan bahwa dari sisi kekerasan makro dan struktur mikro material memiliki kemiripan (Gambar 5) tetapi hasil pengujian tarik menunjukkan bahwa tegangan tarik material produk impor lebih tinggi. Hal ini diperkirakan sebagai akibat komposisi unsur paduan stainless steel, perlakuan material dan proses pembentukan yang dipilih.

(a)

 

 

(b)

 

Gambar 5. Struktur mikro (a) produk impor dan (b) material bahan baku.

5.  Hasil pengujian menunjukkan bahwa material bahan baku secara umum tidak bereaksi negatif terhadap kelinci yang dijadikan percobaan uji bio-kompatibilitas. Proses penanaman material bahan baku di dalam tubuh kelinci dilakukan oleh mitra dokter dan residen ortopedi dari RSO. Dr. Soeharso Solo seperti terlihat pada Gambar 6. Setelah menjalani proses operasi penanaman material dari 30 kelinci observasi 5 kelinci mati pada bulan pertama. Meski demikian penyebab kematian kelinci ini tidak berkaitan dengan implant yang ditanamkan melainkan akibat penyakit seperti diare dan penyakit kulit.

(a)

 

 

(b)

 

Gambar 6. Proses penanaman material bahan baku sambungan tulang panggul buatan pada tubuh kelinci.

Sejumlah 25 kelinci yang lain mampu bertahan hingga bulan kedua (83%). Observasi masih terus berjalan hingga 3 bulan. Hasil hipotesa awal menunjukkan bahwa material bahan baku tidak reaktif terhadap tubuh kelinci.

6.  Proses permesinan pembuatan prototipe sambungan tulang panggul buatan berjalan dengan baik sehingga mampu menghasilkan prototipe sambungan tulang panggul buatan tahap 2. Proses permesinan dilakukan di Politeknik Negeri Semarang (POLINES). Gambar 7 menunjukkan proses permesinan sambungan tulang panggul buatan. Mesin CNC digunakan untuk mendapatkan kepresisian yang tinggi. Pengukuran ketelitian geometri setelah prototipe tahap 2 selesai dibuat menunjukkan bahwa peyimpangan yang terjadi masih masuk dalam batas toleransi yang diijinkan.

(a)

 

(b)

  Gambar 7. Proses permesinan komponen: (a) acetabular shell dan (b) kepala stem.

7.  Kerja sama multi-partai yang melibatkan banyak instansi lintas bidang ilmu mampu berjalan dengan baik dalam penelitian ini dan semua pihak bersemangat untuk mewujudkan sambungan tulang panggul made in Indonesia. Meski demikian kendala dalam penyesuaian waktu dari berbagai pihak sempat dirasakan dalam penelitian ini.

8.  Adanya sisi orisinalitas pada desain yang dirancang bersama oleh tim Lab EDT dan tim RSO dr. Soeharso Solo menghasilkan suatu usulan draft patent yang sedang disempurnakan.

Kesimpulan dan Saran

Dari hasil penelitian yang telah dilakukan beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah sebagai berikut:1.    Kebutuhan sambungan tulang panggul buatan orang Indonesia memiliki range

dimensi khusus. Rata-rata dimensi kepala tulang femur adalah 43 mm. 2.    Prototipe sambungan tulang panggul buatan tahap 2 yang telah dibuat sesuai

dimensi orang Indonesia dan memiliki ketepatan permesinan yang baik. Prototipe ini menggunakan material yang telah lolos pengujian yang telah ditargetkan.

3.    Pemilihan desain dan material dinyatakan layak untuk menahan beban aktifitas manusia dan lolos uji kegagalan berdasarkan pengujian metode elemen hingga.

4.    Pengujian bio-kompatibilitas bahan baku pada tubuh kelinci tidak menimbulkan reaksi negatif terhadap tubuh kelinci. 

Saran yang perlu sampaikan pada penelitian ini adalah:

1.    Perlu adanya penelitian lanjutan untuk membuat atau melakukan proses casting untuk mendapatkan material bahan baku produk dalam negeri.

2.    Perlu penelitian lanjutan untuk pengujian bio-kompatibilitas di dalam tubuh manusia yang akan dilakukan oleh tim dokter RSO dr. Soeharso, Solo.

3.    Perlu adanya penelitian lanjutan untuk mendorong prototipe sambungan tulang panggul buatan menjadi produksi masal.

 

Ucapan Terima Kasih

Tim peneliti menyampaikan rasa terima kasih setinggi-tingginya kepada Kementrian Riset dan Teknologi (Kemenristek), Republik Indonesia atas pembiayaan penelitian Insentif Riset SINas Riset Terapan No: RT 2012-0742. Peneliti juga menyampaikan terima kasih kepada seluruh instansi serta mahasiswa S1 dan S2 Jurusan Teknik Mesin UNDIP, Jurusan Biologi UNDIP dan tim residen ortopedi RSO dr. Soeharso yang telah terlibat dan berkontribusi dalam penelitian ini.

 

Daftar Pustaka

[1] Kiefer, H., (2007), Current Trends in Total Hip Arthroplasty in Europe and Experiences with the Bicontact Hip System” dalam buku "Treatment of Osteoarthritic Change in the Hip", Springer Japan.

[2] Jamari, Sugiyanto, Ismail, R., dan Tauviqirrahman, M., (2010), Wawancara dengan tim medis di RS. dr. Soeharso, Solo berkaitan dengan sambungan tulang panggul buatan, Catatan Internal.

[3] Jessica, N., Soto, A., Cora, N.C., dan Irizarry, J.F., (2005), “Mechanics of Biomaterials: Orthopedics”, University of Puerto Rico, Mayaguez.

[4] Sutrisno, I, Sugiyanto, Jamari, Ismail, R. dan Tauviqirrahman, M., 2009, "Simulasi kontak viskoelastik menggunakan metode elemen hingga," Prosiding Seminar Nasional XV Pengembangan Riset dan Teknologi pada Sektor Industri, Universitas Gadjah Mada, pp. MB/BT 72 – 75. ISBN: 978-979-95620-5-0.

[5] Sugiyanto, Sutrisno, I., Jamari, Ismail, R., dan Tauviqirrahman, M., 2009, ''Analisa Kontak Sambungan Tulang Panggul Buatan Menggunakan Metode Elemen Hingga,'' Prosiding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) VIII, Universitas Diponegoro, Semarang, M7 - 024, ISBN : 978-979-704-772-6.

[6] Sugiyanto, Tauviqirrahman, M., Ansori, C., Ismail, R., and Jamari, 2010a, “Analisa pengaruh ketebalan acetabular cup terhadap tekanan kontak pada sambungan tulang panggul buatan,” Proceeding of National Seminar - Science and Technology, Faculty of Engineering, University of Wahid Hasyim, Semarang, ISBN : 978-602-8273-25-1, pp. D.86 – D.91.

[7] Sugiyanto, Tauviqirrahman, M., Ismail, R., Jamari, 2011, “Analisis pengaruh pembebanan terhadap tegangan dalam sambungan tulang panggul buatan dengan metode elemen hingga,” Proceeding of National Seminar – SEMANTIK, University of Dian Nuswantoro, Semarang, ISBN : 979-26-0255-0.

[8] Setyoadi, Y., Budiwan Anwar, I., Ismail, R., Sugiyanto., Jamari., 2011, “Proses Desain dan Manufaktur Arificial Hip Joint”, Seminar Nasional TEKNOIN UII Yogyakarta-ISBN 978-979-96964-8-9.

[9] Winarso, R., Jamari, dan Haryanto, I., 2011, “Analisa Kontak Ceramic-on-Crosslinked UHMWPE pada Sambungan Tulang Panggul Buatan menggunakan Metode Elemen Hingga”, Majalah Ilmiah Momentum FT. Unwahas – ISSN 0216.7395,

[10] Saputra, E., Ismail, R., Jamari, and Anwar, I.B., 2012, “The Effect of Loading the UHMWPE Material for Artificial Hip Joint Bearing,” Proceeding of ICCME 2012, ISBN 978-602-097-281-7