MAKALAHSEJARAH DAN RUANG LINGKUP BIOKERAMIK SERTA SIFAT-SIFAT BIOMATERIALUntuk memenuhi Tugas Matakuliah Fisika Keramik yang dibimbing oleh Dra. Hartatiek, M.Si

Oleh Kelompok 1 :1. Dewi Ningsih(120322402592)2. Kholid(120322420462)3. Nurainin Yuli D(120322420478)4. Rolando A (120322420468)

JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS NEGERI MALANG JANUARI 2015

A. TUJUAN1. Mengetahui bagaimana awal mula adanya biokeramik dalam bidang medis.2. Mempelajari sejauh mana pemanfaatan biokeramik dalam bidang medis.3. Mengetahui sifat-sifat biomaterial.

B. PENDAHULUANBiomaterial adalah substansi atau kombinasi beberapa subtansi, sintetis atau alami, yang dapat digunakan untuk setiap periode waktu, secara keseluruhan atau sebagai bagian dari sistem, menambah, atau mengganti setiap jaringan, organ atau fungsi tubuh (Williams, 1987).Implant adalah perangkat medis yang terbuat dari satu atau lebih biomaterial yang sengaja ditempatkan dalam tubuh, baik secara total atau sebagian terkubur di bawah permukaan epitel, dalam jangka waktu yang signifikan (Williams, 1987), dalam memilih material implant dipersyaratkan antara lain : diterima oleh organ tubuh, ketahanan terhadap korosi yang baik, kekuatan tarik dan tegangan luluh yang sesuai, ketahanan aus yang tinggi, dan proses pabrikasi yang baik (metode produksi, kemampuan dari material untuk steril, dan efektifitas harga) (ASM, 2005).Biokeramik mempunyai kekerasan, kekuatan, ketahanan korosi dan chemicalinertness, ketahanan terhadap oksidasi, dan kekuatan yang tinggi, titik leleh yang tinggi, dan fracture toughness yang rendah maka biokeramik dapat digunakan sebagai plat penyambung tulang namun penggunaan biokeramik terbatas karena mempunyai sifat getas dan ketahanan fatik yang rendah (Ganesh, dkk, 2005).Selain itu Biomaterial juga harus memiliki sifat mekanik seperti kekerasan, tegangan tarik dan tekan, dan ketahanan terhadap retak/patah yang baik, sifat kimia yang baik seperti komposisi kimia, stoikiometri dan sifat kimia lainnya untuk mendukung ikatan antara jaringan tubuh dengan implan (Navarro dkk, 2008).C. PEMBAHASAN 1. Sejarah BiokeramikDalam aplikasi biomedis penggunaan keramik dikembangkan pada akhir 1960-an, seperti karya Hulbert dan rekan kerja (Hulbert et al. 1982-1983). Pada tahun 1970-an dan awal tahun 1980 mengalami perkembangan yang signifikan di bidang biokeramik dan juga telah berbagai simposium di berbagai tempat internasional (Bonfield, Hastings, dan Tanner 1991 Ravaglioli dan Krajewski 1992 Fishman, Clare, dan Hench 1995). Sejarah biokeramik ditinjau secara rinci oleh Hulbert, et al. diawal 1980-an (Hulbert et al. 1982-1983 yang berhasil mengidentifikasi klasifikasi biokeramik dalam Tabel 2.1. Keberhasilan penggunaan trikalsium fosfat, Ca3 (PO4) 2, dilaporkan sebagai awal 1920 (Albee dan Morrison 1920). Dalam penelitian tersebut, rata-rata lama waktu untuk tulang perbaikan cacat pada kelinci dipercepat dari 41 hari menjadi 31 hari. Mungkin mencatat bahwa tidak semua implantasi garam kalsium yang sukses. Sebagai contoh, banyak penelitian tentang kalsium hidroksida telah menunjukkan bahwa ia cenderung untuk merangsang pembentukan tulang yang belum matang (Hulbert et al. 1982-1983).Pada era modern, biokeramik dapat ditelusuri ke Smith pada tahun 1963 studi pengganti tulang keramik bernama Cerosium, terdiri dari keramik berpori alumina diresapi dengan resin epoxy (Smith 1963). Porositas keramik dikontrol pada 48% dalam analogi nilai yang sebanding untuk tulang alami dan untuk menghasilkan sifat fisik bersih sangat dekat dengan tulang. Modulus lentur dan kekuatan yang sama dikombinasikan dengan baik biokompatibilitas menyebabkan berhasilnya aplikasi pengganti tulang selama akhir tahun 1960-an dan pada awal tahun 1970-an. Biokompatibilitas keramik oksida adalah menunjukkan bahwa seiring dengan perkembangan penggunaan pertumbuhan jaringan tulang menjadi keramik berpori sebagai sarana untuk mekanis prostesis. Sebuah contoh berpori, ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Seperti yang terlihat pada gambar ini bagian mikrostruktur dari hidroksiapatit berpori keramik, tulang dapat berlabuh ke Bioceramic dengan pertumbuhan dalamnya ketika porositas terbuka melebihi sekitar 100 m dalam ukuran. 2. Ruang Lingkup BiokeramikPengembangan aplikasi bahan keramik dalam biomedis memiliki kecenderungan di ortopedi dan kedokteran gigi. biokeramik ortopedi memberikan keuntungan kimia untuk bahan tulang alami. Sedangkan, aplikasi gigi untuk keramik yang menarik karena adanya kesamaan kimia antara keramik rekayasa dan alami gigi. Tiga klasifikasi biokeramik telah ditetapkan oleh Hulbert, et al. (1982-1983) dan disajikan dalam Tabel 2.1 dan diilustrasikan oleh Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Bioceramics dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok, berdasarkan kimia reaktivitas dalam lingkungan fisiologis. (Setelah Hulbert, et al. 1982-1983)Klasifikasi ini didasarkan pada reaktivitas kimia dengan lingkungan fisiologis. Dari tabel bisa dilihat bahwa biokeramik relatif inert, seperti struktur Al2O3, cenderung menunjukkan tingkat inheren rendah reaktivitas yang puncaknya pada urutan 104 hari (lebih dari 250 tahun). Permukaan biokeramik reaktif, seperti Hench yang bioglass, (Hench et al. 1971) memiliki tingkat yang jauh lebih tinggi dari reaktivitas memuncak pada urutan 100 hari. Sedangkan biokeramik resorbable, seperti trikalsium fosfat, memiliki tingkat yang lebih tinggi reaktivitas memuncak pada urutan 10 hari. Spektrum yang luas ini kimia perilaku telah menyebabkan berbagai sesuai teknik filosofi desain.Seperti tercantum dalam Tabel 2.1, kita dapat mengidentifikasi tiga klasifikasi untuk menggunakan keramik rekayasa untuk aplikasi biomedis. Trikalsium fosfat wakil dari Bioceramic resorbable seperti gambar pada 2.3. Keramik oksida dipelajari secara ekstensif dimulai pada tahun 1960-an merupakan strategi yang berlawanan, yaitu sebuah Bioceramic hampir inert. Pada awal 1970-an, pendekatan menengah adalah dikembangkan dengan evaluasi luas permukaan biokeramik reaktif oleh Hench dan rekan kerja (Hench et al 1971;. Hench dan Paschall 1973; Piotrowski et al. 1975; Griss et al. 1976; Stanley et al. 1976). Perkembangan utama adalah Bioglass (Gambar 2.4), yang didefinisikan sebagai kaca yang dirancang untuk obligasi langsung ke tulang dengan menyediakan permukaan silika reaktif, kalsium, dan gugus fosfat dalam basa.

Gambar 2.3 Sampel ini trikalsium fosfat adalah contoh yang baik dari resorbable Bioceramic. (Courtesy of DePuy Inc.)pH lingkungan.Bioglass pada dasarnya adalah sebuah kaca soda-lime-silika dengan fosfor Selain oksida yang signifikan. Fokus utama penelitian bioglass telah menjadi komposisi berlabel 45S5 yang mengandung 45% berat SiO2, 24,5% berat CaO, 24,5% berat Na2O, dan 6% berat P2O5, terasa lebih rendah silika dan lebih tinggi di kapur dan soda dari jendela dan wadah gelas konvensional. Ini dan terkait Bahan bioglass terus aktif belajar. Aplikasi praktis dalam ortopedi telah terbatas, sebagian besar disebabkan oleh kinetika lambat reaksi permukaan harga dan perkembangan yang lambat sesuai kekuatan ikatan antar muka. Sekitar 6 bulan yang diperlukan sebelum kekuatan antarmuka pendekatan yang disediakan oleh polymethylmethacrylate tradisional (PMMA) semen setelah 10 menit pengaturan waktu. Di sisi lain, bioglass dan bahan terkait harus menggunakan lebar ditemukan dalam kedokteran gigi dan telinga operasi. Sebuah diskusi yang lebih rinci akan diberikan dalam Bagian 5.6.Pembahasan bagian ini menunjukkan bahwa tiga kategori biokeramik diidentifikasi dalam Tabel 2.1 yang mapan pada pertengahan tahun 1970-an. Beberapa perkembangan terakhir lebih menarik di biokeramik akan dibahas dalam Bab 6 sehubungan dengan aplikasi dalam bedah ortopedi, kedokteran gigi, dan pengobatan kanker.

Gambar 2.4 Ini bagian dari bioglass (DOUEK-MED) berfungsi sebagai suara-transmisi prosthesis antara gendang telinga (membran timpani) dan footplate stapes. (Courtesydari L.L.Hench)3. Sifat-sifat BiomaterialA. Stress dan strainTegangan (stress) pada benda, misalnya kawat besi, didefinisikan sebagai gaya persatuan luas penampang benda tersebut. Tegangan diberi simbol V(dibaca sigma). Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Keterangan:F : besar gaya tekan/tarik (N)A : luas penampang (m2)V : tegangan (N/m2)Bila dua buah kawat dari bahan yang sama tetapi luas penampangnya berbeda diberi gaya, maka kedua kawat tersebut akan mengalami tegangan yang berbeda. Kawat dengan penampang kecil mengalami tegangan yang lebih besar dibandingkan kawat dengan penampang lebih besar. Tegangan benda sangat diperhitungkan dalam menentukan ukuran dan jenis bahan penyangga atau penopang suatu beban, misalnya penyangga jembatan gantung dan bangunan bertingkat.Strain (regangan) didefinisikan sebagai perbandingan antara penambahan panjang benda X ' terhadap panjang mula-mula X. Regangan dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:H : regangan strain (tanpa satuan)X ' : pertambahan panjang (m)X : panjang mula-mula (m)Makin besar tegangan pada sebuah benda, makin besar juga regangannya. Artinya, X' juga makin besar. Berdasarkan berbagaipercobaan di laboratorium, diperoleh hubungan antara tegangan dan regangan untuk baja dan aluminium seperti tampak pada Gambar 3.2.

Berdasarkan grafik pada Gambar 3.2, untuk tegangan yang sama, misalnya 1 108N/m2, regangan pada aluminium sudah mencapai 0,0014, sedangkan pada baja baru berkisar pada 0,00045. Jadi, baja lebih kuat dari aluminium. Itulah sebabnya baja banyak digunakan sebagai kerangka (otot) bangunan-bangunan besar seperti jembatan, gedung bertingkat, dan jalan layang. Selama gaya Fyang bekerja pada benda elastis tidak melampaui batas elastisitasnya, maka perbandingan antara tegangan (V) dengan regangan (H) adalah konstan. Bilangan (konstanta) tersebut dinamakan modulus elastis atau modulus Young (E). Jadi, modulus elastis atau modulus Young merupakan perbandingan antara tegangan dengan regangan yang dialami oleh suatu benda. Secara matematis ditulis seperti berikut.

Keterangan:E : modulus Young (N/m2 atau Pascal)Nilai modulus Young untuk beberapa jenis bahan ditunjukkan pada Tabel 3.1 berikut.Tabel 3 Modulus Young Beberapa Jenis Bahan B. KorosiKorosi adalah kerusakan atau degradasi logam akibat reaksi redoks antara suatu logam dengan berbagai di lingkunganya yang menghasilkan senyawa-senyawa yang tidak dikehendaki. Korosi disebut juga perkaratan. Contoh korosi yang paling lazim adalah perkaratan besi.Pada peristiwa korosi, logam mengalami oksidasi, sedangkan oksigen (udara) mengalami reduksi. Karat logam umumnya berupa oksida karbonat. Rumus kimia karat besi adalah Fe2O3nH2O, suatu zat padat yang berwarna coklat-merah.Korosi merupakan proses elektrokimia. Pada korosi besi, bagian tertentu dari besi itu berlaku sebagai anode, dimana besi mengalami oksidasi.Fe(s) --- Fe2+ (aq) + 2eElektron yang dibebaskan di anode mengalir ke bagian lain dari besi itu yang bertindak sebagai katode, dimana oksigen tereduksi.O2 (g)+ 4H+(aq)+ 4e - 2H2O(l)AtauO2(g) + 2H2O (l) + 4e 4OH- (aq)Ion besi (II) yang terbentuk pada anode selanjutnya teroksidasi membentuk ion besi (III) yang kemudian membentuk senyawa oksidasi terhidrasi, yaitu karat besi. Mengenai bagian mana dari besi itu yang bertindak sebagai katode, bergantung pada berbagai factor, misalnya zat pengotor, atau perbedaan rapatan logam itu.Deret Volta dan hokum Nernst akan membantu untuk dapat mengetahui kemungkinan terjadinya korosi. Kecepatan korosi sangat bergantung pada banyak faktor, seperti ada atau tidaknya lapisan oksidasi, karena lapisan oksida dapat menghalangi beda potensial terhadap electrode lainnya yang akan sangat berbeda bila masih bersih dari oksida.Cara yang dapat dilakukan utuk mencegah / memperlambat korosi adalah1. MengecatCat dapat menghindarkan kontak langsung antara besi dan udara lembab sehingga dapat memperlambat korosi. Cara ini biasa dilakukan pada pintu, pagar, pipa besi, dan lai-lain.2. Melumuri dengan oliMelumuri dengan oli dapat mencegah kontak langsung dengan air dan udara lembab. Cara ini biasa dilakukan pada perkakas dan mesin.3. Dibalut dengan plastikCara ini biasa digunakan misalnya pad arak piring dan keranjang sepeda.4. Tin Planting Adalah pelapisan timah. Cara ini dilakukan biasanya pada keleng kemasan karena timah merupakan logam yang anti karat.5. GalvanisaiAdalah pelapisan dengan zink. Cara ini dilakukan karena zink juga merupakan logam anti karat. Contoh pada : tiang listrik, pipa air, dan pagar.6. Cromium PlatingAdalah pelapisan denga menggunakan kromium. Cara ini biasa dilakukan pada sepeda dan bumper mobil.C. Friction and wear ( Gesekan dan Keausan )Tribologi adalah aspek yang berkenaan dengan gesekan, aus dan pelumasan. Secara prinsip,pelumasan berfungsi untuk mencegah keausan yang disebabkan oleh gesekan antar benda yang bergerak relatif. Disamping fungsi pelumas di atas, kegunaan yang lain adalah untuk mengurangi gesekan, sebagai seal kompresi, mengurangi noise, sebagai media pendingin komponen mesin, mengurangi karat, serta menjaga benda agar tetap bersih. Sebagai akibat dari hilangnya pelumas pada daerah boundary lubrication, maka keausan menjadi suatu hal yang tidak bias dihindari. Aus yang terjadi antara lain: adhesive wear, abrasive wear, surface fatigue wear dan tribo chemical wear. Berikut ini penjelasan singkat tentang jenis-jenis aus.a. Adhesive wearKeausan adhesif adalah salah satu jenis keausan yang disebabkan oleh terikat dan berpindahnya partikel dari suatu permukaan material yang lemah ke material yang lebih keras. Pada Gambar 5 proses itu bermula ketika benda dengan kekerasan yang lebih tinggi menyentuh permukaan yang lemah kemudianterjadi pengikatan. Pengikatan ini terjadi secara spontan dan dapat terjadi dalam suhu yang rendah atau moderat. Adhesive wear sering juga disebut galling, scoring, scuffing, seizure, atau seizing . Gambar dibawah ini merupakan gamapar perpindahan logam secara adhesi.

b. Abrasive wearKeausan abrasif disebabkan oleh hilangnya material dari permukaan sebuah benda oleh material lain yang lebih keras. Ada dua kategori keausan ini, yaitu:1. Two body abrasionKeausan ini disebabkan oleh hilangnya material karena proses rubbing (penggarukan) oleh material lain yang lebih keras dibanding material yang lain. Sehingga mateial yang lunak akan terabrasi. Contohnya pada proses permesinan, antara laincutting, atau turning seperti pada Gambar dibawah ini. 2. Three body abrasionAus yang disebabkan proses galling sehingga serpihan hasil gesekan yang terbentuk (debris) mengeras serta ikut berperan dalam hilangnya material karena proses gesekan yang terjadi secara berulangulang. Jadi pengertian tiga benda disini adalah dua material yang saling bergesekan dan sebuah benda serpihan hasil gesekan. Sedangkan pada keausan dua benda, debris atau serpihan hasil gesekan tidak ada. Dibawah ini merupakan gambar perpindahan material karena adhesive wear yang menghasilkan formasi penggarukan sehingga menyebabkan abrasif wear. Selain itu gambar dibawah ini adalah ilustrasi keausan jenis adhesif yang terjadi pada sheet metal forming antara tool dan logam lembaran yang berlanjut dengan keausan abrasif.

Debris berasal dari logam lembaran yang teradhesi pada permukaan alat cetak, kemudian karena proses pembentukan yang terjadi, serpihan ini akan menggaruk permukaan pelat, sehingga terjadilah keausan secara abrasif. c. Surface fatigue wearKeausan lelah pada permukaan pada hakikatnya bisa terjadi baik secara abrasif atau adhesif. Tetapi keausan jenis ini terjadi secara berulang-ulang dan periodik. Hal ini akan berakibat pada meningkatnya tegangan geser. Pada Gambar 10 mengilustrasikan tentang pertumbuhan retak pada permukaan benda. Ketidaksempurnaan dalam struktur material salah satu penyebabnya adalah lokasi yang kosong yang ada dalam susunan butir pembentuk material. Gambar diatas merupakan Ilustrasi dari proses subsurface pertumbuhan retak. Karena tekanan yang terjadi selama gesekan antara dua benda, maka lubang yang ada akan melebar. Proses berikutnya adalah menyatunya lubang yang telah melebar tadi menjadi alur retak sehingga perambatan retak yang terjadi akan mengakibat terlepasnya permukaan menjadi debris. d. Tribo chemical wearKeausan kimiawi merupakan kombinasi antara proses mekanis dan proses termal yang terjadi pada permukaan benda serta lingkungan sekitarnya. Dibawah ini merupakan model interaksi antara agen korosif dan permukaan yang rusak.

Sebagai contoh, proses oksidasi yang sering terjadi pada sistem kontak luncur (sliding contact) antar 2logam. Proses ini lama kelamaan akan menyebabkan perambatan retak dan juga terjadi abrasi. Peningkatan suhu dan perubahan sifat mekanis pada asperiti adalah akibat dari keausan kimiawi. Keausan jenis ini akan menyebabkan korosi pada logam. Interaksi antara agen korosif dan permukaan yang rusak seperti terlihat dalam Gambar 11. Korosi diawali dengan keausan adhesif yang merusak lapisan film. Sliding yang terus menerus akan menghilangkan lapisan. Karena adanya bahan yang reaktif maka korosi berlangsung dengan cepat.D. Fracture toughness Fracture toughness merupakan kemampuan meterial untuk menahan beban deformasi yang terjadi akibat retak dengan memperhatikan faktor cacat material, geometri material, kondisi pembebanan, dan tentunya property material yang digunakan. Pengertian yang lebih mudah fracture tughness bisa disebut sebagai ketangguhan retak suatu material untuk mengevaluasi kemampuan komponen yang mengandung cacat untuk melawan fracture( pecah/patah). Besarnya nilai fracture toughness dipengaruhi oleh ketebalan suatu material, semakin tebal suatu material maka nilai fracture toughness akan semakin besar akan tetapi jika tebal material melebihi batas kritis maka akan menyebabkan nilai fracture toughness cenderung konstan. Ketebalan suatu material dipengaruhi oleh kondisi pembebanan, jika beban yang diberikan merupakan plane strain (regangan/ tarikan ) maka akan membutuhkan nilai ketebalan yang lebih besar, sedangkan jika beban yang diberikan merupkam plane stress (tekanan) maka membutuhkan nilai ketebalan yang relatif kecil.E. BiokompabilitasBiokompabilitas 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 pemasanganya di luar biasanya mempersyaratkan biokompabilitas dan strength atau fleksibilitas tertentu.Sedangkan untuk material yang implan 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.

D. Kesimpulan1. Aplikasi biomedis penggunaan keramik mulai dikembangkan pada akhir 1960-an. seperti karya Hulbert dan rekan kerja (Hulbert et al. 1982-1983). Pada tahun 1970-an dan awal tahun 1980 mengalami perkembangan yang signifikan di bidang biokeramik dan juga telah berbagai simposium di berbagai tempat internasional (Bonfield, Hastings, dan Tanner 1991; Ravaglioli dan Krajewski 1992; Fishman, Clare, dan Hench 1995).2. Pengembangan aplikasi bahan keramik dalam biomedis memiliki kecenderungan di ortopedi dan kedokteran gigi. Biokeramik ortopedi memberikan keuntungan kimia untuk bahan tulang alami. Sedangkan, aplikasi gigi untuk keramik yang menarik karena adanya kesamaan kimia antara keramik rekayasa dan bahan penyusun alami gigi. 3. Strain,stress,fracture toughness,korosi, ,friction dan wear merupakan sifat-sifat dari biomaterial. Untuk mengetahui kualitas suatu bahan, perlu mengetahui sifat-sifat biomaterial.E. Daftar Pustakahttp://etd.ugm.ac.id/index.php?mod=download&sub=DownloadFile&act=view&typ=html&file=284268.pdf&ftyp=potongan&tahun=2014&potongan=S1-2014-284268-chapter1.pdfhttp://etd.ugm.ac.id/index.php?mod=download&sub=DownloadFile&act=view&typ=html&file=276310.pdf&ftyp=potongan&tahun=2014&potongan=S2-2014-276310-chapter1.pdfJames F. Shackelford , 2005. Advanced Ceramics: Bioceramics; Published: Taylor & Francis e-Library.Ter Haar, R. (1996). Friction in sheet metal forming, the influence of (local) contact conditions and deformation. Ph.D. thesis, University of Twente, Enschede, the Netherlands.Williams, D. F. (1987). Definitions in Biomaterials. Proceedings of aConsensus Conference ofthe Society for Biomaterials. Chester. England. 3-5 Maret 1986. Volume 4. New York: Elsevier