1
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Defek tulang kepala (cranial bone defects) dan defek tulang wajah (cranio facial defects) merupakan kasus medis dimana tidak adanya jaringan tulang pada bagian cranial dan facial (da Silva et al., 2014). Defek tersebut dapat terjadi akibat trauma, nekrosis jaringan, penyakit infeksi dan degeneratif, pertumbuhan tulang abnormal, atau tindakan medis yang disengaja seperti craniectomy dan bedah kecantikan (Gabrielli et al., 2004; Lee et al., 2009; Szpalski et al., 2010). Defek tersebut dapat menyebabkan berkurangnya fungsionalitas tulang kranial dan perubahan anatomi (Szpalski et al., 2009). Perubahan anatomi tersebut dapat berpengaruh negatif terhadap kehidupan sosial pasien yaitu kelemahan psikologis dan menurunnya kepercayaan diri dalam hubungan sosial (Aydin et al., 2011).
Rekonstruksi dan redesain/perbaikan pada defek tulang kepala disebut sebagai tindakan cranioplasty (Fusseti et al., 2011). Rekonstruksi defek tersebut dilakukan untuk memberikan perlindungan pada organ otak, meringankan rasa sakit pada area defek, memberikan nilai estetis, serta mengurangi kecemasan pasien. Tindakan cranioplasty dapat dilakukan baik melalui rekonstruksi osteoplastik maupun restorasi menggunakan alloplastik. Material yang umum digunakan sebagai implan alloplastik berupa logam inert, polymethylmethacrylate (PMMA), polyethylene (PE), maupun karet silikon (Dumbrigue et al., 1998).
2
Masing-masing bahan dan metode manufaktur yang tersedia untuk rekonstruksi tulang kepala/tengkorak menunjukkan kinerja tertentu dalam hal akurasi, sifat mekanik, waktu dan biaya produksi. Pemilihan bahan dan metode untuk pembuatan implan, yang tidak dalam lingkup penelitian ini, tergantung pada kebutuhan pasien, bentuk dan lokasi dari cacat tulang dalam kombinasi dengan infrastruktur dan anggaran yang tersedia (Cabraja et al., 2009).
PMMA merupakan salah satu bahan alloplastic paling populer digunakan untuk tindakan cranioplasty. Penggunaan PMAA secara medis telah dilakukan sejak Perang Dunia kedua pada tahun 1940-an (Elkins dan Cameron, 1946; Woolf dan Walker, 1945) dan masih digunakan hingga saat ini (Caro-Osorio et al., 2013). PMMA merupakan material polimer termoplastik transparan. Resin akrilik ini memiliki keuntungan dalam penggunaannya yaitu dapat dicetak intraoperatif atau prefabrikasi untuk menyesuaikan dimensi defek (Elkins dan Cameron, 1946; Woolf dan Walker, 1945).
Prefabrikasi implan PMMA intraoperatif dengan tangan telah lakukan sejak tahun 1970-an menggunakan berbagai prosedur (Dumbrigue et al., 1998; Jordan et al., 1978; Origitano et al., 1995; Yamamoto et al., 1997). Prosedur ini memberikan kemudahan untuk mendapatkan dimensi implan yang sesuai dengan dimensi defek. Akan tetapi, proses polimerisasi PMMA merupakan reaksi eksothermis dimana suhu PMMA selama polimerisasi dapat mencapai 107°C dengan waktu paparan selama 50 detik. Berdasarkan standart ISO 5833, temperatur polimerasi yang ditoleransi selama proses polimerasi PMMA tidak boleh lebih dari 90°C. Panas tersebut dapat menyebabkan terjadinya nekrosis pada permukaan
3
kontak jaringan tulang dan otak. Potensi nekrosis tersebut telah menjadi perhatian serius bagi praktisi medis.
Saat ini, metode fabrikasi objek menggunakan printer 3 dimensi (3D) berbasis additive manufacturing (AM) telah dikembangkan. Metode ini dapat mengatasi kelemahan pada metode intraoperatif dengan tangan yaitu dengan prefabrikasi implan (Caro-Osorio et al., 2013). Metode prefabrikasi ini melibatkan integrasi design berbasis computer aided design (CAD) dan computer aided manufacturing (CAM) sehingga mampu membuat implan dengan struktur yang kompleks. Dimensi implan dapat dibuat secara akurat berdasarkan dimensi defek berdasarkan konversi hasil pencitraan medis dari instrumen magnetic resonance imaging (MRI) dan computed tomography (CT) scan menjadi digital modelling (Winder dan Bibb, 2005; Colin dan Boire, 1997). Printer 3D bekerja dengan berbagai pilihan sistem yaitu polyjet stereolithography (polyjet SLA), fused deposition modelling (FDM), selective laser sintering (SLS), dan photoresin SLA. Pengembangan printer 3D saat ini telah memungkinkan fabrikasi prototipe dengan resolusi yang tinggi. Lapisan membangun dapat dibuat pada ketebalan yang kecil, yaitu 16 µm untuk instrumen polyjet SLA, 178 µm untuk instrumen FDM, 80 µm untuk instrumen SLS, dan 75 µm untuk instrumen photoresin SLA (Chia dan Benjamin, 2015).
Salah satu teknologi printer 3D yang saat ini sering digunakan untuk keperluan biomedis adalah printer 3D dengan sistem FDM karena mampu menghasilkan porositas yang tinggi dengan pola laydown dan kekuatan mekanik yang baik. Tipe biomaterial polymer yang bisa digunakan pada sistem ini jauh lebih
4
banyak dibandingkan dengan sistem yang lain (Chia dan Benjamin, 2015). Akan tetapi, fabrikasi implan dengan metode ini dilakukan pada temperatur tinggi sehingga implan yang difabrikasi tidak bisa dicampur dengan material maupun senyawa bioaktif yang sensitif terhadap panas (Chia dan Benjamin, 2015).
Oleh karena itu, modifikasi terhadap metode fabrikasi printer 3D sistem FDM perlu dilakukan untuk memanfaatkan kelebihan dari metode tersebut. Pada penelitian ini, modifikasi dilakukan dengan memanfaatkan printer 3D sistem FDM untuk fabrikasi cetakan implan tulang kepala dengan bentuk yang kompleks. Dengan cetakan tersebut, implan tulang kepala diujicoba dengan metode injection moulding menggunakan polymer PMMA.
1.2 Permasalahan
Berdasarkan paparan dalam latar belakang, permasalahan yang muncul pada penelitian ini adalah:
1. Apakah dapat dilakukan modifikasi terhadap sistem produksi implan pra-operasi berbasis printer 3D/additive manufacturing?
2. Apakah modifikasi metode produksi yang dilakukan dapat menghasilkan implan dengan dimensi yang akurat?
1.3 Batasan Masalah
Batasan-batasan masalah yang perlu dibuat agar pembahasan masalah tidak menyimpang dari tujuan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Fraktur tulang yang menjadi subyek penelitian adalah fraktur tengkorak cranial/penutup dan pelindung otak, yang terdiri dari 8 tulang yaitu tulang
5
frontal, dua tulang parietal, dua tulang temporal, tulang occipital, tulang sphenoid, dan tulang ethmoid.
2. Jenis fraktur yang menjadi subyek utama adalah fraktur yang menyebabkan lubang pada tulang cranial.
3. Jenis teknologi additive manufacturing/AM yang dipakai sebagai obyek penelitian adalah teknologi fused deposition modeling (FDM) yang tersedia di Laboratorium Desain dan Pengembangan Produk, Jurusan Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Melakukan modifikasi terhadap sistem produksi implan pra-operasi berbasis printer 3D.
2. Melakukan karakterisasi terhadap dimensi implan yang diproduksi yaitu berupa deviasi volume, deviasi tebal, deviasi panjang linear, deviasi panjang kurva dan deviasi sudut kelengkungan permukaan implan.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat:
1. Diaplikasikan untuk tindakan medis penanganan cranial bone defects dan penanganan jenis fraktur yang lain.
2. Digunakan dalam pengembangan standar baru tindakan medis terhadap penanganan kasus fraktur tulang yang terintegrasi di Indonesia.
6
3. Membuka peluang untuk penelitian, pengembangan dan aplikasi yang semakin luas dalam bidang rekayasa biomedis di Indonesia.
1.6 Keaslian dan Keutamaan Penelitian.
Beberapa penelitian serupa mengenai fabrikasi implan tulang kranial meggunakan printer 3D telah dilakukan, diantaranya:
1. Zhao et al. (2012) telah melakukan penelitian mengenai virtual surgical planning (VSP) dengan menggunakan aplikasi Mimics Inovation Suite (Materialise, Belgium), dan Blondeel et al. (2011), telah melakukan transplasi wajah pertama di University Hospital of Gent, Belgia secara sukses. Penggunaan penggambaran digital dan 3D Printing untuk merencanakan dan mengeksekusi prosedur transplasi wajah serta didampingi oleh insinyur klinis dari Materialise dengan menggunakan aplikasi Synthes ProPlan CMFTM (Materialise, Belgium). Sedangkan pada penelitian tesis ini menggunakan aplikasi Invesalius, LightWave 3D dan MeshLab.
2. Petrovic et al. (2013) telah menerapkan AM yang memungkinkan memberi nilai tambah desain dalam sektor manufaktur perangkat medis. Penelitian ini menggunakan printer 3D sistem SLS dengan material titanium. Sedangkan penelitian tesis ini menggunakan printer 3D teknologi berbahan polylactic acid (PLA) berbentuk filamen sebagai material utama aplikasi AM.
3. Da Silva et al. (2014) memanfaatkan metode reverse engineering untuk membuat model 3D menggunakan printer 3D sistem FDM. Model 3D tersebut berupa kranial pasien utuh. Defek pada model kranial tersebut kemudian diisi lilin. Lilin tersebut ditumpuk dengan adonan PMMA membentuk implan yang
7
menutupi area defek. Sedangkan penelitian tesis ini menggunakan metode reverse engineering, rapid protyping dan additive manufacturing untuk pembuatan cetakan implan.
Penelitian ini berbeda dengan penelitian-penelitian sebelumnya tersebut, sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 1.1.
8
Tabel 1.1 Keaslian Penelitian: Perbandingan sistem fabrikasi implan defek cranial pada penelitian ini dengan penelitian sebelumnya
Variabel Pembanding
Metode intraoperatif Metode Fabrikasi Berbasis AM
Dumbrigue et al. (1998) Zhao et al. (2012) Petrovic et al. (2013) Da Silva et al. (2014) Kuswanto (2016)
Data input - DICOM DICOM DICOM DICOM
Software reverse
engineering - Mimic Mimic Invesalius Invesalius
Software rapid prototyping - Synthes ProPlan CMF 3-Matic Slicing software Lightwave
Sistem produksi Intraoperatif SLA SLS FDM FDM
Output printer 3D - Cranial implant Cranial implant Cranial model Implant mould
Material AM - PEEK Titanium ABS PLA
