Laporan Tugas Akhir Pelapisan AOP pada NiTi Wire Orthodontic
Nama : Dicky Zulfikar Mohammad NRP : 2707100007 Dosen Pembimbing: Yuli Setiyorini, ST., M.Phil.
Latar Belakang NiTi merupakan suatu paduan logam yang digunakan secara luas untuk aplikasi di dunia orthodontic(Michiardi dkk, 2007) Kandungan Ni yang relatif cukup tinggi hingga mencapai 50% dapat menyebabkan resiko alergi atau bahkan keracunan pada tubuh manusia yang dikarenakan adanya pelepasan ion Ni(Chu dkk, 2009) Perlu adanya rekayasa permukaan pada logam NiTi yang bertujuan untuk mengurangi pelepasan ion Ni(Michiardi dkk, 2007) Salah satu alternatif untuk mengurangi pelepasan ion Ni yaitu dengan menggunakan metode pelapisan Advanced Oxidation Process (AOP) (Chu dkk, 2009)
NiTi Wire Orthodontic
Aplikasi NiTi Wire Orthodontic
Rumusan Masalah Apakah metode AOP bisa mengurangi pelepasan Ni pada orthodontic wire?
Batasan Masalah Temperatur pada saat proses coating dan perendaman di dalam larutan saliva dianggap konstan.
Larutan saliva yang digunakan dianggap homogen.
Tujuan Untuk mengurangi pelepasan ion Ni pada ortodontic wire dengan menggunakan metode pelapisan AOP.
Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi dalam dunia kedokteran khususnya bidang orthodentic untuk mengurangi pelepasan Ni pada orthodontic wire.
Tinjauan Pustaka Paduan NiTi NiTi adalah logam paduan yang memiliki kemampuan pengingat bentuk dan memiliki ketahanan korosi yang sangat baik(Michiardi dkk, 2007) NiTi pertama kali diaplikasikan sebagai hydraulic line coupler pada pesawat F-14, dan aplikasi selanjutnya yaitu sebagai wire orthodontic(Ohara, 2005) Beberapa produk yang dikomersialkan antara lain adalah FLEXINOL (buatan Dynalloy, Inc.), SENTALLOY (buatan GAC International), dan NiTiBriteTM (buatan Johnson Matthey, Inc.)
Tinjauan Pustaka(cont’d)
Advanced Oxidation Process Coating Pada awalnya, metode AOP diaplikasikan untuk pemurnian air, udara, dan tanah dari senyawa beracun(Joseph, 2009) Tetapi selama beberapa dekade terakhir, AOP telah dikembangkan dan menunjukkan bahwa metode tersebut banyak diaplikasikan di dunia industri(Joseph dkk, 2009) Salah satu aplikasi penting yang berhubungan di bidang biomaterial adalah untuk mengasilkan lapisan titania sebagai upaya untuk mencegah pelepasan ion Ni pada logam NiTi(Chu dkk, 2009) AOP merupakan salah satu metode coating dengan menggunakan sistem ultraviolet/ H2O2 photocatalytic system(Chu dkk, 2009)
Tinjauan Pustaka(cont’d) Hidroksil radikal (OH) dihasilkan dari dekomposisi langsung H2O2
dengan radiasi UV(Chu, 2009) Selama proses AOP pada NiTi, reaksi dengan sistem UV/H2O2 tidak stabil karena jumlah OH yang dihasilkan dengan dekomposisi katalis dibawah sinar UV berkurang yang disebabkan oleh konsumsi H2O2 secara kontinyu(Chu, 2009) Masalah ini dapat diatasi dengan AOP yang dimodifikasi menggunakan UV/sistem peroksida secara electrokimia, dimana H2O2 dapat diproduksi secara kontinyu pada katoda dengan reduksi oksigen, skema dapat dilihat pada gambar berikut(Chu, 2009)
Tinjauan Pustaka(cont’d) Skema Metode AOP
H2O2+2OH- (1)
Reaksi pada larutan elektrolit : O2+2H2O+2e Reaksi untuk menghasilkan OH : H2O2
uv
2OH
(2)
Tinjauan Pustaka(cont’d) Kelebihan dari metode AOP ini adalah metode yang digunakan
relatif mudah dan sederhana, dibandingkan metode lain, sehingga dapat diaplikasikan untuk logam selain NiTi Hasil dari coating pun juga sangat baik, karena dapat menghasilkan lapisan titania yang padat dan terdapat zona bebas Ni pada permukaan paling luarnya(Chu dkk, 2009)
Metodologi Penelitian 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Bahan yang dibutuhkan untuk penelitian adalah sebagai berikut: NiTi wire MASEL 4832-204 diameter 0,014 inci Larutan Saliva (NaCl 180 gr; KCl 8,45 gr; CaCl2 4,8 gr; NaHCO3 4 gr; KH2PO4 0,1225 gr) Larutan polishing ( mengandung H2O : HF : HNO3 dengan rasio 5:1:4 ). Na2SO4 0.02 mol/L, pH = 3 Katoda grafit Acetone Oksigen
Spesimen NiTi wire MASEL
Metodologi Penelitian(cont’d) Alat yang dibutuhkan untuk penelitian adalah sebagai berikut: Alat yang ada di gedung robotika ITS: 1. 2. 3. 4. 1. 2.
3. 4. 5. 6. 7.
SEM(Scanning Electron Microscope) EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) ICP(Inductively coupled plasma) XRD (X-Ray Diffraction) Alat yang ada di Laboratorium Teknik Material dan Metalurgi Lampu UV Ultrasonic cleaner Chamber Chemical polisher Gelas ukur Adaptor DC Kabel
Metodologi Penelitian(cont’d)
Skema pelapisan AOP
Diagram Alir Penelitian
Metodologi Penelitian(cont’d) Analisa Analisa Morfologi
Analisa morphologi menggunakan Scanning Electron Mycroscopy (SEM) Merk FEI, Type: Inspect-S50 dengan range energi 15-20 kV. Analisa ini dilakukan untuk untuk memahami struktur permukaan dari sampel yaitu NiTi sebelum dan sesudah dicoating. Adapun preparasi dari pengujian ini yaitu kawat NiTi dilapisi dengan emas. Analisa Chemical composition Analisa chemical composition menggunakan EDX. Analisa ini dilakukan untuk mengetahui komposisi kimia yang ada pada NiTi sebelum dan sesudah pelapisan, yaitu kandungan Ni, Ti, dan O (sesudah pelapisan) Analisa XRD Analisa ini bertujuan untuk mengetahui apakah senyawa TiO2 dapat terbentuk pada permukaan NiTi setelah dicoating AOP. Pengujian ini menggunakan alat PANalytical tipe X’Pert PRO
Metodologi Penelitian(cont’d) Analisa Analisa Ni release
Analisa ini bertujuan untuk mengetahui seberapa banyak ion Ni yang telah lepas selama perendaman di dalam larutan saliva. Sample (berupa NiTi wire yang tidak mengalami pelapisan dan yang mengalami pelapisan) akan dicelupkan pada botol yang mengandung 70 ml larutan saliva. Botol ini akan ditutup rapat dan diletakan pada termostatic chamber pada temperatur 370C. Pengambilan larutan saliva dilakukan setiap dua minggu sekali selama 2 bulan. Setelah 2 bulan, larutan yang telah diambil dianalisa dengan ICP (Inductively Coupled Plasma) untuk mengetahui kandungan ion Ni+ yang terlepas dari spesimen. Analisa ini menggunakan alat ICP merk Teledyne Leeman Labs, tipe Prodigy.
Metodologi Penelitian(cont’d) Thermo Couple +/- 37oC Pemanas menggunakan Lampu
Chamber
Thermo controler
NiTi Wire dalam Chamber berisi saliva
NiTi Coating pH 3
NiTi Coating pH 6,25
NiTi Normal pH 3
NiTi Normal pH 6,25
Skema perendaman NiTI dalam Saliva
Analisa Data dan Pembahasan Pengamatan Visual (a)
(b)
Hasil pengamatan visual kawat NiTi untuk: (a) spesimen non coating dan coating AOP (b) spesimen coating AOP yang direndam saliva pada pH 3 dan ph 6,25
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) Analisa SEM (a)
(d)
(b)
(c)
(e)
(f)
Hasil SEM NiTi dengan skala 40 μm pada :(a)spesimen normal (b)spesimen normal dengan perendaman saliva pH 3 (c)spesimen normal dengan perendaman saliva pH 6,25 (d)Spesimen coating AOP (e) Spesimen coating AOP dengan perendaman saliva pH 3 (f) spesimen coating dengan perendaman saliva pH 6,25
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) (a)
Analisa EDX (b) Element TiK NiK Matrix
Wt% 43.04 56.96 Correction
At% 48.08 51.92 ZAF
(c) (d) Element OK TiK NiK Matrix
Wt% 08.06 40.27 51.66 Correction
At% 22.65 37.79 39.55 ZAF
Hasil EDX untuk : (a) spesimen NiTi Normal dan (b) kandungan unsurnya (c) spesimen NiTi coating AOP dan (d) kandungan unsurnya
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) Intensity (counts)
Analisa XRD 2500
TiO2 NiTi
1600
Fe (holder)
900
400
100
0 20
30
40
50
60
70
80
Hasil pola difraksi XRD pada spesimen NiTi yang dicoating AOP
2Theta (°)
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) Analisa ICP Ni Release 1,6
Spesimen Coating AOP Spesimen Normal
1,2 0,8 0,4 0 1
2
3
4
Spesimen Coating AOP Spesimen Normal
2
Ni Release rata-rata(PPM)
Ni Release rata-rata(PPM)
2
5
6
7
8
Lama Perendaman (Minggu)
Ni Release perendaman kawat NiTi pada saliva dengan pH 3
1,6 1,2 0,8 0,4 0 1
2
3
4
5
6
7
8
Lama Perendaman (Minggu)
Ni Release perendaman kawat NiTi pada saliva dengan pH 6,25
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) Perhitungan Mass Loss Ni dengan rumus:
m = v.c/s Dengan m : massa nickel yang hilang (μgr/cm2) v : massa awal NiTi (gram) s : luas permukaan spesimen (cm2) (1,957 cm2 ) c : Nickel release (ppm)
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) Mass loss Ni
Mass Loss (μgr/cm2)
0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Immersion Times (hours) pH 3
pH 6
Spesimen Coating AOP
Spesimen Normal
Mass Loss vs Immersion Times pada spesimen NiTi
1600
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d) Perhitungan i corr dengan rumus: i cor = zF dm A dt = (b+2cu) zFm A h 3600 Dengan
z : valensi dari Nickel (2) A : berat atom (58,70) m : massa nickel yang hilang (μgr/cm2) F : konstanta Faraday (96500 C/Mol) h : waktu dalam satuan jam (hours).
Analisa Data dan Pembahasan(cont’d)
7E-11
3E-09
6E-11
2,5E-09
i corr μA/cm2
i corr μA/cm2
Hasil i corr
5E-11 4E-11
2E-09
1,5E-09
3E-11 2E-11 1E-11 0 2
502
1002
1502
Immersion Times (Log hours) PH 3
Spesiman Coating AOP
i cor vs Immersion Times pada spesimen AOP coating pada saliva pH 3
1E-09 5E-10 0 2
502
1002
Immersion Times (Log hours)
pH 3
pH 6
1502
Spesimen Normal
i cor vs Immersion Times pada spesimen Normal pada saliva pH 3 dan pH 6,25
Kesimpulan Setelah melakukan penelitian dengan metode pelapisan AOP pada NiTi wire rothodontic dengan variasi pH dapat disimpulkan bahwa: Pada analisa SEM pada kawat NiTi dapat disimpulkan bahwa dengan metode coating AOP dapat mengurangi kerusakan lapisan pasif dibandingkan spesimen tanpa coating pada pH 3. Namun pada pH 6,25 pada spesimen yang dicoating maupun yang tidak dicoating lapisan pasif masih bertahan. Deposit selalu terbentuk di kedua pH, namun jumlah deposit lebih banyak pada pH 6,25. Pada analisa EDX dapat disimpulkan bahwa dengan menggunakan coating AOP pada kawat NiTi dapat mengurangi kandungan Nikel pada permukaan. Ditemukan unsur Ti, Ni, dan O, kemudian dilakukan uji XRD dan ditemukan senyawa TiO2 sebagai produk coating. Lapisan TiO2 dapat terbentuk, namun masih terdapat kandungan Nikel yang masih cukup tinggi pada permukaan, padahal dalam penelitian sebelumnya dengan metode coating yang sama dapat menghasilkan permukaan yang bebas dari unsur Nikel. Pada analisa ICP, jika dibandingkan antara spesimen yang dicoating dengan spesimen yang tidak dicoating, dapat disimpulkan bahwa metode coating AOP dapat mengurangi rilis Nikel sampai 0,0483 PPM dari 1,627 PPM pada pH 3 selama 2 bulan. Sedangkan pada pH 6,25 Nikel tidak rilis sama sekali pada spesimen yang dicoating AOP, namun pada spesimen yang dicoating Nikel rilis sebesar 0,341 PPM. Hasil rilis Ni ini juga masih dibawah batas minimal Nikel di dalam tubuh. Ketahanan korosi juga memiliki performa yang baik pada spesimen yang dicoating, karena nilai i corr lebih kecil dibandingkan spesimen yang tidak dicoating pada pH 3.
Saran Perlu penyempurnaan metode coating AOP agar lapisan
coating dapat merata ke seluruh permukaan NiTi wire. Sebaiknya waktu proses coating AOP lebih lama agar hasil coating lebih merata.
Daftar Pustaka
Brantley, William A., dan Theodore Eliades. 2001. Orthodontic Materials:Scientific and Clinical Aspects. New York: Thieme. CHU, Cheng-lin, C. Guo, X.B. Sheng,Y.S. Dong, P.H. Lin, K.W.K.Yeung, Paul K. Chu. 2009. “Microstructure, nickel suppression and mechanical characteristics of electropolished and photoelectrocatalytically oxidized biomedical nickel titanium shape memory alloy”. Acta Biomaterialia 5:2238-2245. CHU, Cheng-lin, R. Wang, L.Yin,Y. Pu,Y. Dong, C. Guo, X. Sheng, P. Lin, P. Chu. 2009. “Surface treatment of NiTi shape memory alloy by modified advanced oxidation process”. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19:574-580. Cui, Guanglei, Wei Xu, Xinhong Zhou, Xunwen Xiao, Lei Jiang, Daoben Zhu. 2006. “Rose-like superhydrophobic surface based on conducting dmit salt”. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 272:63-67. Denkhaus, E., dan K. Salnikow. 2002. “Nickel essentiality, toxicity, and carcinogenicity”. Critical Reviews in Oncology/Hematology 42:35-56. Guilemany, J.M., N. Cinca, S. Dosta, A.V. Benedetti. 2009. “Corrosion behaviour of thermal sprayed nitinol coatings”. Corrosion Science 51:171-180. Huang, Her-Hsiung,Yu-Hui Chiu, Tzu-Hsin Lee, Shih-Ching Wu, Hui-Wen Yang, Kuo-Hsiung Su, Chii-Chih Hsu. 2003. “Ion release from NiTi orthodontic wires in artificial saliva with various acidities”. Biomaterials 24:3585–3592. Joseph, Collin G, G.L. Puma, A. Bono, D. Krishnaiah .2009. “Sonophotocatalysis in advanced oxidation process: A short review”. Ultrasonics Sonochemistry 16:583-589.
Daftar Pustaka
Li, Xiaoji, J. Wang, E. Han, W. Ke. 2007. “Influence of fluoride and chloride on corrosion behavior of NiTi orthodontic wires”. Acta Biomaterialia 3:807-815.
Liu, Jia-Kuang, Tzer-Min Lee, I-Hua Liu. 2011. “Effect of loading force on the dissolution behavior and surface properties of nickel-titanium orthodontic archwires in artificial saliva”. Am J Orthod Dentofacial Orthop 140:166-176.
Michiardi, A., A. Aparicio, J. A. Planell, F.J. Gil. 2007. “Electrochemical behaviour of oxidized NiTi shape memory alloys for biomedical applications”. Surface & Coatings Technology 201:6484– 6488.
Muller, A.W.J., F.J.M.J. Maessen, C.L. Davidson. 1990. “Determination of the corrosion rates of six dental NiCrMo alloys in an artificial saliva by chemical analysis of the medium using ICP-AES”. Dent Mater 6:63-68.
Ohara, Alberto Teramoto. 2005. SENTALLOY: The Inside History of Superelasticity. America: GAC International Books. First Editon.
Paúl, A., C. Ábalos , A. Mendoza, E. Solano, F.J. Gil. 2011. “Relationship between the surface defects and the manufacturing process of orthodontic Ni–Ti archwires”. Materials Letters 65:3358–3361.
Petoumenou, Evangelia, Martin Arndt, Ludger Keilig, Susanne Reimann, Hildegard Hoedarath, Theodore Eliades, Andreas Jager, Christoph Bourauel. 2009. “Nickel concentration in the saliva of patients with nickel-titanium orthodontic appliances”. Am J Orthod Dentofacial Orthop 135:59-65.
Daftar Pustaka
Poon, W.Y. 2004. Surface modification on NiTi shape memory alloys in order to improve their surface anti-corrosion capability and impede the out-diffusion of Ni from NiTi substrate in simulated body fluid. M.Phil Thesis, City University of Hong Kong, p.1.
Prymak, O, A. Klocke, B. Kahl-Nieke, M. Epple. 2004. “Fatigue of orthodontic nickel–titanium (NiTi) wires in different fluids under constant mechanical stress”. Materials Science and Engineering A 378:110-114.
Reclaru, Lucien, Pierre-Yves Eschler, Reto Lerf, Andreas Blatter. 2005. “Electrochemical corrosion and metal ion release from Co-Cr-Mo prosthesis with titanium plasma spraycoating”. Biomaterials 26: 4747–4756.
Rossi, S., F. Deflorian, A. Pegoretti, D. D'Orazio, S. Gialanella. 2008. “Chemical and mechanical treatments to improve the surface properties of shape memory NiTi wires”. Surface & Coatings Technology 202: 2214–2222.
Ryhanen, J. 1999. Biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory metal alloy. PhD Thesis, University of Oulu, p. 27.
Schiff, Nicholas, Brigitte Grosgogeat, Michele Lissac, Francis Dalard. 2002. “Influence of fluoride content and pH on the corrosion resistance of titanium and its alloys”. Biomaterials 23:19952002.
Daftar Pustaka
Setcos, James C., Amir Babaei-Mahani, Lucy Di Silvio, Ivar A. Mjor, Nairn H.F. Wilson. 2006. “The safety of nickel containing dental alloys”. Dental Materials 22: 1163–1168.
Staffolani, N., F. Damiani, C. Lilli, M. Guerra, N.J. Staffolani, S. Belcastro, P. Locci. 1999. “Ion release from orthodontic appliances”. Journal of Dentistry 27: 449–454
Wichelhaus, Andrea, M. Geserick, R. Hibst, F. G. Sander. 2005. “The effect of surface treatment and clinical use on friction in NiTi orthodontic wires”. Dental Materials 21: 938–945.
Xu, J.L., F. Liu, F.P. Wang, D.Z.Yu, L.C. Zhao. 2009. “Formation of Al2O3 coatings on NiTi alloy by micro-arc oxidation method”. Current Applied Physics 9:663–666.
Yeung, K.W.K. 2004. Development of a novel spinal implant for progressive scoliosis correction. PhD thesis, the University of Hong Kong, p. 87.
Zhang, K.M., D.Z.Yang, J.X. Zou, T. Grosdidier, C. Dong. 2006. “Improved in vitro corrosion resistance of a NiTi alloy by high current pulsed electron beam treatment”. Surface & Coatings Technology 201: 3096–3102.
Sekian dan Terima Kasih
