STRUKTUR DAN SIFAT MEKANIK TULANG

MAKALAHUNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH

Fisika KeramikYang dibina oleh Ibu Dra. Hatatiek, M.Si

OlehKelompok 5

1. Dery Pradana (120322402578)2. Fery Firmansyah (120322402583)3. Fica Wahyuningtyas (120322420467)4. Yuanita Amalia Hariyanto (120322420493)

UNIVERSITAS NEGERI MALANGFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

JURUSAN FISIKAFebruari 2015

BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangTulang adalah komposit yang hirarki . Ia merupakan suatu bahan yang sulit

dianalisis dengan tepat. Bab ini mencoba menjelaskan tentang sifat mekanik tulang

dalam konteks strukturnya. Struktur ini sudah dipakai jutaan generasi bertahan dari

seleksi alam. Setiap perubahan yang menguntungkan dapat diproduksi secara

bertahap, dan yang memiliki keunggulan segera dimunculkan, hampir pasti telah

dimasukkan ke dalam struktur tulang. Ada satu hal yang telah terjadi selama beberapa

abad terakhir ini yang cukup menggemparkan, dan adanya sebagian besar orang-

orang yang hidup sekian lama setelah mereka dilahirkan bahwa seleksi alam tidak lagi

menaruh perhatian pada mereka. Uji coba ortopedi dari usia tua, seperti osteoporosis

dan osteoarthritis, pada dasarnya tidak ada sejauh mungkin seleksi alam yang

bersangkutan. Ini adalah masalah bagi pekerja yang merancang obat-obatan dan

prosedur untuk orang tua. Mereka selalu bekerja seolah-olah melawan arus,. Kami

seharusnya mengatakan hampir tidak ada tentang penyakit dalam bab ini, namun

haruslah selalu dalam pikiran kita.

1.2 Rumusan Masalah1. Bagaimana struktur material penyusun tulang ?2. Bagaimana sifat mekanik tulang: atress dan strain ?3. Bagaimana sifat mekanik tulang padat (compact) ?4. Bagaimana pentingnya kandungan mineral untuk sifat mekanik tulang

padat ?5. Bagaimana cara interaksi mineral dan air dengan komponen-komponen

tulang ?6. Bagaimana peran mineral dalam kekakuan tulang ?7. Bagaimana peran mineral dalam keberhasilan dan keretakan tulang ?

1.3 Tujuan Penulisan1. Dapat menjelaskan struktur material penyusun tulang.2. Dapat menjelaskan sifat mekanik tulang: stress dan strain.3. Dapat menjelaskan sifat mekanik tulang padat (compact).4. Dapat menjelaskan pentingnya kandungan mineral untuk sifat mekanik

tulang padat.5. Dapat menjelaskan cara interaksi mineral dan air dengan komponen-

komponen tulang.6. Dapat menjelaskan peran mineral dalam kekakuan tulang.

7. Dapat menjelaskan peran mineral dalam keberhasilan dan keretakan tulang.

BAB IIPEMBAHASAN

2.1 Struktur Material Penyusun TulangTulang adalah jaringan yang tersusun oleh sel dan didominasi oleh matrix

kolagen ekstraseluler (kolagen tipe I) dimana matrixnya tersusun atas 25%

mineral, 25% serat kolagen, dan 50% kalsium fosfat. Pada pembahasan yang

pertama akan membahas jaringan kolagen tipe I. Kolagen tipe I merupakan

bentuk kolagen yang paling banyak ditemui. Jaringan ini terdapat pada dermis

kulit, tendon, tulang, gigi, dan enamel. Hakikatnya pada semua jaringan

penyambung. Enamel adalah struktur yang melindungi gigi dari keropos, dan

nampak seperti jaringan dasar kolagen bermineral tinggi, seperti protodentin

lungfish Lepidoserin (currey dan abeysekera, 2003). Tulang rawan merupakan

materi dasar penyusun kolagen tipe II. Ada temporer dan permanen. Temporer

merupakan jaringan tulang rawan dasar kolagen tipe II. Bagian ini berperan pada

metafisis pertumbuhan panjang tulang, dimana jika terjadi kekeroposan pada

tulang maka akan digantikan dengan jaringan tulang yang baru. Dari sisi mekanis,

ada bagian permanen yaitu struktur kerangka dari kolagen tipe II yang dapat

ditemui pada hampir seluruh ikan chondrichthyean, hiu, pari dan lainnya

(summers, 2000). Semua jenis dari mineral kolagen sulit untuk diklasifikasikan,

namun dalam ilmu biologi harus dilakukan (Donoghue et al.,2006). Terakhir yaitu

enamel. Enamel memiliki banyak mineral, dan memiliki keistimewaan yang

berbeda dari komponen organik lainnya. Enamel bukanlah kolagen.

90% dari bahan organik pada tulang termasuk kolagen tipe I. 10 %

lainnya tersusun atas berbagai jenis protein non kolagen (sialoprotein dan protein

morfogenik) dan glikoprotein. Beberapa dari bahan organik memiliki fungsi

biologi seperti, sialoprotein tulang dan protein morfogenik tulang yang berperan

pada tahap awal dan mengatur mineralisasi dan yang penting yaitu glikoprotein,

untuk menentukan tempat nukleasi apatit.

Mineral tulang adalah jenis kalsium fosfat yang disebut hidroksiapatit,

setiap selnya mengandung Ca10(PO4)6 (OH)2. Bukan merupakan kristal murni.

Sekitar 4-6% karbon menggantikan fosfat, hal ini membuat mineral menjadi

sebuah karbon apatite (dahlit). Bentuk dari kristalnya memiliki rongga yang luas,

dan bentuk kristalnya akan berbeda pada jaringan yang berbeda. Ukuran

kristalnya kecil, dalam orde 5 nm. Luasnya sekitar 40 nm, tetapi terkadang tebal

dari luasnya lebih dari 5 nm. Ukuran Panjang (arah c dari kristal) setidaknya 50

nm, dan mungkin bisa tumbuh sampai ratusan nanometer (Ziv dan weiner dalam

kokubo,1994). Ukuran yang kecil ini dalam satu arah memungkinkan memiliki

implikasi mekanik yang besar. Salah satu alasan kebiasaan dan ukuran dari kristal

mineral pada tulang adalah masih tidak ditentukan sepenuhnya bahwa kristal

yang ada pada benjolan sangat kecil, sebagaimana yang telah sering ditunjukkan

(misalnya Boskey, 2001), maksud dari pernyataan di atas ialah “ukurannya yang

kecil memiliki maksud tertentu. Salah satunya ialah unit sel terletak di permukaan

Kristal”. Oleh sebab itu, persiapan pemeriksaan relative berbahaya dalam

mengubah ukuran dan komposisi kimia dari kristal. Pembahasan tentang apatit

biologi dibahas di bab 16.

Satu kunci permasalahan dari struktur tulang ialah bagaimana hubungan

topografi mineral dengan kolagen. Ternyata dua hal tersebut terpisah sekali.

Kristal mineral terletak di dalam fibril, yang mengganggu pertumbuhannya, dan

beberapa yang lain terletak di antara kristal. Kristal yang terletak di dalam fibril

mengorientasikan panjangnya (c) sepanjang sumbu fibril kolagen. Yang terletak di

antara fibril bertugas membatasi. Mineral yang terletak di dalam fibril nukleasinya

di celah ‘Hodge-Petruska’, terutama pita ‘e’. Kemudian bersatu dan memanjang

sepanjang sumbu fibril kolagen (landies et al., a993, 1996).

Beberapa orang, seperti Weiner et al. (1999), jager and Fratzl (2000) dan

Gao et al. (2003), berpikir bahwa sebagian kristal berada dalam fibril. Yang lain,

seperti Pidaparti et al. (1996) (menggunakan pengukuran yang terbaik yaitu

pengukuran akustik) dan Fritch dan Hellmich (2007), mereka berpikir bahwa

sebagian besar ada di luar kolagen, atau sebenarnya mineral dan kolagen dalam

fase yang sama (interpenetrasi). (Sasaki et al, 2002) menyebutkan tigaperempat

mineral terletak di luar kolagen, sedangkan Hellmich dan Ulm (2002)

menyebutkan hampir 100% mineral terletak di luar kolagen. Itu membuat kita

tidak mungkin memadukan ide-ide tersebut. Tentu metode yang melibatkan

visualisasi secara langsung dari tulang menunjukkan bahwa banyak mineral di

dalam fibril.

Tulang adalah strutur hirarki klasik, dengan hubungan yang berbeda antar

struktur, menjadi penting pada tiap tingkatan yang berbeda. Tingkatan tersebut

antara lain :

Mineral dan kolagen fibril fiber lamellar vs. woven bone fibrolamelar vs. harvesian bone compact vs. cancellous bone keseluruhan tulang

Tingkatan tersebut terlihat pada table 1.1

Tulang manusia tidak seperti keseluruhan material tulang yang ada.

Pertama, sebagian besar spesies vertebrata tidak memiliki sel ruling di dalam

jaringan keras. Sebagian besar vertebrata (ikan yang kelihatan tulangnya), dan

mayoritas memiliki tulang aselular. Dibanding binatang lainnya, seperti burung

dan mamalia, manusia yang sempurna, memiliki system harves yang membentuk

jaringan. Ini adalah penyusun dasar karena manusia hidup dalam jangka waktu

yang lebih pannjang, jadi pengubahan tulang terjadi, tetapi ini juga berfungsi

untuk ukuran tubuh kita yang cukup besar, dan karakter bawaan lahir. Sering

dijumpai pada beberapa literatur bahwa sistem harves adalah unit dasar dari

tulang.hal ini tidak terjadi pada burung seukuran tikus dan mamalia.bahkan pada

manusia, karena ia memiliki struktur tulang yang hirarki, ini tidak benar, karena

tidak ada level yang benar mengenai unit primer.

1.1 Hasil analisis SEM untuk permukaan retakan dari tulang pipih (lamellar). Lamella dalam bentuk lembaran dan orientasinya berulang tiap 8μm. Rongganya (lakuna) berisi osteosit. Setengah pembuluh yang tipis

mengalir dari WNW ke ESE. Ini retakan ‘kanalikuli’, pembuluh yang menghubungkan osteocyte satu dengan yang lain. Ada sekitar 50-100 kanalikuli tiap lakuna. Nyatanya permukaan retak mudah rapuh, memungkinkan untuk mempunyai selubung hypermineralis, seperti tubulus dentin.

1.2 Hasil analisis SEM untuk permukaan retakan dari tulang fibrolamellar. Permukaan retakan ada di sepanjang tulang. Berulang setiap 200μm. Ada rongga besar, ruang untuk jaringan pembuluh darah. Setiap jaringan pembuluh darah diapit oleh tulang pipih (lamellar), yang mana susunannya acak dan terbentuk tulang anyaman antara jaringan pembuluh darah dan tulang pipih (lamellar) berikutnya.

1.3 Hasil analisis SEM dari tulang haversian (secondarily remodelled). Tulang disusupi dengan resin sebelum dipoles dan tulang yang terukir sedikit hilang. Resin yang tidak tergores, memungkinkan untuk melihat kekosongan osteosit dan kanalikuli (pembuluh yang menghubungkan osteosit satu dengan yang lain). Perhatikan bagaimana lapisan tulang pipih (lamellar) memiliki lapisan yang berbeda-beda. Lebar sekitar 200μm. (courtesy Dr peter atkinson)

1.4 Tulang cancellous.

Bentuknya seperti spons, antara tulang dan rongganya saling berhubungan.

2.2 Sifat Mekanik

Secara umum, sifat mekanik suatu material adalah sifat yang menyatakan

kemampuan suatu material atau bahan untuk menerima beban, gaya, dan energi

tanpa menimbulkan kerusakan pada material atau bahan tersebut. Pada bab ini

akan dibahas konsep mekanik yang berkaitan dengan sifat kekakuan bahan karena

sangat berhubungan dengan kekuatan atau ketangguhan suatu tulang.

2.2.1 Stress (Tegangan) dan Strain (Regangan)

Tegangan

Tegangan merupakan intensitas gaya. Dimana apabila terdapat sebuah

bahan yang kemudian ditarik dengan gaya tertentu, maka besarnya intensitas

gaya (tegangan) dapat diperoleh dengan cara gaya dibagi dengan luas

permukaan. Namun dalam menentukan besarnya tegangan untuk bahan atau

strukur yang kompleks (rumit) atau bengkok perhitungannya akan sedikit

rumit. Tegangan merupakan intensitas gaya yang memiliki satuan newton

per meter2 atau dapat ditulis Pa (pascal) atau Mpa (dengan mengalikan satu

juta Pa) atau Gpa (dengan dikalikan satu milyar Pa).

Regangan

Regangan dapat dirumuskan dengan pertambahan panjang dibagi

dengan panjang mula-mula atau dapat dikatakan bahwa regangan sebanding

dengan pertambahan panjang. Maka apabila terdapat sebuah batang ditarik

sehingga mengalami pertambahan panjang sebesar 1% , dapat dikatakan

regangan yang dialami batang tersebut sebesar +0,01. Sedangkan apabila

pertambahan panjang batang mengalami pengurangan panjang akibat

dorongan sebesar 1% maka regangan yang dialami sebesar -0,01. (Perlu

diktehaui pada literatur terdapat istilah microstrain, dimana regangan

dikalikan satu juta sehingga besar regangan yang awalnya + dan -0,01

berubah menjadi + dan -10000). Sama seperti tegangan, dalam menentukan

regangan untuk bentuk yang kompleks (rumit) juga merupakan

permasalahan yang rumit.

Dalam hal ini regangan tidak memiliki satuan, hasil perhitungannya berupa

angka murni.

2.3 Sifat Mekanik Tulang Padat

Untuk mengetahui sifat mekanis tulang padat maka dilakukan sebuah

pengujian yaitu sebuah tulang padat yang terhidrasi diberi beban pada tekanan

tertentu. Hal ini digambarkan pada kurva pemberian beban terhadap perubahan

bentuk.

Pada kurva 1.5 menunjukkan kenaikan linier dimana besarnya

pertambahan pemberian beban sebanding dengan perubahan bentuk spesimen.

Namun pada titik “yield” terjadi perubahan, kurva hampir menyerupai garis

lurus. Artinya terjadi perubahan dimana perubahan bentuk spesimen semakin

besar yang diikuti penambahan beban kecil (sedikit). Dan akhirnya terjadi patah

atau retak (crack) pada spesimen.

Kurva di atas dapat dikonversi menjadi kurva hubungan antara

tegangan dan regangan yang disebut normalisasi seperti terlihat pada gambar 1.5.

Normalisasi kurva gaya tarik dan pertambahan panjang menjadi kurva tegangan

dan regangan dapat dilakukan dengan cara sebagai berikut:

Stress (tegangan) : σ= F

A

dengan : F = gaya (N)

A = luas penampang (m2)

Strain (regangan) : ε= Δl

l

dengan : Δl=pertambahan panjang (m)

l = panjang awal (m)

Normalisasi ini berhubungan dengan pembahasan tentang struktur

tulang tanpa mempertimangkan ukuran spesimen (meskipun pada kenyataanya

untuk spesimen yang lebih besar, tulang akan lebih rapuh, setelah normalisasi

maka ukuran akan dipertimbangkan (Taylor and Kuiper,2001), beberapa orang

tidak setuju dengan argumen tersebut dan mengatakan hal yang sebaliknya

(Danova et al., 2003)). Maksud dari penjelasan tersebut yaitu menurut Taylor dan

Kuiper saat pengujian sifat mekanik (uji tarik) pada tulang diambil sebagian

spesimen tulang, tanpa memperhatikan ukuran dari spesimen yang diambil.

Setelah normalisasi, ukuran dari spesimen tersebut baru dipertimbangkan. Hal

tersebut disanggah oleh Danova yang menyatakan tidak setuju dengan pernyataan

tersebut karena faktanya ukuran dari spesimen tersebut berpengaruh pada

ketahanan tulang yang akan diuji. Dimana luas permukaan spesimen yang lebih

besar akan menyebabkan kekakuan tulang menjadi lebih kecil sehingga

menyebabkan tulang semakin mudah rapuh. Maka dari itu, sebelum melakukan

pengujian, seharusnya ukuran eksperimen diperhatikan terlebih dulu.

Ratio stress terhadap strain disebut modulus elastisitas (E) yang

disimbolkan dengan titik “yield” pada kurva 1.5. E dinamakan Modulus Elastisitas

atau Modulus Young. Modulus Young menyatakan kekakuan suatu bahan.

E= εσ keterangan : σ = regangan

ε = tegangan (Pa)

Gambar 1.6

Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan diperoleh informasi

bahawa tulang padat memiliki Modulus Elastisitas sekitar15 GPa. Besarnya

tegangan pada titik “yield” sekitar 120 Mpa dan regangan di titik tersebut 0,008.

Daerah di bawah kurva tegangan-regangan disebut 'ketangguhan'.

Daerah tersebut merupakan kemampuan maksimum bahan untuk melakukan

tegangan atau regangan yang terdapat pada sebuah spesimen dalam menahan

pukulan atau beban yang akhirnya terjadi kerusakan berupa patah atau retak pada

spesimen. Sedangkan daerah di bawah kurva sebelum titik yield disebut 'daya

elastisitas' suatu bahan. Maksudnya kemampuan spesimen untuk kembali ke

bentuk semula setelah beban diangkat.

Berdasarkan uji mekanik tersebut maka dapat dituliskan beberapa sifat

mekanik yang berperan penting yaitu sebagai berikut :

1. Elastisitas Modulus Young (kekakuan)

2. Daya elastisitas

3. Tegangan dan regangan

4. Kekuatan tulang

5. Kerja yang diserap oleh tulang sebelum patah

Berikut ini beberapa sifat-sifat mekanik pada tulang yang akan dibahas lebih

rinci

Kekakuan

Kekakuan suatu tulang tergantung pada seberapa besar tulang tersebut.

Sebuah tulang yang besar memerlukan beban yang besar pula agar terjadi

deformasi, dimana tulang yang lebih besar akan memiliki kekakuan yang lebih

besar daripada tulang yang lebih kecil. Pada pembahasan ini kekakuan dan

kekuatan suatu tulang akan dijelaskan secara lebih rinci karena keduanya

merupakan dua konteks yang berbeda. Seperti yang telah dibahas sebelumnya,

pada grafik 1.5 daerah ketangguhan merupakan daerah yang terletak di bawah

kurva tegangan-regangan. Dalam hal ini, ketangguhan mampu memberikan

gambaran tentang kemampuan pertambahan panjang suatu spesimen yang

berpotensi terjadi keretakan.

Kekerasan

Pembahasan selanjutnya yaitu tentang kerapuhan, lawan kata dari

ketangguhan. Setiap bahan penyusun tulang yang berbeda maka sensitivitas

ketok (pukul) bahan tersebut juga berbeda, besarnya dapat diukur dengan cara

energi yang diserap dikurangi keretakan atau kerapuhan. Sebuah bahan yang

keras atau kuat memiliki sensitivitas ketok (pukul) yang lebih kecil dibandingkan

bahan yang rapuh. Dalam dunia ilmu pengetahuan telah dilakukan pengkajian

tentang kerapuhan dan ketangguhan. Berbagai upaya dilakukan untuk

menghilangkan pengaruh bentuk spesimen dan menghasilkan nilai ketangguhan

yang menjelaskan karakteristik suatu bahan, bukan spesimen.

Kerapuhan

Uji kelelahan merupakan kecenderungan suatu bahan untuk patah

apabila menerima tegangan (diberi beban) berulang-ulang yang besarnya masih

jauh di bawah batas kekuatan elastiknya. Sebagian besar kerukasakan yang

terjadi pada suatu bahan disebabkan oleh kelelahan. Analogi dengan uji

kelelahan, jika suatu tulang diberi beban mungkin tegangan (stress) yang terdapat

didalamnya masih dapat menahan beban tersebut. Namun apabila dilakukan terus

menerus pada suatu keadaan tertentu tulang akan gagal menopang beban tersebut

akibatnya tulang retak atau patah. Hal ini juga merupakan pembahasan penting

dalam ilmu kesehatan, dimana beberapa orang biasanya memaksakan diri untuk

menopang beban berulang kali di setiap hari yang mengakibatkan terjadinya

kerenggangan (strain) pada tulang kemudian mencapai batas maksimum

ketangguhan tulang sehingga menyebabkan keretakan. Mekanisme kelelahan

terdiri dari 3 tahap yaitu tahap awal terjadi retakan (crack initiation), tahap

perjalanan retakan (crack propogation), serta patah akhir atau patah statis akibat

dari penampang yang tersisa tidak mampu lagi menerima beban.

Berikut beberapa nilai sifat mekanik pada tulang :

2.4 Pentingnya kandungan mineral dari sifat mekanis tulang padat

Tulang memiliki beberapa tingkat ketergantungan terhadap tegangan

dari kandungan mineral, oleh karena itu mineral memiliki pengaruh yang kuat dari

modulus young.beberapa nilai sifat mekanik dari tulang

Untuk tulang kering memiliki jumlah mineral = masssa total –

kandungan organik. Biasanya tidak dapat diketahui perbandingan antara kolagen

dan unsur organik yang lain. Kolagen termasuk komponen utama dari tulang.

Pada gambar diagram rangkap tiga menunjukkan massa relatif dari

massa mineral, kolagen, air pada variasi tulang vertebrata. Pada titik ujung atau

terendah antara nilai paling sedikit dan paling besar dari mineral tulang.airdapat

mereduksi sedikit lebih cepat daripada kolagen. Namun perbedaannya cukup

sedikit. Sebagai contoh tanduk rusa memiliki sekitar 35% kolagen, 45% mineral

dan 20% air. Berbeda dengan tulang telinga ikan paus memiliki sekitar 85 %

mineral dan bahkan lebih ekstrim.

Pada gambar 1.7 dan 1.8 menunjukkan bobot tlang padat, modulus

elastisitas dan kepatahan sebagai fungsi dari kandungan mineral.

Pada gambar diatas modulus young dari sample sebagai fungsi

kandungan mineral dari tulang padat. Sample diambil dari beberapa variasi

sumber yang berbeda. Porositas memiliki pengaruh negatif pada modulus young.

Gambar diatas menunjukkan kurva total usaha kekuatan, tegangan dan

regangan dari tulang padat sebagai fungsi dari kandungan mineral (persen

mineral). Sampel yang digunakan sama dengan hasil kurva pada gambar 1.7.

porositas tidak berpengaruh pada usaha.

2.5 Modus interaksi antara mineral, air dan komponen-komponen tulang

Terdapat banyak cara yang menyebabkan terjadinya interaksi antara

kolagen dan hidroksiapatit, seperti mineral. Walsh dan Guzelsu menuliskan bahwa

perpaduan interaksi elektrostatik antara kationik dan anionik akan menghasilkan

interaksi yang kuat. Bahkan secara langsung ikatan antara dua tipe mineral dapat

terjadi. Beberapa ,odel ikatan yang lain telah diusulkan oleh (Walsh dan Guzelsu,

1994). Wilson et al, (2006) dengan beberapa bukti eksperimental, berpendapat

bahwa air memiliki peranan yang penting, baik dalam menstabilkan kisi sempurna

hidroksiapatit,serta memasangkan (menjodohkan) mineral dan tulang. Maka dapat

dikatakan bahwa terdapat kemungkinan terjadinya ikatan kuat antara kolagen dan

apatit.

Gambar 1.7

Gambar di atas menunjukkan dampak spesimen tulang kompak dari

berbagai sumber. Dimana lingkaran warna hitam menunjukkan spesimen yang

tidak berikatan dan lingkaran putih adalah spesimen yang saling

berikatanBerdasarkan gambar tersebut terlihat bahwa dua garis menunjukkan

semakin menjulang ke atas jumlah spesimen berikatan maupun spesimen tidak

berikatan semakin sedikit.

2.6 Mineral dalam Tubuh

2.6.1 Fungsi dan Manfaat Mineral

Ketika disandingkan dengan kata vitamin, mineral memegang peranan

penting bagi perkembangan dan kesehatan tubuh. Tubuh yang kekurangan mineral

merupakan salah satu penyebab timbulnya berbagai macam keluhan penyakit,

mulai dari sakit kepala hingga terganggunnya kesehatan jantung.

Mineral ini pun dibagi menjadi dua, yaitu mineral utama yang terdiri dari

kalsium, fosfor, magnesium, natrium, kalium, klorida dan sulfur. Sementara jenis

kedua biasa disebut dengan trace mineral, diantaranya adalah zat besi, seng,

mangnesium, kobalt, tembaga, yodium, kromium, selenium, nikel dan silikon.

Setiap sumber mineral itu pun memliki fungsi masing-masing yang harus

dicukupi, dimana kadar mineral dalam tubuh dari kedua jenis ini harus tetap

seimbang demi kesehatan tubuh. Caranya tak lain dengan banyak mengkonsumsi

buah-buahan, susu, dan sayuran yang menjadi sumber mineral alami. Misalnya

bila kita meningkatkan konsumsi pisang, tomat, susu kedelai, dan bayam, maka

hal ini berguna untuk memberi asupan kalium yang cukup bagi tubuh. Kalium

sendiri dibutuhkan untuk kesehatan otot dan syaraf. Apabila tubuh kekurangan

kalium, risiko timbulnya berbagai keluhan seperti tubuh terasa lemas, nyeri, dan

terjadinya ketegangan syaraf pun dapat meningkat. Daun selada, ketimun,

kentang, dan kacang merupakan makanan lain yang juga kaya akan kalium.

Demikian pula halnya dengan jenis mineral lainnya yang akan menimbulkan

dampak tersendiri bila asupan pada tubuh berkurang.

2.6.2 Dampak jika tubuh kekurangan beberapa mineral penting Zinc

Zinc adalah mineral yang paling banyak ditemukan dalam tubuh manusia,

dan secara alami bisa diperoleh dari makanan. Sekitar 60% zinc ditemukan dalam

tulang dan otot, dan 30% dalam tulang. Sisanya yang 20% ditemukan dalam gigi,

rambut, kuku, kulit, rambut, hati dll. Zinc sangat diperlukan untuk fungsi lebih

dari 100 enzim yang berbeda, termasuk dalam fungsi tiroid dan sistem kekebalan

tubuh. Kekurangan mineral ini dapat menyebakan stretch mark, jerawat, Bintik-

bintik putih pada kuku, pertumbuhan yang buruk – terutama pada anak-anak,

rambut rontok, anorexia, penyembuhan luka yang lama, diare kronis dan parah,

kekebalan rendah, penglihatan malam, serta kulit kering. Kekurangan mineral ini

juga bisa didasari oleh kondisi kesehatan atau akibat dari makan-makanan

tertentu.

Kalsium

Kekurangan kalsium bisa menyebabkan rakitis pada anak-anak, sedangkan

kekurangan kalsium pada orang dewasa dapat menyebabkan oesteomalasia, tetani

atau kejang, serta osteoporosis . Wanita hamil dan menyusui serta orang yang tua

bisa menyebabkan kerapuhan tulang. Asupan kalsium perhari bagi Pria dan wanita

adalah 800 dan 700 mg kalsium. Kalsium bisa diperoleh terutama dari susu. Baca

juga: Makanan tinggi kalsium

Tembaga

Kekurangan mineral tembaga jarang terjadi pada orang dewasa. Namun jika

sampai kekurangan mineral ini bisa menyebabkan masalah besar, seperti anemia,

kelainan tulang, sakit paru-paru, dan masalah pada jaringan tubuh lain. beberapa

makanan yang diketahui mengandung tinggi tembaga adalah daging, seafood, biji-

bijian, dan kacang-kacangan. Jika asupan tembaga kurang kurang dari 2 sampai 3

mg per-hari akan menyebabkan beberapa masalah kesehatan seperti tersebut

diatas.

Selenium

Selenium secara alami ditemukan dalam tanah, air dan makanan, dan jarang

sekali kasus kekurangan selenimum. Mineral ini diketahui bersifat antioksidan,

dan mengurangi resiko  kanker prostat. Asupan selenimum perhari yang

dianjurkan: anak-anak 1-3 20 mg, anak-anak 4-8 30 mg, anak-anak 9-13 40 mg,

anak-anak 14 tahun keatas dan dewasa  55 mg, wanita hamil 60 mg, wanita

menyusui 70 mg. Selenimun secara alami bisa didapatkan oleh tubuh melalui

makanan tinggi selenium seperti daging, ikan, dan kacang-kacangan.

Fosfor

Kekurangan Fosfor juga jarang terjadi, akan tetapi jika terjadi bisa

menyebabkan masalah tulang dan otot, mual, denyut jantung tidak teratur, nyeri

tulang, dan anoreksia. Asupan magnesium yang disarankan untuk pria adalah 230

mg dan 200 mg untuk wanita. Makanan tinggi fosfor adalah dari jenis ikan,

daging, biji-bijian dan kacang-kacangan.

Yodium

Tubuh hanya menggunakan Yodium dalam jumlah yang kecil, namun

sangat penting untuk pembentukan hormon tirokein. Kecukupan asupan yodium

bagi orang dewasa dan lansia tidak berbeda jumlahnya, yaitu 150 miligram

perhari. Sumber yodium terbaik adalah garam dapur, ikan laut, makanan dari laut,

atau tumbuhan yang hidup di laut atau dekat laut. Wanita hamil yang kekurangan

yodium dapat menyebabkan bayinya mengalami masalah pertumbuhan fisik,

seperti tidak tumbuh semestinya atau kerdil. Kekurangan yodium juga bisa

menyebabkan anak tumbuh dengan masalah keterbelakangan mental. Kekurangan

yodium pada orang dewasa bisa menyebabkan penyakit tiroid atau yang kita kenal

dengan sakit gondok.

2.6.3. Peran mineral dalam kekakuan tulang

Karena mineral jauh lebih kaku daripada kolagen dan air, tidak

mengherankan bahwa modulus elastisitas meningkat dengan mineralisasi.

Sayangnya, meskipun banyak usaha, nampak adanya ketidakstabilan nilai analitis

yang membuat kekakuan mineral meningkat pada tingkat yang dilakukan. Upaya

awal dari Katz (1971) menunjukkan bahwa letak kekakuan diantara tulang yang

telah diprediksi yang disebut model Reuss dan Voigt, namun batas ini begitu jauh

sehingga tidak membantu. Beberapa upaya telah dilakukan, misalnya, Sasaki et

al. (1991) dan Wagner dan Weiner (1992) memprediksi kekakuan tulang dalam

satu arah, tetapi gagal untuk memprediksi dengan benar anisotropi mekanik

tulang sejauh mana kekakuan tulang berbeda ketika dimuat dalam arah yang

berbeda. Kemungkinan kurangnya solusi analitis adalah (1) arah sumbu panjang

kristal mineral sangat bervariasi sepanjang tulang, lebih beberapa mikrometer,

dan (2) bahwa kita benar-benar mengabaikan aspek rasio kristal mineral - rasio

terbesar dengan dimensi sedikit. Kedua variabel yang sangat penting dalam

setiap persamaan berkaitan fraksi volume mineral untuk modulus Young

elastisitas (Jäger dan Fratzl, 2000).

Fritsch dan Hellmich (2007), di lain sisi, mengklaim bahwa sebagian

besar mineral berada di luar kolagen dan berorientasi pada setiap arah, dan

karena itu dapat dimodelkan sebagai obyek bola isotropik dalam matriks kolagen

mekanis anisotropik. Mereka mengusulkan sebuah micromechanical model

tulang di mana anisotropi yang diperkirakan dengan baik, dan yangmana terdapat

anisotropi yang berbeda pada skala panjang yang berbeda. Hal ini sulit untuk

mengetahui apa yang membuat perlakuan yang berlawanan dari mineral, namun

banyak model dari mereka yang nampaknya untuk memprediksi kedekatan nilai

dengan yang dihasilkan untuk tes ultrasonik.

Apa yang telah ditunjukkan bahwa ketika tulang tegang, ketegangan

mineral kurang dari regangan keseluruhan spesimen. Hal ini bisa diharapkan,

tentu saja, namun hal itu sangat baik untuk melihat kemungkinan yang masuk

akal dalam eksperimental. Rasio regangan seluruh jaringan kolagen unyuk

regangan fibril dalam regangan mineral partikel dalam tulang basah ditemukan

oleh Gupta et al. (2006) menjadi sekitar 12 : 5 : 2. Hasil yang sama, meskipun

pada spesimen yang relatif kering, ditemukan oleh Fujisaki dan Tadano (2007).

2.7 Peranan mineral dalam keberhasilan dan keretakan tulang

Efek dari perubahan mineralisasi pada sifat retakan lebih jelas daripada

efek pada kekakuan. Apa yang terjadi ketika hasil tulang (jika menghasilkan,

patahan sepenuhnya rapuh) bahwa microfractures akan berkembang. terdapat

patahan tulang yang pada awalnya kecil, atau sedikit linier 'gangguan' dari tulang

(Burr et al, 1985;. Zioupos, 2001). Patahan tersebut bisa sangat pendek, sekitar

panjang 5 µm (Gambar 1.10;. Reilly, 2000), meskipun banyak pekerja

berkonsentrasi pada yang lebih besar, retakan masih lebih jelas, sekitar 100 µm.

Titik kritisnya mengakibatkan pemulaian retakan, dan karenanya meningkat,

pemenuhan spesimen, tetapi tidak meningkatkan panjang jika beban meningkat.

Kerja yang dilakukan dalam memperluas spesimen biasanya digunakan

dalam mengalikan jumlah microfractures, dan dengan meningkatkan pemenuhan

spesimen. Akhirnya beberapa sekering, menjadi sangat panjang dan berbahaya,

dan spesimen patah menjadi dua. Dalam perbesaran mineralisasi tulang proses

inisiasi dari microfractures dihambat, dan tulang menjadi semakin lebih rapuh.

Salah satunya dapat menjelaskan hal ini dengan menyarankan apabila

mineralisasi meningkat ada kecenderungan untuk kristal mineral bergabung

membentuk gumpalan yang lebih besar, yang lebih lemah dari benjolan kecil.

Gao et al. (2003).

G

Gambar 1.10

mikroskop confocal tulang kompak dimuat dalam ketegangan (horizontal dalam gambar ini). Gelap bintik horizontal memanjang adalah kekosongan osteosit. pita gelap di bagian bawah adalah pembuluh darah.

Microdamage, terutama yang berasal di daerah kekosongan osteosit, berjalan kira-kira normal terhadap arah beban. Kerusakan (yang bukan dari retak paten, karena spesimen masih memiliki kekakuan yang cukup dan tidak berantakan) memiliki panjang sekitar 5 µm. (Courtesy Dr Gwen Reilly).

Mengukur dan memperdalam saran kami yang sebelumnya (Currey,

1984), menunjukkan bahwa ukuran yang sangat kecil dari kristal mineral terlalu

kecil untuk memungkinkan mereka untuk membolehkan dalam perkembangan

'Griffith' cacat, dan karena itu mereka akan sangat kuat, maka setiap kurangnya

kohesi baik akan di bahan organik, atau menghubungkan mineral organik. Gao et

al. juga menunjukkan bahwa ada aspek rasio optimal dari kristal mineral, dan hal

ini berkaitan dengan komposisi organic. Mutiara ibu, dalam kulit moluska,

memiliki sekitar 3% bahan organic dan aspek rasio agak rendah, sekitar 10,

sedangkan tulang memiliki komposisi organic yang tinggi, dan aspek rasio yang

jauh lebih tinggi, mungkin setinggi 30-40 dalam perkembangan tulang. Nilai-

nilai untuk tulang dan mutiara ibu akan cenderung membuat mineral dan fraktur

bahan organik pada tegangan yang sama, Situasi optimal. Ballarini et al. (2005)

di sisi lain menganggap bahwa ukuran Kristal yang kecil tidaklah penting, saat

kristal kecil patah, maka kekuatan tulang tergantung pada fitur lain yang

mencegah kegagalan bencana tersebut.

Ada sejumlah upaya dari pemeriksaan retakan permukaan untuk

menentukan apakah tulang itu patah dalam mineral, material organik, atau pada

antarmuka antara mereka. Pekerjaan ini biasanya melibatkan pemeriksaan dengan

resolusi tinggi pemindaian mikroskop elektron atau dengan memindai

penyelidikan nanomicroscopy. Kami harus mengakui bahwa kami menemukan

gambar jauh lebih sedikit meyakinkan daripada para penulis, dan menurut saya

hal ini belum terselesaikan.

Gambar 1.11 : Radiography to identify eventual fractures after a knee injury,

(Bone fracture - Wikipedia, the free encyclopedia.html).

Tai et al. (2006) menggunakan pendekatan yang sama sekali berbeda,

menunjukkan bahwa dalam kompresi butiran kristal berinteraksi dengan gesekan,

dan karena mekanisme ini tidak tersedia dalam tegangan, perbedaan ini

menyumbang kekuatan tulang yang lebih rendah dalam ketegangan. kami tidak

menemukan namun tetap meyakini, tapi kami menyebutkan karena hal tersebut

sangat berbeda dengan pendekatan kebanyakan orang.

BAB IIIPENUTUP

3.1 Kesimpulan

1. Tulang tersusun dari mineral, kolagen, protein non kolagen, air dan bahan organik

lainnya.

2. Konsep sifat mekanik suatu bahan meliputi tegangan dan regangan

3. Sifat-sifat mekanik tulang padat pada hasil uji tarik adalah Elastisitas Modulus Young,

kekakuan, ketahanan, tegangan dan regangan, tegangan keretakan (kekuatan tulang)

dan regangan, dan kerja yang diserap oleh tulang sebelum patah.

4. kandungan mineral pada tulang setiap individu berbeda-beda dan sifat mekanik tulang

padat juga memiliki perbedaan usaha tiap fungsi mineral.

5. interraksi antar tiap komponen tulang , mineral dan air berrganntung terhadap

elastisitas dan energynya.

6. Modulus elastivitas young mineral jauh lebih tinggi daripada air dan kolagen dalam

hal kekakuan.

7. Efek dari perubahan mineralisasi pada sifat retakan lebih jelas daripada

efek pada kekakuan.