a review on biomaterials

A Review on Biomaterials: Scope, Applications & Human Anatomy Significance

Ginasesharita Hardiyanti/1206212306Haqqyana/ 1206262090

Maylina Chandra Puspita/1206212451Osvaldo Sahat/ 1206247796

PROGRAM STUDI TEKNOLOGI BIOPROSESDEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

• Pendahuluan• Pemilihan Parameter

Biomaterial• Anatomi Manusia• Material Implant• Penutup

Outline

Introduction

Pendahuluan

Pendahuluan

Biomaterial

Material yang berinteraksi secara langsung dengan jaringan dan cairan biologis tubuh makhluk hidup untuk mengobati, memperbaiki, atau mengganti bagian anatomi tubuh makhluk hidup atau sering disebut sebagai implan.

(Rodriguez dan Gonzales, 2009)

“ ”

“ ”Bahan yang digunakan untuk membuat perangkat untuk

mengganti sebagian atau keseluruhan fungsi tubuh dengan cara yang aman, handal, ekonomi, dan diterima secara fisiologis. (Park and Lakes,2007)

Substansi (selain obat) atau kombinasinya baik sintetik atau alami, yang dapat digunakan dalam setiap periode waktu, secara keseluruhan atau sebagain yang mengobati, menambah, atau mengganti setiap jaringan, organ atau fungsi tubuh.

(Boretos dan Eden, 1984)

“ ”

Pendahuluan

Tanggapan host terhadap bahan-bahan biomaterial sangat bervariasi. Dalam kondisi tertentu (karakteristik jaringan host dan prosedur pembedahan) beberapa bahan dapat ditoleransi oleh tubuh, sedangkan bahan yang sama ditolak dalam situasi lain.

Biomaterial

Metal, keramik, komposit, polimer sudah diteliti sebagai biomaterial

4 tipe klasifikasi material• Bioinert• Bioaktif• Biostable• Biodegradabl

e

Biomaterial harus non-toxic, non-carcinogenic, kimia inert, stabil, dan secara mekanis cukup kuat untuk menahan gaya yang berulang.

Selection Parameters For Biomaterials

Pemilihan Parameter

Biomaterial

Pemilihan Parameter Biomaterial

? Agar dapat digunakan dalam jangka waktu yang lama tanpa menyebabkan

masalah.

?

???

?Pemilihan Parameter Biomaterial

Biomaterial

Pathobiologi dan Struktur

Jaringan Fungsional

Respon Host Biokompabilitas

Biofungsionalitas

Kesamaan Modulus

Jangka Waktu Hidup

Resistansi Aus TinggiResistansi

Korosi Tinggi

Kekuatan CukupToksikologi

Desain dan Manufakturabili

tas Sesuai

Sifat Fisik

Sifat Penting Biomaterial



Respon dari organisme dengan implan biomaterial Reaksi tubuh asing adalah respon tahap asing dari

inflamasi dan respon penyembuhan luka setelah implantasi dari biomaterial

Sifat permukaan biomaterial memiliki peran penting dalam mengatur reaksi tubuh asing pada 2 hingga 4 minggu setelah implantasi dari biomaterial.

Beberapa hal yang terjadi pada reaksi tubuh asing adalah adsorpsi protein, adesi monosit/makrofag.

Respon Host


Material yang biokompatibel → Biomaterial

Biokompatibel: Kemampuan kerja material dengan respon host yang tepat; dapat mengalami kontak dengan jaringan tubuh manusia tanpa menyebabkan bahaya tingkat tinggi.

Biomaterial harus non-karinogenik, non-pirogenik, non-toksik, non-alergenik, kompatibel dengan darah, non-infamasi.



Biokompabilitas



Biok

ompa

bilit

as

Suatu material harus memenuhi kebutuhan desainnya dalam pemakaian: Transmisi beban dan

distribusi tekanan (bone replacement)

Artikulasi untuk memungkinkan pergerakan (artifical knee joint)

Biofungsionalitas




Suatu material harus memenuhi kebutuhan desainnya dalam pemakaian: Regulasi darah dan

aliran fluida (artificial heart)

Pemenuhan ruang (cosmetic surgery)

Sifat Penting BiomaterialBiofungsionali

tas


Suatu material harus memenuhi kebutuhan desainnya dalam pemakaian: Stimuli elektrik

(pacemaker) Transmisi cahaya

(implanted lenses) Transmisi suara

(cochlear implant)

Sifat Penting BiomaterialBiofungsionali

tas


Biomaterial yang diinkoroperasi menjadi alat medis di implankan ke dalam jaringan-jaringan dan organ-organ.

Perlu diketahui struktur dari sel normal dan abnormal, jaringan atau organ, teknik yang mempelajari struktur dan fungsi dari jaringan normal dan abnormal, mekansime dasar dari proses penyakit.

Pathobiologi dan Struktur Jaringan Fungsional



o Biomaterial tidak boleh mengandung racun (kecuali memang didesain untuk mengandung racun; contoh smart bomb drug delivery system).

o Biomaterial tidak boleh mengeluarkan apapun dari massanya.

Toksikologi



Biomaterial harus: Dapat dibuat dengan mesinDapat dicetakDapat dikeluarkan

Desain dan Manufakturabilitas Sesuai



Sifat fisik yang perlu dipelajari: Tensile Strength: tegangan maksimum

yang dapat ditahan material ketika diregangkan atau ditarik.

Yield Strength: kondisi tegangan maksimum pada daerah elastis.

Elastic Modulus: Rasio dari tensile stress dan tensile strain.

Korosi: Penghancuran gradual dari material oleh reaksi kimia.

Fatigue Resistance: Resistansi dari proses kegagalan material.

Surface finish (permukaan), creep (deformasi), hardness.

Sifat FisikSifat Penting Biomaterial


o Korosi adalah degradasi berlanjut dari metal menjadi oksida, hidroksida atau senyawa lain melalui reaksi kimia

o Tubuh manusia adalah media agresif untuk menyebabkan korosi pada metal.

o Untuk menghindari korosi dapat dilakukan: pemilihan komposisi invironment biologis yang tepat, penggunaan metal yang tepat, hindari implantasi metal berbeda, kurangi lubang dan celah, hindari transfer alat dari metal pada implan saat operasi.

Resistansi Korosi Tinggi



Ketika biomaterial memiliki resistansi aus rendah atau koefisien friksi tinggi, maka dapat terjadi kelonggaran implan.

Puing aus bersifat aktif secara biologis menyebabkan respons inflamasi berbahaya yang menyebabkan penghancuran tulang sehat.

Resistansi Aus Tinggi



Jangka waktu dipengaruhi oleh respon dari material terhadap siklus beban yang berulang-ulang.

Karakteristik nya bergantung pada mirostruktur. Mikostruktur dari biomaterial metal berubah bergantung pada prosesing dan panas yang dilakukan.

Jangka Waktu Hidup



Kekuatan yang dimaksud adalah kekuatan pengaruh material implan yang difabrikasi terhadap peretakan organ palsu.

Kekuatan yang tidak sesuai dapat menyebabkan peretakan implan. Ketika interfase implan tulang mulai gagal, pasian dapat merasakan sakit yang berlebihan.

Kekuatan Cukup



Untuk aplikasi besar seperti penggantian sendi menyeluruh, yield strength tinggi dipasangkan dengan kebutuhan modulus yang lebih rendah hampir menyerupai tulang manusia.

Besar dari modulus tulang bervariasi dari 4 hingga 30 Gpa bergantung pada jenis tulang dan arah pengukuran.

Perbedaan modulus yang jauh dapat melemahkan tulang dan menyebabkan penghancuran interface tulang/implan.

Kesamaan Modulus


Anatomi Manusia

Anatomi Manusia

Faktor Keberhasilan Implan

“ ”Persyaratan terpenting dalam memilih

biomaterial adalah ia dapat diterima oleh tubuh manusia

Tiga faktor utama keberhasilan implan:1.Sifat biomaterial (mekanik, kimia dan

tribological)2.Biokompatibilitas implan

Kemampuan implan untuk bekerja dengan respon host pada aplikasi yang spesifik (William, 1987)

3. Kondisi kesehatan recipient dan kompetensi dari ahli bedah

Anatomi Manusia

Implant Untuk M

anusia

Anatomi Manusia

Jenis Jaringan Manusia

Sifat MekanikJaringan Keras

Sifat MekanikJaringan Lunak

Secara umum, jaringan manusia dibagi menjadi dua jenis

Anatomi Manusia

Biomaterial sebagai Pengganti Jaringan

Berdasarkan struktur dan kompatilitas jaringan, maka:• Metal atau keramik dipilih untuk aplikasi

jaringan keras

• Polimer untuk aplikasi jaringan lunak

Alasan biomaterial digunakan adalah untuk mengganti jaringan keras atau lunak yang rusak atau hancur

Sehingga dimungkinkan untuk memindahkan jaringan yang rusak dan menggantinya dengan material sintetik yang sesuai

Material Implan

Material Implan

Material Biomedis

1 42 3Metal dan Alloy

Keramik Polimer Biokomposit

“Dapat digunakan secara tunggal dan dalam kombinasi untuk membentuk sebagian besar perangkat implantasi yang tersedia saat ini.”

Material Implan

Pertimbangan utama dalam memilih logam untuk aplikasi biomedis :• Kelistrikan yang baik• Konduktivitas termal yang baik• Biokompatibilitas• Sifat mekanik yang sesuai• Tahan korosi• Biaya yang wajar

1. Metal dan Alloy

Material Implan

Jenis-Jenis Metal dan Alloy Stainless Steel Paduan Co-Cr-Mo Ti dan Paduan Titanium

Sering digunakan SS 316L Paduan CoCrMoPaduan CoNiCrMo

Alpha (α), Alpha-Beta (α-β) atau β metastabil dan Beta (β)

Sifat Tahan terhadap berbagai agen korosif, mudah didapat, biaya lebih rendah, sifat fabrikasi baik, biokompatibilitas dan kuat.

Tahan terhadap korosi, produk korosi Co-Cr-Mo lebih beracun dibanding SS316L.

Sangat kuat, densitas rendah, kekuatan spesifik yang tinggi, tahan korosi, meningkatkan biokompatibilitas, cepat aus, dapat menyebabkan penyakit Alzeimer dan neuropati.

Penggunaan Pengganti sendi, pelat tulang untuk fiksasi patah tulang, implan gigiuntuk fiksasi gigi, katup jantung, instrumen bedah, implan akar gigi, pelat patah tulang, bahu prosthesis

Plat tulang untuk fiksasi patah tulang, implan gigi akar, prosthesis ortopedi, alat bedah, tulang dan pengganti sendi (pinggul, lutut), implan gigi

Pengganti koklea, pengganti tulang dan sendi (pinggul, lutut), implan gigi untuk fiksasi gigi, operasi ortodontik, katup jantung buatan, intrument bedah, alat pacu jantung

Material Implan

Sifat Mekanik Metal dan Alloy

Material Modulus Young, E (Gpa)

Yield Strength (Mpa)

Tensile Srength (Mpa)

Fatigue Limit (Mpa)

Stainless Steel

190 221-1213 586-1351 241-820

Paduan Co-Cr 210-253 448-1606 655-1896 207-950

Titanium 110 485 760 300

Ti-6Al-4V 116 896-1034 965-1103 620

Cortical Bone 15-30 30-70 70-150

Material Implan

2. Keramik

Bioaktif Bioinert

Bioresorbable

Tipe dasar keramik :

Karakteristik keramik • Keras dan getas• Kuat dan kaku• Tahan terhadap korosi dan

keausan• Densitasnya rendah• Isolator listrik dan panas• Sensitif terhadap retak

“Bahan padat non organik yang merupakan campuran metal dan non metal yang terikat secara ionik dan kovalen.

”

Material Implan

Keramik Bioaktif

Material yang membentuk ikatan kimia langsung dengan tulang atau bahkan dengan

jaringan halus dari organisme hidup.

Contoh : Bioglass dan Glass CeramicsPorositas bioglass bermanfaat bagi resorpsi dan bioaktivitas. Reaksi antarmuka ditafsirkan sebagai proses kimia, yang meliputi kelarutan kecil dari keramik kaca dan reaksi solid state antara kristal apatit stabil dalam keramik kaca dan tulang.

Penggunaan : Implan gigi, implan telingga, katup jantung

”“

Material Implan

Keramik BioinertMaterial yang mempertahankan strukturnya didalam tubuh setelah implantasi dan tidak

menyebabkan reaksi imunologi host.

Alumina Zirconia Karbon Pirolitik

Pengganti total sendi buatan,

komponen acetabular dan femoral, spacer

tulang dan ekstensor, jangkar ortodontik, implan gigi untuk fiksasi

gigi.

Pengganti untuk pinggul, lutut, gigi,

tendon dan ligamen, perbaikan untuk

penyakit periodontal, pengisi

tulang setelah operasi tumor

Katup jantung prostetik,

pengganti implan tulang gigi, implan

kaki palsu permanen

”“

Material Implan

Keramik BioresorbableMaterial yang terdegradasi oleh

pemecahan hidrolitik didalam tubuh ketika mereka digantikan oleh regenerasi jaringan

alami.Bahan kimia dari material yang terdegradasi diserap dan dilepaskan melalui

proses metabolisme tubuh.

Contoh : Kalsium FosfatPersyaratan utama untuk bahan kalsium fosfat menjadi bioaktif dan mengikat pada tulang adalah pembentukan tulang seperti lapisan apatit pada permukaannya

Penggunaan : Perawatan kulit, implan gigi, rekonstruksi tulang rahang, ortopedi, bedah wajah, perbaikan telinga, hidung dan tenggorokan, implan gigi

”“

Material Implan

Sifat Mekanik Keramik

Material Modulus Young, E (Gpa)

Compressive Strength (Mpa)

Tensile Srength (Mpa)

Alumina 380 4500 350

Zirconia 150-200 2000 200-500

Karbon Pirolitik 18-28 517 280-560

Keramik Bioglass 22 500 56-83

Kalsium Fosfat 40-117 510-896 69-193

Material Implan

2. Polimer

Polimer: suatu makromolekul yang terbentuk dari susunan ulang molekul kecil yang terikat melalui ikatan kimia

Jenis Polimer: Polimer Alami Polimer Sintetik

Material Implan

Keunggulan & Kelemahan Polimer

Keunggulan• Mudah untuk dibuat

menjadi item yang kompleks

• Sifat fisis dan mekanik dapat beradaptasi pada kondisi tertentu

• Surface modification• Immobilize cell etc.• Biodegradable

Kelemahan• Senyawa dapat

leleh• Menyerap air,

protein, dll• Mengontaminasi

permukaan• Mudah rusak• biodegradasi• Sulit untuk

disterilisasi

Material Implan

Polimer Alam Diambil dari makhluk hidup

Karakteristik yang diinginkan: Biodegradable tidak beracun Secara mekanik mirip

dengan jaringan yang digantikan

Dapat menempel dengan molekul lain

Polimer alam yang digunakan sebagai biomaterial: Alginat, Kitosan Kolagen

Material Implan

Polimer Sintetik• Karakteristik yang diinginkan:

– Biokompatibel– Mudah disterilisasi– Sifat fisik– Dapat mudah diproduksi/dibentuk

• Aplikasi– Medical disposable supplies, Prosthetic materials,

Dental materials, implants, dressings, polymeric drug delivery, tissue engineering products

Material Implan

Polimer SintetikPolimer sintetik yang digunakan sebagai biomaterial

PMMA PVC PLA/PGA

PE PP PA

PTFE PET PS

Silicones

Material Implan


• Polypropylene (PP)o Kekuatan regang tinggio Resistan terhadap stress-crackingo Aplikasi: jarum suntik sekali pakai, transplantasi

pembuluh darah buatan

• Polyvinylchloride (PVC)o Polimer yang kaku dan tak berbentuk (amorf),

viskositas leleh yang tinggio Penambahan plasticizers membuat PVC menjadi

fleksibel dan tidak kakuo Aplikasi: kantung darah dan cairan, pembungkus

peralatan operasi

Material Implan


• Poly (methyl methacrylate), PMMA o Resistan terhadap larutan anorganik, karakteristik

optik yang baik, dapat dikondisikan sesuai keadaan lingkungan

o Aplikasi: bone cement, dentistry

• Unmodified General Purpose Polystyrene (GPPS)o Transparansi yang baik, mudah dibuat, stabilitas

termalo Aplikasi: microcellular injection molding

Material Implan


• Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE)o Thermoplastic PE, jenis polyolefino Rantai panjang, massa molekul: 2-6 juta uo Odorless, tasteless, non-toxico Sangat resistan terhadap bahan kimia korosif,

kecuali oxidizing acidso Aplikasi: serat, implant lutut dan tengkorak

• Silicone rubberso Elastomer yang terbentuk dari silicon

Material Implan

3. Biokomposit

• Biokomposit adalah bahan komposit terdiri dari matriks biodegradable dan serat alami biodegradable sebagai penguat.

• Penguat/filler: – Serat alami: serat sayuran, serat hewani, dan serat mineral– Sifat komposit cenderung mengikuti sifat serat yang

menjadi penguatnya.

Faktor yang mempengaruhi:• Fibre architecture (fibre geometry, fibre orientation, packing

arrangement, and fibre volume fraction)• Permukaan fibre-matriks

Material Implan

Produksi BiokompositPress moulding

Hand lay-up

Filament winding

Compunding

Extrusion

Material Implan

BiokompositParticles Fibres Matrix

InorganicGlassAlumina

PolimerAromaticPolyamidesUHMWPEPolyesterPolyolefinsPTFE

ThermosetsEpoxyPolyacrylatesPolymethacrylatesPolyestersSilicone

OrganicPolyacrylatePolymethacrylate

Resorbable PolymerPolylactide dan kopolimer dengan polyglyocolideSutraKolagen

ThermoplasticsPolyolefin (PP,PE)UHMWPEPolysulfonesPoly (ether ketones)Polyesters

Material Implan

BiokompositParticles Fibres Matrix

InorganicKarbonKacaHidroksiapatitTrikalsium fosfat

InorganicHidroksiapatitKeramik kacaKeramik kalsium karbonatKarbonBajaTitanium

Resorbable polimerPolylactide, polyglygolide dan kopolimernyaPolydioxanone

Material Implan

Aplikasi Biokomposit• Transplantasi pembuluh darah : Sel/PTFE , sel/PET, PET/Kolagen

• Material tulang pengganti:HA/PHB, Bio-Glass/PHB

• Gigi:Silika/BIS-GMA, CF/PMMA

• Bone cement:Partikel tulang/PMMA, Bio-Glass/Bis-GMA

Penutup

Penutup

• Logam rentan terhadap degradasi oleh korosi• Keramik cukup menarik untuk digunakan sebagai

implan biologis • Studi menunjukkan bahwa alumina dengan

kekuatan mekanik yang tinggi tidak menunjukan reaksi jaringan, tidak beracun ke jaringan dan tes kompatibilitas darah juga memuaskan.

• Karbon dengan sifat mekanik yang mirip tulang adalah biomaterial yang menarik, tidak ada reaksi jaringan dan tidak beracun terhadap sel.

• Ketersediaan berbagai polimer secara signifikan mempengaruhi pertumbuhan teknik jaringan

• Inovasi dalam desain material dan fabrikasi proses komposit meningkatkan kemungkinan dalam mewujudkan implan dengan kinerja yang baik.

.

Kesimpulan

Terima Kasih

Patel, Nitesh R., Gohil, Piyush P. April 2012. A Review on Biomaterials: Scope, Aplications & Human Anatomy Significance. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. Volume 2, Issue 4, http://www.ijetae.com/files/Volume2Issue4/IJETAE_0412_17.pdf

Ehrlich, Hermann. 2010. Biological Materials of Marine Origin: Invertebrates. London: Springer

Hollinger, Jeffrey O. 2011. An Introduction to Biomaterials, Second Edition. Florida: CRC Press

Hidayat, Ikhwat. (2010). Polimeric Biomaterials. From http://www. slideshare.net/caritocastillos/polymeric-biomaterials, 21 Februari 2015

Elias, R.M., Fowler, J.M., & Hughes J.M. 2006. Review Biocomposites: technology, environmental credentials and market forces. Journal of the Science of Food and Agriculture, http://www.bc.bangor.ac.uk/_includes/docs/pdf/biocom posites%20technology.pdf

Daftar Pustaka

http://www.ijetae.com/files/Volume2Issue4/IJETAE_0412_17.pdf

http://www.ijetae.com/files/Volume2Issue4/IJETAE_0412_17.pdf

http://www.slideshare.net/caritocastillos/polymeric-biomaterials





http://www.bc.bangor.ac.uk/_includes/docs/pdf/biocomposites%20technology.pdf

http://www.bc.bangor.ac.uk/_includes/docs/pdf/biocomposites%20technology.pdf

a review on biomaterials

Documents

a review on biomaterials

mengatur reaksi tubuh

reaksi tubuh asing

respon tahap asing

menyebabkan masalah

respon penyembuhan luka

kemampuan kerja material

park and lakes