Biomaterial sudah sejak lama digunakan. Pada zaman Mesir kuno dan Phoenic, gigi yang lepas digantikan dengan gigi buatan yang diikatkan dengan kawat emas ke gigi yang berada disebelahnya (Park et. Al, 2000) dan pada awal 1900-an, pelat tulang digunakan untuk menyangga tulang yang patah dan untuk mempercepat penyembuhan tulang (Ben – Nissan, 2004).[1]Biomaterial menurut Black adalah material pasif yang digunakan dalam dunia kesehatan, yang akan diinteraksikan dengan system biologi. Menurut William adalah material yang digunakan pada sistem biologi untuk mengevaluasi, mengobati, atau mengganti sel-sel, organ, atau fungsi tubuh. Dan menurut Park dan Bronzio adalah material sintetis yang digunakan untuk mengganti bagian sistem atau fungsi tubuh yang dihubungkan langsung dengan sel-sel hidup. Secara umum biomaterial dapat diartikan sebagai material yang ditanam di dalam tubuh manusia untuk pengganti jaringan atau organ tubuh yang terserang penyakit ataupun yang rusak atau cacat.[1]
Semua jenis material dapat digunakan, yaitu logam, keramik, polimer, komposit, dan semikonduktor, dengan syarat material yang digunakan tidak beracun dan tidak mengganggu jaringan-jaringan lain dalam tubuh manusia. [2]
Sifat
Keramik merupakan material padat, campuran inorganik yang terdiri dari elemen-elemen metalik dan nonmetalik terikat bersama melalui ikatan ionik atau kovalen. Sebagian besar keramik termasuk ke dalam campuran-campuran seperti silika (SiO2) dan alumina (Al2O3). Bila diproses secara tepat sehingga memiliki kemurnian tinggi, mereka menunjukkan biokompatibilitas yang sempurna (satu fungsi dari insolubilitas dan inertnesskimia) dan ketahanan wear yang tinggi (keras, licin, permukaan hidrofilik). Material keramik merupakan material yang sangat kaku dan brittle, namun sangat kuat di bawah beban kompresi. Dalam orthopedi, keramik merupakan material yang baik untuk dua aplikasi yang sangat berbeda. Pertama, termasuk penggunaannya dalam komponen-komponen arthroplastisendi total sebagai keramik penuh, seperti alumina dan zirkonia, dengan ke-inert-an dan ketahanan wear yang lebih superior dibandingkan alloy-alloy metalik. Kedua, termasuk pemakaian keramik, sepert ikalsium fosfat dan bioglass (SiO2-Na2O-CaO-P2O5), sebagai pengganti graft tulang dan sebagai selubungan osteokonduktif untuk implan-implan metalik, memungkinkan permukaan-permukaan di mana tulang akan berikatan dengan peralatan tersebut. Keberhasilan dan keterbatasan keramik pada aplikasi-aplikasi tersebut dapat dipahami melalui pertimbangan akan ikatan-ikatan, struktur, dan sifat-sifat mereka.[4]
Struktur mikro keramik
Kebanyakan keramik memiliki struktur mikro poligranuler yang sama seperti alloy metalik. Sifat-sifat keramik tercatat luas karena karakteristik mikrostrukturnya, termasuk ukuran grain, porositas, dan tipe dan distribusi fase-fase dalam masing-masing grain. Sebagaimana halnya dengan alloy metalik, struktur mikro keramik dapat diubah secara bermakna melalui teknik-teknik pemrosesan thermal.
Satu teknik tersering fabrikasi material keramik adalah mencampur partikel-partikel halus dari material dengan air dan satu pengikat organik dan menekan mereka ke dalam satu mold untuk membentuk sesuai yang diinginkan. Selanjutnya dikeringkan melalui pemanasan untuk menguapkan airnya dan membakar habis bahan pengikatnya. Bagian ini kemudian di-fired atau sintered pada satu temperatur yang lebih tinggi. Proses ini menjadikannya densifikasi sebagaimana partikel-partikel masuk ke dalam kontak dekat yang terarahkan oleh mekanisme-mekanisme seperti difusi, evaporasi, dan kondensasi yang mengurangi energi permukaan total dalam bagian itu. Sebagaimana halnya dengan casting alloy metalik, mikro struktur yang terjadi (sehingga juga sifat-sifatnya) dari bagian keramik akan bergantung pada kontrol dari variabel-variabel kunci dalam pemrosesannya. Sebagai contoh, strength adalah berbanding terbalik secara proporsional baik dalam hal ukuran grain maupun porositas. Ukuran grain dapat dikontrol melalui ukuran awal partikel-partikel yang akan diguneakan membentuk bagian, di mana semakin kecil ukurannya maka semakin kecil ukuran graingrain akan meningkat selama pemrosesan berlangsung, di mana porositas akan dikurangi, sehingga sintering time adalah sangat penting.[4] yang didapat. Bagimanapun, ukuran
Biokeramik
Keramik adalah material logam dan non logam yang memiliki ikatan atom ionik atau ikatan ionik dan ikatan kovalen.[3] 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 karsinogik, itdak menyebabkan alergi, tidak menyebabkan radang, memiliki biokompatibel yang baik, tahan lama. [1]
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 biokompatibel yang baik. Struktur keramik juga dapat dimodifikasi dengan tulang alami dengan tingkat porosity yang beragam (Hench dan Wilson, 1993). Biokeramik juga memiliki kelemahan, antara lain sangat rapuh, kekuatan rendah, dan kerap dipandang material yang lemah.[1]
Biokeramik dapat diklasifikasikan sebagai berikut: [1]
| Reaksi sel – implant | Akibat | Contoh |
| Bioinert | Sel membetuk kapsul serabut yang tidak menempel pada disekitar impalnt | Alumina (Al2O3), Zirconia (ZrO2) dan karbon |
| Bioaktif | Sel membentuk ikatan antar muka dengan implant | Hidroksi apatit, bio-glass, A-W glass |
| Bioresorable | Sel mengganti implant | β-tricalsium fosfat, hidroksi apatit karbonat, kalsium karbonat |
Keramik Bioinert
Keramik bioinert adalah material keramik yang interaksi dengan sel-sel disekitarnya sangat sedikit di dalam tubuh manusia. Reaktifitas kimianya rendah, pada waktu yang cukup lama ikatan antar muka dengan sel tubuh juga sedikit (Bhat, 2005). Biokeramik jenis ini memiliki kelebihan yaitu, relatif stabil di dalam tubuh manusia, tidak berbahaya, tahan korosi dan tahan lama.
Kinerja keramik bioinert dalam tubuh dijelaskan sebagai berikut:
Kapsul serabut terbentuk disekitar permukaan implant bioinert dan tidak membuat ikatan dengan tulang. Ketebalan kapsul tergantung dari kompatibeitas sel material bioinert. Semakin baik kompatibelitas sel maka semakin tipis kapsul serabut yang terbentuk. Dengan demikian, fungsi biokeramik ini tergantung pada intergrasi sel dengan implant yang ditanam (Ben – Nissan, 2004).
Contoh keramik jenis ini antara lain keramik single oxide, alumina, zirconia, karbon termasuk ke dalam jenis keramik bioinert. Sedangkan aplikasinya adalah biasa digunakan untuk pelat tulang, sekrup tulang, sendi buatan, katup jantung buatan, dan komponen bongkol tulang paha (Billote, 2003; Li dan Hastings, 1998).
Keramik Bioaktif
Keramik bioaktif adalah keramik yang dapat menciptakan respon biologi di permukaan material, yang akan menghasilkan suatu ikatan antara sel dan material. Pada prosesnya terjadi reaksi kimia tetapi hanya dipermukaan saja (Billote, 2003). Kelemahan material ini antara lain sifat mekanisnya lebih buruk dibandingkan dengan keramik bioinert, kecuali A-W glass yang kekuatannya lebih tinggi daripada cortical bone. Oleh karena itu, keramik bioaktif tidak dapat diaplikasikan untuk implant yang menahan beban seperti implant sendi. [1]
Kinerja biokeramik bioaktif di dalam tubuh yaitu saat implantasi, permukaan keramik bereaksi membentuk ikatan dengan sel-sel terdekat. Permukaan implant bereaksi terhadap perubahan pH sekitar dengan melepas ion Ca2+, Na+, dan K+ dan membentu membentuk ikatan permukaan dengan sel-sel sekitar (Hench dan Wilson, 1993). Reaksi pertukaran antara implant bioaktif dengan cairan tubuh disekitar implant pada beberapa kasus dapat membentuk lapisan CHA (Carbonated Hidroxyapatite) yang menyerupai mineral yang terkandung dalam tulang pada implant (Ben – Nissan, 2004).
Contoh material jenis ini antara lain hidroksi apatit, bioglass, ceravital, keramik A-W glass. Sedangkan aplikasinya adalah untuk pembedahan tulang dan pengisi cacat tulang. Material ini digunakan dalam bentuk blok, material berpori, granula (Hench dan Kokuho, 1998).
Keramik bioresorable
Keramik bioserorable adalah material yang akan berbaur dan lama-lama tergantikan oleh sel-sel baru yang tumbuh di dalam tubuh manusia. Atau dengan kata lain, implant restorable didisain untuk terdegradasi perlahan dan tergantikan oleh sel-sel tubuh yang baru tumbuh. Kelebihan material jenis ini antara lain dapat menghilangkan implant dan digantikan oleh tulang yang dapat berfungsi dengan baik, sehingga dapat mengurangi efek masalah biokompatibilitas. Kinerja keramik bioresorbable yaitu tingkat peresapan material implant harus sesuai dengan tingkat pertumbuhan sel tubuh karena adanya kemungkinan kapasitas penahanan beban implant melemah dan gagal (Hench dan Wilson, 1993).
Contoh material jenis ini antara lain β-trikalsium fosfat, kalsium karbonat, kalsium sulfat, carbonate apatite. Aplikasi material jenis ini adalah untuk membantu penyembuhan tulang karena penyakit atau trauma, pengisi cacat tulang, obat (Billote, 2003).[1]
Proses Produksi Ceramic Biomaterial Mengandung Material Tulang pada Alumina Substrat [5]
Proses pembuatan biomaterial keramik dimana substrate alumina dilapisi dengan lapisan intermediet kalsium pirofosfat untuk menambal pori-pori material kalsium fosfat di keramik alumina substrate. Pori-pori material kalsium fosfat adalah pori-pori yang berasal dari tulang. Lapisan intermediet kalsium pirofosfat dan pori-pori material tulang berikatan.
Processing
- Persiapan dari keramik alumina substrate
Slurry (adonan) disiapkan dengan penggilingan bubuk Alumina bersama dengan binder (bahan pengikat), dispersant, air dll. Sampel dibuat dengan membentuk balok yang didapat dari adukan. Setelah pengeringan, sampel disinterisasi untuk membentuk Sampel alumina keramik substrate padat
- Persiapan Kalsium Metafosfat (CP)
Kalsium Karbonat dan Amonium Bifosfat digiling basah (dengan menggunakan larutan alkohol) di dalam ball mill yang mengandung alumina milling balls. Setelah hasil adonan difilter, hasil adonan tersebut dipanaskan untuk menghilangkan larutan alkohol, kemudian dikeringkan di pemanas pada suhu 70°C selama 24 jam. Bubuk kering dipanaskan di suhu tinggi (800°C) selama 8 jam. Selanjutnya terbentuk bubuk Kalsium Metafosfat yang berbentuk seperti buih / busa.
- Pelapisan Alumina substrate dengan Kalsium Metafosfat (pelapisan pertama)
Komposisi lapisan larutan Kalsium Metafosfat disiapkan dengan mencampur bubuk Kalsium Metafosfat dengan air deionisasi dengan bantuan dispersant pada beragam konsentrasi. Sampel Alumina substrat dilapisi dengan cara mencelupkan didalam larutan Kalsium Metafosfat. Setiap lapisan substrat kemudian disinterisasi sehingga dapat mencapai ikatan yang kuat antara lapisan dan substrat. Sinterisasi berada pada suhu lebih dari 950°C. Kalsium Metafosfat tidak menempel ke alumina substrat sejak temperature sinterisasi lebih kecil dari titik lebur Kalsium Metafosfat. Ketika suhu sinterisasi mencapai 1000°C, Kalsium Metafosfat berikatan kuat dengan Alumina substrat. Ketika suhu sinterisasi naik ke 1050°C , sebuah fasa baru terbentuk yaitu β-Kalsium Metafosfat yang berada di daerah permukaan dari produk sinterisasi. Setelah sekian waktu dipanaskan dengan suhu 1050°C, seluruh Kalsium Metafosfat bertransformasi menjadi β-Kalsium Metafosfat
- Pelapisan substrate dengan komposisi lapisan kedua mengandung Kalsium Metafosfat dengan Hidroksiapatite
CaCO3 dan NH4H2PO4 digiling selama 5 jan di dalam ball mill yang mengandung alumina milling ballsball mill dengan adanya alcohol. Campuran dikeringkan dan digerinda untuk membentuk bubuk. Kemudian bubuk dicampur dengan air deionisasi untuk membentuk komposisi adonan yang memiliki perbedaan konsentrasi solid. Hasil komposisi adonan digunakan sebagai komposisi lapisan kedua yang digunakan pada sampel alumina substrat yang sudah mengandung lapisan dari Kalsium Pirofosfat (first coating) yang memiliki perbedaan ketebalan. Berdasarkan pengamatan menggunakan X-Ray difraksi, bahwa fasa β-Tri Kalsium Fosfat dan fasa β-Kalsium Pirofosfat yang terbentuk di lapisan kedua tergantung pada ketebalan lapisan dari pelapisan pertama dan suhu sinterisasi. dengan larutan alcohol. Setelah campuran dikeringkan dipemanas, Bubuk kering tersebut dipanaskan mencapai 1400°C pada tekanan atmosfer selama 8 jam. Hasilnya adalah Tetracalsium Fosfat atau Hidroksiapatit. Hidorksiapatit dicampur dengan Kalsium Metafosfat dengan perbandingan 1:2 di dalam
Proses untuk memproduksi biokeramik material pada tulang:
- Mempersiapkan keramik alumina substrat
- Membentuk lapisan Kalsium Fosfat pada keramik alumina substrat
- Memanaskan material tulang sampai terbentuk material tulang berpori
- Melapisi material tulang berpori dengan material Kalsium Fosfat
- Menempatkan material tulang berpori yang telah dilapisi pada layer Kalsium Fosfat di Alumina substrat untuk membentuk komposit dan disinterisasi untuk mengikat material tulang berpori ke keramik alumina substrat.[5]
Aplikasi
- Dental Implan
- Orthopedic implans
- Scaffolds for tissue growth
- Coating for chemical bonding
- Coating for tissue ingrowth
- Temporary bone space filler
- Maxxillocial reconstruction[6]
Crystalline Ceramic
Keramik kristalin ini mempunyai mechanical properties yang bagus. Oleh sebab itu biasanya digunakan untuk ditanamkan didalam tubuh manusia pada bagian yang fungsinya untuk menahan beban. Contoh aplikasinya pada hip prostheses dan dental Implan. [7]
Alumina (Al2O3)
Alumina telah digunakan dalam pembedahan tulang lebih dari 20 tahun.
Properties :
- Biocompatibilitasnya bagus
- Koefisian gesekan rendah
- Ketahanan ausnya tinggi
- Kekuatannya tinggi
Aplikasi
- Hip prostheses
- Kneee prostheses
- Dental implants
Porous Ceramic
Merupakan keramik inert, mekanikal stabilitasnya tinggi ketika tulang tumbuh di pori-pori keramik. Biasanya digunakan untuk struktur penghubung atau tempat penggantungan pada formasi tulang. Keramik porous ini hanya digunakan pada aplikasi yang tidak menopang beban dikarenakan kekuatannya yang rendah. Contohnya hydrokxyapatite. [7]
Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2)
Merupakan komponen kristalin utama pada fasa mineral tulang. Encourages pertumbuhan tulang pada sepanjang permukaannya. Hydroxiapatite ini dapat membentuk ikatan fisik dengan tulang setelah di inplankan ke dalam tubuh.
Aplikasinya:
- Scaffolds for tissue growth
- Pengisi tulang yang rusak/cacat
- Coating pada metal implants
Corail® Total Hip System
Tulang paha Corail memiliki kekuatan yang tinggi, alat dari titanium memiliki tekstur permukaan yang kasar, sehingga harus dicoating menggunakan hydroxyapatite. Permukaan yang kasar dari titanium dan hidroxyapatite tetap memungkinkan tulang baru untuk tumbuh di sekitar implant secara biologis tanpa membutuhkan bantuan perekat atau material pembantu lainnya.
Dental Implant
Gigi Implan (Dental Implants) adalah gigi yang terbuat dari bahan titanium berteknologi tinggi yang berfungsi sebagai pengganti akar gigi asli yang hilang. Titanium digunakan karena secara biologis titanium adalah bahan yang dapat beradaptasi dengan tubuh manusia. Gigi implan (Dental Implants) dapat digunakan untuk menggantikan satu atau seluruh gigi yang hilang.
Melalui operasi, gigi implan diletakkan di dalam tulang rahang yang berfungsi sebagai jangkar bagi gigi pengganti. Setelah terbentuk ikatan antara gigi implan dan tulang rahang, gigi implan dapat menjadi penyangga yang kokoh untuk crowns (makhota buatan), bridge (protesa gigi jembatan), ataupun gigi palsu. Umunya biomaterial yang digunakan pada dental implant ini adalah Al2O3, Hidroxyapatite, HA coating, bioactive glasses, endodontic glasses, Ca(OH)2.
Prosedur ini dapat menggantikan satu atau banyak gigi tanpa mempengaruhi gigi di sebelahnya dan dapat menjadi solusi jangka panjang bagi orang yang kehilangan seluruh giginya.[7]
Keuntungan dari sebuah implan adalah
- Tidak perlu ada dua gigi untuk dijadikan penangga.
- Tidak perlu ada pekerjaan pemangkasan gigi untuk memasang mahkota.
- Hanya mengganti gigi yang hilang.
- Bisa dipasang untuk menggantikan beberapa gigi yang hilang. Tidak ada batasan rentang asalkan kesehatan pasien dan tulang rahang baik.
- Gigi mirip seperti gigi asli.
Kendati demikian sistem implan ini juga memiliki kelemahan.
- Biaya lebih mahal.
- Waktu pemasangan relative lebih lama.
- Biaya tidak ditanggung asuransi gigi.
- Pasien akan mengalamai rasa ketidaknyamanan dan penyembuhan relative lebih lama sebelum penanaman akar stabil.[8]
(http://martensite67.wordpress.com/2010/05/16/ceramik-biomaterial/)
Sumber:
[1]Widyastuti. Synthesis and Characterization of Carbonated Hydroxyapatite as Bioceramic Material. 2009.Universitas Sains Malaysia.
[2]Callister, W.D. Material Science and Engineering an Introduction 7th Edition-hal. 11
[3]Callister, W.D. Material Science and Engineering an Introduction 7th Edition-hal. 413
[5]Process for producing a bioceramic composite material containing natural bone material on an alumina substrate, Ruey – Mo Lin; Nan – Chung Wu, Kuang – Hsing Liu, all of Tainan, Taiwan. Patent Number : 5,783,248. United States Patent.
[6]Farhan Chowdury, dkk. Ceramic,Glass, Metallic Biomaterials, November 30, 2006.
