KAJIAN LITERATUR: KARAKTER PADUAN LOGAM BERBASIS Mg UNTUK APLIKASI BIOMEDIS

DOI : http://dx.doi.org/10.31602/dl.v6i3.11926

KAJIAN LITERATUR: KARAKTER PADUAN LOGAM BERBASIS Mg UNTUK APLIKASI BIOMEDIS

Rachmadhani

Received: 10 July 2023 | Accepted: 02 October 2023 | Published online: 1 December 2023 UPT Publikasi dan Pengelolaan Jurnal Uniska-Daltonjurnal 2023

Abstrak Aplikasi biomedis dalam pembuataan perangkat medis semakin meningkat dan terus berkembang pesat. Biomaterial berupa logam sudah banyak diteliti dan memiliki potensi untuk aplikasi biomedis. Mg merupakan logam yang mudah terurai dan biokompatibilas untuk aplikasi biomedis karena mencegah resiko inflamasi dan sitotoksitas di tubuh manusia. Penggunaan paduan logam berbasis Mg menjadi salah satu cara dalam pengaplikasian biomedis untuk mencegah laju degradasi yang disebabkan karena mudahnya korosi dan berkurangnya sifat mekanik material tersebut sebelum mengalami penyembuhan. Penggunaan logam Kajian literatur ini membahas terkait karakter paduan logam berbasis Mg, berupa Mg-Ca, Mg-Sn, Mg-Cu, dan Mg- Ca-Sn berdasarkan karakter mikrostruktur, fase, sifat mekanik, dan korosi suatu material.

Katakunci Biomedis ∙ Biomaterial ∙ Magnesium

∙ Paduan Logam ∙ Karakterisasi

This is an open access article under the CC-BY 4.0 License. Copyright © 2023 by authors.

 Rachmadhani

email rachmadhani@undiksha.ac.id

Program Studi Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Pendidikan Ganesha

Abstract Biomedical applications in medical device manufacturing are increasing and growing rapidly.

Biomaterials in the form of metals have been widely researched and have potential for biomedical applications. Mg is a metal that is biodegradable and biocompatible for biomedical applications because it prevents the risk of inflammation and cytotoxicity in the human body. The use of Mg-based metal alloys is one of the ways in biomedical applications to prevent degradation rates caused by easy corrosion and reduced mechanical properties of the material before healing. This literature review discusses the character of Mg-based metal alloys, such as Mg-Ca, Mg-Sn, Mg- Cu, and Mg-Ca-Sn based on the microstructure, phase, mechanical properties, and corrosion characteristics of the material.

Keywords Biomedical ∙ Biomaterial ∙ Magnesium ∙ Metal Alloy ∙ Characterization ∙

PENDAHULUAN

Pengembangan biomaterial telah banyak digunakan sebagai aplikasi biomedis. Bairagi &

Mandal (2022) menjelaskan bahwa penggunaan biomaterial untuk aplikasi biomedis, seperti prostesis saraf, alat pacu jantung dan katup buatan untuk jantung, stimulator jantung dalam sistem kardiovakuler, stent untuk membuka sumbatan pembuluh darah, rekonstruksi saluran kemih, penggantian tulang dibagian tubuh, seperti pergelangan tangan, bahu, lulut, pergelangan kaki, pinggul, dental, dan tulang belakang, dan sebagainya.

Karakteristik material yang digunakan untuk aplikasi biomedis harus bersifat mudah terurai (biodegradable) di dalam tubuh manusia sehingga tidak memerlukan operasi pengangkatan material dan dapat mencegah ORIGINAL ARTICLE

resiko inflamasi lokal yang mungkin akan terjadi setelah penanaman material jangka panjang ke dalam tubuh. Sifat biokompatibilas (biocompatible) juga sangat diperlukan untuk menghindari resiko inflamasi dan sitotoksik pada tubuh manusia (Erryani et al., 2020; Li et al., 2015).

Biomaterial berbasis logam magnesium (Mg) dan paduan Mg merupakan salah satu logam yang memiliki potensi untuk aplikasi biomedis karena kekuatan spesifik tinggi, densitas rendah, modulus elastisitas, degradabilitas, biokompatibilitas dan biomekanik yang baik (Zhang et al., 2022). Xu et al., (2022) dan (Verma

& Ogata, 2023) juga menambahkan bahwa paduan logam berbasis Mg memiliki kemampuan biodegradable dan biocompatible yang baik.

Mg merupakan logam yang dapat diaplikasikan sebagai material untuk implan ortopedi yang bersifat sementara karena laju degrasi yang relatif cepat di dalam tubuh (Lestari et al., 2022). Laju degradasi yang relatif cepat di dalam tubuh ini menjadi kekurangan dari Mg murni karena tingginya pelepasan gas hidrogen

sehingga menyebabkan mudahnya korosi, dan berkurangnya sifat mekanik dari implan sebelum tulang mengalami penyembuhan (Esmaily et al., 2017; Sezer et al., 2018).

Laju korosi Mg yang tinggi dapat diatasi dengan menambahkan penggunaan cadmium (Cd), mangan (Mn), timah (Sn), zink (Zn), dan kalsium (Ca) dengan konsentrasi optimum tertentu (Sukmana et al., 2016). Penggunaan paduan logam berbasis Mg ini dapat menjadi salah satu cara untuk menghasilkan sifat Mg yang optimum. Bommala et al., (2019) juga menjelaskan bahwa penggunaan Sn, Ca, Zn, Si, Sr, dan Zr memiliki sifat tidak toksik dalam lingkungan fisiologis dan banyak digunakan dalam pembuatan paduan berbasis Mg untuk aplikasi biomedis.

Pada kajian literatur ini, akan membahas karakter biomaterial paduan logam berbasis Mg untuk aplikasi biomedis, yaitu Mg-Ca, Mg-Cu, Mg-Sn, dan Mg-Ca-Sn.

METODE PENELITIAN

Artikel kajian literatur ini diperoleh dari berbagai literatur terdahulu yang dikumpulkan berdasarkan dengan tema terkait, yaitu biomaterial dari logam Mg dan paduannya sebagai aplikasi biomedis. Penentuan literatur di artikel kajian literatur dibatasi dengan menggunakan kriteria inklusi, yaitu:

1. Artikel yang dipublikasi dalam 10 tahun terakhir dari tahun 2013 – 2023

2. Sumber artikel diperoleh dari google scholar, science direct, pudmed, dan lain-lain

3. Artikel memiliki karakter paduan logam berbasis Mg dari data sifat mekanik, korosi, XRD, atau SEM

4. Beberapa artikel memiliki pengujian aktivitas dalam sel terhadap paduan logam berbasis Mg

HASIL DAN PEMBAHASAN Mg dan Paduan Berbasis Mg

Biomaterial berbasis magnesium (Mg) dan paduan berbasis Mg dipertimbangkan sebagai alternatif biomedis untuk perbaikan kerusakan jaringan tulang, pembuluh darah, dan gangguan biologis lainnya (Alaneme et al., 2022). Mg termasuk ke dalam logam paling ringan (densitas, 𝜌 = 1.74 – 2.0 g/cm³) dibandingkan dengan alumunium dan baja. Mg juga memiliki rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi dan kerapatan yang sangat mirip dengan densitas tulang sebesar 1.84 g/cm³ (Bommala et al., 2019). Mg dalam bentuk kation memiliki jumlah terbanyak keempat dalam tubuh yang sebagian

besar disimpan di tulang (~60-65%), jaringan tulang (~35-40%), dan ~27% di otot. Kelebihan ion Mg di dalam tubah, dapat disimpan dalam matriks intraseluler, pembentukan tulang baru, atau tersebar ke dalam sistem peredaran darah, kemudian jika berlebih akan diekskresi dalam urin untuk mencegah hipermagnesium (Xu et al., 2022).

Paduan logam berbasis Mg sebagai implan ortopedi dapat terdegradasi menjadi molekul kecil yang tidak toksik dan tidak berbahaya setelah tulang manusia mengalami proses penyembuhan dan dikeluarkan melalui peredaran darah sehingga menghindari rasa sakit pasien dari operasi kedua untuk mengangkat implan (O’Neill et al., 2018; H. Zhou et al., 2021). Stent

vaskuler menggunakan paduan logam berbasis Mg bermanfaat untuk mengatur irama jantung, meningkatkan aliran darah, menghambat aktivitas trombosit, dan mencegah vasokonstriksi (Zhang et al., 2022). Stent vaskuler berbasis Mg dapat memperlebar arteri yang menyempit dan mempertahankan sampai vessel menyelesaikan remodeling dan digantikan oleh jaringan neovascular (Liu et al., 2019).

Paduan Mg-Ca

Kalsium (Ca) secara alami terdapat dalam tulang manusia dan juga penting dalam chemical signaling dengan sel. Pelepasan bersama ion Mg dan ion Ca juga bermanfaat untuk penyembuhan tulang (Zhao et al., 2016). Pengaruh kadar Ca pada paduan Mg-xCa (x = 0.8 – 2%) memberikan sifat mekanik material telah dilakukan Wang et al., (2020). Paduan Mg-Ca menunjukkan peningkatan kekerasan dan kekuatan tarik material dengan maksimal penambahan kadar Ca sebesar 1.6%.

Penambahan Ca pada paduan Mg-Ca biasanya terbentuk fasa intermetalik Mg2Ca grain boundaries karena kelarutan Ca yang rendah dalam Mg. Laju korosi paduan Mg-Ca sangat dekat dengan jumlah fasa Mg2Ca (Zhao et al., 2016). Liu et al., (2015) melihat perilaku degradasi korosi paduan Mg-30%Ca dalam Simulated Body Fluid (SBF). Selama proses korosi, terbentuk α-Mg dan fase Mg2Ca yang masing-masing bertindak sebagai katoda dan anoda. Produk korosi paduan Mg-30%Ca terdiri dari endapan hitam yang sedikit dan partikel tersuspensi putih. Partikel tersuspensi putih ini merupakan Mg(OH)2 sedangkan endapan hitam ini merupakan struktur core-shell yang terdiri dari core partikel α-Mg dan cangkang garam padat campuran Mg(OH)2, MgO, dan Mg/Ca.

Selanjutnya, uji sitotoksisitas menunjukkan bahwa endapan hitam tidak menyebabkan toksisitas pada sel.

Paduan Mg-Sn

Timah (Sn) merupakan salah satu elemen penting yang terdapat dalam tubuh manusia.

Penambahan Sn dalam paduan Mg dapat digunakan untuk implan ortopedi (Zhao et al., 2016). Mikrostruktur, sifat mekanik, dan laju degradasi dianalisis pada paduan Mg-xSn (x = 0 – 7%). Pembuatan paduan ini menggunakan

metode laser rapid melting karena dapat memperlambat laju degradasi. Peningkatan kadar Sn, dapat meningkatkan fase Mg2Sn sedangkan ukuran grain menurun. Ketahanan korosi dari lajur degradasi yang baik diperoleh pada paduan Mg-1%Sn. Kekerasan paduan Mg-Sn akan meningkat dengan meningkatnya kadar Sn sedangkan kekuatan tekan maksimum berada pada penambahan kadar 5% Sn (Zhou et al., 2016)

Wang et al., (2021) juga memaparkan bahwa Sn pada paduan Mg-Sn dapat meningkatkan ketahanan korosi dan meningkatkan pertumbuhan jaringan. Konsentrasi Sn pada paduan Mg-Sn dan jumlah fase Mg2Sn memiliki pengaruh pada cara korosi dan laju korosi.

Penambahan Sn di atas 5% menghasilkan pengaruh toksik pada sel dan ketahanan korosi yang menurun pada paduan Mg-Sn.

Paduan Mg-Cu

Tembaga (Cu) merupakan salah logam anti bakteri yang efektif serta penggabungan Cu ke baja tahan karat, paduan berbasis Ti, dan paduan berbasis Co juga meningkatkan ketahanan terhadap bakteri Staphylococcus aureus (S.

aureus) dan Escherichia coli (E. coli). Cu termasuk ke dalam elemen penting untuk kehidupan yang berperan penting dalam sistem kekebalan tubuh, memulihkan laju normal dari resorpsi tulang dalam metabolisme tulang, dan meningkatkan deposisi serat kolagen sehingga sangat menarik dibidang rekayasa tulang.

Padahal, osteoinduksi dan aktivitas osteoklas dipengaruhi oleh defisiensi Cu dan Cu merangsang proliferasi sel endotel serta meningkatkan angiogenesis yang merupakan peristiwa fisiologis penting dalam regenerasi tulang (Liu et al., 2016).

Degradasi untuk implan paduan berbasis Mg dalam tubuh manusia biasanya terjadi sekitar 4 hingga 16 minggu untuk memastikan stabilisasi dan penyembuhan patah tulang. Cu cenderung untuk mempercepat degradasi Mg, namun laju degradasi dapat disesuaikan dengan menyesuaikan kandungan Cu pada paduan Mg- Cu yang tergantung pada kebutuhan pengobatan.

Cu pada paduan Mg-Cu cenderung mengurangi sifat mekanik paduan magnesium, namun dalam implan ortopedi untuk perbaikan cacat tulang dan

pengobatan osteomyelitis, paduan Mg-Cu mungkin lebih cocok (Liu et al., 2016).

Walke et al., (2023) juga menjelaskan bahwa Cu memiliki pengaruh ketahanan korosi yang kurang baik karena kelarutan Cu yang terbatas dalam Mg sehingga jumlah Cu dalam Mg memiliki batas toleransi sebesar 0.1% Cu. Fase Mg2Cu akan terbentuk dalam paduan Mg-Cu.

Paduan Mg-Ca-Sn

Wang et al., (2021) memaparkan bahwa paduan Mg-Ca-Sn akan membentukan fasa CaMgSn dan Mg2Sn atau Mg2Ca dengan rasio atom Sn/Ca yang berbeda. Pembuatan paduan Mg-Sn-Ca dilakukan oleh Suresh et al., (2013) untuk mengetahui mikrostruktur dan sifat mekanik dari paduan logam tersebut.

Penambahan rasio Sn/Ca = 1 – 2.5 pada paduan Mg-Ca-Sn membentuk fase Mg2Ca pada grain boundaries dan fase CaMgSn sedangkan rasio Sn/Ca hanya membentuk fase CaMgSn.

Kekuatan tekan paduan logam dengan temperatur pada rasio Sn/Ca = 3 lebih rendah dari rasio

Sn/Ca 1 – 2.5 mencapai plateau dikisaran 100 – 175^oC disebakan karena fase Mg2Ca. Kekuatan paduan logam tertinggi diperoleh pada komposisi Mg-3%Sn-2%Ca.

(Zhao et al., 2016) melakukan analisis mikrostruktur, sifat mekanik, dan korosi pada paduan Mg-Sn-Ca yang diekstrusi untuk aplikasi implan ortopedi yang biodegradable.

Mikrostruktur yang homogen diperoleh pada penambahan 0.2 – 0.5% Ca dan 1% Sn pada paduan Mg-Ca-Sn sehingga meningkatkan kekuatan dan ketahanan korosi. Peningkatan kadar hingga 1.5%Ca meningkatkan kekuatan tetapi menurunkan keuletan dan ketahanan korosi. Paduan Mg-0.5%Ca-xSn (x = 1 – 3%) meningkatkan kekuatan tarik dengan penurunan ketahanan korosi, kemudian kekuatan luluh dan keuletan paling rendah dengan kandungan Mg- 0.5%Ca-2%Sn. Hasil analisis menunjukkan bahwa paduan Mg-0.5%Ca-1%Sn yang diekstrusi memiliki potensi sebagai impla ortopedi.

KESIMPULAN

Pengembangan paduan logam berbasis Mg dan paduannya berupa Mg-Ca, Mg-Cu, Mg-Sn, dan Mg-Ca-Sn memiliki potensi aplikasi biomedis. Karakter material paduan logam berbasis Mg ini dapat dilihat dari dari data sifat mekanik, korosi, fase, atau mikrostruktur.

Ucapan Terima kasih

Penulis mengucapkan terima kasih kepada LPPM Penelitian DIPA 2023 Universitas Pendidikan Ganesha yang telah mendanai penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

Alaneme, K. K., Kareem, S. A., Olajide, J. L., Sadiku, R. E., & Bodunrin, M. O. (2022).

Computational biomechanical and biodegradation integrity assessment of Mg- based biomedical devices for cardiovascular and orthopedic applications: A review.

International Journal of Lightweight Materials and Manufacture, 5(2), 251-266.

Bairagi, D., & Mandal, S. (2022). A comprehensive review on biocompatible Mg-based alloys as temporary orthopaedic implants: Current status, challenges, and future prospects. Journal of Magnesium and Alloys, 10(3), 627-669.

Bommala, V. K., Krishna, M. G., & Rao, C. T.

(2019). Magnesium matrix composites for biomedical applications: A review. Journal of Magnesium and Alloys, 7(1), 72-79.

Erryani, A., Yulianti, Thaha, Y. N., Lestari, F. P., Syahid, A. N., & Hakim, R. N. (2020).

Sintesis material implan biokomposit PLA- ABS-Mg: Sifat mekanik, mikrostruktur, dan perilaku elektrokimia. Metalurgi, 3, 89–98.

Esmaily, M., Svensson, J. E., Fajardo, S., Birbilis, N., Frankel, G. S., Virtanen, S., Arrabal, R., Thomas, S., & Johansson, L. G. (2017).

Fundamentals and advances in magnesium alloy corrosion. Progress in Materials Science, 89, 92-193.

Lestari, F. P., Kartika, I., Juwono, A. L., &

Anawati, A. (2022). Kajian Komposit Berbasis Paduan Logam Magnesium Berpenguat Keramik untuk Aplikasi Ortopedi. Teknik, 43(3), 236–253.

Li, X., Chu, C. L., Liu, L., Liu, X. K., Bai, J., Guo, C., Xue, F., Lin, P. H., & Chu, P. K. (2015).

Biodegradable poly-lactic acid based- composite reinforced unidirectionally with high-strength magnesium alloy wires.

Biomaterials, 49, 135–144.

Liu, C., Fu, X., Pan, H., Wan, P., Wang, L., Tan, L., Wang, K., Zhao, Y., Yang, K., & Chu, P. K. (2016). Biodegradable Mg-Cu alloys with enhanced osteogenesis, angiogenesis, and long-lasting antibacterial effects.

Scientific Reports, 6(1), 27374–27391.

Liu, Y. C., Liu, D. B., Zhao, Y., & Chen, M. F.

(2015). Corrosion degradation behavior of Mg-Ca alloy with high Ca content in SBF.

Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition), 25(10), 3339- 3347.

Liu, Y., Lu, B., & Cai, Z. (2019). Recent Progress on Mg- And Zn-Based Alloys for Biodegradable Vascular Stent Applications.

Journal of Nanomaterials, 2019(6), 1-16.

O’Neill, E., Awale, G., Daneshmandi, L., Umerah, O., & Lo, K. W. H. (2018). The roles of ions on bone regeneration. Drug Discovery Today, 23(4), 879-890.

Sezer, N., Evis, Z., Kayhan, S. M., Tahmasebifar, A., & Koç, M. (2018). Review of magnesium-based biomaterials and their applications. Journal of Magnesium and Alloys, 6(1), 23-43.

Sukmana, I., Hermanto, A., & Burhanuddin, Y.

(2016). Aplikasi Logam Magnesium dan Paduannya Sebagai Material Baut Tulang Mampu Luruh. Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV), 727–732.

Suresh, K., Rao, K. P., Prasad, Y. V. R. K., Hort, N., & Kainer, K. U. (2013). Microstructure and mechanical properties of as-cast Mg- Sn-Ca alloys and effect of alloying elements. Transactions of Nonferrous

Metals Society of China (English Edition), 23(12), 3604–3610.

Verma, A., & Ogata, S. (2023). Magnesium based alloys for reinforcing biopolymer composites and coatings: A critical overview on biomedical materials.

Advanced Industrial and Engineering Polymer Research (Article in Press).

https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2023.01.002 Walke, S., Kale, V. M., Patil, P. P., Giri, J. M.,

Kumar, H., Kumar, M., & Arun, V. (2023).

Effects of alloying element on the mechanical behavior of Mg-MMCs: A review. Materials Today: Proceedings

(Article in Press)

https://doi.org/10.1016/j.matpr.2023.02.21 1

Wang, C., Zeng, L., Zhang, W., Tang, F., Ding, W., Xiao, S., & Liang, T. (2021). Enhanced mechanical properties and corrosion resistance of rolled Mg-1.5Sn-0.5Ca alloy by Ce microalloying. Materials Characterization, 179, 111335-111335.

Wang, Y., Liu, G., Wei, Y., & Qiao, Y. (2020).

Effects of magnesium-calcium alloys with different calcium content on their mechanical properties. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 735(1).

Xu, L., Liu, X., Sun, K., Fu, R., & Wang, G.

(2022). Corrosion Behavior in Magnesium- Based Alloys for Biomedical Applications.

Materials, 15(7), 2613-2643.

Zhang, T., Wang, W., Liu, J., Wang, L., Tang, Y.,

& Wang, K. (2022). A review on magnesium alloys for biomedical applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 10, 1-25.

Zhao, C., Pan, F., & Pan, H. (2016).

Microstructure, mechanical and bio- corrosion properties of as-extruded Mg–Sn–

Ca alloys. Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition), 26(6), 1574–1582.

Zhou, H., Liang, B., Jiang, H., Deng, Z., & Yu, K. (2021). Magnesium-based biomaterials as emerging agents for bone repair and

regeneration: from mechanism to application. Journal of Magnesium and Alloys, 9(3), 779-804.

Zhou, Y., Wu, P., Yang, Y., Gao, D., Feng, P., Gao, C., Wu, H., Liu, Y., Bian, H., & Shuai, C. (2016). The microstructure, mechanical

properties and degradation behavior of laser-melted Mg-Sn alloys. Journal of Alloys and Compounds, 687, 109–114.