Salemba, Indonesia. Kata kunci : Bio-degradable implant, Magnesium ECAP, Plate dan Screw implant

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

Simulasi Fabrikasi Bio-Degradable Implant Untuk Aplikasi Tulang Wajah Dengan Menggunakan Material Magnesium Sugeng Supriadi1a*, Benny Sjariefsyah Latief2, Lilies Dwi Sulistyani2, Evi Febriani Listio Rahayu2b, Rhaka1, M. Safire1c. Abdul Rasyid Kahari3, Didi Suryadi3 1

Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia, Kampus UI Depok, Indonesia

2

Departemen bedah Mulut Fakultas Kedokteran Gigi, Universitas Indonesia, Kampus UI Salemba, Indonesia 3

PT Shyurip Piranti Utama, Jakarta, Indonesia

a

[email protected], [email protected] mail, [email protected]

Abstrak Bio degradable-implant untuk rehabilitasi tulang wajah yang mengalami fracture menjadi perhatian para peneliti. Penggunaan bio-degradable implant ini bertujuan untuk meminimalkan tindakan operasi bedah pengangkatan implant ketika jaringan tulang yang fracture telah tumbuh dan menyatu. Material yang diajukan pada penelitian ini adalah magnesium ECAP (Equal Channel Angular Pressing). Sifat mekanik dari magnesium ECAP memiliki kekuatan tarik maksimum 183 MPa dengan kekerasa 73 HV, dan laju korosi 1.45 – 1.81 mm/tahun. Penelitian ini ditunjukan untuk mensimulasi pembentukan bio-degradable implant berupa plate dan screw yang berfungsi menahan tulang wajah yang mengalami fracture sampai dengan pulihnya jaringan tulang. Adapun laju pemulihan seiring dengan terdegradasinya magnesium. Pada penelitian sebelumnya didapatkan data bahwa dosis maksimum yang bisa larut dalam tubuh adalah 11 gr. Namun kelemahan material magnesium adalah memiliki sifat mekanis tidak sebaik titanium. Sifat mekanik magnesium dapat ditingkatkan dengan mengaplikasikan severe plastis deformation. Oleh karena itu proses forging dipilih untuk membentuk screw dan plate. Hasil penelitian ini menunjukan geometri dari blank dan parameter proses yang memungkinkan untuk dilakukan proses forging dari screw dan plate.Tahap selanjutnya dari penelitian ini adalah untuk melakukan uji experiment proses forging untuk merealisasikan screw dan plate serta melakukan uji terhadap binatang. Kata kunci : Bio-degradable implant, Magnesium ECAP, Plate dan Screw implant. Pendahuluan Fracture adalah hilangnya kontinuitas tulang, baik sebagian atau seluruhnya, yang biasanya disebabkan oleh trauma mekanik ataupun patologis [1]. Prinsip dasar penanganan trauma maksilofasial adalah reposisi, fiksasi dan immobilisasi. Penanganan fracture bisa dilakukan dengan reduksi tertutup atau reduksi terbuka. Pada reduksi terbuka diperlukan fiksasi dengan miniplate dan screw yang diaplikasikan pada fragmen tulang yang fracture dan immobilisasi dengan Maxillo Mandibular Fixation (MMF) yang dipertahankan sampai proses penyatuan tulang selesai [1,2].

Penyembuhan fracture terjadi internal remodelling yang meliputi upaya langsung oleh korteks untuk membangun kembali dirinya ketika kontinuitas terganggu. Agar fracture menjadi menyatu, tulang pada salah satu sisi korteks harus menyatu dengan tulang pada sisi lainnya (kontak langsung) untuk membangun kontinuitas mekanis. Tidak ada hubungan dengan pembentukan kalus. Terjadi internal remodelling dari haversian system dan penyatuan tepi fragmen fracture dari tulang yang patah. Gambar 1 menunjukan ilustrasi kegunaan dan fungsi screw dan plate.

Material 33


Gambar 1. Penyembuhan fracture primer [3]. Magnesium Biomaterial adalah semua material yang digunakan untuk menggantikan atau memperbaiki fungsi jaringan tubuh, baik secara berkelanjutan atau sekedar bersentuhan dengan cairan tubuh. Sebuah material dapat digunakan sebagai biomaterial harus memiliki beberapa persyaratan, yang utama dan terpenting adalah biomaterial tersebut harus biokompatibel,artinya biomaterial ini harus tidak memperlihatkan respon yang merugikan dari tubuh, harus tidak beracun atau tidak karsinogenik. Dalam bidang ilmu bedah mulut dan maksilofasial, biomaterial digunakan dalam beberapa kasus, yang paling sering adalah sebagai implant material fiksasi dalam kasus fracture wajah. Pada penatalaksanaankasus fracture tersebut harus diperhatikan juga mengenai waktu penyembuhan tulang, sehingga fragmen tulang yang difiksasi dengan menggunakan miniplate dan screw atau wire dapat menyatu kembali dan tercapainya penyembuhan tulang [4,5] Tubuh manusia dewasa mengandung sekitar 24 gram magnesium, dengan 60% berada dalam tulang, ( 39% intraseluler, 20% di otot rangka, dan 1% ekstraseluler). Tingkat serum biasanya 0,7-1,0 mmol / L atau 1,8-2,4 mEq/L [6]. Selain dalam tubuh manusia, magnesium juga berperan sebagai ion logam pada pusat klorofil, sehingga dapat menstabilkan struktur klorofil tersebut melalui ikatan kovalen koordinasi. Senyawa magnesium juga digunakan dalam bidang kedokteran sebagai pencahar umum (magnesium sulfat), antasida (magnesium hidroksida), dan dalam sejumlah keadaan diperlukan stabilisasi dari eksitasi saraf dan spasme pembuluh darah yang abnormal.

Magnesium memiliki sifat korosi sangat cepat dalam PH fisiologis (7,4- 7,6) dan kondisi fisiologis klorida mengurangi integritas mekanik material sebelum jaringan sembuh dan memproduksi gas hidrogen dengan laju yang terlalu cepat untuk diproses jaringan tubuh. Equal Channel Angular Pressing (ECAP) adalah suatu proses inovatif untuk memperoleh deformasi plastis menyeluruh (severe plastic deformation, SPD) dan menghasilkan sifat mekanis yang unggul melalui teknik penghalusan butir.35 Metode yang dilakukan untuk memperbaiki sifat mekanis magnesium antara lain dengan metode penghalusan bulir, pelapisan dan teknik logam campuran. Menurut Karayan dkk (2011) disebutkan bahwa dilakukan ECAP magnesium pada suhu 300º C dapat menurunkan tingkat korosi magnesium dan menghasilkan ukuran grain yang lebih kecil dari 700 μm menjadi 10 μm [7]. Sifat mekanik pada material ini didapati memiliki nilai UTS magnesium ECAP 186.33 MPa dan kekerasan magnesium setelah di ECAP 73 HV [8]. Untuk penggunaan magnesium ECAP secara klinis maka dilakukan perhitungan paparan akumulatif logam berat tersebut terhadap Provisional Tolerable Daily Intake (PTDI) penggunaan maksimum magnesium ECAP adalah kurang dari 11,8297 g [9]. Dalam paper ini akan dibahas simulasi pengunaan magnesium untuk apliasi screw and implant.

Metodologi penelitian Pada paper ini menggunkan metode simulasi forging untuk mengetahui kemampuan mengisi rongga cetakan. Pada paper ini menggunakan software simufact. Materia yang digunakan adalah Magnesium dengan Modulus Elastisitas : 44 GPa, Poison ratio : 0.35 dan Density : 1.74 gr/cm3. Sifat mekanis material tersebut berubah menurut strain rate dan suhu. Material Dies yang dipakai adalah SKD 61. Proses diawali dengan mendesain plate dan screw. Selanjutnya dalam simulasi dilakukan proses pembuatan dies, penentuan blank geometry, process forming, proses trimming untuk

Material 33


menghilangkan sirip sisa forming seperti yang terlihat pada Gambar 2. Analisa yang dilakukan adalah prosesntase pengisian dan gaya yang dibutuhkan untuk mendeformasi.

Pada simulasi kemampuan mesin press adalah 300 kN.

Gambar 2. Proses forming

Desain miniplate dan screw dari magnesium ECAP yang akan dibuat pada penelitian ini merujuk pada geometri atau bentuk desain miniplate dan screw dari bahan titanium yang selama ini telah digunakan untuk penatalaksanaan kasus fracture maksilofasial. Material Magnesium ECAP dipilih karena rasio antara sifat mekanis dan densitasnya yang lebih tinggi daripada magnesium biasa. Bentuk dan ukuran yang diambil untuk penelitian ini adalah miniplate tipe nonlocing dengan bentuk lurus dengan 4 hole/ lubang yang mempunyai jarak (span) diantara 2 hole, dan screw model auto drive ukuran 1.6 mm dengan panjang 5 mm. Alasan pemilihan desain miniplate pada penelitian ini dengan tipe nonlocking dengan tujuan untuk penggunaan pada kasus fracture maksila dengan menimbang kemudahan produksi apabila penelitian ini nantinya ada yang berminat untuk dilanjutkan sampai menjadi produk miniplate dari bahan magnesium ECAP dan dari segi pemasangan miniplate ini ditujukan untuk digunakan pada fracture diregio maksila utamanya pada kasus fracture maksila anak – anak sehingga diharapkan dapat mencegah translokasi miniplate karena adanya pertumbuhan rahang, sedangkan

alasan pemilihan desain srcrew pada penelitian ini dengan bentuk ulir v diharapkan lebih mudah dalam pembuatannya serta diharapkan mampu menahan beban berat yang dihasilkan antara permukaan implant dan tulang rahang. Selain itu bentuk screw ini juga diharapkan aman jika ditempatkan pada kasus fracture di regio maksila yang mendekati lokasi sinus maksila apabila setelah operasi terjadi perpindahan posisi screw kearah tersebut diharapkan dengan sifat biodegradable dari magnesium ECAP maka screw dapat diresobsi oleh tubuh, hal ini lebih baik jika dibandingkan screw dengan bahan dari titanium yang tidak dapat diresobsi oleh tubuh. Dilihat dari proses pemasangan screw jenis auto drive ini juga diharapkan tidak terjadi nekrosis tulang disekitar screw seperti pada jenis self tapping sebagai akibat adanya panas bur pada saat Hasil simulasi akan dievaluasi apakah bisa dilakukan forming dengan sempurna dengan merekayasa parameter proses dan bentuk blank geometry.

Hasil Penelitian Simulasi plate menunjukan bahwa blank geometri dan dan temperature ketika proses

Material 33


sangat mempengaruhi kemampuan material magnesium untuk mengisi celah dies seperti yang diperlihatkan pada tabel 1. Dalam rentang yang diberikan, blank geometry sangat menentukan kualitas hasil forging. Hal

ini menyangkut material flow yang yang lebih efektif untuk mengiri rongga die dibandingkan mengalir keluar membentuk flash.

Tabel 1 Perbandingan kemampuan mengisi cetakan plate Temperatur Workpiece 50C Temperature Die : 100C

Temperatur Workpiece 200C Temperature Die : 200C

Blank :21 x 0.95 x 1.2 (23.94 2 mm )

Blank : 20 x 0.95 x 1.5 (28.5 mm2)

Gamber 3. Strain yang terjadi pada hasil forging.

Material 33


Logam magnesium murni memiliki sifat mekanik yang lebih rendah dibanding titanium. Sehingga salah satu strategi untuk meningkatkan kekuatan adalah dengan melakukan plastis deformation. Dari hasil simulasi didapatkan maksimal strain adalah 5 seperti yang terlihat pada Gambar 3. Oleh karena itu untuk mendapatkan sifat mekanik

yang baik dapat digunakan bahan baku yang telah dilakukan proses plastis deformation sebelumnya seperti proses ECAP.Simulasi forging screw menunjukan pemilihan geometri blank menentukan kesuksesan material magnesium dalam memasuki celah dies.Maksimum force yang dibutuhkan maksimal adalah 15 kN.

Gambar 4. Susunan dies dan blank pada proses simulasi Tabel 2 Perbandingan kemampuan mengisi cetakan screw. Temperatur Workpiece 50C Temperature Die : 100C

Temperatur Workpiece 200C Temperature Die : 200C

Blank kerucut Ø 2.5mm Tinggi 3 mm

Material 33


Blank Ø major 2 mm Ø minor 1 mm Tinggi 2.2 mm

Blank Ø 1.7 mm Tinggi 2.2 mm

Gambar 4 menunjukan susunan dies dan blank pada saat simulasi, dimana pada gambar tersebut menggunakan blank berbentuk kerucut. Hasil simulasi screw menunjukan hal yang serupa dimana bentuk dan geometry dari blank sangat menentukan keberhasilan magnesium mengisi celah pada dies. Dari dua bentuk yang dibeikan yaitu kerucut dan tapered silinder menunjukan kedua bentuk dapat digunakan untuk membuat screw. Akan tetapibentuk blank tersebut membutuhkan forming tambahan dari awal blank yang berupa straight rod. Oleh karena itu juga disimulasikan bentuk silinder lurus. Namun blank tersebut membuat material flow yang berlebih pada sisibawah screw sehingga head screw tidak terisi sempurna. Berbagai variasi pada suhu workpiece awal dan temperature dies , namun tidak terjadi perubahan pada rendahnya kemampuan magnesium mengisi die cavity. Sehingga dapat bentuk blank geometri untuk screw adalah tapered rod atau kerucut. Dimana diperlukan proses tambahan untuk merubah dari rod yang lurus menjadi bentuk tersebut.

Kesimpulan Pada makalah ini telah dibahas riset awal untuk membuat implant berupa screw dan plate yang akan digunakan pada prosespenyembuhan akibat trauma pada bagian tulang wajah. Material yang digunakan pada penelitian ini adalah material yang baru akan digunakan yaitu materia magnesium yang akan memberikan sifat bio-degradable setelah dipasang. Sehingga implant tidak perlu diambil karena akan larut dan tidak menjadi benda asing pada tubuh. Namun kelemahan material magnesium adalah memiliki sifat mekanis tidak sebaik titanium. Sifat mekanik magnesium dapat ditingkatkan dengan mengaplikasikan severe plastis deformation. Oleh karena itu proses forging dipilih untuk membentuk screw dan plate. Hasil penelitian ini menunjukan geometri dari blnk yang memungkinkan untuk dilakukan proses forging dari screw dan plate.Tahap selanjutnya dari penelitian ini adalah untuk melakukan uji experiment proses forging untuk merealisasikan screw dan plate serta melakukan uji terhadap binatang.

Material 33


Referensi [1] Ochs MW, Tucker MR. Management of Facial Fractures. In : Petterson LJ, Ellis E, Hupp JR, Tucker MR, editors. Contemporary of Oral and Maxillofacial Surgery. 4 ed. Philadelphia: CV Mosby; 2003.p. 527-58 [2] Fonseca RJ, Turvey TA, Marciani RD. Oral and Maxillofacial Surgery. 2 ed. Philadelpia: Elsevier ;2008. [3] Ehrenfeld M, Manson PN, Prein J. Principles of Internal Fixation of the Craniomaxillofacial Skeleton Trauma and Orthognathic Surgery. AO Foundation. 2012. Thieme; Stuttgart, New York. [4] Davis JR, International A. Handbook of materials for medical devices: ASM International; 2003. [5] Thaller SL, McDonald WS. Facial Trauma. New York: Marcell Dekker Inc; 2004.

[6] Friedrich HE, Mordike BL. Magnesium technology: metallurgy, design data, applications: Springer; 2006. [7] Karayan AI, Pratesa Y, Ashari A, Fadli E, Nurjaya DM. Corrosion Resistance Improvement of ECAP-Processed Pure Magnesium in Ringer's Solution. Jakarta: Department of Metalurgy Engineering, Universitas Indonesia; 2011. [8] Rahmi. S Analisis sifat mekanis magnesium setelah proses equal channel angular pressing (ECAP) melalui uji Tarik dan uji kekerasan dalam cairan fisiologis (In Vitro). Jakarta : Fakultas Kedokteran Gigi , Universitas Indonesia ; 2012. [9] Aini N. Karakteristik Biokompabilitas dan Analisis Logam Berat Magnesium yang Telah Melalui Proses Equal Channel Angular Pressing (ECAP) Secara In Vitro. Jakarta: Fakultas Kedokteran Gigi, Universitas Indonesia; 2012.

Material 33

Salemba, Indonesia. Kata kunci : Bio-degradable implant, Magnesium ECAP, Plate dan Screw implant

Recommend Documents