Metallic biomaterials (titanium and titanium alloys) have been widely employed in many load-bearing orthopaedic applications, as they have excellent mechanical properties and corrosion stability. However, soaring problems such as a lack of direct chemical bonding between the implant and host tissues leading to implant loosening still persist. To prevent this problem, surface modifications such as applying hydroxyapatite onto titanium is necessary. The aim of this study is to investigate and to compare the bond strength and apatite induction ability of the hydroxyapatite coated titanium

McCarthy, Joseph, 1885-1943 [lyricist]

Tierney, Harry [composer]

Mediaswanti, Kun Aussieanita

Jurnal Universitas Tribhwuana Tunggadewi

156 Jurnal Reka Buana Volume 2 No 2, Maret 2017 - Agustus 2017  STUDI KEKUATAN ADHESI DAN APATITE INDUCTION ABILITY  PADA PELAPISAN HYDROXYAPATITE PADA TITANIUM  Kun A. Mediaswanti* PS. Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Tribhuwana Tunggadewi email : kun.a.mediaswanti@gmail.com ABSTRACT Metallic biomaterials (titanium and titanium alloys) have been widely employed in many load-bearing orthopaedic applications, as they have excellent mechanical properties and corrosion stability. However, soaring problems such as a lack of direct chemical bonding between the implant and host tissues leading to implant loosening still persist. To prevent this problem, surface modifications such as applying hydroxyapatite onto titanium is necessary.  The aim of this study is to investigate and to compare the bond strength and apatite induction ability of the hydroxyapatite coated titanium. Kata Kunci : biomaterial, titanium,  hydroxyapatitePENDAHULUAN Titanium (Ti) merupakan material yang cocok digunakan untuk implan tulang karena sifat-sifat unggulnya yaitu, sifat anti-korosi yang baik, kuat dan ringan (Dabrowski, 2011). Keunggulan titanium dibandingkan metal lain seperti aluminium dan vanadium adalah sifatnya yang non-toksik sehingga aman dipakai sebagai bahan implan tulang (Li, 2010). Akan tetapi sifat titanium yang inert dalam tubuh manusia ini menyebabkan titanium tidak dapat menyatu dengan cepat dengan jaringan tulang sekitar, sehingga mengakibatkan terjadinya impkant loosening perlunya operasi ulang (Polmear, 2006). Oleh karena itu, untuk mempercepat proses oseointegrasi maka perlu penambahan sifat bioaktif pada material (Bauer dan Muscher, 2000).  Salah satu cara paling lazim untuk memperkuat ikatan antara bahan implant dengan jaringan tulang adalah modifikasi permukaan dengan penambahan bahan yang sifatnya bioaktif, seperti hydroxyapatite. Modifikasi permukaan yang telah banyak digunakan adalah cara penyemprotan secara termal atau sering juga disebut thermal spray. Tetapi beberapa studi yang melaporkan bahwa dengan teknik thermal spray terjadi pengelupasan, resorpsi dan instabilitas secara mekanikal (Kweh, 2002). Oleh karena itu, alternative teknik lain yang akan digunakan untuk pelapisan bahan bioaktif adalah sputtering. Magnetron sputtering merupakan teknik modifikasi permukaan yang menjanjikan dalam memproduksi film dalam skala nanometer. Teknik ini menggunakan bombardier partikel berat  terhadap suatu target dan selanjutnya atom mengalami kondensasi pada permukaan substrat. Keunggulan teknik sputtering ini diantaranya adalah kemudahan dalam mengatur ketebalan film yang diinginkan (Molagic, 2010). Studi yang dilakukan oleh 157 Jurnal Reka Buana Volume 2 No 2, Maret 2017 - Agustus 2017    Nieh dkk melaporkan bahwa pelapisan hydroxyapatite pada Ti6Al4V mengguna-kan teknik sputtering juga menghasilkan bond strength yang baik (Nieh, 2001).  Hydroxyapatite adalah bahan keramik yang terdiri dari kalsium dan phosphat yang mirip dengan mineral tulang. Kelebihan hydroxyapatite untuk implant tulang diantaranya adalah: mendorong osteokonduksi dan  mendorong pematangan kolagen (Allegrini, 2006).  Lapisan hydroxyapatite mampu mendorong proses bio-integrasi karena mampu untuk mengadsorbsi molekul  air dan  protein,  sehingga menstimulasi pertumbuhan jaringan tulang yang baru di sekitar implant tulang (Shi, 2004). Target yang digunakan dalam studi ini adalah hydroxyapatite. Syarat dasar pelapisan bahan bioaktif yang ideal untuk aplikasi implan tulang adalah adhesi yang baik pada substrat metal, kemampuan menginduksi pembentukan apatit dan integrasi microstructural yang sangat baik.  Beberapa studi telah melaporkan pelapisan hydroxyapatite pada titanium, tetapi belum ada studi yang mengevaluasi kekuatan adhesi pelapisan hydroxyapatite pada titanium dengan menggunakan teknik sputtering. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi kekuatan adhesi (bond strength) film hydroxyapatite yang didepositkan pada titanium serta menginvestigasi kemampuan film hydroxyapatite dalam menginduksi pembentukan apatit.  METODE PENELITIAN Deposisi lapisan hydroxyapatite dilakukan dengan cara magnetron sputtering, menggunakan system vakum level tinggi (CMS-18, Kurt J. Lesker, USA). Proses sputtering dilakukan pada suhu ruangan. Sebagai working gas digunakan gas argon yang mengalir dengan kecepatan konstan 45 standard centimeters cubic perminute (sccm). Metode untuk mengetes adhesi dari lapisan pada metal dilakukan dengan mengaplikasikan dan menghilangkan isolasi jenis pressure-sensitive tape pada lapisan film menurut metode American standard testing methods (ASTM) D3359-09 test method B. Tujuan dari adhesion testing adalah untuk mengevaluasi kekuatan dari lapisan film dan substrat metal.    Langkah pertama dari tes adhesi ini adalah seleksi area yang bebas dari imperfeksi. Potongan parallel dibuat secara hati-hati dengan menggunakan pemotong seperti razor blade. Setelah itu, tambahan pemotongan pada 90° dengan pola cross hatched. Untuk memastikan pemotongan agar lurus, baja dengan pojok yang lurus digunakan sebagai standar petunjuk pemotongan. Area juga perlu dibersihkan untuk menghilangkan sisa-sisa pelapisan yang tidak menempel. Isolasi jenis  Elcometer 99 ASTM D3359 adhesive tape (Elcometer, USA) digunakan dalam eksperimen ini dan diletakkan pada area grid. Sebuah penghapus digunakan untuk menekan isolasi secara kuat agar terjadi kontak yang baik dengan  film. Setelah dilakukan inspeksi pada area grid untuk mengobservasi ada tidaknya pengelupasan lapisan coating dari substrat, maka hasi tes adhesi harus dibandingkan dengan klasifikasi dalam ASTM D3359.  Asessmen dilakukan sebanyak dua kali untuk setiap sampel.   158 Jurnal Reka Buana Volume 2 No 2, Maret 2017 - Agustus 2017  Kemampuan menginduksi apatite pada lapisan hydroxyapatite juga dilakukan dalam eksperimen ini. Perlakuan terhadap sampel adalah pre-treatment menggunakan larutan alkali dan diikuti dengan pemanasan heat treatment. Sampel yang telah dilapisi dengan hydroxyapatite dibersihkan secara ultrasonik menggunakan acetone, ethanol dan miliQ water selama 15 menit untuk menghilangkan kontaminan. Larutan sodium hydroksida 1 M dan 5 M disiapkan dengan melarutkan NaOH berbentuk pellets ke dalam air demineralisasi. Seluruh sampel kemudian direndam ke dalam larutan NaOH selama 16 jam pada suhu 60 °C and 80 °C. Setelah mencuci semua sampel menggunakan air suling dan dikeringkan dalam udara, seluruh sampel kemudian dipanasukan dalam furnace pada suhu 150°C selama 8 jam.  Penumbuhan apatite dilakukan dengan merendam sampel ke dalam simulated body fluid (SBF) yaitu  larutan yang mirip dengan komposisi plasma darah manusia. Larutan SBF terdiri dari solute inorganic dan biasanya memiliki konsentrasi ion kalsium dan fosfat yang rendah. Untuk menyiapkan larutan SBF, garam berbeda seperti (NaCl, KCl, CaCl2, NaHCO3, MgCl2, dan KH2PO4) dengan komposisi konsentrasi ion yang diinginkan kemudian dilarutkan dalam air demineralisasi.  Kadar keasaman pH dari larutan SBF diatur sampai nilai 7.4 dengan bantuan larutan buffer organik (HEPES). Sampel yang telah melalui pemanasan kemudian direndam ke dalam larutan SBF selama  7 hari dan 21 hari untuk menginvestigasi kemampuan menginduksi apatit apatite inducing ability. Sampel yang telah selesai direndam disimpan di dalam incubator pada  37 °C. Analisa  morfologi dan rasio kalsium dan phosphor dilakukan dengan menggunakan scanning electron microscope dan Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS).  HASIL  DAN PEMBAHASAN Pelapisan film hydroxyapatite pada titanium sebagai substrat dengan teknik sputtering telah menghasilkan film dengan ketebalan 500 nm dan 800 nm.  Serangkaian tes adhesi menggunakan metode ASTM D3359-03 telah dilakukan untuk mengevaluasi method was employed to assess qualitatively the adhesion of the films. Adhesi pelapisan pada substrat metal bergantung pada sifat-sifat pelapisan, substrat, residual stress dan kekasaran superfisial. Telah diketahui bahwa perbedaan koefisien ekspansi thermal dari hydroxyapatite dan titanium merupakan penyebab dari thermal residual stress yang akhirnya berakibat pada pengelupasan pelapisan (delamination).  Dalam eksperimen untuk mengevaluasi kekuatan pelapisan (bond strength) hydroxyapatite pada titanium terlihat  bahwa adhesi antara  hydroxyapatite substrat titanium dengan ketebalan 800 nm menunjukkan adhesi yang lebih lemah dibandingkan dengan pelapisan dengan ketebalan 500 nm. Kekuatan adhesi yang lebih rendah dibandingkan pada ketebalan film yang lebih besar kemungkinan disebabkan karena pertumbuhan film pada suhu yang rendah, sehingga hydroxyapatite dan titanium tidak mampu 159 Jurnal Reka Buana Volume 2 No 2, Maret 2017 - Agustus 2017    berinteraksi secara kimia karena adanya TiO2 oksida pada interface. Beberapa studi mengungkapkan bahwa adhesi yang lemah pada pelapisan hydroxyapatite pada titanium disebabkan karena terbentuknya Ti6O pada interface.  Assesmen bioaktivitas secara in-vitro pada titanium yang telah dilapisi hydroxyapatite telah diinvestigasi dengan perendaman dalam larutan SBF. Gambar 1 menunjukkan  morphologi permukaan  titanium setelah perendaman dalam  SBF setelah 7 hari dan 21 hari. Setelah perendaman hari ke-7, tampak kluster Ca-P pada permukaan semua type sampel. Perubahan signifikan pada morphologi permukaan titanium yang telah dilapisi hydroxyapatite selama perendaman 21 hari dalam SBF. Permukaan titanium yang telah dilapisi dan telah direndam di dalam SBF selama 21 hari menunjukkan  populasi kluster Ca-P dan menyelimuti seluruh permukaan. Seluruh permukaan terdapat lapisan apatit dan terdiri dari NaTiO3. Analisis XRD mengkonfirmasi adanya NaTiO3. Dari hasil pengukuran EDS, rasio Ca/P ratio pada sampel setelah perendaman selama 21 hari dilaporkan nilainya 1,2. Hasil ini menunjukkan bahwa terdapat pertumbuhan lapisan Ca-P. Sehingga dapat disimpulkan bahwa film hydroxyapatite menunjukkan kemampuannya untuk menunmbuhkan apatite.  Dalam studi ini, 500 nm dan 800 nm film  hydroxyapatite telah didepositkan pada titanium menggunakan RF magnetron sputtering. Teknik ini menawarkan benefit karena deposisi dilakukan pada suhu kamar dan dapat mengontrol ketebalan film. Dari hasil tes adhesi dapat simpulkan bahwa kekuatan adhesi lapisan dengan ketebalan film hydroxypatite 500 nm lebih besar dibandingkan dengan film dengan tebal 800 nm.  Sedangkan dari hasil observasi untuk mengevaluasi kemampuan film untuk menginduksi pembentukan apatit,  dapat disimpulkan bahwa pelapisan hydroxyapatite dengan teknik sputtering mampu membentuk apatit untuk semua sampel.  Hasil penelitian ini merupakan studi awal untuk menentukan ketebalan film optimum untuk aplikasi pada implan tulang.   DAFTAR PUSTAKA  Allegrini Jr, S., Rumpel, E., Kauschke, E., Fanghänel, J. & König JR, B. 2006. Hydroxyapatite grafting promotes new bone formation and osseointegration of smooth titanium implants. Annals of Anatomy, 188, 143-151. Bauer, T. & Muschler, G. 2000. Bone Graft Materials. An Overview of the Basic Science. Clinical Orthopaedic Related Research 371, 10-27. Dabrowski, B., Swieszkowski, W., Godlinski, D. & Kurzydlowski, K. J. 2010. Highly porous titanium scaffolds for orthopaedic applications. Journal of Biomedical Materials Research - Part B Applied Biomaterials, 95, 53-61. Kweh, S. W. K., Khor, K. A. & Cheang, P. 2002. An in vitro investigation of plasma sprayed hydroxyapatite (HA) coatings produced with flame-spheroidized feedstock. Biomaterials, 23, 775-785. 160 Jurnal Reka Buana Volume 2 No 2, Maret 2017 - Agustus 2017  Li, Y., Wong, C., Xiong, J., Hodgson, P. & Wen, C. 2010. Cytotoxicity of titanium and titanium alloying elements. Journal of Dental Research, 89, 493-497. Molagic, A. 2010. Structural characterization of TiN/HAp and ZrO2/HAp thin films deposited onto Ti-6Al-4V alloy by magnetron sputtering. UPB Scientific Bulletin, Series B: Chemistry and Materials Science, 72, 187-194 Nieh, T. G., Jankowski, A. F. & Koike, J. 2001. Processing and characterization of hydroxyapatite coatings on titanium produced by magnetron sputtering. Journal of Materials Research, 16, 3238-3245. Polmear, I. J. 2006. Light Alloys. From Traditional Alloys to Nanocrystals, Oxford, Butterworth-Heinemann  Shi, D. 2004. Biomaterials and Tissue Engineering New York, Springer. .     

STUDI KEKUATAN ADHESI DAN APATITE INDUCTION ABILITY PADA PELAPISAN HYDROXYAPATITE PADA TITANIUM

Performance Medium: Piano and Voice (with lyrics

Indiana University Digital Library Program OAI Data Provider

In my sweet little Alice blue gown, when I first wandered [first line of chorus]

https://jurnal.unitri.ac.id/index.php/rekabuana/article/download/732/710

STUDI KEKUATAN ADHESI DAN APATITE INDUCTION ABILITY PADA PELAPISAN HYDROXYAPATITE PADA TITANIUM

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Jurnal Universitas Tribhwuana Tunggadewi

Indiana University Digital Library Program OAI Data Provider

Indiana University Digital Library Program OAI Data Provider