Ceramic Biomaterials

Biomaterial memainkan peranan penting dalam banyak aspek pada pencegahan dan terapi pada dunia kesehatan. Mereka memainkan peran yang penting dalam pengembangan dari alat-alat kesehatan, prostheses, pendistribusi obat (drug delivery system), teknik diagnostik., perbaikan jaringan (tissue) dan replacement technology. Karena memiliki potensial yang besar dalam peningkatan kualitas hidup, biomaterial merupakan fokus utama pada bidang riset / penelitian di seluruh dunia. Definisi dari biomaterial amatlah banyak, ada beberapa definisinya, antara lain:

• Biomaterial menurut Black adalah material pasif yang digunakan dalam dunia kesehatan, yang akan diinteraksikan dengan sistem biologi.
• Menurut William adalah material yang digunakan pada sistem biologi untuk mengevaluasi, mengobati, atau mengganti sel-sel, organ, atau fungsi tubuh.
• Menurut Park dan Bronzio adalah material sintetis yang digunakan untuk mengganti bagian sistem atau fungsi tubuh yang dihubungkan langsung dengan sel-sel hidup.

Biomaterial secara umum dapat diartikan sebagai material yang ditanam di dalam tubuh manusia untuk pengganti jaringan atau organ tubuh yang terserang penyakit ataupun yang rusak atau cacat.

Biomaterial memiliki banyak fungsi, seperti pada aplikasi dental, katup jantung, lapisan hidroksi apatite pada implan pangkal paha dan sebagai pendistribusi obat yaitu konstruksi dengan produk impregnated pharmaceutical sehingga dapat memperpanjang waktu pendistribusian obat ke dalam tubuh. Biomaterial sendiri diklasifikasikan menjadi 4, yaitu:

1.  Biomaterial logam

Pada saat ini, biomaterial logam yang banyak diteliti ddan dikembangkan adalah biomaterial logam mampu luruh. Biomaterial logam mampu luruh merupakan paduan logam yang ditanamkan ke dalam jaringan tubuh yang diharapkan mampu terdegradasi secara alami karena keberadaannya tidak diperlukan secara permanen dalam tubuh, contohnya seperti stent jantung. Sejauh ini telah dikembangkan dua jenis biomaterial logam yaitu paduan magnesium dan paduan besi.

2.  Biomaterial polimer (biopo­­­­lymer)

Selulosa dan starch, protein dan petida, serta DNA dan RNA adalah contoh dari biopolimer yang diproduksi oleh organisme hidup, dimana unit monomernya adalah gula, asam amino dan nukleotida. Selulosa adalah biopolimer yang paling umum dan juga merupakan senyawa organik yang paling banyak di bumi.

3.  Biomaterial keramik (bioceramic)

Ini merupakan fokus pembahasan pada paper, dimana keramik dikenal sebagai sintesis anorganik, solid, material kristalin. Keramik yang digunakan sebagai biomaterial untuk mengisi cacat pada gigi atau tulang, untuk melengkapi grafit tulang, patahan, atau prostheses pada tulang dan untuk menggantikan jaringan yang rusak disebut biokeramik. Biokeramik harus memiliki sifat biokompatibilitas yang tinggi dan antithrombogenic, harus tidak beracun, tidak beralergi, tidak memiliki sifat karsinogen atau tetratogen dan tahan lama. Biokeramik dapat diklasifikasikan menjadi 3 grup, yaitu: bioinert keramik, bioaktif keramik dan bioresorbable keramik.

4.  Biomaterial komposit

Merupakan kombinasi material yang direkayasa untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan dalam memenuhi kriteria sebagai biomaterial.

Berikut ini merupakan kelebihan dan kekurangan serta aplikasi dari masing-masing jenis material:

Material	Kelebihan	Kekurangan	Contoh
Logam	Kuat, tangguh, ductile	Dapat terkorosi, berat jenis besar, proses pembuatannya sulit	Tulang sendi, akar gigi buatan, pelat dan sekrup tulang
Polimer	Kenyal, mudah diproduksi	Tidak kuat, mudah terdeformasi, dapat terdegradasi	Benang bedah, pembuluh darah, sel-sel yang halus, sendi pinggul
Keramik	Biokompatibilitas tinggi	Rapuh, tidak kenyal, tidak kuat ditekan	Gigi buatan dan tulang buatan
Komposit	Kuat, dapat disesuaikan bentuknya	Proses pembuatannya sulit	Bone cement, dental resin

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 (Billote, 2003). Sifat biokeramik antara lain tidak beracun, tidak mengandung zat karsinogenik, tidak menyebabkan alergi, tidak menyebabkan radang, memiliki biokompatibilitas yang baik dan tahan lama.

Kelebihan biokeramik adalah biokeramik memiliki biokompatibilitas yang baik dengan sel-sel tubuh dibandingkan dengan biomaterial polimer atau logam (Billote, 2003). Oleh karena itu, biokeramik digunakan untuk tulang, persendian, dan gigi (Billote, 2003). Biokeramik juga digunakan untuk melapisi biomaterial logam (Desai et. al, 2008). Selain itu, biokeramik juga digunakan sebagai penguat komponen komposit, dengan menggabungkan kedua sifat material menjadi material baru yang memiliki sifat mekanis dan biokompatibilitas yang baik. Struktur keramik juga dapat dimodifikasi dengan tulang alami dengan tingkat porositas yang beragam (Hench dan Wilson, 1993). Biokeramik juga memiliki kelemahan, antara lain sangat rapuh, kekuatan rendah, dan kerap dipandang material yang lemah. Biokeramik dapat diklasifikasikan sebagai berikut:

1.  Bioaktif keramik

Bioaktif keramik memiliki stabilitas kimia yang tinggi dalam tubuh dan ketika diimplan pada tulang yang hidup dapat berinkorporasi pada jaringan tulang mengikuti pola dari kontak osteogenesis.  Dengan kata lain, bioaktif keramik memiliki sifat osteoconduction dan kapabilitas untuk berikatan kimia dengan jaringan tulang yang hidup. Kekuatan mekanis dari bioaktif keramik umumnya lebih rendah dibandingkan bioinert keramik. Contoh materialnya adalah hidroksi apatite, bio–glass, A-W glass. Contoh aplikasinya untuk pelapisan pada metal bone implants dan sebagai fillers pada dental implants.

2.  Bioinert keramik

Bioinert keramik seperti namanya menghasilkan minimal respon pada tubuh. Bioinert keramik tidak menyebabkan perubahan baik dari segi kimia maupun fisik dalam tubuh. Sel membetuk kapsul serabut yang tidak menempel pada sekitar implan. Implan ini memiliki kekuatan kompresi yang tinggi, ketahanan aus yang tinggi dan bioinertness. Contoh materialnya adalah Alumina (Al₂O₃), Zirconia (ZrO₂) dan pyrolytic carbon. Contoh aplikasinya femoral head in hip replacements dan dental implants.

3.  Bioresorable keramik

Bioresorable keramik dapat diserap dalam tubuh dan tergantikan oleh tulang pada jaringan tulang. Pola dari inkorporasinya pada jaringan tulang sama dengan kontak osteogenesis walaupun antarmuka antara bioresorable keramik dengan tulang tidak stabil. Contoh materialnya adalah β-tricalsium fosfat, hidroksi apatite, karbonat, kalsium karbonat. Contoh aplikasinya untuk perbaikan tulang.

 

Alumina (Al₂O₃)

Sejak abad ke-17, lebih dari 2,5 juta implant femoral heads diciptakan dengan lebih dari 3000 implan yang sukses diaplikasikan sejak tahun 1987 dibawah pengawasan FDA (Food and Drug Administration). Alumina dengan kemurnian tinggi (>99,5%), biasa digunakan pada tulang (femoral head, bone screws dan  bone plate, pelapisan porous  untuk  femoral stems,  porous spacers, knee prosthesis) dan gigi (crowns dan bridges). Hal ini karena alumina memiliki sifat-sifat, seperti:

• Ketahanan korosi sangat baik.
• Biokompatibilitas baik.
• Ketahanan aus tinggi.
• Ketahanan retak tinggi.

Sifat (properties) Alumina (Al2O3)	Alumina Komersial Berkadar Tinggi	Standard ISO 6474	Standard ISO terbaru
Kadar Alumina	> 99,7	≥ 99,51	–
Kadar Aditif	< 0,02	< 0,1	–
Densitas	3,98	–	≥ 3,94
Ukuran butir rata-rata	3,6	< 7	< 4,5
Kekerasan (HV)	2400	> 2000	–
Bending Strength (Mpa)	595	> 400	> 450

Sifat mekanik alumina tergantung pada ukuran butir (densitas), misalnya pada persentase aditif. Dimensi butir >7 µm dapat menyebabkan menurunnya sifat mekanik sebesar ± 20 %. Sedangkan kriteria yang diharapkan adalah butir berukuran < 4 µm dan kemurnian > 99,7 %.

Sifat Al2O3 Lainnya
Kekasaran permukaan akhir (µm)	0,02
Compressive Strength (MPa)	4000 – 4500
Modulus Young (GPa)	380 – 420
Fracture Toughness (MN/m 3/2)	4,0 – 6,0
Implant Strength (Nc n/cm2)	40 – 50

 

Contoh proses produksi (komponen hip joint)

Produksi komponen sambungan persendian (hip joint) berdasarkan standar DIN 58 835, ASTM F603-83 dan ISO 6474 mengggunakan femoral ball head yang terbuat dari keramik alumina (Al₂O₃) dengan kemurnian tinggi yang didoping oleh magnesium okisda (MgO). Untuk tujuan ini, bola dengan conical bore dihubungkan ke stem dengan suatu taper fitting (metal cone). Ukuran ball head distandardisasi dengan diameter 22-56 mm.

Produksi biokeramik pada dasarnya sama dengan memproduksi keramik rekayasa (engineering ceramics) kualitas tinggi, yang melibatkan beberapa tahapan:

1. Persiapan Bahan Baku

Untuk memenuhi FDA (Food & Drug Administration), sebelum pemrosesan keramik, bahan baku harus melalui pemeriksaan / pengujian dengan sangat teliti mengenai kemurnian kimiawi, batasan ppm, specific surface, dan distribusi ukuran butir.

2. Pembentukan

Keramik ball heads diproduksi dari silinder yang di-press secara uni-aksial. Conical bore dan bentuk dari ball head dibentuk melalui proses machining. Pemrosesan material ini fleksibel dan jumlah impurities akan dikurangi sampai tingkat terendah.

3. Firing

Firing material dilakukan pada suatu furnace di atas 1500^oC. Karena tekanan parsial O₂ tinggi, dan masih adanya pengaruh dari impurities, maka warna yang dihasilkan oleh medical grade alumina kualitas tinggi bukanlah putih, melainkan berwarna seperti gading Namun, sterilisasi dengan menggunakan sinar gamma, warna yang awalnya seperti gading berubah menjadi coklat muda yang merupakan tanda dari material kualitas tinggi. Setelah pengujian densitas dan grain size, ball head siap dilakukan proses machining.

4. Machining

Ball head dituntut untuk memiliki toleransi bentuk dan dimensi. Beban fracture dari ball head tergantung dari kualitas cone yang digunakan untuk tapper fitting pada femoral ball head dengan metal stem. Hip joint merupakan persendian antara ball dan socket yang diberi pelumas berupa fluida synovial. Beberapa tuntutan hanya dapat dipenuhi jika ball head dilakukan grinding dengan diamond tools dan pemolesan (polishing) dengan suspensi diamond.

5. Kontrol mutu

Inspeksi ball head pada tahapan akhir ini untuk memenuhi rekomendasi GMP yang berhubungan dengan spesifikasi standar nasional dan internasional, terutama ISO 9001 dan spesifikasi pengujian customer. Tahapan control mutu ini meliputi pengawasan kualitas secara komprehansif, meliputi:

1. Crack dan porositas menggunakan metode penetrasi dengan keefektifan tinggi.
2. Verifikasi dimensi yang telah ditentukan dari cone dan spherisitas.
3. Inspeksi visual.

 

Keuntungan menggunakan alumina

• Akibat energi permukaan yang tinggi, memudahkan dalam pencapaian permukaan yang sangat halus.
• Dengan sifatnya yang bioinert, alumina memiliki biokompatibilitas yang tinggi.
• Dengan permukaan yang datar (tidak) menonjol keluar, hanya berorder 0,01 µm.
• Koefisien gesekan pada sambungan semakin menurun seiring dengan berjalannya waktu bila dibandingkan dengan natural joint.
• Karena adanya penyerapan oleh molekul biologis, suatu lapisan seperti cairan dapat terbentuk, sehingga dapat memberikan pelumasan pada komponen, dengan mengurangi kontak langsung dari dua permukaan.

 

Kerugian menggunakan alumina

• Dapat terjadi failure (kegagalan) pada interface.
• Gesekan dan keausan dari dua permukaan dapat dipicu oleh pergerakan komponen acetabular.