a review on biomaterials
Post on 08-Apr-2016
83 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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
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.
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
Pemilihan Parameter Biomaterial
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
Pemilihan Parameter Biomaterial
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.
Sifat Penting Biomaterial
Pemilihan Parameter Biomaterial
Biokompabilitas
Suatu material harus memenuhi kebutuhan desainnya dalam pemakaian: Transmisi beban dan
distribusi tekanan (bone replacement)
Artikulasi untuk memungkinkan pergerakan (artifical knee joint)
Biofungsionalitas
Sifat Penting Biomaterial
Pemilihan Parameter Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
Suatu material harus memenuhi kebutuhan desainnya dalam pemakaian: Regulasi darah dan
aliran fluida (artificial heart)
Pemenuhan ruang (cosmetic surgery)
Sifat Penting BiomaterialBiofungsionali
tas
Selection Parameters For Biomaterials
Suatu material harus memenuhi kebutuhan desainnya dalam pemakaian: Stimuli elektrik
(pacemaker) Transmisi cahaya
(implanted lenses) Transmisi suara
(cochlear implant)
Sifat Penting BiomaterialBiofungsionali
tas
Selection Parameters For Biomaterials
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
Sifat Penting Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
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
Sifat Penting Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
Biomaterial harus: Dapat dibuat dengan mesinDapat dicetakDapat dikeluarkan
Desain dan Manufakturabilitas Sesuai
Sifat Penting Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
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
Selection Parameters For Biomaterials
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
Sifat Penting Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
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
Sifat Penting Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
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
Sifat Penting Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
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
Sifat Penting Biomaterial
Selection Parameters For Biomaterials
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
Sifat Penting Biomaterial
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
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 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
Polimer SintetikPolimer sintetik yang digunakan sebagai biomaterial
• 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
Polimer SintetikPolimer sintetik yang digunakan sebagai biomaterial
• 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
Polimer SintetikPolimer sintetik yang digunakan sebagai biomaterial
• 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
• 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
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
top related