A. Polimetil Metakrilat (PMMA)
Polimetil metakrilat (PMMA) adalah jenis polimer yang berasal dari monomer metil metakrilat. Metil metakrilat merupakan monomer yang bersifat non-biodegradable. Proses pembentukan metil metakrilat menjadi PMMA, yang kini dikenal dengan polimerisasi, pertama kali ditemukan pada tahun 1877 oleh dua orang ahli kimia Jerman yaitu Fittig dan Paul . PMMA juga memiliki nama lain yaitu poli metil 2-metilpropenoat (nama IUPAC). Selain itu, nama dagang dari polimer ini dapat berupa Lucite, Perspex, Oroglas, Goldglas, Altuglas, atau Plexiglas . Polimer ini bersifat amorf dan merupakan material termoplastik yang bersifat keras, kaku, dan rapuh pada suhu ruang. Selain itu, PMMA juga merupakan material yang bersifat biocompatible karena aplikasinya yang luas namun non-biodegradable karena berasal dari monomer dengan sifat yang seperti itu . PMMA bersifat sedikit hidrofobik tetapi akan menjadi lebih hidrofilik setelah bereaksi dengan air. Hal ini diketahui dari berkurangnya sudut kontak dan histeresisnya .
PMMA yang termasuk ke dalam golongan poliakrilat seringkali digunakan sebagai alternatif terhadap Polikarbonat (PC) karena karakteristiknya yang mudah dalam proses penanganan serta biaya yang relatif rendah. PMMA lebih transparan dan sedikit rapuh dibandingkan material gelas lainnya dan lebih mudah untuk diubah ke berbagai bentuk.Oleh karenanya PMMA merupakan material serbaguna yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi. PMMA digunakan dalam bidang industri dan kesehatan . PMMA dapat digunakan sebagai material matriks atau fase minor untuk meningkatkan karakteristik dari matriks biodegradable. Sebagai contoh yaitu dalam industri otomotif, monitor, filing listrik, lensa, bahan pelapis pada pesawat terbang, dan inkubator bayi . Dalam bidang kesehatan, yaitu dalam pembuatan sendi buatan, prostesis gigi, implan, lensa kontak, dan perekat tulang baik yang dengan obat maupun tidak.
Tabel Properties dari PMMA
B. Semen Tulang
Semen tulang saat ini sering digunakan pada kasus patah tulang belakang dan patah tulang akibat osteoporosis. Semen ini merupakan sejenis akrilik yang nama lengkapnya polymethylmetacrylate (PMMA). Bentuknya bubuk namun dalam penggunaannya dicampur dengan cairan khusus sehingga menjadi seperti adonan yang dapat mengering dalam waktu 10 menit.
Gambar Injeksi Semen Tulang ke Tulang Belakang
Semen tulang berbasis polymethyl methacrylate (PMMA) adalah produk esensial dalam bidang joint arthroplasty. Pertama kali dikembangkan untuk pengobatan gigi, dan hingga kini telah berhasil digunakan dalam pengobatan arthroplasty selama lebih dari 40 tahun. Sistem dengan curing suhu rendah antara powder dan cairan terlihat sederhana, meskipun demikian secara detil terdapat banyak varian karakternya.
Semen tulang untuk sambungan dan perbaikan tulang yang rusak terdiri dari material sintetis berbasis methylmethacrylate atau bahan lainnya seperti acrylic acid atau methacrylic acid dengan group ester yang berbeda. Dalam pemakaiannya sering dikombinasikan dengan benzoyl peroxide dan dimethyl-p-toluidine sebagai katalis dalam cairan monomer. Sebagaimana sistem diatas, semen tulang umumnya dibuat dengan sistem mixing antara dua komponen yakni cairan dan powder. Untuk aplikasi ini, powder diproduksi dalam bentuk partikel dengan diameter sekitar 60 µm. Selain itu, untuk tujuan kontrol dengan sinar X, maka media kontras sinar X seperti BaS04 dan Zr02 digunakan dengan range antara 7 dan 30%.
PMMA digunakan dalam keadaan steril pada penatalaksanaan fraktur patologis, yaitu patah tulang akibat penyakit yang merapuhkan tulang. Semen dimasukkan langsung ke dalam tulang dan pada operasi penggantian sendi, biasanya semen digunakan bersama dengan pen atau prostesis (implan). PMMA non steril digunakan bersama pen untuk fiksasi eksterna yaitu suatu terapi fiksasi pada keadaan patah tulang terbuka yang bertujuan untuk mempertahan sisi tulang.
Penggunaan PMMA bersama pen dan implan dapat meningkatkan daya tahan pen dan implan serta membuat mobilisasi tungkai lebih cepat terjadi dan efektif mengurangi nyeri. Kombinasi ini pun tidak akan menimbulkan reaksi karena PMMA akan terlebih dulu
dimasukkan ke dalam rongga tulang yang kemudian dilanjutkan penanaman pen atau implan. PMMA tidak berfungsi sebagai perekat melainkan sebagai pengisi rongga tulang. Selain itu, PMMA berfungsi pula sebagai penahan tekanan (shock absorber). Saat ini semen tulang turut berperan dalam penatalaksanaan osteoporosis, terutama untuk kasus berat yang disertai fraktur kompresi vertebra (patah segmen tulang belakang yang menyebabkan tulang belakang kolaps/ambruk) dan fraktur collum femur (patah di bagian leher tulang paha). Pada fraktur kompresi vertebra, punggung membungkuk ke depan dan bila dibiarkan akan menimbulkan nyeri bahkan mengganggu pernapasan.
Efek samping yang sering ditemukan pada penggunaan PMMA adalah penurunan tekanan darah akibat pelebaran pembuluh darah. Efek samping ini tidak membahayakan dan dapat segera diatasi. Efek samping lainnya yaitu penyumbatan pembuluh darah kecil (kapiler). Penyumbatan ini disebabkan penggumpalan protein di dalam darah akibat reaksi panas yang dihasilkan oleh campuran semen. Penyumbatan ini pun tidak terlalu bermakna dan dapat pula segera diatasi.
Efek samping yang serius namun jarang terjadi adalah gangguan irama jantung. Pada interaksi jangka panjang dengan PMMA, semen tulang dapat bersifat karsinogenik untuk dokter atau petugas di ruang operasi. Hal ini diakibatkan menghisap uap cairan khusus yang dicampurkan dengan bubuk PMMA.
C. Sintesis PMMA
Proses pembuatan PMMA dilakukan dengan menggunakan proses Polimerisasi dengan tahapan sebagai berikut :
1. Tahap Inisiasi 2. Tahap Propagasi
3. Tahap Terminasi. Tahap ini dibagi menjadi 2 tipe, yaitu terminasi kombinasi dan terminasi disproporsionasi.
Bahan-Bahan yang digunakan adalah :
a. Metil Metakrilat
Rumus Molekul CH2CCH3COOCH3, dengan Mr = 100.11, dengan titik didih 1000C, titik beku -42.20C, densitas 0.936, berupa cairan tak berwarna atau padatan tak berwarna, larut dalam air, dapat terbakar, beracun dan bahan yang iritant.
b. Benzoil Peroksida (BPO)
Bahan yang bersifat oksidator jika kontak dengan bahan organik atau bahan lainnya yang dapat teroksidasi dan dapat menimbulkan api dan eksplosif. Rumus molekul
(C6H5CO)2O2, dengan Mr = 242.22 , titik didih : dekomposisi, titik leleh 103.5 0C, berbentuk butir putih, kristal padat, tak berasa, tak berwarna.
c. Gelatin d. Air
Alat yang digunakan dapat di gambar kan sebagai berikut :
Proses pembuatannya dapat dijelaskan sebagai berikut :
Inisiator (bensoil peroksida) dimasukkan ke dalam larutan metil metakrilat, diaduk hingga homogen. Ke dalam reaktor dimasukkan air dan dipanaskan sampai temperatur yang di inginkan, dan dijaga konstan. Larutan metil metakrilat yang sudah di inisiasi dimasukkan ke dalam reaktor dan diaduk dengan kecepatan pengadukan yang cukup. Kemudian reaksi polimerisasi dibiarkan dengan waktu yang diatur.
D. Studi Sifat-Sifat Mekanik Semen Tulang PMMA Setelah Periode Tertentu R. P. S. Chaplin, A. J. C. Lee, R. M. Hooper dan M. Clarke dari Universitas Exeter Inggris mempelajari sifat mekanik dari PMMA setelah dipakai dalam tubuh selama kurun waktu tertentu. Mereka telah memasukkan 18 jenis sampel PMMA kedalam tubuh manusia, selama hampir 20-24 tahun, kemudian mereka melakukan operasi pergantian semen tulang
yang baru. Semen tulang yang lama dilakukan pengujian sifat mekanik untuk mengetahui bagaimana keadaan semen tulang setelah digunakan dalam jangka waktu tertentu.
Tabel Tipe 18 sampel yang digunakan sebagai semen tulang
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa penggantia semen tulang rata-rata dilakukan setelah 18-26 tahun. Kemudian catatan yang penting adalah bahwa semua penggunaan semen tulang mengakibatkan terjadinya pelonggaran pada Femur dan Acetabulum. Hal ini sangat
berbahaya karena pelonggaran ini bisa berakibat fatal apabila di biarkan. Pengujian mekanik yang dilakukan meliputi Pengujian Modulus Young, Pengujian Porositas, dan Pengujian Kekerasan.
Gambar Kurva Young Modulus vs Kekerasan dari Sampel Kondisi Basah
Gambar Kurva Young Modulus vs Kekerasan dari Sampel Kondisi Kering
Dari hasil pengujian dapat diketahui bahwa nilai Modulus Young untuk semua spesimen setelah pemakaian puluhan tahun, menurun apabila di bandingkan dengan keadaan
saat baru. Namun demikian, nilai ini masih di atas batas tolerir, sehingga masih belum begitu berbahaya. Dapat dilihat juga bahwa nilai porositas yang paling rendah dimiliki oleh spesimen Simplex, yang mengindikasikan bahwa spesimen tersebut dapat dikatakan yang paling baik dibandinglan yang lainnya. Semua pengujian dilakukan dalam dua kondisi, yaitu kondisi kering dan kondisi basah. Kemudian, dapat disimpulkan juga bahwa pengeringan mempengaruhi nilai kekerasan dan modulus Young nya. Sampel yang di keringkan mengalami penurunan kekerasan dan nilai Modulus Youngnya. Kesimpulannya, nilai Modulus Young dan Porositas meningkat seiring dengan peningkatan densitas dari PMMA, dan nilai kekerasannya akan semakin turun.
E. Studi Fracture Properties dari Semen Tulang PMMA
Data klinis dari Swedish Total Hip Replacement Register menyebutkan bahwa pelonggaran adalah penyebab 60% kegagalan pada pemakaian semen tulang PMMA dalam waktu 26 tahun pemakaian. Selama ini penelitian mengenai fracture properties dari semen tulang PMMA masih sedikit yang dilakukan. Oleh karena itulah, E.Bialoblocka-Juszczyk, M.Baleani, L.Cristofolini, dan M.Vicecont dari Universitas Bologna, Italia, meneliti fracture properties dari semen tulang PMMA, meliputi Fatigue Strength, Ketahanan terhadap inisiasi retak, dan Fracture Toughness nya.
Spesimen yang akan di uji fatigue di buat dalam bentuk khusus, dengan mengacu pada ISO 527-2, seperti ditunjukkan oleh gambar di bawah ini.
Untuk fatigue crack propagation testing digunakan standar ASTM E647. Sedangkan untuk fatigue toughness testing digunakan standar sesuai ASTM E399.
Gambar Dimensi Spesimen ASTM E647
Dari hasil pengujian Fatigue strength, diperoleh bahwa spesimen yang mengalami kegagalan pada pembebanan 360 N adalah sebesar 60%, sedangkan pada pembebanan 370 N sebesar 40%. Semua spesimen mengalami kegagalan pada pembebanan 380 N.
Dari hasil pengujian fatigue crack propagation diperoleh kurva seperti yang ditunjukkan oleh gambar dibawah ini. Nilai dari koefisien regresinya adalah R2 = 0.96. Kurva ini pada sumbu Y menunjukkan nilai pertumbuhan retak per siklus, sedangkan sumbu X menunjukkan rentang faktor intensitas tegangan. Dari nilai regersi diperoleh nilai C = 3.56·10–7 (m/cycle·(MPa·m 1/2)–n) dan nilai n = 5.79
Gambar Kurva nilai pertumbuhan retak per siklus vs rentang faktor intensitas tegangan
Dari hasil pengujian fatigue toughness diperoleh nilai intensitas tegangan kritsinya (KIC) sebesar 1.38 MPa·m ½ . Dan nilai koefisien variasinya sebesar 3.6%.
F. Studi Pemakaian Material Pengganti PMMA Sebagai Semen Tulang
Selama ini semen tulang menggunakan PMMA sebagai bahannya. Namun demikian, PMMA memiliki beberapa kelemahan. Diantaranya, bioaktibilitas nya rendah, dan kemampuan penyerapan nya juga rendah. Oleh karena itu, Gladius Lewis, Mark R. Towler, Daniel Boyd, Matthew J. German, Anthony W. Wren, Owen M. Clarkin, dan Andrew Yates dari
Universitas Memphis, Universitas Limerick, Institut Teknologi Cork, dan Universitas Newcastle melakukan ekperimen dengan mengganti material semen tulang dari PMMA menjadi Zn-based glass polyalkenoate cement (Zn-GPC), yang lebih bioaktibilitas dan juga bebas Al. Pada penelitian ini, sifat yang akan dibandingkan dengan PMMA adalah kemampuan injeksi atau injektibilitas, radiopacity, kekuatan tekan uniaksial, dan modulus fleksural biaksial.
Tabel Komposisi dari PMMA (Simplex), dan Material Zn-GPC A dan B
Untuk mengetahui injektibilitas, digunakan metode CaP cement. Untuk kekuatan tekan uniaksial digunaan standar ISO 9917, untuk menghitung radiopacity digunakan standar CEN ISO 4049, untuk mengetahui nilai modulus fleksural biaksial digunakan Metode Modifikasi William.
Hasil dari setiap pengujian ditunjukkan oleh tabel di bawah ini.
Tabel Hasil Pengujian dari PMMA, Zn-GPC A dan B
Dari Nilai injektibilitasnya, nilai untuk Zn-GPC A dan Zn-GPC B tidak mempunyai perbedaan yang mencolok, namun nilainya jauh lebih rendah daripada PMMA. Begitu pula untuk nilai radiopacity nya, tak ada perbedaan yang signifikan antara Zn-GPC A dan B, dan nilainya jauh lebih tinggi daripada PMMA. Pemberian perlakuan aging ternyata tidak mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap nilai Kekuatan Tekan Uniaksialnya. Untuk GPC A dan GPC B mempunyai perbedaan yang mencolok, dimana nilai untuk Zn-GPC B lebih tinggi. Sungguh pun demikian, nilai keduanya juga tetap lebih rendah jika dibandingkan dengan PMMA. Demikian pula untuk nilai Modulus Fleksural Biaksial, nilai Zn-GPC B lebih tinggi daripada Zn-GPC A dan keduanya juga lebih rendah daripada nilai PMMA. Untuk pengujian compression fatigue life, diperoleh nilai 1 juta siklus pada pembebanan 2300 N.
G. Referensi
Chaplin, R.P.S. dkk. The mechanical properties of recovered PMMA bone cement: A
preliminary study. J Mater Sci: Mater Med (2006) 17:1433–1448 DOI 10.1007/s10856-006-0619-3 (2006)
D.Cox, Benjamin, dkk. Assessment of a three-dimensional measurement techniquefor the
porosity evaluation of PMMA bone cement. J Mater Sci: Mater Med (2006) 17: 553–557DOI 10.1007/s10856-006-8939-x (2006)
De Santis, R. dkk. Dynamics Mechanical Behaviour of PMMA based bone cements in wet
environment. Journal Of Materials Science:Materials in Medicine 14 (2003)583-594 (2003)
Juszczyk,dkk. Fracture properties of an acrylic bone cement. Acta of Bioengineering and
Biomechanics Vol. 10, No. 1, 2008 (2008)
Kartika Resta, Witta. Metode preparasi nanopartikel PMMA dan aplikasinya untuk adhuvan
vaksin. Seminar Nasional Material ITB (2013)
Li, Chaodi. dkk. Thermal characterization of PMMA –based bone cement curing. Journal Of
Materials Science:Materials in Medicine 15 (2004)85-89 (2004)
Lewis, Gladius.dkk. Evaluation of two novel aluminum-free, zinc-based glass polyalkenoate cements as alternatives to PMMA bone cement for use in vertebroplasty and balloon kyphoplasty. J Mater Sci: Mater Med (2010) 21:59–66 DOI 10.1007/s10856-009-3845-7
(2010)
Lopez, Alejandro. dkk. Direct and interactive effects of three variables on properties of
PMMA bone cement for vertebral body augmentation. J Mater Sci: Mater Med (2011) 22:1599–1606 DOI 10.1007/s10856-011-4322-7 (2011)
Wahyuni, Dwi. Penelitian pembuatan Poli Metil Metakrilat (PMMA). JURNAL Teknologi
