PENGEMBANGAN PROTOTIPE SAMBUNGAN TULANG PANGGUL
PRODUK INDONESIA
Jamari1,∗, Iwan Budiwan2, Rifky Ismail1, Sugiyanto1, Muhammad Tauviqirrahman1, dan Eko Saputra1 1Laboratorium Perancangan Teknik dan Tribologi, Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Sudharto, SH. Tembalang-Semarang Jawa Tengah 50275 Telp. +62247460059
2
RS. Ortopedi Prof.dr.R.Soeharso
Jl. A. Yani, Pabelan, Kartasura Surakarta Jawa Tengah 57162 Telp. +62271714458
∗
e-Mail: j [email protected] Disajikan 29-30 Nop 2012
ABSTRAK
Kerusakan permanen pada sambungan tulang panggul (hip joint) akibat proses pengapuran, penuaan atau kecelakaan memerlukan tindakan penggantian dengan sambungan tulang panggul buatan. Di Indonesia, jumlah penggantian sendi pang-gul masih relatif kecil jika dibandingkan dengan jumlah penggantian di negara-negara maju. Faktor tingginya harga menjadi faktor yang dominan selain kurangnya pengetahuan pasien. Hingga saat ini, produk sambungan tulang panggul buatan yang digunakan berbagai rumah sakit merupakan produk impor, belum ada industri kesehatan nasional yang mampu membuatnya. Tujuan yang ditargetkan pada penelitian ini adalah: (1) mendapatkan data dimensi sambungan tulang panggul buatan untuk pasien di Indonesia, (2) menghasilkan prototipe yang lolos pengujian kekuatan dan kekerasan serta memiliki ketepatan geometri, (3) menghasilkan prototipe yang mampu menahan beban, dan (4) material bahan baku yang digunakan lolos dalam percobaan bio-kompatibilitas pada tubuh hewan. Metode yang digunakan dalam penelitian ini meliputi: observasi data pasien sambungan tulang panggul buatan di RSO dr. Soeharso Solo, pengujian mekanis terhadap material bahan baku dan perbandingannya dengan sambungan tulang panggul produk impor, pengujian bio-kompatibilitas bahan baku pada tubuh kelinci, serta proses manufaktur sambungan tulang panggul buatan. Hasilnya menunjukkan bahwa (1) kebutuhan sambungan tulang panggul buatan orang Indonesia memiliki range dimensi 38-51 mm. Rata-rata dimensi kepala tulang femur adalah 43 mm, (2) pro-totipe yang dibuat memiliki ketepatan permesinan yang baik dan menggunakan material yang telah lolos pengujian yang telah ditargetkan, (3) pemilihan desain dan material dinyatakan layak untuk menahan beban aktifitas manusia berdasarkan pengu-jian metode elemen hingga dan (4) pengupengu-jian bio-kompatibilitas material pada tubuh kelinci tidak menimbulkan reaksi negatif dengan prosentase keberhasilan 83%.
Kata Kunci: Sendi panggul buatan, prototipe, produk dalam negeri, pengujian mekanis.
I.
PENDAHULUAN
Sambungan tulang panggul buatan terdiri dari be-berapa komponen. Komponen-komponen tersebut adalah acetabular shell, acetabular liner, femoral head dan femoral stem sebagaimana terlihat padaGAMBAR1. Sambungan tulang panggul buatan digunakan sebagai pengganti sendi panggul yang telah rusak akibat proses pengapuran, penuaan atau kecelakaan.
Kebutuhan akan tulang panggul buatan dibeberapa negara maju sangat besar. Sejumlah kasus penggan-tian sambungan tulang panggul buatan ditemukan di benua Eropa pada tahun 2005, sejumlah 230.000 ka-sus ditemukan di Amerika pada tahun 2004, sedikitnya 150.000 kasus ditemukan di Jepang untuk kurun
bebe-rapa tahun terakhir.[1]
Di Indonesia, observasi lapangan dan survey telah dilakukan di Rumah Sakit Ortopedi (RSO) dr. Soe-harso, Solo yang merupakan rumah sakit rujukan topedi di Jawa Tengah dan salah satu rumah sakit or-topedi terbaik level nasional. Hasil survey menun-jukkan angka penggantian sambungan tulang pang-gul buatan di rumah sakit ini mencapai 200-400 orang per tahun.[2] Meskipun diakumulasikan secara na-sional, jumlah penggantian sendi panggul di Indone-sia masih relatif kecil jika dibandingkan dengan jumlah penggantian di negara-negara maju. Faktor tingginya harga, sulitnya akses fasilitas kesehatan dan rendahnya pengetahuan pasien menjadi faktor yang dominan
ter-0742: Jamari dkk. KO-75
GAMBAR1: Sambungan tulang panggul buatan
hadap rendahnya jumlah penggantian sambungan tu-lang panggul buatan ini.
Tingginya harga tulang panggul buatan salah sa-tunya disebabkan produk tersebut masih 100% im-por. Hingga saat ini, belum ada produk sambun-gan tulang buatan dalam negeri yang dijual komersial. Hal ini disebabkan karena tingginya kesulitan proses manufaktur dan kurangnya pengetahuan tentang ma-terial penyusun komponen tersebut.[3] Berkaitan
de-ngan hal tersebut, Laboratorium Perancade-ngan Teknik (Lab EDT), Jurusan Teknik Mesin UNDIP mengem-bangkan sambungan tulang panggul buatan produk dalam negeri yang lebih kompetitif dari segi harga tetapi dapat bersaing dari segi kualitas. Tujuan dari penelitian ini adalah :1) Mendapatkan data dimensi sambungan tulang panggul buatan untuk pasien di In-donesia; (2) Menghasilkan prototipe yang lolos pengu-jian kekuatan dan kekerasan serta memiliki ketepatan geometri; (3) Menghasilkan prototipe yang mampu menahan beban; (4) Materialnya lolos dalam percobaan bio-kompatibilitas pada tubuh hewan.
Road Map Penelitian
Lab EDT telah melakukan penelitian mengenai sam-bungan tulang panggul buatan selama beberapa tahun. Penelitian ini berdasarkan road map yang telah ditetap-kan (Gambar 2). Penelitian dimulai dari kajian material viskoelastis yang merupakan salah satu pilihan mate-rial pada acetabular liner.[4]
Penelitian berikutnya mengenai mekanika kontak yang terjadi pada sambungan tulang panggul buatan dilakukan menggunakan metode elemen hingga dan menghasilkan beberapa alternatif desain sambungan tulang panggul buatan.[5] Tahun 2010 pemantapan
de-sain dilakukan dengan penelitian tentang analisa pe-ngaruh ketebalan acetabular liner terhadap tekanan kontak pada sambungan tulang panggul buatan.[6]
Tahun 2011 telah dilakukan penelitian tentang anali-sis pengaruh pembebanan terhadap tegangan dalam
sambungan tulang panggul buatan dengan metode el-emen hingga,[7] dilanjutkan dengan proses finalisasi
desain dan pembuatan prototipe sambungan tulang panggul buatan tahap 1.[8] Pemilihan material
de-ngan mempertimbangkan beberapa pilihan bahan dila-kukan dengan analisa kontak Ceramic-on-Crosslinked UHMWPE pada sambungan tulang panggul buatan.[9]
Beberapa penelitian pendahuluan ini kemudian di-lanjutkan dengan penelitian yang ditargetkan meng-hasilkan prototipe sambungan tulang panggul buatan tahap 2 (tahun 2012) dengan target sebagaimana telah dijelaskan pada tujuan penelitian di atas. Paper ini menjelaskan bagaimana langkah-langkah penelitian yang dilakukan untuk menghasilkan prototipe tahap 2 dan mencapai tujuan yang telah ditetapkan.
II.
METODOLOGI
Bahan baku yang akan digunakan pada penelitian ini adalah material stainless steel AISI 316L yang digu-nakan pada komponen acetabular shell, femoral head dan femoral stem pada sambungan tulang panggul bu-atan. Material ini merupakan material yang banyak di-gunakan sebagai material ortopedik hingga saat ini.[3]
Penelitian ini menggunakan beberapa metode: 1. Observasi data pasien dan analisis statistik di RSO
dr. Soeharso, Solo.
2. Simulasi numerik menggunakan metode elemen hingga untuk menganalisa desain dan material yang dipilih. Software komersial ABAQUS digu-nakan untuk analisa metode elemen hingga. 3. Pengujian material bahan baku AISI 316L dan
per-bandingannya terhadap produk impor merk XYZ buatan Amerika. Standar pengujian yang digu-nakan berasal dari
4. ASTM untuk pengujian tarik, kekerasan dan im-pact.
5. Pengujian material bahan baku dengan menanamkan pada tubuh kelinci dan analisa bio-kompatibilitas.
6. Proses pemesinan untuk mendapatkan prototipe tahap 2.
Pelaksanaan penelitian ini, selain dilakukan oleh Lab. Perancangan Teknik dan Tribologi, Jurusan Teknik Mesin UNDIP dan RSO dr. Soeharso Solo juga meli-batkan beberapa institusi: Politeknik Manufaktur Ceper (Klaten), Program Studi Teknik Mesin Diploma UGM (Jogja), Jurusan Biologi UNDIP, Unit Pelaksana Teknis (UPT) LIK Kaligawe Semarang, UPT LIK Takaru, Tegal, dan Politeknik Negeri Semarang.
GAMBAR2: Road map penelitian tentang sambungan tulang panggul buatan produk Indonesia
III.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dari hasil observasi lapangan terhadap data peng-guna sambungan tulang panggul buatan didapatkan bahwa ukuran kepala femur yang paling banyak di-jumpai pada pasien adalah diameter 43 mm. Range ukuran kepala femur ini berkisar antara 38-51 mm. Pada beberapa katalog sambungan tulang panggul bu-atan produk impor, ukuran terkecil yang disediakan adalah 40 mm. Beberapa pasien dengan dimensi kepala femur yang lebih kecil harus menunggu datangnya pro-duk impor sebelum proses operasi berlangsung. Hal ini menjadikan waktu tunggu bagi beberapa pasien men-jadi lebih lama. Untuk itu, sambungan tulang pang-gul buatan yang nantinya akan diproduksi massal akan memperhatikan range dimensi yang sesuai untuk orang Indonesia. Berdasarkan pertimbangan ketersediaan ba-han, daya beli pasien, pengalaman penggunaan bahan di RSO dr. Soeharso serta data sekunder (literature) diputuskan material yang digunakan pada penelitian ini adalah AISI 316 L sebagai komponen logam dan UHMWPE sebagai bearing polimer untuk penahan be-ban dan gesekan.
Simulasi numerik menggunakan metode elemen hingga menggunakan software ABAQUS membuk-tikan bahwa desain yang telah dirancang dan material yang telah dipilih (AISI 316L dan UHMWPE) mampu menahan beban pada berbagai normal aktifitas manu-sia. Contoh simulasi numerik pada acetabular liner ter-lihat padaGAMBAR3.
Nilai tegangan maksimal yang terjadi ketika aktifitas melompat bagi pasien sambungan tulang panggul bu-atan berkisar 50-65% kekubu-atan luluh material sehingga material dan desain diperkirakan mampu menahan
be-ban dengan baik dan terhindar dari kegagalan. Ura-ian data simulasi yang lebih lengkap dapat dijumpai pada.[10]
Sebagai upaya bench-marking terhadap material AISI 316L (bahan baku yang akan digunakan), studi komparasi dilakukan dengan mengamati produk sam-bungan tulang panggul buatan produk impor merek XYZ buatan Amerika yang banyak digunakan oleh RSO dr. Soeharso, Solo. Produk impor ini dijadikan speci-men percobaan dan diuji.GAMBAR4(a-c)menunjukkan produk sambungan tulang panggul buatan produk im-por yang telah dibelah untuk diuji mekanis, komposisi unsur dan struktur mikro.
Perbandingan antara material bahan baku dengan material yang digunakan pada produk impor menun-jukkan bahwa dari sisi kekerasan makro dan struktur mikro material memiliki kemiripan (GAMBAR5) tetapi
GAMBAR3: Simulasi pembebanan pada acetabular liner
0742: Jamari dkk. KO-77
GAMBAR4: Sambungan tulang panggul buatan produk impor: (a)
acetabular shell, (b) acetabular liner dan (c) femoral head - femoral stem
hasil pengujian tarik menunjukkan bahwa tegangan tarik material produk impor lebih tinggi. Hal ini diperkirakan sebagai akibat komposisi unsur paduan stainless steel, perlakuan material dan proses pemben-tukan yang dipilih.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa material bahan baku secara umum tidak bereaksi negatif terhadap ke-linci yang dijadikan percobaan uji bio-kompatibilitas. Proses penanaman material bahan baku di dalam tubuh kelinci dilakukan oleh mitra dokter dan residen orto-pedi dari RSO. Dr. Soeharso Solo seperti terlihat pada
GAMBAR6. Setelah menjalani proses operasi penana-man material dari 30 kelinci observasi 5 kelinci mati pada bulan pertama. Meski demikian penyebab kema-tian kelinci ini tidak berkaitan dengan implant yang di-tanamkan melainkan akibat penyakit seperti diare dan penyakit kulit.
Sejumlah 25 kelinci yang lain mampu bertahan hingga bulan kedua (83%). Observasi masih terus ber-jalan hingga 3 bulan. Hasil hipotesa awal menun-jukkan bahwa material bahan baku tidak reaktif ter-hadap tubuh kelinci.
Proses permesinan pembuatan prototipe sambun-gan tulang panggul buatan berjalan densambun-gan baik se-hingga mampu menghasilkan prototipe sambungan tu-lang panggul buatan tahap 2. Proses permesinan di-lakukan di Politeknik Negeri Semarang (POLINES).
GAMBAR7 menunjukkan proses permesinan sambun-gan tulang panggul buatan. Mesin CNC digunakan untuk mendapatkan kepresisian yang tinggi. Pengu-kuran ketelitian geometri setelah prototipe tahap 2 sele-sai dibuat menunjukkan bahwa peyimpangan yang ter-jadi masih masuk dalam batas toleransi yang diizinkan. Kerja sama multi-partai yang melibatkan banyak
in-GAMBAR 5: Struktur mikro (a) produk impor dan (b) material
bahan baku
stansi lintas bidang ilmu mampu berjalan dengan baik dalam penelitian ini dan semua pihak bersemangat un-tuk mewujudkan sambungan tulang panggul made in Indonesia. Meski demikian kendala dalam penyesua-ian waktu dari berbagai pihak sempat dirasakan dalam penelitian ini.
Adanya sisi orisinalitas pada desain yang dirancang bersama oleh tim Lab EDT dan tim RSO dr. Soe-harso Solo menghasilkan suatu usulan draft patent yang sedang disempurnakan.
IV.
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan beberapa kesimpulan yang dapat diambil adalah sebagai berikut: 1. Kebutuhan sambungan tulang panggul buatan orang Indonesia memiliki range dimensi khusus. Rata-rata dimensi kepala tulang femur adalah 43 mm.
GAMBAR 6: Proses penanaman material bahan baku sambungan
tulang panggul buatan pada tubuh kelinci.
2 yang telah dibuat sesuai dimensi orang Indone-sia dan memiliki ketepatan permesinan yang baik. Prototipe ini menggunakan material yang telah lo-los pengujian yang telah ditargetkan.
3. Pemilihan desain dan material dinyatakan layak untuk menahan beban aktifitas manusia dan lolos uji kegagalan berdasarkan pengujian metode ele-men hingga.
4. Pengujian bio-kompatibilitas bahan baku pada tubuh kelinci tidak menimbulkan reaksi negatif ter-hadap tubuh kelinci.
SARAN
1. Perlu adanya penelitian lanjutan untuk membuat atau melakukan proses casting untuk mendap-atkan material bahan baku produk dalam negeri. 2. Perlu penelitian lanjutan untuk pengujian
bio-kompatibilitas di dalam tubuh manusia yang akan
GAMBAR7: Proses permesinan komponen: (a) acetabular shell dan
(b) kepala stem
dilakukan oleh tim dokter RSO dr. Soeharso, Solo. 3. Perlu adanya penelitian lanjutan untuk mendorong
prototipe sambungan tulang panggul buatan men-jadi produksi masal.
UCAPAN TERIMA KASIH
Tim peneliti menyampaikan rasa terima kasih setinggi-tingginya kepada Kementrian Riset dan Tek-nologi (Kemenristek), Republik Indonesia atas pem-biayaan penelitian Insentif Riset SINas Riset Terapan No: RT-2012-0742. Peneliti juga menyampaikan te-rima kasih kepada seluruh instansi serta mahasiswa S1 dan S2 Jurusan Teknik Mesin UNDIP, Jurusan Biologi UNDIP dan tim residen ortopedi RSO dr. Soeharso yang telah terlibat dan berkontribusi dalam penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Kiefer, H., (2007), Current Trends in Total Hip Arthroplasty in Europe and Experiences with the Bicontact Hip System dalam buku Treatment of Osteoarthritic Change in the Hip, Springer Japan.
0742: Jamari dkk. KO-79 [2] Jamari, Sugiyanto, Ismail, R., dan Tauviqirrahman,
M., (2010), Wawancara dengan tim medis di RS. dr. Soeharso, Solo berkaitan dengan sambungan tu-lang panggul buatan, Catatan Internal.
[3] N. Jessica, A. Soto, N.C. Cora, dan J.F. Irizarry, (2005), Mechanics of Biomaterials: Orthopedics, University of Puerto Rico, Mayaguez.
[4] Sutrisno, I, Sugiyanto, Jamari, Ismail, R. dan Tau-viqirrahman, M., 2009, Simulasi kontak viskoe-lastik menggunakan metode elemen hingga, Pro-siding Seminar Nasional XV Pengembangan Riset dan Teknologi pada Sektor Industri, Universitas Gadjah Mada, pp. MB/BT 72 - 75. ISBN: 978-979-95620-5-0.
[5] Sugiyanto, Sutrisno, I., Jamari, Ismail, R., dan Tauviqirrahman, M., 2009, Analisa Kontak Sam-bungan Tulang Panggul Buatan Menggunakan Metode Elemen Hingga, Prosiding Seminar Na-sional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) VIII, Uni-versitas Diponegoro, Semarang, M7 - 024, ISBN : 978-979-704-772-6.
[6] Sugiyanto, Tauviqirrahman, M., Ansori, C., Ismail, R., and Jamari, 2010a, Analisa pengaruh ketebalan acetabular cup terhadap tekanan kontak pada sam-bungan tulang panggul buatan, Proceeding of Na-tional Seminar - Science and Technology, Faculty of Engineering, University of Wahid Hasyim, Se-marang, ISBN : 978-602-8273-25-1, pp. D.86 - D.91. [7] Sugiyanto, Tauviqirrahman, M., Ismail, R., Jamari, 2011, Analisis pengaruh pembebanan terhadap tegangan dalam sambungan tulang panggul bu-atan dengan metode elemen hingga, Proceeding of National Seminar - SEMANTIK, University of Dian Nuswantoro, Semarang, ISBN : 979-26-0255-0.
[8] Setyoadi, Y., Budiwan Anwar, I., Ismail, R., Sugiyanto., Jamari., 2011, Proses Desain dan Man-ufaktur Arificial Hip Joint, Seminar Nasional TEKNOIN UII Yogyakarta-ISBN 978-979-96964-8-9.
[9] Winarso, R., Jamari, dan Haryanto, I., 2011, Analisa Kontak Ceramic-on-Crosslinked UHMWPE pada Sambungan Tulang Panggul Buatan menggunakan Metode Elemen Hingga, Majalah Ilmiah Momen-tum FT. Unwahas - ISSN 0216.7395,
[10] Saputra, E., Ismail, R., Jamari, and Anwar, I.B., 2012, The Effect of Loading the UHMWPE Mate-rial for Artificial Hip Joint Bearing, Proceeding of ICCME 2012, ISBN 978-602-097-281-7
