PROPOSAL PENELITIAN KEMITRAAN DANA ITS TAHUN 2020

(1)

DANA ITS TAHUN 2020

Produksi Hip Joint Prosthesis berbasis CoCrMo Alloy dengan Investment Casting dalam rangka mencapai TKD

Tim Peneliti:

Yuli Setiyorini, ST., MPhil., PhD. Eng (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS) Sungging Pintowantoro, ST., MT., PhD (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS)

Fakhreza Abdul, ST., MT (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS)

DIREKTORAT PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2020

(2)

i DAFTAR ISI

DAFTAR ISI... i

DAFTAR TABEL ... ii

DAFTAR GAMBAR ... iii

DAFTAR LAMPIRAN ... iv

BAB I RINGKASAN ... 1

BAB II LATAR BELAKANG ... 3

II.1 Latar Belakang ... 2

II.2 Tujuan Khusus... 6

II.3 Urgensi Riset ... 6

BAB III TINJAUAN PUSTAKA ... 7

III.1 Peta Jalan ... 7

III.2 Tulang ... 10

III.3 Biomaterial ... 10

III.4 Hidroksiapatit dan Chitosan ... 13

III.5 Sambungan Tulang Pinggul ... 14

III.6 Cemented Artificial Hip Joint ... 17

III.7 Cementless Artificial Hip Joint ... 18

III.8 Kegagalan Pada Artificial Hip Joint ... 20

III.9 Investment Casting... 20

III.10 Finite Element Analisis ... 20

III.11 Penelitian Sebelumnya ... 22

BAB IV METODE RISET ... 23

IV.1 Tahapan Penelitian... 23

IV.2 Anggota Tim Riset ... 27

BAB V JADWAL ... 28

BAB VI DAFTAR PUSTAKA ... v

(3)

ii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Penjelasan aktivitas dan luaran yang dihasilkan pada tiap tahap roadmap ... 9

Tabel 3.2 Kandungan Mineral pada Tulang Manusia ... 10

Tabel 3.3 Sifat Mekanik Tulang Manusia ... 10

Tabel 3.4 Sifat Mekanik Material Logam ... 12

Tabel 3.5 Perbandingan Beberapa Material Implan Prostesis... 12

Tabel 3.6 Batas Toxicity ... 13

Tabel 3.7 Sifat Mekanik Hidroksiapatit ... 14

Tabel 3.8 Karakteristik Chitosan ... 14

Tabel 4.1 Input dan Output pada Analisa Permodelan... 24

Tabel 4.2 Input dan Output pada Analisa Transient Thermal ... 25

Tabel 4.3 Anggota Tim Riset ... 27

(4)

iii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kerangka Tulang Pada Manusia ... 3

Gambar 2.2 Perbandingan Tulamg Normal dan Osteoporosis ... 4

Gambar 2.3 Data Osteoporosis ... 5

Gambar 3.1 Peta Jalan ... 9

Gambar 3.2 Tulang Paha ... 11

Gambar 3.3 Design metal-on-metal (MoM) Implan ... 12

Gambar 3.4 Hip Joint Normal dan yang Mengalami Arthritis ... 14

Gambar 3.5 Struktur Tulang ... 15

Gambar 3.6 Perbandingan Hip Joint normal dan arthritis ... 16

Gambar 3.7 Pemotongan Tulang Femur dan Pemasangan AHP... 16

Gambar 3.8 Pemotongan Tulang Femurdan Pemasangan AHP... 17

Gambar 3.9 Cemented AHP ... 18

Gambar 3.10 Cementless AHP ... 18

Gambar 3.11 Kegagalan Pada AHP ... 19

Gambar 3.12 Skema Investment Casting ... 20

Gambar 3.13 Hasil Simulasi dengan Software ANSYS... 22

Gambar 4.1 Design Artificial Hip Joint ... 23

Gambar 4.2 Simulasi Artificial Hip Joint dengan ANSYS 2019 ... 23

Gambar 4.3 Geometri dan desain Artificial Hip Joint... 24

Gambar 4.4 Diagram Alir Tahun Pertama ... 26

(5)

iv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Biodata Tim Peneliti ... vi Lmapiran 2 Surat Pernyataan Kesediaan Anggota Tim ... x Lampiran 3 Surat Komitmen Peneliti Luar ITS ... xi

(6)

1 BAB I RINGKASAN

Tulang adalah organ dengan struktur kaku dan keras yang membentuk kerangka manusia dan merupakan salah satu bagian dari tubuh manusia yang sangat vital peranannya. Tulang memiliki beberapa fungsi antara lain sebagai alat gerak pasif penopang tubuh, proteksi, mendasari gerakan, homeostasis mineral (penyimpanan dan pelepasan) dan memproduksi sel darah.[1] Tulang manusia dapat mengalami beberapa masalah seperti penurunan kekuatan (Osteop1orosis), terkena penyakit seperti kanker tulang dan arthritis, serta tulang manusia juga dapat mengalami kehancuran karena kecelakaan atau benturan yang keras. Untuk kasus-asus tersebut maka alternatif pengobatan yang diberikan kepada pasien adalah dengan mengantikan tulang buatan (bone replacement) yaitu pemasangan implan (implantation) pada tubuh.

Pemilihan material implant sangatlah penting khususnya pada lokasi joint, seperti hip prosthesis joint (tulang panggul), knee joint (tulang lutut), shoulder joint (tulang bahu) dan spinal (tulang belakang). Pada lokasi joint sangat membutuhkan material yang memiliki kekuatan (strength) dan ketahan gesek (wear resistance) yang bagus. Oleh karenanya produk hip prosthesis joint yang akan dibuat pada penelitian ini akan menggunakan CoCrMo alloy. Pemilihan CoCrMo alloy berdasarkan pada keunggulan ketahanan gesek yang cukup bagus jika dibandingkan dengan stainless steel dan titanium alloy.

Selain itu design implant hip prosthesis joint juga sangat berpengaruh terhadap hasil treatment pasien. Model metal-on-metal (MoM) yaitu tanpa menggunakan semen tulang (cementless) lebih cocok untuk diaplikasikan pada pasien berumur muda yang memiliki mobilitas tinggi dalam aktivitas. Sedangkan model MoM dengan menggunakan semen tulang lebih sesuai untuk pasien usia lanjut, dimana aktivitas mobilitasnya tidak terlalu tinggi. Model MoM dengan material yang sama (femur dan acetabular) dipilih dengan alasan untuk mencegah korosi dalam tubuh menjadi parah. Disamping itu, MoM juga dipilih sebagai pertimbangan untuk mengantikan partikel release dari acetabular yang berbahan ceramic atau polymer akibat gaya gesek. Geometries design juga sangat memegang peranan penting pada proses penyembuhan dan kenyamanan pasien. Smart geometries sangat diperlukan untuk mengurangi berat implant akibat densitas alloy, tanpa mengabaikan mechanical properties implant dalam menerima beban. Oleh karenanya semua ini harus di simulasikan terlebih dahulu sebelum proses manufacturing.

Investment casting dipilih sebagai alternative dalam proses manufacturing implant. Hal ini dikarenakan untuk mengurangi ketergantungan bahan baku import yaitu berupa wrought CoCrMo alloy dari proses cast forging. Selain itu, investment casting juga memiliki keunggulan untuk dapat menghasilkan permukaan yang lebih halus. Untuk menunjang kesuksesan dalam proses manufacturing, maka diperlukan simulasi casting terlebih dahulu.

Kegiatan penelitian ini dilakukan dalam upaya mewujudkan kemandirian mendesign, mengembangkan material implant hip prosthesis joint, memproduksi dan memenuhi permintaan kebutuhan implant yang tergantung terhadap produk import. Penelitian ini diusulkan untuk dilaksanakan selama 2 tahun. Dimana pada tahun pertama bertujuan untuk menentukan desain dan mengembangkan material CoCrMo alloy kemudian membuat prototype untuk dilakukan uji coba. Pada tahun kedua dilakukan mulai dilakukan

(7)

2

manufacturing dengan pengembangan dan variasi design berdasarkan umur pasien (variasi

ukuran dan bentuk)

(8)

3 BAB II

LATAR BELAKANG

II.1 Latar Belakang

Tulang adalah organ dengan struktur kaku dan keras yang membentuk kerangka manusia dan merupakan salah satu bagian dari tubuh manusia yang sangat vital peranannya. Tulang memiliki beberapa fungsi antara lain sebagai alat gerak pasif penopang tubuh, proteksi, mendasari gerakan, homeostasis mineral (penyimpanan dan pelepasan) dan memproduksi sel darah. Tulang bersifat dinamis dan terus berubah sesuai dengan stimulus dari lingkungan. Beberapa tulang dapat menyatu dan membentuk tulang yang lebih kuat seperti yang terjadi pada masa pertumbuhan (bayi memiliki 300 tulang, sementara dewasa hanya 206 tulang). Selain itu, tulang juga dapat membesar atau mengecil, menebal atau menipis, atau menguat jika dibutuhkan. [1] Gambar 2.1 memperlihatkan berbagaimacam kerangka tulang pada manusia.

Gambar 2.1 Kerangka Tulang pada Manusia [1]

Tulang manusia dapat mengalami beberapa masalah seperti penurunan kekuatan, terkena penyakit seperti kanker tulang dan arthritis, serta tulang manusia juga dapat mengalami kehancuran/kerusakan karena kecelakaan atau benturan yang keras. Osteoporosis adalah masalah pengeroposan dan penurunan kepadatan massa tulang secara berkelanjutan. Bagian dalam tulang yang sehat normalnya tampak memiliki banyak ruang kecil persis seperti sarang lebah. Pengeroposan tulang akan membuat ruangan-ruangan tersebut menjadi lebih lebar. Kondisi ini lambat laun membuat tulang kehilangan kekuatannya sehingga menjadi lebih rapuh, hingga bahkan rentan rusak akibat benturan kecil. Pertumbuhan tulang bagian luar juga cenderung lebih lemah dan tipis daripada seharusnya. Patah tulang akibat pengeroposan biasanya lebih sering terjadi pada panggul, pergelangan tangan, dan tulang belakang.

(9)

4

Sayangnya, beberapa tulang seperti tulang panggul yang sudah rusak tidak dapat untuk disembuhkan. Masalah tulang keropos memang sering tidak terdeteksi dan tidak diketahui hingga tulang tersebut akhirnya patah/hancur.[2] Perbedaan antara tulang sehat dan osteoporosis diperlihatkan pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Perbandingan Tulang Normal dan Osteoporosis [1]

Penyebab pengantian tulang juga dapat diakibatkan karena kecelakaan. Indonesia merupakan salah satu negara dengan tingkat kecelakaan yang cukup tinggi di kawasan ASEAN. Menurut Kepala Kepolisian Republik Indonesia pada Forum Polantas ASEAN 2017 menyatakan bahwa terdapat enam negara yang memiliki tingkat kecelakaan yang tinggi yaitu Thailand, Vietnam, Malaysia, Indonesia, Filipina, dan Laos dimana Indonesia masuk dalam tiga besar negara yang memiliki tingkat kecelakaan tertinggi. Berdasarkan data BPS terakhir yaitu pada tahun 2016 jumlah kecelakaan yang terjadi di Indonesia sebanyak 106.129 (BPS, 2016). Tingginya jumlah angka kecelakaan di Indonesia World Health Organization (WHO) sampai menyebutkan bahwa kecelakaan di Indonesia dinilai menjadi pembunuh nomor tiga setelah penyakit jantung coroner dan tuberculosis.[3]

Badan kesehatan dunia WHO mencatat pada tahun 2011-2012 terdapat 5,6 juta orang meninggal dunia dan 1,3 juta orang menderita patah tulang atau fraktur akibat kecelakaan lalu lintas yang terjadi. Salah satu insiden kecelakaan yang memiliki jumlah korban luka cukup tinggi yaitu insiden fraktur, dimana sekitar 40% dari insiden kecelakaan yang terjadi. Fraktur merupakan suatu keadaan dimana hubungan kesatuan jaringan tulang terputus. Penyebab terbanyaknya adalah insiden kecelakaan lalu lintas [2]. Terjadinya benturan yang keras secara mendadak selain dapat menyebabkan patah tulang dapat juga menghancurkan tulang.

Osteoporosis selalu identik dengan orang tua, namun faktanya, pengeroposan tulang

bisa menyerang siapa saja termasuk di usia muda. Osteoporosis merupakan salah satu penyakit degenerative. Penelitian terbaru dari International Osteoporosis Foundation (IOF) mengungkapkan bahwa 1 dari 4 perempuan di Indonesia dengan rentang usia 50 – 80 tahun memiliki risiko terkena osteoporosis (gambar 2.3). Dan juga risiko osteoporosis perempuan di Indonesia 4 kali lebih tinggi dibandingkan laki-laki. Biasanya penyakit keropos tulang ini menjangkit sebagian besar wanita pasca menopause. Osteoporosis tidak menampakkan tanda-tanda fisik yang nyata hingga terjadi keropos atau keretakan pada usia senja. Hilangnya hormon estrogen setelah menopause meningkatkan risiko terkena osteoporosis. Tidak dapat dipungkiri

(10)

5

osteoporosis pada wanita ini dipengaruhi oleh hormon estrogen. Namun, karena gejala baru

muncul setelah usia 50 tahun, osteoporosis tidak mudah dideteksi secara dini.

Gambar 2.3 Data Osteoporosis [3]

Osteoporosis dapat dijumpai diseluruh dunia dan sampai saat ini masih merupakan

masalah dalam kesehatan masyarakat terutama di negara berkembang. Di Amerika Serikat,

osteoporosis menyerang 20-25 juta penduduk, 1 diantara 2-3 wanita post-menopause dan lebih

dari 50% penduduk diatas umur 75-80 tahun. Mengutip dari data WHO yang menunjukkan bahwa diseluruh dunia ada sekitar 200 juta orang menderita osteoporosis. Pada tahun 2050, diperkirakan angka patah tulang pinggul akan meningkat 2 kali lipat pada wanita dan 3 kali lipat pada pria. Laporan WHO juga menunjukkan bahwa 50% patah tulang adalah patah tulang paha atas yang dapat mengakibatkan kecacatan seumur hidup dan kematian. Dibandingkan dengan masyarakat di negara-negara Afrika, densitas tulang masyarakat Eropa dan Asia lebih rendah, sehingga mudah sekali mengalami osteoporosis. Hasil penelitian white paper yang yang dilaksanakan bersama Perhimpunan Osteoporosis Indonesia tahun 2007, melaporkan bahwa proporsi penderita osteoporosis pada penduduk yang berusia diatas 50 tahun adalah 32,3 % pada wanita dan 28,8% pada pria. Sedangkan data system Informasi Rumah Sakit (SIRS,2010) menunjukkan bahwa angka insiden patah tulang paha atas akibat Osteoporosis adalah sekitar 200 dari 100.000 pada usia 40 tahun.[3]

Pengobatan dengan cara pemasangan implan buatan merupakan metode yang paling sering digunakan untuk mengantikan tulang yang hancur akibat kecelakaan, osteoporosis atau karena terkena penyakit (kanker tulang). Namun beberapa penelitian melaporkan adanya phenomena debris (pelepasan ion metal) pada MoM implant, dimana disebabkan oleh terjadinya gesekan antar implan (factor mekanis) atau debris yang dipicu oleh reaksi kimia antara material implan dengan cairan dalam tubuh (factor chemical). Hal ini dapat memberikan dampak negative pada bagi tubuh manusiai.[4] Oleh karena itu, hal ini digunakan sebagai pertimbangan dalam mendesign performa implan tulang yang memiliki biocompatibility yang baik. Untuk mengatasi kekurangan diatas maka implant CoCrMo akan dilakukan multifunction

(11)

6

coating pada permukaannya khususnya pada design Mom cementless. Coating ini mempunyai

fungsi untuk osseointegration (pertumbuhan jaringan) dan meningkatkan sifat

biocompatibility. Sekarang ini telah ditemukan beberapa implan yang sudah banyak

diaplikasikan secara luas oleh dokter sebagai metode penyembuhan kerusakan tulang. Namun, implan yang ada dipasaran sekarang masih memiliki harga yang relative mahal dikarenakan sebagian besar merupakan barang buatan luar negeri.

II.2 Tujuan Khusus

Tujuan khusus dari penelitian ini adalah upaya mewujudkan kemandirian mendesign, mengembangkan material implant hip joint prosthesis, memproduksi dan memenuhi permintaan kebutuhan implant yang tergantung terhadap produk import. Produk yang dihasilkan akan menggunakan material yang memiliki biokompatibilitas baik, sehingga keamanan saat pemakaian pada pasien dapat terjamin. Selain itu juga diharapkan dapat memproduksi hip joint prosthesis dengan biaya yang relative murah karena menggunakan bahan baku dari indonesia

II.3 Urgensi Riset

Penelitian terkait pembuatan artificial hip joint ini mendesak untuk dilakukan karena beberapa faktor dan pertimbangan sebagai berikut:

1. Indonesia adalah negara dengan tingkat kecelakaan yang tinggi dan banyak dari korbannya mengalami kerusakan tulang (patah atau hancur)

2. Penduduk Indonesia memiliki densitas tulang yang lebih rendah sehingga rentan mengalami osteoporosis serta kesulitan mendapatkan implant yang sesuai dengan ukuran orang Asia.

3. Masalah pada tulang menjadi penyebab kecacatan (disabilitas) yang akan mengganggu kehidupan penderitanya

4. Pemasangan artificial hip joint merupakan metode paling efektif untuk memperbaiki tulang yang terkena penyakit atau hancur

5. Masih minimnya perusahaan dalam negri yang mampu memproduksi artificial hip

joint dengan kualitas dan material yang baik

6. Kebutuhan akan artificial hip joint di Indonesia masih mengandalkan produk impor sehingga biaya pemasangan implan tulang relative mahal

7. Perlunya riset pengembangan dan produksi artificial hip joint secara mandiri, sehingga bisa mengurangi ketergantungan terhadap produk impor dan menekan biaya pemasangan implan tulang

(12)

7 BAB III

TINJAUAN PUSTAKA

III.1 Peta Jalan (Road Map) Laboratorium aktivitas

Tim laboratorium kami telah melakukan banyak pengembangan produk material untuk aplikasi medis sejak tahun 2007 hinga saat ini.

Tahun dan Deskripsi Kegiatan

Kategori Luaran Kelemahan

Pengembangan material artificial cornea with controlled drug release

Riset Dasar dengan pendanaan Australia Government

Product implant artificial cornea yang memiliki sifat smart memory dan structur untuk loading drug capacity

Mengontrol burst release di saat awal pelepasan drug concentration

Pengembangan controlled drug floating carrier for gastric diseases

Riset Dasar Drug floating carrier berbasis CaCO3 berasal dari cangkang telor mampu bertahan floating dalam kondisi gastric >12 jam

Daya rendah ketika proses sintesis mempengaruhi radiasi gelombangmikro dan menghasilkan CaCO3 yang tidak floating cukup lama (<12 jam)

Pengembangan bahan baku medis dengan menggunakan metode gelombang mikro

Inovasi Riset Produk bahan baku medical dengan nano struktur , meliputi produk : Carbonated Hydroxyapatite (Ca/P =1.67) Calcium carbonate (various structure crystals)

Chitosan (anti bacterial with hollow zone and killing bacterial)

Daya rendah dibawah 720 watt kurang menghasilkan produk yang berkualitas bagus

Pengembangan produk medis berbahan dasar recycle biowaste:  Dental filler Semen tulang Gypsum

Riset Dasar Produk :

Dental filler bersifat biocompatible

 Semen tulang bersifat biomietic

Gypsum bersifat biocompatible

Memperhatikan effect ratio komposisi material penyusunnya.

Pengembangan produk implant berbasis Stainless

Inovasi Riset Produk implant temporary orthopedic Stainless steel (SS): Plate dan screw

Beberapa pasien mengalami reaksi alergi terhadap SS sehingga terjadi penolakan pada 2015-2018

2007-2010

2011-2012

2015-2018

(13)

8 steel dengan menggunakan

metode investment casting.

tubuh yang mengalami implantasi.

Pengembangan produk implant berbasis CoCrMo dengn metode casting forging. Inovasi Riset Dengan pendanaan Hitachi Foundation Produk implant orthopedic CoCrMo alloy

Untk pasien dengan kasus bentuk-bentuk implant yang komplek tidak dapat difabrikasi dengan casting dan forging.

Pengembangan produk implant berbasis CoCrMo dengan metode EBM dengan pengaruh parameter sudut fabrikasi serta mengamati terhadap sifat pelepasan ion Cr.

Innovasi Riset Terapan Dengan pendanaan Hitachi Foundation

Produk material CoCrMo alloy bahan implant metal dengan sifat pelepasan ion Cr rendah sehingga tidak menyebabkan tumor dan kanker Biological properties dipengaruhi oleh structure alloy khususnya orientation.

Pengamatan hasil fabrikasi pada tahun pertama untuk di aplikasikan pada tubuh tikus (in-vivo) guna memperoleh data kemampuan

osseointegration berupa cytokines dan HE.

Innovasi Riset Terapan

Produk material CoCrMo alloy bahan implant metal dengan sifat osseointegration

(pembentukan jaringan) yang bagus sehingga proses penyembuhan dapat berjalan dengan cepat serta menyatu dengan tubuh

Pengembangan hip prosthesis joint CoCrMo dengan invesment casting

Riset Terapan Produk implant CoCrMo berbahan baku lokal

Fabrikasi dengan geometris yang disesuaikan dengan model pasien

Riset Terapan Produk implant CoCrMo alloy yang disesuaikan designnya berdasarkan kasus pada pasien (Pembuatan implant dengan custom menggunakan EBM)

Pemasangan implant terhadap salah satu pasien yang membutuhkan.

Riset Terapan Produk implant yang diaplikasikan pada tubuh

pasien yang membutuhkan. 2018-2019 2019 2019 2021-2023 2024 2020

(14)

9

Peta jalan atau road map khusus penelitian yang akan dikerjakan ditahun 2020 dan 2021 yaitu tentang pembuatan dan pengembangan hip prosthesis joint CoCrMo alloy untuk penanganan pasien yang mengalami penyakit tulang seperti kanker tulang, arthritis dan

osteoporosis, ditunjukkan pada gambar 3.1 yang dibagi menjadi 2 tahap yaitu tahun pertama

dan tahun kedua.

Gambar 3.1 Peta Jalan Penelitian

Tabel 3.1 Penjelasan Aktifitas dan luaran yang dihasilkan pada tiap tahap roadmap Tahun Aktifitas yang dilakukan Luaran yang dihasilkan Sumber

Pendanaan

2020

 Pembuatan design dan mengembangkan material implant hip prosthesis joint dan memproduksi prototype untuk uji coba.  Manufacturing produksi prototype untuk

uji coba serta pengaplikasian surface treatment menggunakan coating Hidroksiapatit dan Chitosan.

 Desain artificial hip joint  Nama mahasiswa baru

Program Magister

 Penyertaan dana dari mitra production (berupa in-cash dan in-kind)

ITS

2021

 Pengembangan dan variasi design berdasarkan variasi umur pemakai artificial hip joint (variasi ukuran dan bentuk)

 Publikasi Makalah/Paper terindeks Q2

 Buku Thesis

 Produk artificial hip joint (Produk/Prototipe

unggulan ITS yang dipatenkan)

ITS

(15)

10 III.2 Tulang

Tulang merupakan alat yang berfungsi untuk menopang tubuh makhluk hidup [1] Sel tulang alami yang terdapat pada tubuh manusia memiliki dua komposisi utama, yaitu 30% zat organik dan 70 % zat anorganik. Komposisi sel tulang organik terdiri dari sel osteoblast (OB), osteosit (OS) dan osteoklas (OK). Komposisi sel tulang anorganik terdiri dari beberapa komponen antara lain kolagen, glikosaminoglikan, dan mineral yang sebagian besar berupa senyawa kalsium fosfat (hidroksiapatit) [5]

Tabel 3.2 Kandungan Mineral pada Tulang Manusia [6] Elemen

Mineral Ca P Mg Na K C Cl F Residu

Kandungan

(%) 34,00 15,00 0,50 0,80 0,20 1,60 0,20 0,08 47,62

III.2.1 Karakteristik Tulang

Tulang termasuk dalam sebuah material komposit yang terdiri dari matriks kolagen yang diperkuat dengan adanya kristal hidroksiapatit. Tulang terbentuk dari suatu struktur selular yang berpori (tulang ringan/tulang kanseolus) yang dilapisi oleh sebuah kulit yang memiliki sifat lebih solid.[1] Sifat mekanaik tulang berupa porositas dan densitas sangat bergantung pada lokasi dan pembebanan di daerah tersebut.[7] Densitas menentukan kekuatan dan kekakuan tulang tersebut] Sifat -sifat mekanik tulang manusia dapat ditunjukkan oleh table 3.3.

Table 3.3 Sifat Mekanik Tulang Manusia [8] Modulus (GPa) Kekuatan Tarik (MPa) Kekuatan Tarik (MPa) Kekerasan (VHN) Porositas (%) Densitas (g/cm3₎ Tulang Kortikal 17,7 - 27 45 - 175 30 – 160 85 – 89 5 – 10 3,1 – 3,2 Tulang Kanseolus 0,4 7,4 - - 75 – 95 - Tulang Gigi 11,0 40 - 275 90 – 300 71 - 1,9 III.3 Biomaterial

Biomaterial adalah material yang dapat berinteraksi secara langsung dengan jaringan dan cairan biologis pada tubuh makhluk hidup untuk mengobati, memperbaiki, atau mengganti bagian anatomi tubuh makhluk hidup atau sering disebut sebagai implant [8]. Karena biomaterial ini akan berinteraksi dengan tubuh manusia maka material ini harus memiliki biocompatibility yang baik yaitu kemampuan suatu material untuk bekerja selaras dengan tubuh makhluk hidup tanpa menimbulkan efek yang negative atau berbahaya [9]. Biomaterial dapat dibagi menjadi empat kategori utama yaitu

1. Toxic yaitu material yang akan ditolak dan berpengaruh buruk pada jaringan tubuh

(16)

11

2. Bioinert yaitu material tidak beracun serta tidak aktif secara biologis pada saat

dimasukkan kedalam tubuh manusia sehinnga menyebabkan sedikit respon dari jaringan tubuh ketika material tersebut dimasukkan dalam tubuh manusia.

3. Bioactive yaitu material tidak beracun yang aktif secara biologis sehingga material ini

akan mendukung ikatan implan dengan jaringan pada tubuh manusia

4. Bioresorbable yaitu material yang tidak beracun dan tidak dapat membentuk jaringan

dengan tubuh manusia dan material tersebut akan larut sepenuhnya setelah beberapa waktu masuk kedalam tubuh manusia

Biomaterial juga harus memiliki sifat mekanik seperti kekerasan, kekuatan tarik dan wear

resistance yang baik. Selain itu diperlukan juga sifat kimia yang baik untuk mendukung ikatan

antara jaringan tubuh dengan implan. Sifat tahan korosi yang baik juga diperlukan agar tidak terjadi korosi karena material bereaksi dengan cairan dalam tubuh. Biomaterial dapat diklasifikasikan menjadi empat jenis berdasarkan materialnya, yaitu polimer, keramik, komposit dan logam. [10]

Gambar 3.2 Tulang Paha (Femur Bone) [1] III.3.1 Metal

Metal memiliki aplikasi yang sangat luas dalam dunia medis, diantaranya untuk fixasi patah tulang, penggantian tulang, external spints, braces dan traction apparatus. Salah satu contoh implant metal ditunjukkan pada gambar 3.3. Logam memiliki banyak kelebihan antara lain kekuatan, keuletan dan ketangguhan yang baik. Modulus elastis dan titik luluh digabungkan dengan keuletan metal membuat material jenis ini cocok untuk menopang beban tanpa mengakibatkan terjadinya deformasi. Namun metal juga memiliki kekurangan yaitu mudah mengalami reaksi dengan larutan sehingga menimbulkan proses korosi. Disamping itu, beberapa logam memiliki densitas yang cukup besar, sehingga berpengaruh terhadap berat implant saat diaplikasikan dalam tulang. Oleh karenanya effect stress shielding menjadi perhitungan yang sangat penting guna menghindari kerusakan tulang asli.

(17)

12

Logam yang banyak digunakan dalam aplikasi medis meliputi Titanium alloy, Stainless

Steel alloy dan Cobalt-Chromium alloy. Titanium dan paduannya memiliki kelebihan yaitu

modulus elastisitas rendah dan ketahanan terhadap korosi yang bagus, selain itu juga adanya lapisan oksida pada Titanium memiliki pengaruh yang sangat signifikan terhadap pengintegrasian metal ini pada jaringan tulang (osseointegration). [10] Cobalt chromium alloy juga memiliki keunggulan wear resistance dan corrosion resistance yang bagus, sehingga kedua kombinasi tersebut memberikan potensi untuk digunakan pada implan joining. Keuntungan dan kerugian beberapa macam material implant prosthesis dijelaskan dalam tabel 3.5.

Gambar 3.3 Design metal-on-metal (MoM) implan [11]

Tabel 3.4 Sifat Mekanik Material Logam [7] Material Modulus Elastis

(GPa) Ketahanan (MPa) Stainless Steel 190 241-448 Cobalt Alloy 210-232 207-310 Titanium Alloy 210-160 300-680

Dalam aplikasi medis, logam yang digunakan sebagai material implant harus diperhatikaan effect pelepasan ion metalnya. Pelepasan ion harus mempertimbangan tingkat ambang batas, dikarenakan dapat menyebabkan keracunan (toxicity) bahkan tumor atau kanker pada tubuh. Table 3.6 memperlihatkan ambang batas dari beberapa unsur (element) yang dapat berpengaruh terhadap substrat sel hidup.

Tabel 3.5 Perbandingan Beberapa Material Implant Prostesis [9]

Implant Kelebihan Kekurangan

Modular Ti6Al4V/CoCrMo

(Porous)

 Lebih mudah untuk mencocokan dengan pasien  Memiliki modulus yang rendah  Tidak memerlukan coating /

pelapisan

 Dapat terjadi korosi celah pada bagian sambungan

 Co, Cr, Mo merupakan unsur beracun  Dibutuhkan waktu 2 minggu tanpa

pembebanan agar terjadi pertumbuhan jaringan tubuh

CoCrMo (Smooth)

 Wear resistance baik  Bisa menyebabkan reaksi negative dengan jaringan tubuh

(18)

13

 Co, Cr, Mo merupakan unsur beracun memiliki modulus yang tinggi

CoCrMo (Porous)

 Wear resistance yang baik  Tidak diperlukan lapisan untuk

membuatnya menyatu dengan femur

 Co, Cr, Mo merupakan unsur beracun  Memiliki modulus yang tinggi  Dibutuhkan waktu 2 minggu tanpa

pembebanan agar terjadi pertumbuhan jaringan

Ti6Al4V (Porous)

 Tidak diperlukan lapisan untuk membuatnya menyatu dengan femur

 Memiliki modulus yang rendah  toxicity sangat rendah

 wear resistance buruk

 Dibutuhkan waktu 2 minggu tanpa pembebanan agar terjadi pertumbuhan tulang

Ti6Al4V (Smooth)

 Toxicity sangat rendah  Wear resistance buruk

316L Stainless Steel (Smooth)

 Harga murah dan mudah untuk diproduksi

 Korosif

 Mudah mengalami retak  Modulus sangat tinggi

 Memungkinkan adanya reaksi negatif jaringan tubuh

Tabel 3.6 Batas Toxicity [9]

Fe Mn Co Ni Cr V

CCR50 (µg/ml) 59 15 3,5 1,1 0,006 0,003

Nilai CCR50 ini didefinisikan sebagai kosentrasi dari substrat sel hidup yang mengalami

reduksi hingga 50% ketika diuji dengan unsur-unsur diatas. III.4 Hidroksiapatit dan Chitosan

Hidroksiapati (HAp) merupakan senyawa organik yang mengandung sebagian besar berupa kalsium fosfat. Sedangkan tulang dan gigi manusia juga mengandung Hidroksiapatit Ca10(PO)4O(H)2 Komposisi Hap dalam tulang sebesar 65-70% sedangkan dalam gigi manusia

sebesar 90-95%. [12]

Hidroksiapatit memiliki beberapa karakteristik anatar lain 1. Berpori

2. Bioaktif

3. Tahan Korosi dan Inert 4. Tahan aus

Hidroksiapatit memiliki kandungan kimia yang hampir sama dengan kandungan yang dimiliki oleh tulang yaitu Kalsium dan Fosfat, sehingga hidroksiapatit ini dapat untuk berikatan secara baik dengan jaringan tubuh makhluk hidup. Selain itu, hidroksiapatit juga bersifat

resorbable oleh karena itu hidroksiapatit akan larut dan jaringan di sekelilingnya akan

(19)

14

Tabel 3.7 Sifat Mekanik Hidroksiapatit [13] Sifat Makroskopik Modulus (GPa) Kekuatan Tekan (MPa) Bending Strength (MPa) Kekerasan (VHN) Rassio Possion Densitas (gram/cm3₎ Hidroksiapatit 40-117 294 147 3,43 0,27 3,16

Chitosan merupakan sebuah biopolymer yang didapat dari proses deasetilasi kitin dengan nama kimia (2-asetamida-deoksi-α-D-glukosa). Kitosan merupakan sebuah polisakarida kationik alami serta memiliki sifat biokompatibel, biodegradable yang bagus serta dapat meningkatkan adhesi dan ekspresi funsional osteoblas karena kemiripannya dengan struktur glikosaminoglikan sehingga kitosan banyak digunakan dalam bidang biomedis. Struktur porositas yang dimiliki oleh kitosan memberikan banyak runag bagi sel untuk berkembang sehingga kitosan cocok untuk pengganti jaringan tulang. [14]

Tabel 3.8 Karakteristik Chitosan [14] Spesifikasi Kadar Air Kadar

Mineral Derajat Deasetilisasi Berat Molekul Derajat Polimerisasi Deskripsi 3,26 ± 0,45 % 10,11 ± 0,38 % 74,78–77,98 % 889,78 5

III.5 Sambungan Tulang Pinggul

Pinggul merupakan persendian yang menghubungkan antara tulang paha (femur bone) dengan tulang panggul. Sendi ini berperan dalam pergerakan tubuh manusia, seperti duduk, berjalan, berlari maupun gerakan memutar lainnya. Sambungan tulang pinggul (hip joint) adalah sambungan yang terletak diantara tulang pinggul dan pangkal tulang paha atas. Hip joint pada manusia terdiri dari tiga bagian pokok, yaitu: femur, femoral head, dan rounded socket.[1]

Gambar 3.4 Hip Joint Normal dan yang mengalami arthritits [15]

Pada sambungan tulang panggul yang normal (gambar 3.4) terdapat suatu jaringan yang bersifat lembut dan tipis yang disebut dengan jaringan selaput synovial. Selaput ini

(20)

15

mengakibatkan adanya cairan pelumas yang dapat menghilangkan efek gesekan antara

artificial hip joint dengan tulang. Permukaan tulang juga memiliki suatu lapisan berupa tulang

yang rawan (articular cartilage) yang berfungsi sebagai bantalan lembut dan memungkinkan tulang untuk bergerak bebas tanpa menimbulkan rasa sakit. Karena adanya gesekan dan gerakan yang dialami setiap saat, maka lapisan tulang rawan ini akan semakin melemah dan memicu terjadinya penyakit arthritis. Penyakit ini akan menyebabkan rasa sakit pada tulang panggul pada saat beraktivitas [16]

III.5.1 Struktur Tulang Femur

Tulang paha terdiri dari dua struktur yang berbeda yaitu tulang kompak (kortikal) dan tulang spons (cancellous atau trabecular), diperlihatkan pada gambar 3.6. Tulang kompak membentuk silinder padat pada bagian poros tengah tulang di sekitar rongga sumsum tulang. Tulang kompak menyumbang 80% dari massa tulang dalam tubuh manusia. Tulang spons terletak di ujung tulang panjang, menyumbang sekitar 20% dari total massa tulang dan memiliki struktur seperti sarang lebah. Tulang itu sendiri sebagian besar terdiri dari 10-20% air, sekitar 60-70% adalah mineral tulang dan sisanya adalah kolagen, tetapi tulang juga mengandung sejumlah kecil zat lain seperti protein dan garam anorganik. Komposisi komponen mineral tulang dapat diperkirakan sebagai hidroksiapatit (HA) yang merupakan gabungan antara kalsium dan fosfat, dengan rumus kimia Ca10(PO4)6(OH)2 dengan

kombinasi nano carbonate. Pada ujung-ujung tulang pipa terdapat perluasan bentuk sebagai fungsi untuk berhubungan dengan tulang lain. Ujung tulang yang melebar ini tersusun atas tulang spons yang disebut epifise. Bagian tengan diantara ujung yang meluas diasebut diafise yang merupakan tulang kompak yang di dalamnya terdapat rongga yang disebut rongga sumsum tulang. Antara epifise dan diafise ada daerah yang disebut cakra epifise. Daerah cakra epifise inilah yang dapat tumbuh dan bertambah panjang selama seseorang masih dalam pertumbuhan.[1]

Gambar 3.5 Struktur Tulang [1]

III.5.2 Gambaran Umum Tentang Artificial Hip Joint

Kerusakan pada sambungan tulang panggul (hip joint) dapat diakibatkan karena penyakit maupun dari pengaruh usia (Osteoporosis) sehingga menyebabkan tulang keropos dan

(21)

16

menyebabkan sendi atau tulang tersebut tidak dapat berfungsi normal. Pada sambungan tulang pinggul normal pada bagian femoral head masih dilapisi tulang rawan (articular cartilage) yang masih mampu menghasilkan cairan pelumas untuk mengurangi efek gesekan (friction) antar sambungan persendian. Pada gambar 3.6 menunjukkan perbedaan dari sambungan tulang pinggul keadaan normal dengan yang mengalami arthritis.[1]

Gambar 3.6 Perbandingan hip joint a. pada keadaan normal b. arthritis [16]

Pada hip joint yang terkena penyakit arthritis, menunjukkan bahwa articular cartilage pada femoral head mengalami degradasi. Hal inilah yang menyebabkan terjadinya radang pada sendi sehingga akan menimbulkan rasa sakit dan mengakibatkan pergerakan dari hip joint menjadi tidak lancar

Gambar 3.7 Pemotongan tulang femur dan pemasangan artificial hip joint [17] Pada gambar 3.7 menunjukkan proses penggantian sambungan tulang pinggul dengan sambungan tulang pinggul buatan (artificial hip joint). Sambungan tulang pinggul yang

(22)

17

mengalami kerusakan karena arthritis dilakukan pemotongan pada tulang femur terutama di bagian femoral head. Setelah pemotongan, kemudian bagian acetabulum akan dihaluskan untuk menempatkan cup pada acetabulum. Artificial hip joint akan dipasang dengan cara menanam femoral stem pada tulang femur. Perbedaan sebelum dan sesudah treatment implantation hip prosthesis joint di perlihatkan oleh gambar 3.8.

Gambar 3.8 Pemotongan Tulang Femur dan Pemasangan Artificial Hip Joint [17] Desain acetabular liner untuk artificial hip joint dengan menggunakan bahan Ultra High

Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) polymer on metal, menghasilkan artificial hip joint menjadi lebih ringan dibandingkan konstruksi metal on metal (gambar 3.8). Namun

polymer on metal artificial hip joint akan lebih beresiko besar dengan munculnya debris yang sangat berbahaya bagi tubuh manusia dengan ukuran partikel bervariasi dar makro, micro hingga nano. Femoral stem adalah komponen stem untuk artificial hip joint yang berfungsi untuk menggantikan kepala femur yang rusak dan telah dipotong. Fungsi femoral stem memberikan dudukan pada femoral head yang menggantikan fungsi kerja kepala femur yang telah rusak.

III.6 Cemented Artificial Hip Joint

Cemented Artificial Hip Joint adalah metode pemasangan implant menggunakan semen

untuk merekatkan dan menguatkan artificial hip joint ke dalam tulang femur (gambar 3.9). Penggunaan semen bukan sebagai lem melainkan sebagai material pengisi ruang kosong antara

artificial hip joint dengan fulang femur bagian dalam. Hingga saat ini material yang sering

digunakan sebagai semen adalah berbahan dasar polymethylmethacrylate (PMMA). Kelebihan dari metode ini adalah semua ukuran artificial hip joint dapat diaplikasikan pada berbagai tulang paha. Sedangkan kekurangan pada metode ini adalah

1. Pengisian semen kedalam rongga tulang paha selama operasi dapat menyebabkan gangguan pada sirkulasi dan dapat mengganggu aliran darah.

2. Semen tulang membutuhkan sekitar 10 menit untuk mengeras. dalam waktu ini ada kemungkinan artificial hip joint berubah posisi.

3. Adanya semen akan memungkinkan munculnya debris karena adanya pergerakan pada tulang femur dan artificial hip joint

(23)

18

4. Semen tulang bisa retak dan menyebabkan pergeseran dari artificial hip joint [10]

Gambar 3.9 Cemented Artificial Hip Joint [18]

III.7 Cementless Artificial Hip Joint

Cementless artificial hip joint atau yang disebut uncemented artificial hip joint adalah

metode pemasangan implant tanpa menggunakan semen, metode ini muncul karena adanya kekurangan yang dimiliki oleh metode pemakaian semen. Artificial hip joint yang dipasang dengan cementless, permukaannya harus dibuat kasar. Tujuannya untuk menghasilkan fixation dan gesekan yang baik antara artificial hip joint dengan bagian dalam tulang paha sehingga lebih dapat terpasang dengan stabil. Pada metode terdapat beberapa kekurangan antara lain:

1. Saat artificial hip joint terpasang pada tulang, komponen tulang akan terdesak sehingga akan menghalangi sirkulasi darah.

2. Tulang paha dapat patah atau crack selama pemakaian karena beban yang besar 3. Dibutuhkan ukuran artificial hip joint yang sangat presisi dengan tulang paha [10]

Gambar 3.10 Cementless Hip Joint Replacement [18] III.8 Kegagalan Pada Artificial Hip Joint

Dari perancangan desain sambungan tulang pinggul buatan direncanakan bahwa desain ini akan dapat bertahan rata-rata selama 20 – 30 tahun. Tetapi tidak sedikit dari pasien yang dalam beberapa tahun penggunaan sudah merasakan hal yang tidak normal pada sambungan

(24)

19

tulang pinggul buatan ini. Beberapa aspek dapat mempengaruhi lamanya umur pemakaian sambungan tulang pinggul buatan. Kegagalan yang sering terjadi disebabkan oleh dua aspek yaitu aspek medis dan aspek tribologi. Aspek medis yang banyak menyebabkan kegagalan sistem sambungan tulang pinggul buatan antara lain:

a. Alergi

Daya tahan dan kekebalan tubuh manusia berbeda-beda. Dalam pemasangan sambungan tulang pinggul buatan harus juga diperhatikan efek dari material penyusun terhadap tubuh pasien.

b. Infeksi

Dalam penanaman sambungan tulanng pinggul sangatlah penting menjaga kehigienisan baik pada alat yang digunakan maupun sambungan tulang pinggul buatan itu sendiri. Infeksi karena kuman maupun bakteri akan mempercepat kegagalan penanaman sambungan tulang pinggul buatan.

c. Kesalahan pemasangan

Penanaman sambungan tulang pinggul buatan dibutuhkan ketelitian pemasangan yang sangat ekstra. Kesalahan posisi pemasangan akan semakin membuat keausan yang lebih cepat atau mengurangi kestabilan sistem. [9] Kegagalan akibat patah implant ditunjukkan oleh gambar 3.11.

Gambar 3.11 Kegagalan pada artificial hip joint [4] Sedangkan aspek tribologi yang ada antara lain:

a. Wear

Wear resistance yang tinggi akan lebih baik digunakan daripada wear resistance yang rendah. Wear akan mempercepat keausan dari head maupun cup. Keausan ini akan menyebabkan ketidakstabilan sistem yang memungkinkan terlepasnya head dari cup. Wear sangat dipengaruhi oleh desain geometri maupun materialnya.

b. Load

Load atau pembebanan dari tubuh akan mempengaruhi kekuatan system artificial hip joint. Femoral stem akan patah atau berubah bentuk jika pembebanan yang diberikan melebihi yield strength dari material femoral stem. Von Mises yang terukur dari hasil analisa akan menunjukkan distribusi tegangan dari femoral stem.

(25)

20 c. Friction

Friction yang tinggi akan menyebabkan cepatnya keausan pada ball bearing. Seperti halnya wear, friction yang tinggi juga menyebabkan ketidakstabilan sistem. Desain geometri dan material sangat berpengaruh terhadap friction. Radial clearance antara head dan cup akan menentukan maksimal atau tidaknya lubrikasi yang bekerja untuk mengurangi friksi ini.

d. Tekanan kontak

Tekanan kontak akan sangat berpengaruh pada lama tidaknya umur dari sambungan tulang pinggul buatan. Distribusi tekanan kontak yang terkonsentrasi akan mempercepat keausan dari permukaan kontak. Perancangan desain dan material menentukan besar kecilnya tekanan kontak maksimum dan distribusi tekanan kontaknya. [10]

III.9 Invesment Casting

Invesment Casting adalah sebuah proses manufaktur yang menggunakan wax sebagai pola atau pattern yang kemudian wax ini dilapisi dengan material refractory keramik atau slurry (gambar 3.12). Kemudian lapisan keramik atau slurry akan dipanaskan agar lapisan tersebut mengeras dan mebuat wax tersebut akan meleleh dan keluar dan terbentuk rongga yang bentuknya sesuai dengan wax (benda kerja) yang nantinya cetakan ini akan dimasukkan molten metal. Molten metal akan mengalami pembekuan (solidification) dalam cetakan keramik tersebut kemudian cetakan keramik akan dihancurkan untuk mendapatkan hasil pengecoran. [19]

Gambar 3.12 Skema Invesment Casting [20]

III.10 Finite Element Analisis

Finite Element Analysis (FEA) adalah teknik komputasi yang digunakan untuk memperkirakan solusi atas berbagai boundary value problem di bidang teknik. Secara sederhana, boundary value problem adalah permasalahan matematika yang memiliki satu atau lebih variabel bebas yang harus memenuhi persamaan diferensial di seluruh area dalam suatu domain yang diketahui dan memenuhi kondisi spesifik pada batas (boundary) domain. Boundary value problem terkadang juga disebut fied problem. Yang dimaksud dengan field

(26)

21

adalah domain yang diperhatikan dan paling sering merepresentasikan struktur fisik. Field variable adalah variabel bebas yang didapatkan dari penyelesaian persamaan diferensial. Sedangkan boundary condition adalah nilai spesifik dari field variable pada daerah batas (boundary) dari field. Berdasarkan tipe permasalahan fisik yang dianlisa, field variable dapat meliputi dislokasi fisik, temperatur, heat flux, kecepatan fluida, dan sebagainya.

Metode elemen hingga adalah metode numerik yang digunakan sebagai salah satu solusi pendekatan untuk memecahkan berbagi permasalahan fisik. Adapun dasar dari metode elemen hingga adalah membagi benda kerja menjadi elemen-elemen kecil yang jumlahnya berhingga sehingga dapat menghitung reaksi akibat beban (load) pada kondisi batas (boundary condition) yang diberikan. Dari elemen-elemen tersebut dapat disusun persamaan-persamaan matriks yang biasa diselesaikan secara numerik dan hasilnya menjadi jawaban dari kondisi beban yang diberikan pada benda kerja tersebut. Metode Elemen Hingga (MEH) dapat mengubah suatu masalah yang memiliki jumlah derajat kebebasan tidak berhingga menjadi suatu masalah dengan jumlah derajat kebebasan tertentu sehingga proses pemecahannya lebih sederhana. Metode ini merupakan metode computer oriented yang harus dilengkapi dengan program-program komputer digital yang tepat dalam penelitian.

Pada sebagian besar permasalahan teknik, perlu terlebih dahulu mengetahui nilai variabel seperti dislokasi, tegangan, temperatur, tekanan, dan kecepatan sebagai fungsi dari koordinat spasial (x,y,z). Pada kasus transient unsteady state, variabel harus didapatkan sebagai fungsi bukan hanya dari koordinat spasial, namun juga waktu (t). Pada praktiknya, geometri (domain atau region solusi) sering kali tidak teratur sehingga langkah pertama dari analisa elemen hingga adalah dengan menerapkan diskretisasi dari domain yang tidak teratur menjadi subdomain yang lebih kecil dan lebih teratur. Berbaai metode dapat digunakan untuk memodelkan domain menggunakan elemen hingga. Perbedaan metode untuk membagi domain pada elemen hingga menyebabkan

Perbedaan lamanya waktu komputasi dan sering mengarah pada perbedaan aproksimasi solusi. Proses diskretisasi adalah sebuah langkah yang sangat penting dalam pertimbangan teknik. Metode elemen hingga yang efisien memerlukan pengalaman dan pengetahuan yang cukup. Untuk masalah dengan skala besar yang melibatkan geometri kompleks, metode elemen hingga memerlukan waktu dan usaha yang besar jika hanya berdasarkan prosedur manual. Oleh karena itu, beberapa program telah dikembangkan untuk dapat menjalankan mesh secara otomatis agar dapat meningkatkan efisiensi pada aplikasi domain yang kompleks dan meminimalkan interface dengan analis.

Membagi daerah atau luasan menjadi sebuah elemen merupakan langkah utama dari sebuah metode elemen hingga. Dimana mesh adalah distribusi dari elemen itu sendiri. Dan elemen-elemen itu sendiri dihubungkan oleh nodes. Kemudian setelah area tersebut didiskretisasi langkah selanjutnya adalah menentukan persamaan untuk setiap elemen yang dibutuhkan. Misalnya sifat-sifat termal suatu material seperti konduktifitas termal yang mana persamaan dari elemen itu nantinya digabungkan untuk menentukan persamaan global untuk meshnya dimana menggambarkan perubahan dari seluruh bagian secara umum. [21]

(27)

22 III.11 Penelitian Sebelumnya

Pada tahun 2014 telah dilakukan penelitian oleh Muhammad Hafidh Rasyadi dan Yusuf Kaelani dengan judul penelitian Analisa Gerakan Material Implantasi Prothesis Pada Total

Hip Joint Replacement Akibat Gerak Adduksi Abduksi Menggunakan Metode Elemen Hingga.

Pada penelitian tersebut pengujian dilakukan dengan simulasi pada software finite element. Adapun material prosthesis yang digunakan adalah Ti-6Al-4V dan Co-Cr alloy dengan polymethyl methacrylate sebagai material dari mantel semennya. Penelitian tersebut menganalisa cemented hip prosthesis bagian kanan kiri depan belakang dianggap dijepit sempurna oleh tulang. Pembebanan yang diberikan yaitu asumsi 4x berat manusia normal dewasa yaitu 2.8 kN. Pembebanan diberikan berdasarkan pada sudut maksimum gerakan kaki ke dalam (adduksi) 220, dan Gerakan kaki ke luar (abduksi) 400. Analisa yang digunakan merupakan analisa 2 dimensi. Adapun hasil dari tugas akhir kali ini yaitu didapatkan distribusi tegangan normal dan tegangan gesernya serta nilai koefisien gesek kritis dari tiap model kontak antara prosthesis terhadap mantel semennya. Dari hasil tersebut adanya modifikasi profil permukaan dari model prosthesis yang sudah ada dapat meningkatkan nilai dari koefisien gesek.

Gambar 3.13 Hasil Simulasi dengan Software ANSYS [22]

Pada tahun 2018 telah dilakukan penelitian oleh Jaspreet Singh ddari Mechanical Engineering India dengan judul Investigations for Mechanical Properties and Biocompatibility of SS-316L Implant Prepared as Rapid Investment Casting for Batch Production. Pada penelitian tersebut bertujuan untuk mengembangkan material implant biomedik berupa SS-316L dengan mengkombinasikan Fused Deposition Modelling, Chemical Vapor Smoothing, Silicon Molding dan Investment Casting. Dengan melakukan variasi pada proses Invesment Casting berupa variasi waktu pengeringan dan variasi ketebalan cetakan yang berpengaruh terhadap hasil akhir kehalusan permukaan, keakuratan dimensi dan kekerasan produk implant. Hasil uji menunjukkan bahwa kekerasa permukaan berkurang dengan meningkatnya ketebalan dinding cetakan, karena dengan meningkatnya ketebalan cetakan akan berpengaruh pada laju pendinginan Sedangkan untuk mengetahui biocompatibility dilakukan uji in vitro untuk mengetahui pertumbuhan jaringan sel fibroblast pada tikus (NIH-3T3). Hasil uji ini menunjukkan bahwa implant mampu mendukung cell adhesion dan cell proliferation sehingga mampu digunakan untuk rekayasa jaringa

(28)

23 BAB IV

METODE YANG DIGUNAKAN

Untuk metode yang digunakan adalah penguasaan terhadap solid work yang berfungsi untuk pembuatan design dan geometries implan. Selanjutkan diperlukan penguasaan terhadap ansys yang membantu proses simulasi. Pengembangan awal design implant dengan bantuan Finite Element Analysis. Berikutnya pengembangan 3D design dengan menggunakan bantuan software Solidwork 2014.

Gambar 4.1 Design Artificial Hip Joint

Gambar 4.2 Simulasi Artificial Hip Joint dengan ANSYS 2019 IV.1 Tahapan Penelitian

Tahun Pertama: Design, Model Simulation & Manufacturing

Tahun pertama fokus pada pembuatan desain yang digunakan untuk implant. Setelah pembuatan desain artificial hip joint selesai maka dilanjutkan dengan proses simulasi menggunakan software ANSYS 2019. Analisis ini digunakan untuk mensimulasikan fenomena yang akan terjadi pada saat pembuatan model.

(29)

24

Gambar 4.3 Geometri dan desain Artificial Hip Joint

Permodelan pertama dilakukan dengan menggunakan analisa transient thermal untuk mengetahui distribusi temperatur. Selanjutnya, dilakukan analisa couple-field dengan transient

structural. Analisa coupled field dapat merepresentasikan efek termal untuk dikaitkan pada

fenomena lain. Analisa transient structural kemudian dilakukan untuk mengetahui tegangan termal dan shrinkage yang terjadi pada produk. Analisa termal pada permodelan ini menggunakan program Ansys Workbench 19.1 dengan modul transient thermal. Analisa

transient thermal menentukan temperatur dan besaran termal lain yang berubah terhadap

waktu. Sebuah analisa transient thermal pada dasarnya memiliki prosedur yang sama dengan analisa steady-state thermal, perbedaan utama diantara keduanya adalah sebagian besar pembebanan pada analisa transient adalah fungsi terhadap waktu. Tabel 4.1 menunjukkan beberapa sifat dari material yang harus dimasukkan ke dalam permodelan untuk mendapatkan output yang diinginkan.

Tabel 4.1 Input dan output pada Analisa permodelan

Analisa Modul Input Output

Termal Transient

Thermal

Konduktivitas termal, koefisien panas spesifik,

densitas

Distribusi temperatur

Struktural Transient Structural

Modulus elastisitas, poisson ratio, koefisien ekspansi

termal

Tegangan termal, shrinkage

Sebelum dilakukan investment casting akan kita lakukan Analisa permodelan menggunakan ANSYS. Permodelan pada investment casting dilakukan dua tahap. Permodelan pertama dilakukan dengan menggunakan analisa transient thermal untuk mengetahui distribusi

(30)

25

temperatur. Selanjutnya, dilakukan analisa couple-field dengan transient structural. Analisa

coupled field dapat merepresentasikan efek termal untuk dikaitkan pada fenomena lain. Analisa transient structural kemudian dilakukan untuk mengetahui tegangan termal dan shrinkage

yang terjadi pada produk Investment Casting. Analisa termal pada permodelan ini menggunakan program Ansys Workbench 19.1 dengan modul transient thermal. Analisa

transient thermal menentukan temperatur dan besaran termal lain yang berubah terhadap

waktu. Sebuah analisa transient thermal pada dasarnya memiliki prosedur yang sama dengan analisa steady-state thermal, perbedaan utama diantara keduanya adalah sebagian besar pembebanan pada analisa transient adalah fungsi terhadap waktu. Tabel dibawah ini menunjukkan beberapa sifat dari material yang harus dimasukkan ke dalam permodelan untuk mendapatkan output yang diinginkan.

Tabel 4.2 Input dan output pada analisa transient thermal

Analisa Modul Input Output

Termal Transient Thermal

Konduktivitas termal, koefisien

panas spesifik, densitas Distribusi temperatur

Struktural Transient Structural

Modulus elastisitas, poisson ratio, koefisien ekspansi termal

Tegangan termal, shrinkage

Analisa termal yang pertama adalah analisa mengenai distribusi temperatur pada hasil coran. Shrinkage merupakan peristiwa menyusutnya volume selama proses pengecoran setelah dilakukan pendinginan. Untuk menghitung shrinkage yang terjadi selama pendinginan, diperlukan nilai deformasi pada hasil coran di setiap sumbu. Selanjutnya, geometri awal produk dikurangi dengan deformasi tersebut sehingga didapatkan volume akhir produk. Dengan mengurangkan volume awal dengan volume akhir, maka didapatkan besarnya shrinkage pada produk investment casting. Selain itu dilakukan juga simulasi menggunakan modul Static Structural yang bertujuan untuk mengetahui kekuatan produk, dari artificial hip joint dengan berbagai pembebanan (berdiri, duduk, berjalan, melompat dan berlari). Apabila hasil analisa ANSYS sudah menunjukkan hasil yang seperti apa yang dinginkan maka proses selanjutnya berupa pengecoran dengan metode investment casting dengan bahan logam CoCrMo. Kemudian dilakukan pelapisan hidroksi apatit untuk meningatkan kemampuan biocompatibility. Alasan pemakaian material CoCrMo adalah karena material jenis ini memiliki sifat mekanik yang naik, lebih ringan dan memiliki ketahanan korosi yang baik. Sedangkan proses pelapisan (coating) menggunakan hidroksiapatit adalah untuk meingkatkan fixation antara artificial hip joint dengan femur bone dan juga mengurangi laju munculya debris yang disebabkan mekanik maupun chemical. Untuk kegiatan pengecoran dengan metode

investment casting dan proses coating dilakukan di PT. Pelopor Teknologi Implantindo,

(31)

26

Gambar 4.4 Diagram alir di tahun pertama

Tahun Kedua: Development & Various Design based on ages (size and shape)

Tahun kedua fokus pada manufacturing dengan pengembangan variasi ukuran dan bentuk Artificial HiP Joint. Selain itu produk juga akan dilakukan analisa simulasi menggunakan software ANSYS dengan berbagai kondisi dan pembebanan untuk mengetahui kemampuan dari produk tersebut saat diaplikasikan. Diagram alir di tahun kedua, diperlihatkan pada gambar 4.5.

(32)

27

Gambar 4.5 Diagram Alir Tahun Kedua

IV.2 Anggota Tim Riset

Tabel 4.3 merupakan rincian tim riset serta peran dalam produksi Hip Joint Prosthesis berbahan dasar CoCrMo Alloy

Tabel 4.3 Anggota Tim Riset

No Nama Asal

Institutsi

Posisi dikelompok

riset Peran/Tanggung Jawab 1 Yuli Setiyorini, ST.,

MPhil., PhD.Eng ITS Ketua

Pemilihan design dan geometris implant 2 Sungging Pintowantoro,

ST., MT., PhD ITS Anggota Proses simulasi

3 Fakhreza Abdul, ST., MT ITS Anggota Proses manufacturing

investment casting

4 Fahny Ardian, ST ITS Anggota

Mahasiswa S2 yang terlibat dalam penelitian dan mengerjakan topik

(33)

28 Tabel 5.1 Jadwal Penelitian

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Studi Literatur Proposal

2 Karakterisasi Material E-Guide Tint Data

3 Proses Desain dengan Solidworks Data

4 Proses Simulasi dengan ANSYS Data

5 Analisa Hasil Simulasi Data

6 Pencetakan dengan 3D Printing Produk 3D Printing

7 Pembuatan Desain Invesment Casting Data

8 Simulasi Invesment Casting dengan ANSYS Data

9 Analisa Hasil Simulasi Data

10 Proses Invesment Casting dengan material CoCrMo Produk Artificial Hip Joint

11 Proses Coating dengan Hidroksi Apatit Produk Artificial Hip Joint

12 Manufacturing dengan Variasi Bentuk dan Ukuran Produk Artificial Hip Joint

13 Publikasi dan Seminar Data

Tahun I Tahun II

(34)

v BAB VI

DAFTAR PUSTAKA

[1] Rogerz, Kara.2011. Bone and Muscle Structure, Force and Motion. Britannica Educational Publishing. New York

[2] www.Kemenkes.go.id

[3] World Health Organization FRAX, Calculation, 2011

[4] Colic, K. 2016. The Current Approach to Research and Design of The Artificial Hip Prothesis. University of Berlgarde, Innovation Center. Serbia

[5] Aoki, Hideki. 1991. Science and Medical Application of Hidroxyapatite. JAAS: Tokyo, Japan.

[6] Kapus. 2020. Relationships Between Bone Mineral Density, Body Composition, and Isokinetic Strength in Postmenopausal Women. Faculty of Science. Czech Republic [7] Smallman. & A.H.W. Ngan, 2007. Physical Metallurgy and Advanced Material, Sevent

Edition. Elsevier Science and Sabre Foundation Book

[8] Iyer, Mohan. 2018, The Hip Joint in Adults Advance and Developments, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. Singapore

[9] Hasirci, Vasif. 2018. Fundamentals of Biomaterials, Springer Science. New York

[10] Buddy D, Ratner. 2013. Biomaterials Science an Introduction to Materials in Medicine.

Third Edition, Elsevier Science and Sabre Foundation Book.

[11] https://westernjusticelaw.com/metal-on-metal-hip-replacements/

[12] Park, John and Lakes. 2007. Biomaterials in Introduction. Third edition. Vol 1.USA CRC

Press

[13] Nabakumar, Pramanik, Mishra, Indranil, Tapas Kumar, Parag Bhargava. 2009. Chemical Synthesis, Characterization, and Biocompatibility Study of Hidroxyapatite/Chitosan Phosphate Nanocomposite for Bone Tissue Engineering Application. International Journal of Biomaterials. Volume Article ID 512417

[14] Yildrim, Oktay. 2004. Preparation and Characterization of Chitosan/Calsium Phosphate Bases Composite, Turkey.

[15] http://hofmannarthritisinstitute.com/hip/understanding-hip-arthritis/ [16] www.HaloDoc.com

[17] https://www.baptistjax.com/health-library/assemblyAHP

[18] https://www.baptistjax.com/health-library/in-depth-reports/well-connected/hip-joint-replacement-series

[19] Campbell. 2015. Complete Casting Handbook.Elsevier.Ltd.USA

[20] Carmen. 2019. Support Vector Representation Machine for Superalloy Investment Casting Optimization. Department of Engineering and Architecture, University of Trieste. Italy

[21] Xiaolin. 2019. Finite Element Modelling and Simullation with ANSYS Workbench.CRC Press. London

[22] David. 2008. Finite Element Analysis of Hip Stem Design. Departemen of Mechanical Engineering. Ohio Nortehn University.United States.

(35)

vi BAB VII LAMPIRAN Lampiran 1

Biodata Tim Peneliti

1. Ketua

a. Nama Lengkap : Yuli Setiyorini, ST., MPhil., PhD. Eng b. NIP/NIDN : 197907242005012003/0024077901 c. Fungsional/Pangkat : Lektor/IIIc

d. Bidang Keahlian : Biomaterials and Materials Processing e. Departemen/Fakultas : Teknik Material dan Metalurgi/Indsys

f. Alamat Rumah dan No. Telp : Jl. Keputih Perintis VI No.3, Sukolilo, Surabaya

g. Riwayat penelitian/pengabdian (2) yang paling relevan dengan penelitian yang diusulkan/dilaporkan (sebutkan sebagai Ketua atau Anggota)

Type Judul Peranan Sumber dana

Penelitian (2016-2019)

Pengembangan implant berbasis CoCrMo alloy dengan metode cast forging dan 3D print EBM tanpa memicu terjadinya efek keracunan Cr6+_{dalam plasma darah hingga} berdampak kanker

Ketua Hitachi Foundation

Pembuatan nano chitosan dari recycle biowaste

Ketua Unggulan ITS Penelitian

(2014-sekarang)

Pembuatan dental implant dengan 3D printing

Ketua Mandiri kerjasama dengan Pramita Lab

Penelitian (2013-sekarang)

Pembuatan implant tulang temporary berbasis stainless steel dengan investment casting

Ketua Mandiri kerjasama dengan Xenith dan Pelopor Teknologi Implantindo Indonesia

Pengabdian (2019)

Sintesis chitosan antibacterial dari BSF Anggota Pengabdian berbasis Penelitian h. Publikasi (2) yang paling relevan (dalam bentuk makalah atau buku)

1. International Conference on Mechanical and Production Engineering (ICMPE), 9th-10th October 2018, Yokohama, Japan. (Proceeding Conference and Best of Presentation/Content Award).

2. Summit of Materials Science (SMS) 2018, held on 29th-30th October 2018, Sendai, Japan. (Poster Presentation). IMR-Tohoku University.

3. Engineering Physics International Conference (EPIC 2018), held on 31st October-2nd November 2018, Surabaya, Indonesia. (Oral Presentation)

(36)

vii

4. International Conference Advanced Nano and Energy Materials (ANEM 2018), held on 12nd -14th December 2018, Western Australia, Australia. (Oral Presentation)

5. International Journal of Mechanical and Production Engineering, ISSN(p): 2320-2092, ISSN(e): 2321-2071 Volume- 7, Issue-1, Jan.-2019, http://iraj.in

6. SIDI Inernational Conference 2019, held on 2nd_-8th_{September 2019, Surabaya. (Oral Presentation)} i. Paten (2) terakhir

j. Tugas Akhir (2 terakhir yang paling relevan), Tesis (2 terakhir yang paling relevan), dan Disertasi (2 terakhir yang paling relevan) yang sudah selesai dibimbing.

Type Judul

Disertation In-vitro Behavior of Co-Cr-Mo Alloys Prepared by Electron Beam Melting (EBM) in Inflammatory Artificial Blood Plasma

Thesis Pengembangan dental coating

Thesis Studi performa produk-produk dental appliances Tugas Akhir Sintesis chitosan dari BSF sebagi antibacterial

Tugas Akhir Sintesis nano chitosan dengan bantuan gelombang mikro

Tugas Akhir Pembuatan nano bovine carbonated-hydroxyapatite dengan gelombang mikro

2. Anggota

a. Nama Lengkap : Sungging Pintowantoro, ST., MT., PhD. Eng b. NIP/NIDN : 196809302000031001/0030096803

c. Fungsional/Pangkat : Lektor Kepala/IIId

d. Bidang Keahlian : Minerals and Materials Processing e. Departemen/Fakultas : Teknik Material dan Metalurgi/Indsys

Pengembangan implant berbasis CoCrMo alloy dengan metode cast forging dan 3D print EBM tanpa memicu terjadinya efek

(37)

viii

keracunan Cr6+_{dalam plasma darah hingga} berdampak kanker

(2014-sekarang)

Anggota Mandiri kerjasama dengan Pramita Lab

Anggota Mandiri kerjasama dengan Xenith dan Pelopor Teknologi Implantindo Indonesia

Pengabdian (2019)

Sintesis chitosan antibacterial dari BSF Ketua Pengabdian berbasis Penelitian h. Publikasi (2) yang paling relevan (dalam bentuk makalah atau buku)

1. International Conference on Mechanical and Production Engineering (ICMPE), 9th-10th October 2018, Yokohama, Japan. (Proceeding Conference and Best of Presentation/Content Award).

2. Summit of Materials Science (SMS) 2018, held on 29th-30th October 2018, Sendai, Japan. (Poster Presentation). IMR-Tohoku University.

3. Engineering Physics International Conference (EPIC 2018), held on 31st October-2nd November 2018, Surabaya, Indonesia. (Oral Presentation)

4. International Conference Advanced Nano and Energy Materials (ANEM 2018), held on 12nd -14th December 2018, Western Australia, Australia. (Oral Presentation)

5. International Journal of Mechanical and Production Engineering, ISSN(p): 2320-2092, ISSN(e): 2321-2071 Volume- 7, Issue-1, Jan.-2019, http://iraj.in

Type Judul

Disertation In-vitro Behavior of Co-Cr-Mo Alloys Prepared by Electron Beam Melting (EBM) in Inflammatory Artificial Blood Plasma

Tugas Akhir Sintesis chitosan dari BSF sebagi antibacterial

Tugas Akhir Pembuatan nano bovine carbonated-hydroxyapatite dengan gelombang mikro

3. Anggota

(38)

ix

b. NIP/NIDN : 199102172015041002/0017029101 c. Fungsional/Pangkat : Asisten Ahli/IIIb

d. Bidang Keahlian : Minerals and Materials Processing e. Departemen/Fakultas : Teknik Material dan Metalurgi/Indsys

(2014-sekarang)

Anggota Mandiri kerjasama dengan Pramita Lab

Anggota Mandiri kerjasama dengan Xenith dan Pelopor Teknologi Implantindo Indonesia

Pengabdian (2019)

Sintesis chitosan antibacterial dari BSF Ketua Pengabdian berbasis Penelitian h. Publikasi (2) yang paling relevan (dalam bentuk makalah atau buku)

Type Judul

Tugas Akhir Sintesis chitosan dari BSF sebagi antibacterial

(39)

x Yang bertanda tangan di bawah ini kami:

Nama : Teguh Hari Prasetyo

Jabatan : Operational Director

Nama Mitra : PT. Pelopor Teknologi Implantindo

menyatakan bersedia untuk melaksanakan tanggung jawab sebagai mitra penelitian:

Judul Penelitian : Produksi Hip Joint Prosthesis berbasis CoCrMo Alloy dengan Investment Casting dalam rangka mencapai TKDN

Ketua Tim Peneliti : Yuli Setiyorini, ST., MPhil.,. PhD.Eng

Dengan memberi kontribusi in cash sebesar Rp 40.000.000,-

Surat pernyataan ini kami buat dengan sebenarnya untuk digunakan seperlunya.

Surabaya, 2 Maret 2020 Mengetahui,

Pimpinan Mitra/Instansi Peneliti Mitra

(40)

(41)