EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK

(1)

ISSN 1411-1349 Volume 13, Januari 2012

90 Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi

Akselerator dan Aplikasinya Vol. 13, Januari 2012 : 90 -100

EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN

KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK

Lely Susita R.M., Sudjatmoko, Wirjoadi, Bambang Siswanto, Ratmi Herlani

Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Jl.Babarsari Kotak Pos 6101 Ykbb, Yogyakarta 55281 Email : ptapb@batan.go.id

ABSTRAK

EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK. Material yang digunakan dalam piranti ortopedik atau prostetik, terutama SS 316L dan Ti-6Al-4V pada pemakaian jangka panjang mempunyai kecenderungan terjadinya korosi dalam lingkungan tubuh yang agresif. Dalam penelitian ini telah dilakukan implantasi ion nitrogen pada permukaan material SS 316L dan Ti-6Al-4V untuk meningkatkan ketahanan korosi permukaan material tersebut dalam lingkungan Hanks yang disimulasikan mirip dengan cairan tubuh manusia. Hasil uji korosi menunjukkan bahwa laju korosi cuplikan SS 316L dan Ti-6Al-4V mengalami penurunan cukup besar, yang berarti bahwa cuplikan hasil implantasi ion nitrogen mempunyai ketahanan korosi yang lebih baik. Ketahanan korosi optimum cuplikan SS 316L diperoleh pada dosis ion 5×1016 ion/cm2 dan energi 80 keV, sedangkan untuk cuplikan Ti-6Al-4V diperoleh pada dosis 5×1016 ion/cm2 dan energi 100 keV, dimana pada kondisi ini tidak muncul kurva anodik, dimungkinkan telah terjadi peningkatan ketahanan korosi yang permanen pada cuplikan Ti-6Al-4V.

Kata Kunci : lapisan nitrida, ketahanan korosi, implantasi ion, prostetik

ABSTRACTS

EFFECT OF NITRIDE LAYER ON THE CORROSION RESISTANCE OF PROSTHETIC MATERIALS. Materials used on orthopedics instruments especially SS 316L and Ti-6Al-4V for long term application tend to corrode in corrosive environment body. In this research, it has been carried out an implantation of nitrogen ions into SS 316L and Ti-6Al-4V surfaces for improving their corrosion resistance in Hanks environment simulated like human body liquid. It’s found that the corrosion rate of implanted samples decrease significantly, it meants that the nitrogen ion implanted samples has a better corrosion resistance. The optimum corrosion resistance of SS 316L sample was achieved at 80 keV of energy and 5×1016 ion/cm2 of ion dosage, while for Ti-6Al-4V sample was achieved at 100 keV of energy and 5×1016 ion/cm2 of ion dosage. In this conditions there is no appearance of anodic curve, it may be caused by the increasing permanent of corrosion resistance of Ti-6Al-4V sample.

Keywords : nitride layer, resistance corrosion, ion implantation, prosthetic

PENDAHULUAN

aterial biomedik atau disebut biomaterial adalah material sintetis yang digunakan untuk membuat prostetik atau piranti cangkok ortopedik (orthopedic implant devices). Pencangkokan piranti ortopedik telah meningkatkan kualitas hidup jutaan orang hingga sekitar seperempat abad yang lalu. Biomaterial yang digunakan dalam pencangkokan prostetik berfungsi untuk menggantikan atau memperbaiki fungsi dari bagian tubuh manusia yang mengalami kontak secara kontinyu dengan cairan tubuh untuk jangka waktu pendek atau panjang. Tubuh manusia adalah suatu lingkungan yang agresif untuk metal dan paduannya karena berupa larutan mengandung garam yang teroksigenasi

dengan kandungan garam sekitar 0,9% pada pH ∼

7,4 dan pada suhu sekitar 37 o_C(1,2)_{. Apabila suatu}

prostetik atau piranti cangkok ortopedi dicangkokkan ke dalam tubuh manusia, cangkokan tersebut secara kontinyu tercelup dalam cairan jaringan tubuh. Semua biomaterial berbasis metal, termasuk material yang paling tahan korosi, mengalami kerusakan atau degradasi secara kimia dan elektrokimia pada kelajuan tertentu, yang diakibatkan oleh lingkungan tubuh manusia yang kompleks dan korosif. Oleh karena itu biomaterial

tersebut harus biocompatible dan tidak menyebabkan

terjadinya perangsangan atau penolakan oleh

jaringan tubuh, dan harus nontoxic dan

noncarcinogenic, serta dapat menahan beban secara berulang dalam lingkungan tubuh yang agresif. Biomaterial tersebut adalah suatu material atau kombinasi

Ada tiga paduan metal, yaitu stainless steel,

paduan kobalt-khrom, titanium dan paduannya

(2)

Volume 13, Januari 2013 ISSN 1411-1349

EFEK LAPISAN NITRIDA TERHADAP KETAHANAN KOROSI PERMUKAAN MATERIAL UNTUK PROSTETIK

Lely Susita R.M., dkk

91 adalah material yang pada umumnya digunakan

untuk pencangkokan ortopedi (3)

. Austenitic stainless steel sesuai dengan spesifikasi F138 ASTM dan stainless steel 316L pada saat ini banyak digunakan sebagai material prostetik atau untuk pembuatan

piranti cangkok ortopedi (4)_{. Selain}

stainless steel, vitallium yang mengandung kobalt, khrom dan nikel, dan juga paduan titanium-aluminium-vanadium banyak digunakan dalam piranti cangkok ortopedi (5)_.

Korosi adalah salah satu isu utama yang mengakibatkan terjadinya kegagalan dalam pencangkokan piranti ortopedi. Sifat dasar dari lapisan oksida pasif yang terbentuk dan sifat-sifat mekanik dari material merupakan beberapa kriteria penting untuk melakukan pemilihan material alternatif atau pengembangan material baru. Ditinjau secara klinis, peningkatan terbesar dapat dibuat dengan pemilihan material yang lebih baik, perancangan dan kendali mutu untuk mengurangi atau kalau mungkin mengeliminasi korosi dalam material prostetik atau piranti cangkok ortopedi.

Modifikasi permukaan stainless steel 316L dan

paduan Ti-6Al-4V dapat dilakukan dengan menggunakan beberapa teknik modifikasi atau rekayasa permukaan bahan. Teknik modifikasi permukaan yang dapat dimanfaatkan antara lain adalah implantasi ion untuk memperbaiki unjuk kerja piranti cangkok ortopedi dan memperbaiki kualitas hidup penerima cangkok ortopedi.

Pada penelitian ini telah dilakukan implantasi

ion nitrogen pada dosis ion 5×1016_ion/cm2_dan

variasi energi ion 60 keV, 80 keV, 100 keV untuk

SS 316L, serta dosis ion 5×1016_ion/cm2_{dan variasi}

energi ion 70 keV, 80 keV, 100 keV untuk Ti-6Al-4V agar diperoleh peningkatan ketahanan korosi pada permukaan material untuk prostetik.

TATA KERJA

Pembuatan cuplikan

Material yang digunakan untuk cuplikan

adalah stainless steel AISI (American Iron and Steel

Institute) 316L (komposisi 69% Fe, 18% Cr, 10% Ni dan 3% Mo) dan paduan Ti-6Al-4V dengan ketebalan 2 mm dipotong dalam bentuk silinder dengan diameter 2,6 cm dan bentuk persegi dengan sisi 1 cm. Cuplikan silinder untuk pengujian korosi dan cuplikan persegi untuk pengujian struktur mikro dan komposisi unsur. Potongan cuplikan tersebut dihaluskan permukaannya menggunakan kertas abrasif mulai dari ukuran 800 mesh hingga 1200 mesh, dilanjutkan pemolesan dengan pasta intan pada kain beludru sehingga dihasilkan permukaan yang sangat halus dan mengkilap. Sesudah proses penghalusan, kemudan pencucian cuplikan dengan

menggunakan alkohol dalam ultrasonic cleaner,

untuk menghilangkan kotoran hasil penghalusan dengan kertas abrasif. Sesudah proses pencucian kemudian cuplikan dikeringkan, dimasukkan dalam plastik klip dan disimpan dalam desikator untuk menghindari kemungkinan terjadinya oksidasi.

Proses implantasi ion

Implantasi ion adalah suatu teknik yang memungkinkan untuk mengubah berbagai sifat permukaan dari suatu material. Pada proses implantasi ion, atom-atom yang akan diimplantasikan harus diionisasikan dalam suatu sistem sumber ion, kemudian dipercepat dalam medan listrik dan selanjutnya diimplantasikan pada permukaan material untuk prostetik. Parameter yang berpengaruh terhadap hasil implantasi ion adalah dosis ion, energi ion, massa atau jenis ion, dan massa atau jenis material yang diimplantasi. Pada penelitian ini dilakukan implantasi ion nitrogen pada cuplikan Ti6Al-4V dan SS 316L dengan variasi

parameter dosis ion 1×1015 ion/cm2 hingga 2×1017

ion/cm2_{dan energi ion 60 keV hingga 100 keV}

untuk mendapatkan lapisan nitrida pada permukaan material prostetik dengan sifat ketahanan korosi yang optimal.

Analisis struktur mikro dan komposisi unsur

Secara teoritis kedalaman penetrasi ion-ion yang diimplantasikan pada permukaan material sangat tipis yaitu dalam orde ribuan Angstrom. Dengan demikian perubahan sifat permukaan material baik perubahan struktur mikro, struktur kristal maupun perubahan komposisi unsur hanya terjadi pada lapisan tipis di permukaan material. Mengingat dimensi dari hasil implantasi ion tersebut, maka pengamatan struktur mikro dan komposisi unsur hanya dapat diamati dengan menggunakan

SEM (Scanning Electron Microscope) dan EDAX

(Energy Dispersive Analysis X-Ray).

Pengujian korosi

Korosi merupakan penurunan mutu logam akibat reaksi elektrokimia dengan lingkungannya. Korosi yang terjadi pada logam tidak dapat dihindari, tetapi dapat dicegah dan dikendalikan sehingga struktur atau komponen mempunyai masa pakai yang lebih lama.

Ketahanan korosi cuplikan ditentukan menggunakan alat uji korosi potensiostat PGS-210T

untuk mengukur intensitas arus korosi (Ikor) cuplikan

didalam lingkungan berupa larutan Hanks yang disimulasikan mirip dengan cairan tubuh manusia.

Penentuan harga Ikor secara tepat sangat diperlukan,

karena Ikor sebanding dengan laju korosi cuplikan

dalam lingkungannya. Hal ini sesuai dengan

persamaan laju korosi dalam mils (0,001 in) per

(3)

ISSN 1411-1 92 L dengan 0, waktu, Ikor adalah ber penampang adalah den

HASIL P

Dal AISI 316 pencangko sifat bioco korosi yan jangka pan piranti or sekitarnya sendiri. In peristiwa menyebabk mengatasi modifikasi paduan Ti untuk men seperti ge kekerasan biocompat permukaan 4V men titanium a permukaan 4V untuk m Analisis st Dal struktur m cuplikan m Gambar 1349 korosi Laju =0, ,13 adalah f r adalah rapa rat ekivalen g cuplikan y nsitas material

PENELITI

am penelitian 6L dan p okan piranti or mpatibility ya ng baik. Ak njang terjadi rthopedik den dan permuk nteraksi terseb korosi dan/ kan kegagal permasala permukaan i-6Al-4V den dapatkan sifat esekan ketaha yang tinggi, ible. Imp n stainlessste nghasilkan la atau lapisan n stainlessste meningkatkan truktur mikr am penelitian mikro dan ko menggunakan 1. Struktur m

( )

d A EW I_kor . 13 , faktor konver at arus korosi (g/ekivalen), yang terkoros cuplikan (g/c

IAN

n ini digunakan paduan Ti-6 rtopedik, kare ang baik, kuat kan tetapi pa interaksi ant ngan lingkun kaan piranti but mengakiba /atau keausan lan pencang ahan terseb stainless st ngan teknik t permukaan y anan aus yan tahan terhad plantasi ion eel 316L dan p apisan nitrida nitrida metal eel 316L dan n ketahanan ko o dan kompo n ini dilakuk omposisi uns SEM-EDAX,

mikro dan kom

rsi metrik d i (µA/cm2), E A adalah lu si (cm2) dan cm3_). n stainless ste 6Al-4V untu ena mempuny t dan ketahan ada pemakai tara permuka ngan fisiolog orthopedik i atkan terjadiny n yang dap gkokan. Untu ut dilakuk teel 316L d implantasi io yang lebih bai ng tinggi at dap korosi, d nitrogen k paduan Ti-6A a besi, nitri l lainnya pa paduan Ti-6A orosi. osisi unsur kan pengamat sur permuka terutama untu mposisi unsur p Counts P an EW uas d eel uk yai an an an gis itu ya pat uk an an on ik, au an ke Al-da da Al-an an uk meng impla nitrid lingk dan k prose Berd kand 9,72% ditem SS 3 mikro setela energ 5×10 yang 5,97% diimp ion/c Kom fasa-baik. suatu jenuh (terja norm adala dan sebel Gamb mikro setela energ 5×10 permukaan cup Prosiding Perte getahui kandu antasi ion ter da dan perhitu kungannya. H komposisi uns es implantasi dasarkan anal dungan Fe 71 % atom dan mukan unsur n 316L. Gamb o dan kompo ah proses imp gi 60 keV, 80 016_ion/cm2_. Berdasarkan terdeteksi p % - 6,32% plantasi ion cm2_{dan varia} mposisi ini te S yang mem Menurut Ol u kondisi dim h dalam f.c.c adi penyimpa malnya maksim ah 8,7% atom komposisi u lum proses i mbar 5. Pada Gam o dan kompos ah proses imp gi 70 keV, 80 016_ion/cm2_. keV plikan SS 316 V

muan dan Pres Akse Vol. 13, ungan unsur ni rkait dengan ungan laju ko Hasil pengam

sur dari cuplik ion ditampilk lisis kompos ,57% atom, C Mo 1,02 % nitrogen pada bar 2-4 mem osisi unsur da plantasi ion n 0 keV dan 10 n Gambar 2-4 pada permuka % atom unt nitrogen pad asi energi ion rlalu sedikit mpunyai ketah liviera, A (6)_{, f} mana nitroge c. γ-Fe sebe angan struktu mum kelarut m. Hasil penga unsur dari implantasi io mbar 6-8 m

sisi unsur dar plantasi ion n 0 keV dan 10 V 6L sebelum pr Volume 13, Janu sentasi Ilmiah T elerator dan Ap Januari 2012 itrogen setelah terbentuknya orosi cuplikan matan struktur kan SS 316L s kan pada Ga sisi unsur di Cr 17,69% at % atom, sert a permukaan c mperlihatkan ari cuplikan S nitrogen untuk 00 keV dan d 4, komposisi aan cuplikan tuk cuplikan da dosis ion n 60 keV -10 untuk pemb hanan korosi fasa-S ini me en larut pada esar 20%-30% ur f.c.c), sed an padat f.c amatan struktu cuplikan Ti-on ditampilka enampilkan ri cuplikan Ti-nitrogen untuk 00 keV dan d roses implanta uari 2012 Teknologi likasinya : 90 -100 h proses lapisan n dalam r mikro sebelum mbar 1. iperoleh tom, Ni ta tidak cuplikan struktur SS 316L k variasi dosis ion atom N sekitar n yang 5×1016 00 keV. bentukan i sangat rupakan at super % atom dangkan .c. γ-Fe ur mikro -6Al-4V an pada struktur -6Al-4V k variasi dosis ion asi ion.

(4)

Volume EFEK L PERMU Lely Su Gamba Gamba Gamba 13, Januari 20 LAPISAN NITRI UKAAN MATER usita R.M., dkk ar 2. Struktu pada en ar 3. Struktu pada ene ar 4. Struktu pada en 013 IDA TERHADA RIAL UNTUK P ur mikro dan k nergi 60 keV d ur mikro dan k ergi 80 keV da ur mikro dan k nergi 100 keV AP KETAHANA PROSTETIK komposisi kim dan dosis ion

komposisi kim an dosis ion 5

komposisi kim V dan dosis ion

Counts Counts Counts AN KOROSI mia permukaan 5×1016_ion/cm mia permukaan 5×1016_ion/cm2 mia permukaa n 5×1016_ion/c n cuplikan SS m2_. n cuplikan SS 2_. n cuplikan SS cm2_. k keV 316L setelah S 316L setelah S 316L setelah keV keV ISSN implantasi io h implantasi i h implantasi i N 1411-1349 93 n nitrogen ion nitrogen ion nitrogen

(5)

ISSN 1411-1 94 Gambar 5 Gambar Gambar 7 1349 5. Struktur mik r 6. Strukt nitroge 7. Struktur mik pada dosis i

kro dan komp

tur mikro dan en pada dosis

kro dan komp

ion 5×1016_ion posisi kimia pe n komposisi k ion 5×1016_io posisi kimia pe n/cm2 _{dan ener} Counts Counts Counts P ermukaan cup kimia permuk

on/cm2 _{dan ene}

ermukaan cup rgi 80 keV. Prosiding Perte plikan Ti-6Al-kaan cuplikan ergi 70 keV. plikan Ti-6Al-keV V

muan dan Pres Akse Vol. 13, -4V sebelum p Ti-6Al-4V s -4V setelah im keV keV V Volume 13, Janu sentasi Ilmiah T elerator dan Ap Januari 2012 proses implant etelah implan mplantasi ion n uari 2012 Teknologi likasinya : 90 -100 tasi ion. ntasi ion nitrogen

(6)

95 Berdasarkan analisis komposisi unsur dapat

diketahui bahwa cuplikan SS 316L dan Ti-6Al-4V setelah mengalami proses implantasi ion nitrogen, permukaan cuplikan mengandung unsur nitrogen yang membentuk lapisan nitrida. Untuk memastikan lapisan nitrida yang terbentuk digunakan teknik Difraksi Sinar X.

Hasil pengamatan difraksi sinar X

menggunakan sumber radiasi Cu Kα dengan λ :

1,54056 Å pada cuplikan SS 316L sesudah

diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016

ion/cm2_{dengan variasi energi 60 keV dan 80 keV}

ditunjukkan pada Gambar 9 dan10.

Gambar 8. Struktur mikro dan komposisi kimia permukaan cuplikan Ti-6Al-4V setelah implantasi ion

nitrogen pada dosis ion 5×1016_ion/cm2 _{dan energi 100 keV.}

Gambar 9. Pola difraksi cuplikan SS 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2

dan energi 60 keV.

Gambar 10. Pola difraksi cuplikan SS 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016

ion/cm2_{dan energi 80 keV.}

keV

Counts

(7)

Dari informasi sudut hamburan, intensitas dan jarak antar bidang pada Gambar 9, setelah

dicocokkan dengan data JCPDS (Joint Comitttee

Powder On Diffraction Standards), lapisan nitrida yang terbentuk setelah proses implantasi ion nitrogen pada cuplikan SS 316L menghasilkan

puncak-puncak Fe2N, Cr2N.dan β-Cr2N. Pada

Gambar 9 terlihat adanya satu puncak Fe2N dari bidang hkl (211) dengan jarak antar bidang 2,10925 Å pada sudut difraksi 42,840°. Lapisan nitrida Cr2N

dan β-Cr2N menghasilkan satu puncak

masing-masing dari bidang hkl (2 0 0) dengan jarak antar bidang 2,07332 Å pada sudut difraksi 43,620° untuk Cr2N dan bidang hkl (1 1 3) dengan jarak antar bidang 1,27407 Å pada sudut difraksi 74,40° untuk

β-Cr2N. Lapisan nitrida besi Fe2N dapat

meningkatkan ketahanan aus dan kekerasan cuplikan SS 316L, sedangkan pembentukan lapisan nitrida

krom Cr2N dan β-Cr2N dapat menyebabkan

terjadinya defisiensi krom yang seharusnya menjadi oksida krom sebagai lapisan pelindung pasif yang stabil pada permukaan cuplikan dalam lingkungan

korosif (7)_{. Pada umumnya pembentukan lapisan}

nitrida krom dapat menyebabkan pengurangan ketahanan korosi.

Gambar 10 menunjukkan pola difraksi paduan TiAl yang diimplantasi ion nitrogen pada

dosis 5×1016_ion/cm2_{dan energi 100 keV yang}

menghasilkan lapisan nitrida besi Fe4N dari bidang hkl (220) dengan jarak antar bidang 1,34198 Å pada sudut difraksi 70,0596°. Terbentuknya lapisan nitrida besi Fe4N tersebut mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang sangat tinggi.

Dari data pola difraksi (Gambar 11-13) dan

setelah dicocokkan dengan data JCPDS (Joint

Comitttee Powder On Diffraction Standards),

lapisan nitrida yang terbentuk setelah proses implantasi ion nitrogen pada paduan Ti-6Al-4V menghasilkan puncak-puncak AlN, Ti2N dan Ti2AlN. Dari Gambar 11 terlihat adanya dua puncak Ti2N dari bidang hkl (210) dan (105) dengan jarak antar bidang 2,21937 Å dan 1,61747 Å pada sudut

difraksi (2θ) 40,6176°, dan 56,880°. Lapisan nitrida

Ti2AlN dan AlN menghasilkan satu puncak masing-masing dari bidang hkl (114) dengan jarak antar bidang 1,36846 Å pada sudut difraksi 68,5125°

untuk Ti2AlN dan bidang hkl (220) dengan jarak

antar bidang 1,45769 Å pada sudut difraksi 63,80° untuk AlN. Hasil yang serupa juga ditampilkan pada Gambar 12 dan 13 dimana cuplikan yang diimplantasi nitrogen menghasilkan lapisan nitrida tianium yang mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang baik.

Gambar 11-13 menampilkan pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V setelah proses implantasi ion

nitrogen pada dosis 5×1016 _ion/cm2_{dengan variasi}

energi 70 keV dan 80 keV dan 100 keV.

Pengujian Korosi

Uji korosi dilakukan dengan menggunakan Potensistat/Galvanostat PGS 201 T terhadap material SS 316L dan Ti6Al-4V dalam larutran Hanks yang disimulasikan mirip dengan cairan tubuh manusia. Larutan Hanks dibuat di laboratorium dengan bahan-bahan kimia yang terdiri dari : NaCl 8,0 g/l, CaCl2 0,14 g/l, KCl 0,4 g/l, NaHCO3 0,35 g/l, glukosa 1,0 g/l, NaH2PO4 0,1 g/l, MgCl2.6H2O 0,1 g/l, Na2HPO4.2H2O 0,06 g/l dan MgSO4.7H2O 0,06 g/l. Uji laju korosi dilakukan dengan pengamatan intensitas arus korosi (Ikor) benda uji dalam larutan Hanks. Hasil pengujian berupa grafik tafel untuk tiap cuplikan, dimana pada grafik tafel terdapat kurva polarisasi menggambarkan hubungan antara potensial (Ekor) dengan satuan mV sebagai fungsi log

arus (Ikor) dalam satuan (µA/cm2_{Arus korosi}

menunjukkan banyak sedikitnya ion-ion logam yang larut dalam larutan elektrolit. Jika rapat arus yang terukur besar, maka ion-ion logam banyak yang larut kedalam larutan elektrolit sehingga mengakibatkan logam berada pada kondisi yang tidak stabil, sehingga mengakibatkan logam mengalami

kerusakan pada bagian permukaannya karena

bereaksi dengan lingkungannya. Dari grafik tafel diperoleh arus korosi, sehingga nilai laju korosi dapat dihitung.

Pada Gambar 14 dan 15 ditampilkan grafik tafel untuk cuplikan SS 316L dan Ti-6Al-4V dalam larutan Hanks. Rapat arus korosi cuplikan SS 316L

dalam larutan Hanks adalah 410,38 µA/cm2_{dan laju}

korosi 41,13 mpy, sedangkan rapat arus korosi

cuplikan Ti-6Al-4V adalah 242,49 µA/cm2_dengan

laju korosi 32,78 mpy.

Berdasarkan pada Gambar 16 dan 17 tersebut dapat diketahui bahwa laju korosi cuplikan SS 316Ldan Ti-6Al-4V mengalami penurunan cukup besar, yang berarti bahwa cuplikan hasil implantasi ion nitrogen mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik. Ketahanan korosi optimum cuplikan SS 316L dalam larutan Hanks diperoleh pada dosis ion

nitrogen 5×1016 ion/cm2dan energi 80 keV. Kondisi

optimum ketahanan korosi pada energi 80 keV disebabkan oleh tidak terbentuknya lapisan nitrida krom. Khususnya pada SS 316L, pembentukan nitrida krom dapat menyebabkan terjadinya defisiensi krom yang seharusnya menjadi oksida krom sebagai lapisan pelindung pasif yang stabil pada permukaan cuplikan dalam lingkungan korosif. Ketahanan korosi optimum cuplikan Ti-6Al-4V

dicapai pada dosis 5×1016_ion/cm2_{dan energi 100}

keV, dimana pada kondisi ini tidak muncul kurva anodik, dimungkinkan telah terjadi peningkatan ketahanan korosi yang permanen.

(8)

97 Gambar 11. Pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016 ion/cm2

dan energi 70 keV.

Gambar 12. Pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016

ion/cm2_{dan energi 80 keV.}

Gambar 13. Pola difraksi cuplikan Ti-6Al-4V yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 5×1016

(9)

Gambar 14. Grafik tafel untuk cuplikan SS 316L

dalam larutan Hanks.

Gambar 15. Grafik tafel untuk cuplikan

Ti-6Al-4V dalam larutan Hanks.

Grafik hubungan laju korosi SS 316L dan energi ion ditunjukkan pada Gambar 16, sedangkan grafik hubungan laju korosi Ti-6Al-4V dan energi ion

ditunjukkan pada Gambar 17.

Gambar 16. Grafik hubungan energi ion nitrogen

yang diimplantasikan pada cuplikan SS 316L terhadap laju korosi dalam larutan Hanks.

Gambar 17 Grafik hubungan energi ion nitrogen

yang diimplantasikan pada cuplikan Ti-6Al-4V terhadap laju korosi dalam larutan Hanks.

PEMBAHASAN

Beberapa persyaratan yang harus dimiliki bahan-bahan yang dapat digunakan sebagai biomaterial:

a. Biocompatible terhadap komposisi kimia

untuk menghindari terjadinya reaksi jaringan yang merugikan

b. Mempunyai ketahanan yang sangat baik

terhadap degradasi (sebagai contoh: ketahanan korosi untuk metal atau tahan terhadap degradasi secara biologi dalam bahan polimer)

c. Mempunyai kekuatan untuk menopang siklus

beban yang diterima oleh tulang persendian

d. Mempunyai modulus yang rendah untuk

memperkecil penyerapan tulang

e. Mempunyai ketahanan aus yang tinggi untuk

memperkecil terbentuknya serpihan hasil proses keausan

Hasil penelitian yang diperoleh adalah sebagian data dari persyaratan yang harus dimiliki oleh biomaterial untuk dapat berfungsi sebagai pengganti fungsi jaringan tubuh manusia, antara lain kekuatan mekanik khususnya peningkatan kekerasan SS 316L dan Ti-6Al-4V (telah disajikan pada Pertemuan Ilmiah Litbang Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Tahun 2010) dan ketahanan korosi biomaterial, SS 316L dan Ti-6Al-4V. Hasil penelitian yang telah dilakukan, nilai kekerasan optimum dari cuplikan SS 316L adalah 355,7 KHN

yang diperoleh pada dosis ion 1×1017 _ion/cm2_dan

energi 60 keV. Nilai kekerasan tersebut meningkat sebesar 198% terhadap kekerasan cuplikan standar. Pada cuplikan Ti-6Al-4V, kekerasan optimumnya dari hasil proses implantasi ion nitrogen diperoleh

pada dosis ion 1×1017 _ion/cm2_{dan energi ion 70 keV}

dengan nilai kekerasan 624,7 KHN, yang meningkat sekitar 223% jika dibandingkan dengan kekerasan

(10)

99 cuplikan standar. Lapisan nitrida besi yang

terbentuk adalah Fe2N dan Fe4N, sedangkan nitrida titanium yang terbentuk adalah Ti2N dan Ti2AlN. Lapisan nitrida tersebut mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang tinggi dan ketahanan korosi yang baik. Dari hasil uji korosi pada cuplikan SS 316L yang diimplantasi ion

nitrogen pada dosis ion 5×1016_ion/cm2_{dan energi 80}

keV diperoleh laju korosi optimum sebesar 17,72 mpy, nilai laju korosi tersebut menurun sekitar 232,16% terhadap laju korosi cuplikan standar. Penurunan laju korosi atau peningkatan ketahanan korosi optimum dari cuplikan Ti-6Al-4V sebesar

482.92% yang diperoleh pada dosis 5×1016

ion/cm2_{dan energi 100 keV, dimana pada kondisi ini}

tidak muncul kurva anodik, dimungkinkan telah terjadi peningkatan ketahanan korosi yang permanen. Dari data analisis nilai kekerasan dan ketahanan korosi biomaterial SS 316L dan Ti-6Al-4V yang mempunyai kekerasan dan ketahanan korosi yang sangat baik, sehingga dapat digunakan untuk pembuatan prostetik atau piranti cangkok

ortopedik yang biocompatible, murah dan kuat. (8)

KESIMPULAN

Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan seperti yang telah diuraikan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut

1) Pengamatan struktur mikro dan komposisi unsur

cuplikan SS 316L setelah mengalami proses implantasi ion nitrogen, permukaan cuplikan mengandung unsur nitrogen 5,97% atom pada kondisi optimum ketahanan korosi (energi 80 keV). Komposisi ini terlalu sedikit untuk pembentukan fasa-S yang mempunyai ketahanan korosi sangat baik. Komposisi atom N 31,91% atom yang terdeteksi pada permukaan cuplikan Ti-6Al-4V pada energi 100 keV telah mempunyai ketahanan korosi yang permanen, dimana pada kondisi ini tidak muncul kurva anodik.

2) Peningkatan ketahanan korosi cuplikan SS 316L

pada energi 80 keV disebabkan oleh tidak

terbentuknya lapisan nitrida krom Cr2N dan β

-Cr2N. Khususnya pada SS 316L, pembentukan nitrida krom dapat menyebabkan terjadinya defisiensi krom yang seharusnya menjadi oksida krom sebagai lapisan pelindung pada permukaan cuplikan dalam lingkungan korosif. Untuk memastikan lapisan nitrida yang terbentuk digunakan teknik Difraksi Sinar X. Dari data pola difraksi cuplikan Ti6Al-4V yang diimplantasi ion nitrogen menghasilkan lapisan nitrida Ti2N yang mempunyai sifat sangat keras atau mempunyai ketahanan aus yang baik.

DAFTAR PUSTAKA

1. MUDALI, U.K., et al., Corrosion of bio implants, Sadhana Vol. 28, Parts 3 & 4, June/August (2003), 601-637

2. HANSEN, D.C., Metal Corrosion in the Human Body: The Ultimate Bio-Corrosion Scenario, The Electrochemical Society Interface, (2008) 31-34

3. SUNDARARAJAN, T., and PRAUNSEIS, Z.,

The effect of nitrogen-ion implantation on the corrosion resistance of titanium in comparison with oxygen and argon-ion implantations, Materiali in Technologije 38 (1-2) (2004) 19-24 4. BELOTI, M.M., et.al., In vitro

biocompatibility of duplex stainless steel with and without 0.2% niobium, Journal of Applied Biomaterials & Biomechanics 2 (2004) 162-168 5. KRECISZ, B., et.al., Allergy to metals as a

cause of orthopedic implant failure, International Journal of Occupational Medicine and Environmental Health 19 (3) (2006) 178-180

6. OLIVEIRA, et. al., Effect of Temperature of Plasma Nitriding in AISI 316L Austenitic Stainless Steel, Revista Brasileira de Aplicacöes de Väcuo, vol. 22 (2003) 63-66

7. SHAIKH, et. al., Assesment of Intergranular Corrosion in AISI 316L Stainless Steel Weldsment, British Corrosion Journal, vol. 37 (2002)

8. SUDJATMOKO, Penerapan Teknik Nitridasi Ion Pada Pengembangan Material Untuk Prostetik Yang Biokompatible, Murah dan Kuat, Laporan Riset Terapan, BATAN (2010).

TANYA JAWAB

Prof. Dr. rer.nat. Tri Madji Atmono

1. Bagaimana sifat–sifat prostetik yang

diperlukan, apakah material yang dihasilkan dalam penelitian ini sudah sesuai dengan aplikasi untuk prostetik?

2. Disarankan mungkin kerjasama dengan

person/instansi di bidang medis. Lely Susita

1. Biomaterial untuk piranti cangkok ortopedik

atau prostetik berbasi metal, khususnya austenitic stainless steel jenis 316L dan paduan Ti-6Al-4V mempunyai sifat-sifat ketahanan korosi dan keausan yang tinggi, biocompatible, murah dan kuat. Dalam penelitian ini, tidak dilakukan pembuatan material untuk prostetik tetapi menggunakan material yang sudah sering digunakan untuk piranti ortopedik yaitu

(11)

stainless steel, titanium dan paduannya. Akan tetapi pada pemakaian jangka panjang terjadi gangguan penggunaan material tersebut karena terdapat kecenderungan terjadinya korosi pada prostetik diperlukan perbaikan sifat ketahanan korosi dengan teknik implantasi ion. Berdasarkan hasil uji ketahanan korosi biomaterial stainless steel jenis 316L dan paduan Ti-6Al-4V mempunyai ketahanan korosi yang sangat baik sehingga

dapat digunakan untuk pembuatan prostetik atau piranti cangkok ortopedik yang biocompatible, murah dan kuat.

2. Saran diterima. Keberhasilan kegiatan riset

terapan ini pada tahap selanjutnya akan dirintis kerjasama dengan perguruan tinggi Fakultas Teknik Industri Bidang Biomedical Engineering, Fakultas Kedokteran UGM, dan staf dokter PTAPB-BATAN.