KAJIAN PEMANFAATAN BIOMATERIAL AUSTENITIK 316L DALAM BIDANG ORTHOPEDIK

Volume 10, Oktober 2008

ISSN 1411-1349

KAJIAN PEMANFAATAN BIOMATERIAL 316L DALAM BIDANG ORTHOPEDIK

AUSTENITIK

Sudjatmoko Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan – BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 ykbb, Yogyakarta 55281

ABSTRAK Kajian Pemanfaatan Biomaterial Austenitik 316L Dalam Bidang Orthopedik. Biomaterial untuk orthopedik adalah suatu produk yang secara fungsional harus memenuhi permintaan yang ditentukan oleh tubuh manusia sebagai lingkungan kerja. Secara ideal biomaterial tersebut harus mempunyai sifat biomekanik yang dapat diperbandingkan dengan jaringan tubuh tanpa efek yang merugikan dan diatur agar supaya keselamatannya terjamin dan dapat berkerja secara efektif. Dalam makalah ini dilakukan kajian tentang pemilihan material yang digunakan merancang pencangkokan orthopedik, khususnya biomaterial metalik jenis austenitik 316L yang mempunyai ketahanan korosi yang baik, tetapi mempunyai kekerasan rendah dan sifat tribologis kurang baik. Dalam makalah juga dibahas tentang peningkatan kekerasan dan ketahanan aus dari biomaterial tersebut digunakan teknik rekayasa permukaan yang memodifikasi karakteristik lapisan permukaan dengan menggunakan teknik implantasi ion nitrogen dan nitridasi plasma. Kata Kunci : Biomaterial, orthopedik, austenitik 316L, teknik implantasi ion, nitridasi plasma

ABSTRACT Study of the Austenitic 316L Biomaterial Applications on the Orthopaedic Field. Biomaterials for orthopaedics are products that have to satisfy functionality demands defined by human body as working environment. Ideally, they should have biomechanical properties comparable to those of autogenous tissues without any adverse effects and are regulated in order to ensure safety and effectiveness. In this paper is studied about the choice of material used for designing an orthopaedic implant, especially metallic biomaterials of austenitic type 316L that have an excellent resistance to corrosion, but they have the low hardness and poor tribological properties. It is also discussed for increasing the hardness and wear resistance of these biomaterials by using surface engineering techniques, which modify the characteristics of the surface layers by means nitrogen ion implantation techniques and plasma nitriding processes. Keywords : Biomaterials, orthopaedics, austenitic 316L, ion implantation techniques, plasma nitriding

PENDAHULUAN

M

aterial biomedik atau disebut biomaterial dapat memperbaiki kualitas hidup manusia dan permintaan material tersebut semakin meningkat setiap tahunnya di seluruh dunia. Hal ini terjadi karena jumlah pasien yang memerlukan dan menerima pencangkokan biomaterial untuk memperbaiki cacat atau kerusakan tulang rangka dan penyembuhan penyakit juga meningkat[1,2]. Di seluruh dunia, telah terjadi permintaan atau kebutuhan yang sangat besar dilakukannya pencangkokan tulang pinggang, persendian lutut dan endoprostetik gigi (dental endoprosthetic). Pada saat ini di Amerika dan Eropa lebih dari 600.000 pencangkokan tulang pinggang dan persendian lutut yang dilakukan setiap tahunnya dengan kecenderungan terus bertambah jumlahnya[2]. Di Amerika Serikat sendiri telah dilakukan pencangkokan sekitar 138.000 sambungan tulang pinggang dan 245.000 persendian Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 110 - 117

tulang lutut pada tahun 1996. Lagipula pasar dunia setiap tahunnya diperkirakan membutuhkan sekitar 260.000 katup-jantung. Oleh karena itu permukaan biomaterial dipandang sebagai salah satu permasalahan yang sangat kritis dan suatu peluang yang menjanjikan dalam industri biomedik [3]. Orthopedik adalah ilmu kedokteran khusus yang terkait erat dengan diagnosis, pengobatan, rehabilitasi dan pencegahan luka dan penyakit pada otot dan tulang-rangka tubuh manusia[4]. Badan manusia termasuk tulang, sambungan atau persendian, ikat-sendi, urat atau otot, urat-saraf dan lainnya memungkinkan manusia dapat bergerak, bekerja dan beraktivitas. Material untuk aplikasi biomedik yang disebut biomaterial yang digunakan sebagai pengganti atau memperbaiki fungsi dari bagian tubuh manusia, pada umumnya akan mengalami kontak secara kontinyu atau sebentar terjadi dan sebentar tidak terjadi kontak dengan cairan tubuh untuk jangka waktu pendek atau

110


panjang[3]. Oleh karena itu biomaterial tersebut harus biocompatible dan tidak menyebabkan perangsangan atau penolakan. Biomaterial orthopedik dapat dicangkokkan ke dalam atau mendekati tulang yang retak atau pecah untuk memudahkan penyembuhan atau untuk menggantikan jaringan tulang yang rusak. Biomaterial dapat berasal dari bahan alam atau sintetik dan digunakan dalam fabrikasi orthopedik, kardiovaskuler, gigi dan aplikasi lainnya. Pencangkokan orthopedik digunakan sebagai piranti pelekatan tulang yang retak (fracture fixation devices) dan sambungan tulang buatan (artificial joints). Material yang digunakan dalam operasi atau pembedahan orthopedik tersebut antara lain adalah metal: stainless steel, paduan Co-Cr, titanium dan aluminium; keramik terdiri dari alumina, zirkonia, karbon dan hydroxyapatite; dan polimer meliputi polyethylene dan ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE)[1,3,4]. Material metalik biasanya digunakan untuk load bearing seperti baut, plat, sambungan atau persendian lutut, tangkai tulang paha dan lainnya. Keramik seperti alumina dan zirkonia digunakan untuk pemakaian yang mempunyai ketahanan aus dalam penggantian sambungan atau persendian tulang, sedangkan hydroxyapatite digunakan pada pemakaian ikatan tulang untuk membantu menyatupadukan tulang yang dicangkokkan. Polimer seperti ultra high molecular weight polyethylene digunakan sebagai permukaan sambungan atau persendian tulang terhadap komponen keramik dalam penggantian persendian tulang. Material terpilih yang digunakan dalam pencangkokan orthopedik telah berkembang berdasarkan sifat-sifat kimia dan fisika dari kelompok material yang berbeda-beda. Secara ideal material yang dipilih tidak hanya akan biocompatible saja, akan tetapi juga mempunyai sifat-sifat tahan korosi yang sesuai dengan biomaterial tulang yang akan diganti. Substrat stainless steel sebagai biomaterial terutama digunakan untuk memperbaiki biocompatibility[5]. Walaupun demikian, cairan tubuh sangat korosif, yang dapat mengarah tidak hanya korosi yang seragam (uniform corrosion) tetapi juga serangan korosi celah (crevice corrosion) dan lekuk (pitting corrosion) pada paduan metal. Korosi pada pencangkokan orthopedik sangat kritis karena dapat merugikan dan mempengaruhi biocompatibility. Masalah korosi merupakan pertimbangan pertama dari setiap jenis pencangkokan yang digunakan dalam tubuh manusia, karena terjadi pelepasan ion metal terutama disebabkan oleh korosi dari material orthopedik yang dicangkokkan. Apalagi serpihan akibat aus yang dihasilkan dari pergerakan KAJIAN PEMANFAATAN BIOMATERIAL AUSTENITIK 316L DALAM BIDANG ORTHOPEDIK Sudjatmoko

ISSN 1411-1349

sambungan atau persendian tulang mengarah pada keausan-korosi (wear-corrosion) yang mengakibatkan degradasi ketahanan korosinya. Stainless steel yang digunakan untuk pencangkokan medis terutama austenitik jenis 316L oleh karena mempunyai ketahanan korosi sangat baik yang disebabkan oleh pembentukan lapisan permukaan pasif, tetapi kekerasan yang rendah dan sifat tribologis yang kurang baik dari material tersebut dapat memperpendek umur pakai komponen jika dikaitkan dengan ketahanan ausnya[6,7]. Ketahanan aus dari komponenkomponen baja pada umumnya dapat diperbaiki dengan menggunakan teknik rekayasa permukaan (surface engineering techniques), yang memodifikasi karakteristik dari lapisan permukaan dengan cara implantasi ion atau plasma immersion ion implantation(PIII [3], proses pelapisan seperti physical vapour deposition (PVD) yang juga disebut teknik sputtering, chemical vapour deposition (CVD) atau plasma spray, dan proses difusi seperti nitridasi atau karburasi[6]. Selain teknik tersebut di atas, dalam penelitian untuk memperbaiki sifat permukaan biomaterial juga digunakan teknik pulsed laser deposition (PLD)[8-11]). Pengembangan biomaterial baru dan modifikasi permukaan biomaterial untuk mendapatkan sifat permukaan yang lebih baik, seperti gesekan rendah (low friction), ketahanan aus yang tinggi, kekerasan yang tinggi, tahan korosi dan biocompatibility telah menarik minat yang sangat besar baik secara akademik maupun secara komersial. Pengembangan biomaterial baru melibatkan suatu gabungan antara ilmu pengetahuan material dan sel biologi untuk mendapatkan hasil terbaik dalam riset atau penelitian, pengembangan dan implementasi ilmiah teknis menjadi suatu yang bisa dipraktekkan di lapangan. Dalam makalah ini dilakukan kajian tentang biomaterial berbasis metal, terutama stainless steel jenis austenitik 316L, dan teknik rekayasa permukaan material khususnya teknik implantasi ion dan teknik nitridasi ion yang fasilitasnya ada di PTAPB-BATAN Yogyakarta, untuk mendapatkan biomaterial yang dapat dimanfaatkan dalam bidang orthopedik. Diharapkan makalah ini dapat memberikan sumbang-saran dalam penelitian dan pengembangan biomaterial dalam bidang orthopedik di Indonesia, sehingga mampu memberikan andil dalam rangka meningkatkan kualitas hidup masyarakat. TEKNIK REKAYASA PERMUKAAN Dalam dunia industri material telah dikembangkan secara luas berbagai teknik rekayasa permukaan (surface engineering techniques) untuk 111


mengubah dan memperbaiki karakteristik lapisan permukaan material menggunakan teknik implantasi ion atau teknik PIII (plasma immersion ion implantation), atau dengan memanfaatkan proses pelapisan (coating processes) dan proses difusi (diffusion processes). Proses pelapisan meliputi teknik PVD (physical vapour deposition) yang juga disebut teknik sputtering, CVD (chemical vapour deposition) atau teknik plasma spray; sedangkan proses difusi meliputi teknik karburasi atau nitridasi. Dalam makalah ini hanya dibahas dua jenis teknik rekayasa permukaan, yaitu teknik implantasi ion dan nitridasi plasma yang dapat digunakan dalam pengembangan biomaterial. Teknik Implantasi Ion Selama proses implantasi ion, atom-atom atau molekul-molekul yang akan diimplantasikan diionisasikan dalam suatu sistem sumber ion, kemudian dipercepat dalam medan listrik dan selanjutnya diimplantasikan pada permukaan suatu padatan. Dengan cara ini terjadi banyak kombinasi ion dan substrat yang mungkin terjadi, sebagai contoh boron dalam silikon, silikon dalam silikon, tellurium dalam gallium arsenide dan platinum dalam besi. Energi pemercepatan dapat mencapai beberapa ratus keV hingga beberapa MeV. Kedalaman penetrasi ion bergantung tidak hanya pada energinya, tetapi juga pada massa ion dan massa atom padatan atau material. Oleh karena itu, penembakan ion dalam teknik implantasi ion memungkinkan untuk mengubah hampir semua sifat-sifat lapisan permukaan dari padatan. Ada dua besaran fisis yang sangat penting dari hasil implantasi suatu ion pada permukaan material, yaitu kedalaman penetrasi ion pada permukaan material dan distribusi konsentrasi ionion yang diimplantasikan pada kedalaman tersebut. Parameter-parameter ion adalah jenis ion dan energi ion yang diimplantasikan serta jenis material atau bahan; sedangkan parameter yang mempengaruhi distribusi konsentrasi ion adalah arus ion dan lamanya proses implantasi ion berlangsung. Teknik Nitridasi Plasma Nitridasi plasma adalah suatu teknik pengerasan permukaan logam berdasarkan proses termokimia plasma, di mana benda kerja sebagai katode dari sistem lucutan pijar DC (DC glow discharge) gas nitrogen atau campuran nitrogen dan hidrogen, dan bejana lucutan bertindak sebagai anode yang ditanahkan. Secara umum peralatan nitridasi plasma terdiri dari bejana lucutan terbuat dari logam bertekanan 0,5 – 10 torr, sistem pencampur gas (gas mixer) N2 atau N2-H2, sistem Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 110 - 117

ISSN 1411-1349

tegangan tinggi DC 300 – 1.200 volt dan regulator suhu. Lucutan dioperasikan dalam daerah lucutan pijar abnormal, di mana akan diperoleh arus yang tinggi dan menghasilkan rapat daya besar. Hal ini diperlukan untuk mendapatkan laju pertumbuhan lapisan nitrida yang cepat. Kenaikan suhu dalam benda-kerja dapat diukur dengan menggunakan termokopel. Suhu nitridasi dijaga konstan dengan mengatur keluaran sumber daya, dan suhu nitridasi pada umumnya antara 350 hingga 600 oC untuk material baja. Dalam proses nitridasi plasma ada beberapa parameter proses, di antaranya adalah perbandingan aliran gas atau komposisi campuran gas, waktu nitridasi ion, tekanan gas, dan terutama suhu nitridasi memegang peranan penting dalam pembentukan lapisan nitrida pada permukaan material. Beberapa parameter proses tersebut dapat divariasi untuk mendapatkan sifat ketahanan panas, sifat-sifat anti-korosi atau ketahanan aus yang optimum.

PEMBAHASAN Material biomedik dapat dibagi menjadi tiga jenis utama yang dipengaruhi oleh tanggap jaringan (tissue response): material lembam (inert materials) adalah jenis material yang tidak atau minimal mendapatkan tanggap jaringan tubuh, material aktif (active materials) yang dapat memicu terjadinya ikatan dengan jaringan di sekitarnya, dan material yang berangsur-angsur menjadi rusak (degradable materials) atau dapat terserap (resorbable materials) dan menyatu ke dalam jaringan di sekitarnya dan bahkan larut seluruhnya pada periode waktu yang panjang. Metal adalah contoh dari material yang masuk dalam kriteria material lembam; keramik dapat menjadi material lembam, material aktif atau material yang dapat terserap; sedangkan polimer dapat menjadi material lembam atau suatu material yang dapat terserap. Dalam Tabel 1 ditampilkan beberapa contoh biomaterial yang digunakan dalam bidang orthopedik[1]. Pencangkokan material secara medik adalah suatu produk yang harus memenuhi secara fungsional kebutuhan yang ditentukan oleh tubuh manusia. Secara ideal biomaterial yang dicangkokkan ke dalam tubuh manusia harus mempunyai sifat-sifat biomekanik yang dapat diperbandingkan dengan jaringan yang dapat bekerja dengan sendirinya tanpa efek yang merugikan dan diatur supaya keamanan terjamin dan bekerja lebih efektif. Pemilihan material yang digunakan untuk perancangan suatu pencangkokan dipengaruhi oleh biocompatibility, bioadhesion, 112


ISSN 1411-1349

biofunctionality, ketahanan korosi, ketahanan aus, dan lainnya. Tabel 1. Beberapa jenis biomaterial dalam bidang orthopedik No.

Metal

1

316L stainless steel Paduan Co-Cr Titanium Ti-6Al-4V

2 3 4

Keramik Alumina

Zirkonia Karbon Hydroxyapat ite

Polimer Ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) Polyurethan e (PE)

Biomaterial jenis metal sering digunakan untuk menopang dan/atau mengganti komponenkomponen kerangka tubuh manusia. Biomaterial tersebut digunakan, sebagai contoh untuk sendi atau sambungan buatan, pelat tulang (bone plates), sekrup, pelekatan tulang punggung (spinal fixations), spinal spacers, external fixators, katup jantung buatan (artificial heart valves) dan lainnya. Mereka harus mempunyai kekuatan tarik sangat besar, kekuatan fatik (fatigue strength) dan keuletan terhadap keretakan (fracture toughness) bila dibandingkan material jenis keramik dan polimer. Secara luas biomaterial jenis metal yang digunakan untuk piranti pencangkokan adalah 316L stainless steel, paduan kobalt, titanium dan paduan Ti-6Al4V. Pada awalnya material-material tersebut dikembangkan untuk keperluan industri. Sifat-sifat mekaniknya yang sangat baik dan ketahanan korosinya relatif tinggi adalah alasan utama untuk material tersebut dapat dimasukkan atau dicangkokkan ke dalam tubuh untuk periode waktu yang lama dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan dalam bidang medik. Dalam Tabel 2 disajikan beberapa sifat mekanik dan biologis dari stainless steel, paduan kobalt dan titanium[7]. Tabel 2. Sifat-sifat mekanik dari paduan metal yang digunakan dalam bidang medik No 1 2 3 4

Karakteristik Kekakuan Kekuatan Ketahanan Korosi Biocompa tibility

Stainles s steel Tinggi Medium Rendah Rendah

Paduan Kobalt Medium Medium Medium Medium

Paduan Titanium Rendah Tinggi Tinggi Tinggi

Material yang dipilih untuk penggunaan dalam pencangkokan orthopedik telah berkembang setelah dilakukan penelitian berkaitan dengan sifatsifat kimia dan fisikanya. Secara ideal material yang dipilih tidak hanya compatible tetapi juga KAJIAN PEMANFAATAN BIOMATERIAL AUSTENITIK 316L DALAM BIDANG ORTHOPEDIK Sudjatmoko

mempunyai sifat tahan terhadap korosi yang sesuai sebagai pengganti tulang manusia. Stainless steel terutama austenitik jenis 316L telah digunakan secara luas dalam bidang industri dan juga dalam pencangkokan orthopedik, karena mempunyai sifat tahan korosi yang baik sebagai akibat terbentuknya lapisan permukaan pasif (passive surface film). Akan tetapi material tersebut mempunyai sifat kekerasan yang rendah dan sifat tribologis yang kurang baik, sehingga dapat memperpendek umur pemakaian komponen jika dikaitkan dengan keausan. Sifat tribologis tersebut berkaitan dengan interaksi antar permukaan material yang saling bergerak dan mengakibatkan terjadinya gesekan (friction), keausan (wear) dan kikisan (abrasion). Ketahanan aus komponen-komponen baja biasanya diperbaiki dengan menggunakan teknik rekayasa permukaan, yang mengubah sifat lapisan permukaan dengan cara implantasi ion, proses pelapisan atau proses difusi seperti teknik nitridasi. Pada saat ini teknik nitridasi telah banyak dimanfaatkan dalam dunia industri untuk memperbaiki ketahanan aus dan korosi dari komponen-komponen baja. Akan tetapi jika stainless steel jenis austenitik diproses pada suhu yang secara umum digunakan untuk nitridasi baja paduan rendah atau baja perkakas, sekitar 773 K atau lebih tinggi, mereka mengalami penurunan ketahanan korosi cukup besar akibat presipitasi sejumlah besar nitrida-krom yang menghabiskan kromium dari larutan padat sehingga merugikan pembentukan lapisan protektif (6). Teknik nitridasi efektif dalam memperbaiki sifat-sifat kekerasan dan ketahanan korosi dari austenitik stainless steel hanya jika mereka dilakukan pada suhu yang lebih rendah sekitar 723 K. Pada kenyataannya dengan menggunakan perlakuan suhu rendah, lapisan permukaan yang termodifikasi pada dasarnya terdiri dari suatu fase metastabil yang diketahui sebagai austenitik superjenuh atau terekspansi γN, fase S atau fase m yang mempunyai kekerasan tinggi dan ketahanan korosi sangat baik. Banyak teknik nitridasi yang digunakan untuk menghasilkan fase tersebut, dari teknik nitridasi plasma, implantasi ion, lucutan busur tekanan rendah (low-pressure arc discharge) dan teknik sputtering magnetron reaktif[5]. Material austenitik 316L secara umum adalah material yang mempunyai sensitivitas tinggi terhadap korosi celah (crevice corrosion) dan lekuk (pitting corrosion). Korosi lekuk tersebut disebabkan lekuk atau lubang yang dalam pada permukaan metal, dan korosi ini diawali jika oksidan seperti oksigen yang terlarut bereaksi dengan ion-ion khlorida; selanjutnya korosi yang terjadi dipercepat oleh adanya konsentrasi oksigen pada awal pertumbuhan. Komposisi kimia dari 113


austenitik 316L, di mana L menunjukkan kandungan karbon yang rendah, adalah ≤ 0,030% C, ≤ 1,0% Si, ≤ 2,0% Mn, ≤ 0,045% P, ≤ 0,03% S, 12,0-15,0% Ni, 16,0-18,0% Cr dan 2,0-3,0% Mn (7). Ketahan korosi dari material ini selain dengan teknik nitridasi tersebut di atas, juga dapat dilakukan dengan menambahkan molybdenum atau meningkatkan kandungan nikel dengan teknik implantasi ion atau mengurangi karbon kurang dari 0,030%. Dalam Gambar 1 ditampilkan struktur mikro potongan melintang dari austenitik 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 2,55 × 1017 ion/cm2 dan energi ion 100 keV. Proses implantasi ion dilakukan dengan menggunakan mesin implantor ion buatan PTAPB–BATAN Yogyakarta. Dengan teknik implantasi ion dilakukan penambahan unsur-unsur baru pada permukaan material, dan oleh karena itu proses ini dapat dikatakan sebagai teknik paduan-mikro (micro-alloying). Dengan adanya unsur baru pada permukaan material maka lapisan permukaan tersebut akan mengalami perubahan struktur mikro. Lapisan tipis warna putih pada permukaan austenitik 316L pada Gambar 1 merupakan indikator dari terbentuknya lapisan nitrida-besi dengan ketebalan sekitar 0,5 µm, dan hasil ini menunjukkan terjadinya perubahan struktur mikro pada permukaan austenitik 316L. Lapisan nitirida tersebut mempunyai sifat yang sangat keras dan nilai kekerasan ini sebanding dengan sifat ketahanan aus yang tinggi.

ISSN 1411-1349

yang digunakan untuk mengetahui komposisi kimia yang terkandung pada permukaan austenitik 316L adalah dengan menyeleksi luasan tertentu pada cuplikan. Analisis perubahan komposisi kimia dari permukaan cuplikan austenitik 316L setelah diimplantasi dengan ion nitrogen ditampilkan pada Gambar 2 - 4. Berdasarkan analisis komposisi kimia menunjukkan adanya kandungan nitrogen pada permukaan cuplikan sebesar 1,19% berat atau 3,90% atom nitrogen setelah implantasi ion nitrogen (Gambar 2), sedangkan pada kedalaman 0,13 µm di bawah permukaan diperoleh kandungan nitrogen yang optimum sebesar 1,76% berat atau 5,30% atom nitrogen (Gambar 3). Demikian seterusnya dengan kedalaman yang semakin jauh dari permukaan cuplikan, kandungan nitrogen semakin berkurang dan pada kedalaman 0,5 µm besarnya kandungan nitrogen hanya 0,53% berat atau 1,75% atom nitrogen (Gambar 4). Dengan demikian dapat diketahui bahwa nilai kekerasan optimum dari permukaan austenitik 316L setelah implantasi ion nitrogen terjadi di bawah permukaan, dan ketahanan aus yang optimum juga terjadi di bawah permukaan; hasil ini menunjukkan bahwa umur pakai komponen diperkirakan menjadi lebih panjang.

Gambar 2.Hasil analisis unsur dengan EDS pada permukaan cuplikan austenitik 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 2,55 × 1017 ion/cm2 dan energi ion 100 keV

Gambar 1. Mikrograf SEM dari struktur mikro potongan melintang austenitik 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 2,55 × 1017 ion/cm2 dan energi ion 100 keV. Hasil yang diperoleh berdasarkan analisis struktur mikro juga dapat diperkuat oleh hasil analisis komposisi kimia yang diperoleh dari EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Teknik analisis Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 110 - 117

Teknik nitridasi plasma pada austenitik 316L dapat dilakukan hanya pada suhu rendah untuk menghindari terjadinya penurunan ketahanan korosi yang diakibatkan oleh terbentuknya nitrida-khrom. Kondisi tersebut membantu pengembangan terjadinya pembentukan lapisan permukaan yang termodifikasi, yang pada dasarnya terdiri dari fase metastabil seperti austenitik superjenuh γN, fase S

114


Gambar 3. Hasil analisis unsur dengan EDS pada permukaan cuplikan austenitik 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 2,55 × 1017 ion/cm2 dan energi ion 100 keV, pada kedalaman 0,13 µm dari permukaan cuplikan.

ISSN 1411-1349

Gambar 5. Mikrograf SEM dari lapisan permukaan austenitik 316L yang ter-modifikasi setelah proses nitridasi pada suhu 773 K. berat, Mo: 3,6% berat, Ni: 8,5% berat, Fe: 61,3% berat, Mn: 1,7% berat, Si: 0,8% berat) terhadap nilai matriks; sedangkan butiran-butiran yang tidak teretsa hanya memperlihatkan sedikit variasi unsurunsur tersebut (Cr: 17,7% berat, Mo: 2,8% berat, Ni: 9,4% berat, Fe: 67,7% berat, Mn: 1,6% berat, Si: 0,8% berat). Analisis difraksi sinar-X pada cuplikan tersebut memperlihatkan adanya CrN, γ’-Fe4N dan fase S, dengan kandungan fase γ’-Fe4N terbesar terdapat dekat permukaan terluar dan berkurang ketika kedalamannya bertambah.

Gambar 4. Hasil analisis unsur dengan EDS pada permukaan cuplikan austenitik 316L yang diimplantasi dengan ion nitrogen pada dosis 2,55 × 1017 ion/cm2 dan energi ion 100 keV, pada kedalaman 0,5 µm dari permukaan cuplikan. atau fase m yang memperlihatkan nilai kekerasan sangat tinggi dan ketahanan korosi yang baik. Gambar 5 memperlihatkan mikrograf SEM dari lapisan permukaan austenitik 316L yang termodifikasi setelah proses nitridasi pada suhu 500 o C atau 773 K[6]. Dalam cuplikan yang dinitridasi pada suhu 773 K, butiran-butiran dengan struktur-mikro lapisan tipis teramati dekat permukaan terluar, seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Analisis EDS dari struktur-mikro tersebut memperlihatkan bahwa, sementara lapisan tipis yang teretsa mengalami peningkatan kandungan khromium danmolybdenum dan terjadi penurunan nickel dan besi (Cr: 24,1%

KAJIAN PEMANFAATAN BIOMATERIAL AUSTENITIK 316L DALAM BIDANG ORTHOPEDIK Sudjatmoko

Gambar 6. Profil kekerasan-mikro Knoop dari austenitik 316L setelah proses nitridasi pada berbagai suhu yang berbeda. Pengukuran kekerasan-mikro Knoop dilakukan pada lapisan yang termodifikasi dari cuplikan austenitik 316L setelah proses nitridasi, dan profil kekerasan-mikro dari cuplikan tersebut ditampilkan dalam Gambar 6[6]. Semua jenis cuplikan memperlihatkan nilai kekerasan yang tinggi pada lapisan yang termodifikasi dan 115


berkurang secara tajam pada kedalaman tertentu. Ketika suhu nitridasi bertambah, ketebalan dari lapisan yang diperkeras meningkat sesuai dengan pengamatan morfologinya. Pada cuplikan yang dinitridasi pada suhu 673 K, nilai kekerasan maksimum yang terukur dekat permukaan adalah lebih rendah dibandingkan dengan jenis cuplikan yang lain, hal ini diperkirakan oleh karena ketebalan lapisan yang kecil dan perubahan konsentrasi nitrogen yang menembus lapisan, seperti yang dihasilkan oleh analisis difraksi sinar-X. Pada cuplikan yang dinitridasi dengan suhu 703 – 743 K, nilai kekerasan lapisan yang termodifikasi kira-kira konstan dan nilainya sekitar 1.450 HK; maka nilai tersebut dapat dianggap sebagai kekerasan fase S dengan kandungan nitrogen maksimum. Nilai kekerasan yang lebih tinggi hingga sekitar 1.550 HK teramati pada 773 K, hal ini disebabkan karena terjadinya endapan atau presipitasi nitrida-khrom (CrN) dan nitrida-besi (γ’-Fe4N) sepanjang batasbatas butir dan di tengah-tengah butiran, dan jumlahnya bertambah ketika suhu nitridasi bertambah. Nilai kekerasan yang tinggi dari 1.450 hingga 1.550 HK tersebut bergantung pada kondisi nitridasi.

KESIMPULAN Berdasarkan pembahasan tersebut di atas dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut. 1.

2.

Biomaterial adalah suatu material non aktif yang digunakan dalam piranti medik yang diharapkan dapat berinteraksi dengan sistem biologis dan meliputi beberapa kelompok material, seperti jenis metal, keramik dan polimer. Material-material tersebut secara fungsional harus memenuhi kebutuhan yang ditentukan oleh tubuh manusia sebagai lingkungan kerja dari biomaterial. Pemilihan biomaterial yang digunakan untuk pencangkokan medik paling tidak ditentukan oleh biocompatibility, bioadhesion, biofunctionality, ketahanan korosi dan ketahanan ausnya. Biomaterial metalik sering digunakan untuk mendukung atau menggantikan komponenkomponen kerangka tubuh manusia, terutama sebagai sendi atau sambungan buatan, pelat tulang (bone plates), sekrup, pelekatan tulang punggung (spinal fixations), spinal spacers, external fixators, katup jantung buatan (artificial heart valves) dan lainnya. Mereka harus mempunyai kekuatan tarik sangat besar, kekuatan fatik (fatigue strength) dan keuletan terhadap keretakan (fracture toughness) bila

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Teknologi Akselerator dan Aplikasinya Vol. 10, Oktober 2008 : 110 - 117

ISSN 1411-1349

dibandingkan material jenis keramik dan polimer. 3.

Biomaterial jenis austenitik 316L mempunyai ketahanan korosi yang baik yang disebabkan terbentuknya lapisan permukaan pasif, tetapi nilai kekerasannya rendah dan sifat tribologinya kurang baik. Dengan menggunakan teknik implantasi ion nitrogen dan nitridasi plasma pada suhu tidak terlalu tinggi dapat meningkatkan nilai kekerasan dan ketahanan korosi dari permukaan cuplikan.

4.

Dalam skala litbang, kegiatan rekayasa permukaan untuk biomaterial dengan menggunakan implantor ion atau nitridasi plasma buatan PTAPB diperoleh hasil yang cukup memenuhi persyaratan yang ada; tetapi jika digunakan dalam skala industri maka fasilitas yang ada masih perlu dikembangkan lebih lanjut.

DAFTAR PUSTAKA [1] RODRIGUES, B., et.al., “Biomaterials for Orthopaedics”, Applications of Engineering Mechanics in Medicine, GED – University of Puerto Rico, Mayagüez, May 2004 [2] HEIMANN, R.B., “Modern Bioceramic Materials : design, testing and clinical application, Engineering Mineralogy of Ceramic Materials”, Proceedings of the International School Earth and Planetary Sciences, Siena 2001 [3] JOHN, P.I., “Plasma Sciences and the Creation of Wealth”, Tata McGraw-Hill Publishing Company, New Delhi, 2005 [4] ALBINO SOTO, J.N., et.al., “Mechanics of Biomaterials : Orthopaedics”, Applications of Engineering Mechanics in Medicine, GED – University of Puerto Rico, Mayagüez, May 2005 [5] KIM, H.G., et.al., “Electrochemical Behavior of Diamond-like Carbon Films for Biomedical Applications”, Thin Solid Films, 475 (2005) 291-297 [6] BORGIOLI, F., et.al., “Glow-discharge Nitriding of AISI 316L Austenitic Stainless steel : influence of treatment temperature”, Surface & Coatings Technology 200 (2005) 2474-2480 [7] BOMBAC, D., et.al., “Review of materials in medical applications”, Materials and Geoenvironment, Vol. 54, No. 4, (2007) 471499 116


[8] TEGHIL, R., et.al., “TiC and TaC deposition by pulsed laser ablation : a comparative approach”, Applied Surface Science, Volume 173, Issues 3-4, (2001) 233-241 [9] TEGHIL, R., et.al., “Femtosecond pulsed laser ablation and deposition of titanium carbide”, Thin Solid Films, Volume 515, Issue 4, (2006) 1411-1418 [10] LOIR, A.S., et.al., “Deposition of tetrahedral diamond-like-carbon thin films by femtosecond laser ablation for applications of hip joints”, Thin Solid Films, 453-454 (2004) 531-536 [11] BRAMA, M., et.al., “Effect of titanium carbide coating on the osseointegration response in vitro and in vivo”, Biomaterials, Volume 28, Issue 4, (2007) 595-608

TANYA JAWAB

ISSN 1411-1349

menyatukan tulang yang dicangkokkan, sebagai contoh adalah hydroxyapatitie Sri Sulamdari − Bagaimana caranya mengukur dengan EDS terhadap kedalaman 0,5µm dan 0,13µm Sudjatmoko − Analisis komposisi unsur pada kedalaman 0,5µm dan 0,13µm dilakukan terhadap cuplikan yang diukur secara melintang dengan menggunakan SEM yang dikopel dengan EDS Tri Mardji Atmono − Bagaimana seandainya dilakukan implantasi ion sekaligus nitridasi tidak sendiri-sendiri. Apakah hasilnya akan lebih baik? − Bagaimana menjembatani antara skala laboratorium dengan skala industri

Tjipto Sujitno − Mohon dijelaskan tentang persyaratan material degradable untuk orthopedic. Sudjatmoko − Persyaratan degradable materials adalah biomaterial yang dapat digunakan pada pemakaian ikatan tulang untuk membantu

KAJIAN PEMANFAATAN BIOMATERIAL AUSTENITIK 316L DALAM BIDANG ORTHOPEDIK Sudjatmoko

Sudjatmoko − Belum dilakukan implantasi ion sekaligus nitridasi. Kemungkinan hasilnya akan lebih baik. − Perlu adanya kerjasama dengan pihak industri, sehingga diperoleh hasil litbang yang memenuhi kebutuhan industri

117

KAJIAN PEMANFAATAN BIOMATERIAL AUSTENITIK 316L DALAM BIDANG ORTHOPEDIK

Recommend Documents