BIOMATERIALS

1. PengertianBiomaterials merupakan material sintesis yang dipakai untuk mengganti bagian dari sistem hidup atau untuk berfungsi secara terikat dengan jaringan hidup. Biomaterials pada dasarnya adalah material dari bahan hayati; setiap substansi (selain obat) atau kombinasi substansi, sintesis atau alami, yang dapat dipakai pada perioda waktu tertentu, sebagai bagian atau keseluruhan sistem yang memperlakukan, menggandakan, atau mengganti setiap jaringan, organ, ataupun fungsi tubuh. Walaubagaimanapun, seperti yang dikatakan Prof.Kunio, biomaterials memiliki beberapa kekurangan. Tidak seperti organ yang memiliki fungsi kompleks, biomaterial hanya memiliki fungsi tunggal. Kemudian, Respon jaringan terhadap biomaterial biasanya berupa respon toksis (toxic response) dan respon asing tubuh (foreign body response).

Pada rekonstruksi tulang cacat, material yang dapat diintegrasikan dengan tulang diantaranya Titanium (Ti), Apatite (Ca10(PO4)6(OH)2), dan Bone Morphogenic protein (BMP). Pada pemakaian Ti, tulang akan terbentuk dengan lambat, jaringan benang akan perlahan teramati diantara tulang dan material. Pada pemakaian apatite, tulang akan terbentuk secara cepat, material akan bergabung langsung dengan material. Pada pemakaian BMP, sel lemak akan terdeferensiasi, merupakan faktor tumbuh yang menginduksi tulang pada daerah tidak bertulang. Prosedur untuk merekonstruksi tulang cacat diantaranya autograft, allograft, dan xenograft. Pengisi tulang buatan (Artificial bone filler) diantaranya hydroxyapatite (sama seperti tulang manusia) dan carbonateapatite (komposisi tulang manusia). Pada reaksi kimiawi, carbonate apatite merupakan fasa paling stabil secara termodinamika. Jaringan keras pada makhluk bertulang belakang (vertebrate) adalah apatite. pembentukan blok carbonate apatite diantaranya pembentukan blok kalsium karbonat yang kemudian bertransformasi menjadi carbonate apatite. 

Dalam kuliah singkatnya, Prof.Kunio berpesan bahwa kunci sukses dalam riset biomaterial adalah kolaborasi erat antara engineer, chemist , dan dokter.http://www.itb.ac.id/news/2348.xhtml

1.1 Latar Belakang MasalahPermintaan dan penggunaan biomaterial berbasis logam

meningkat tajam akhir-akhir ini. Perubahan piramida umur penduduk dunia dengan meningkatnya jumlah penduduk dunia yang lanjut usia serta tingginya angka kecelakaan baik darat, laut dan udara merupakan sebab utama peningkatan tersebut. Sebagai gambaran, permintaan dan penggunaan biomaterial dari logam mencapai US$ 212,8 juta pada tahun 2008, bahkan penggunaan biomaterial dari logam sebagai pengganti tulang pangkal paha akan mencapai jumlah 272.000 buah pada tahun 2030. Kebanyakan dari biomaterial yang digunakan untuk gigi dan pengganti tulang atau ortopedik.  Biomaterial sebagai pengganti tulang atau gigi ini bersifat permanen sehingga logam dan alloy yang mempunyai ketahanan korosi yang tinggi yang bisa digunakan.

1.2 Rumusan MasalahAdapun rumusan masalah penulisan makalah ini adalah:

1.     Apa yang dimaksud dengan Biomaterial?2.     Apakah yang dimaksud dengan biomaterial berbasis logam ?

1.3 TujuanTujuan penulisan makalah ini adalah untuk mengetahui:

1.     Pengertian  Biomaterial2.     Pengertian Biomaterial berbasis logam

BAB II

Pembahasan

2.1 Biomaterial2.1.1  Pengartian 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 darispesialisasi 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 denganmeningkatnya kebutuhan manusia akan tingkat kehidupan yang lebih baik.

2.1.2    Jenis Biomaterial2.1.2.1              Biomaterian 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.

Tabel 2.1.2.1 Material yang digunakan untuk aplikasi ortopedi.MATERIAL APLIKASI

LOGAM DAN PADUANNYA

316L stainless steel

CP-Ti, Ti-Al-V, Ti-Al-Nb, Ti-13Nb-13Zr, Ti-Mo-Zr-Fe

Co-Cr-Mo, Cr-Ni-Cr- Mo

Ni-Ti

Fiksasi retak (fracture fixation), stents, instrument BedahPengganti tulang dan sendi, fiksasi retak, implantasidenta Pengganti tulang dan sendi, implantasi dental,

perbaikan protesa dental, pompa jantungl, pacemaker encapsulation

Pelat tulang, stents, kawat orthodontiPOLIMER

Polietilen

Polipropilen, Poliamida

PET

PVC

PMMA

Pengganti tulang sendi

Benang jahit

Benang jahit, pembuluh darah buatan

Tubing

Pengganti tulang sendi (bone cements)

KERAMIK DAN GELAS

Alumina, Zirconia

Calcium phosphates

Bioactive glasses

Pengganti tulang sendi

Perbaikan dan penambah tulang, pelapisan permukaan pada logam

Pengganti tulangKOMPOSIT

BIS-GMA-quartz/silica filler

PMMA-glass fillers

Restorasi dental composite

Dental cements

a.     LogamSebagai 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, sertapaduan cobalt-base (tabel 2.1.2.1)

b.     PolimerBerbagai 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 (tabel 2.1.2.1). Material polimer untuk biomaterial ini juga digunakan untuk bahan perekat medis dan penutup, serta pelapis yang digunakanuntuk berbagai tujuan.

c.      KeramikKeramik 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. Seperti yang terlihat pada tabel 2.1.2.1 diatas, material keramik sedikit digunakan untuk pengganti tulang sendi (joint replacement), perbaikan tulang (bone repair) dan penambahan tulang (augmentation).

d.     KompositSeperti yang terlihat pada tabel 2.1.2.1, 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 menampakkanadanya 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.

2.1.2.2         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 yangsering 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 darikolagen 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).2.2 Biomaterial berbasis Logam2.2.1 Syarat utama biomaterialSyarat yang paling dasar adalah sifat anti karat yang tinggi. Tapi, bukan itu yang paling utama. Sifat yang utama yang harus dipunyai oleh biomaterial berbasis logam adalah kesuaian dengan sel hidup (excellent biocompatibility), karena biomaterial ditanam dalam tubuh atau mulut serta berhubungan langsung dengan sel hidup tubuh. Logam tersebut tidak boleh melepaskan ion-ion yang bersifat racun atau karsinogen bagi sel dan tubuh manusia. Bahkan akhir-akhir ini penggunaan baja tahan karat jenis 304 (campuran logam Fe-18%Cr-8%Ni) berkurang untuk penduduk berkulit putih karena ion nikel yang lepas dari baja  tersebut dapat menyebabkan alergi.Pengembangan jenis logam baru untuk kegunaan biomaterial harus melalui uji biocompatibility yang sangat ketat. Uji In-Vitro dan In-Vivoharus dilaksanakan dan memang ada data sah yang menyatakan bahwa bahan tersebut tidak berbahaya untuk sel dan tubuh manusia. Oleh karena syarat serta ujian yang sangat ketat, jenis-jenis biomaterial yang sudah layak untuk komersialisasi sangat terbatas seperti biomaterial dari besi, cobalt atau titanium.Baja Tahan Karat

Contoh penggunaan biomaterialBaja tahan karat merupakan biomaterial generasi awal karena sifat ketahanan karat, mudah diproduksi dan harganya yang murah. Tidak semua jenis baja tahan karat dapat digunakan sebagai biomaterial, biasanya baja tahan karat yang mempunyai matrik austenite saja yang digunakan seperti baja tahan karat 304 dan 316. Baja tahan karat 316 merupakan derivasi baja tahan karat 304 (Fe-18%Cr-8%Ni) dengan penambahan maksimal 2% Mo. Bahan ini tidak terlalu baik untuk biomaterial karena mudah terserang korosi yang sifatnya lokal seperti korosi batas butir atau pelubangan (pitting). Ditambah lagi, adanya keluhan dari pasien dari bangsa kulit putih yang merupakan efek samping akibat pelepasan ion nikel dari baja tersebut.

Dalam dekade terakhir, ada penemuan yang berusaha untuk memperbaiki sifat baja tahan karat jenis austenit. Penggunaan unsur nitrogen (N) menunjukan bahwa jumlah nikel dapat dikurangi bahkan dihilangkan tanpa mengurangi kestabilan fasa austenit. Penggunaan nitrogen ini ternyata meningkatkan ketahanan korosi baja tersebut. Tapi, baja tahan karat ini masih dalam proses pengembangan.Alloy Co-CrKomposisi campuran ini adalah Co-(26~30)%Cr-(5~7)%Mo. Ada dua jenis campuran logam ini yang digunakan sebagai biomaterial yaitu campuran logam Co-Cr cor dan campuran logam Co-Cr tempaan. Ciri utama campuran logam Co-Cr cor adalah mempunyai kandungan karbon yang tinggi. Kandungan ini menyebabkan pembentukan karbida (M23C6) yang besar sehingga campuran logam ini mempunyai ketahanan haus yang lebih baik daripada campuran logam Co-Cr tempaan. Campuran logam ini banyak digunakan untuk aplikasi gigi palsu.Sebaliknya, campuran logam Co-Cr tempaan mempunyai kandungan karbon yang rendah. Tetapi, ini bukan berarti biomaterial ini mempunyai sifat fisika atau sifat mekanik yang rendah. Campuran logam ini melalui proses pemanasan serta deformasi baik suhu tinggi dan suhu kamar maka mikrostrukturnya lebih kecil dan seragam. Sifat mekanik bahan ini lebih baik seperti kekuatan tarikan, pemanjangan kecuali sifat ketahanan haus.TitaniumMungkin biomaterial ini yang penggunaannya meningkat tajam. Bahan ini mempunyai kekuatan yang tinggi, ringan dan ketahanan korosi yang baik. Bahkan, sifat ketahanan korosi ini lebih baik bila dibandingkan dengan campuran logam Co-Cr apalagi dengan baja tahan karat. Lapisan titanium oksida tipis yang melapisi bahan ini membuat korosi pada bahan ini tidak dapat berlanjut lagi. Pada awal, titanium murni (CP Ti; commercially pure Ti) dan campuran logam Ti-6%Al-4%V banyak digunakan. Tetapi, kedua bahan ini mempunyai kelemahan untuk digunakan sebagai biomaterial. Titanium murni mempunyai struktur Kristal HCP (Hexagonal Close-Packed) sehingga mempunyai modulus Young yang tinggi (120GPa) padahal modulus Young tulang hanya 30GPa. Ini akan mengakibatkan stress shieldingdan tulang akan rusak serta kerusakan pada tulang pangkal paha yang palsu. Selain itu, campuran logam Ti-6%Al-4%V juga masih mempunyai struktur HCP sehingga tulang akan mendapatkan masalah. Di tambah lagi, ion Al dan ion V ditemukan berbahaya untuk sel dan sistem syaraf manusia. Untuk mengatasi masalah di atas, banyak campuran logam baru dibuat meskipun menggunakan unsur-unsur yang susah didapat. Campuran logam yang telah dikembangkan serta digunakan adalah campuran logam Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr, campuran logam Ti–12Mo–6Zr–2Fe (TMZF), campuran logam Ti–35Nb–7Zr–5Ta(TiOsteum). Campuran logam ini telah dikembangkan secara bersamaan di Amerika Serikat dan Jepang. Konsep pengembangan campuran

logam in adalah peningkatan stabilitas fasa BCC (Body Centered Cubic) pada campuran logam tersebut baik suhu tinggi dan suhu kamar. Dengan stabilnya fasa BCC maka modulus Young biomaterial dari titanium akan mendekati modulus Young tulang.

BAB IIIPenutup

Kesimpulan

Biomaterial berasal dari alam dan sintetik. Tujuan penggunaan biomaterial ini adalah untuk meningkatkan kualitas hidup seseorang sehingga mencapai taraf kesehatan yang lebih baik. Penggunaan biomaterial berbasis logam akan terus meningkat karena keadaan penduduk di dunia. Hal yang paling penting adalah proses pengembangan dan riset terhadap campuran logam-campuran logam baru berdasarkan kebutuhan dan sifat yang diperlukan. Kemudian, pengawasan serta uji coba terutama biocompatibility sangat perlu diperhatikan karena biomaterial tersebut akan ditanam dan digunakan dalam tubuh manusia yang sangat rentan terhadap racun dan ion-ion yang dikeluarkan oleh logam tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

www.pustaka.unpad.ac.id/…/makalah_...Diambil pada hari kamis 27 Nopember 2014 pada pukul 13.00

Amizamroni-3.blogspot.com/2010/06/biomaterial-berbasis-logam.html?m=1

Diambil pada hari sabtu 29 Nopember 2014 pada pukul 17.00

http:www.infometrik.com/2009/08/biomaterial-berbasis-logam/diambil pada hari jumat 28 Nopember 2014 pada pukul 10.00