PROPOSAL PENELITIAN KEMITRAAN DANA ITS TAHUN 2020 Produksi Hip Joint Prosthesis berbasis CoCrMo Alloy dengan Investment Casting dalam rangka mencapai TKD Tim Peneliti: Yuli Setiyorini, ST., MPhil., PhD. Eng (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS) Sungging Pintowantoro, ST., MT., PhD (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS) Fakhreza Abdul, ST., MT (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS) DIREKTORAT PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2020
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
PROPOSAL
PENELITIAN KEMITRAAN
DANA ITS TAHUN 2020
Produksi Hip Joint Prosthesis berbasis CoCrMo Alloy dengan Investment Casting dalam
rangka mencapai TKD
Tim Peneliti:
Yuli Setiyorini, ST., MPhil., PhD. Eng (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS)
Sungging Pintowantoro, ST., MT., PhD (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS)
Fakhreza Abdul, ST., MT (Teknik Material dan Metalurgi/F.Indsys/ITS)
DIREKTORAT PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2020
i
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI.............................................................................................................................. i
DAFTAR TABEL .................................................................................................................... ii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................... iii
DAFTAR LAMPIRAN ........................................................................................................... iv
BAB I RINGKASAN ............................................................................................................... 1
BAB II LATAR BELAKANG ............................................................................................... 3
II.1 Latar Belakang ........................................................................................................ 2
II.2 Tujuan Khusus......................................................................................................... 6
spinal (tulang belakang). Pada lokasi joint sangat membutuhkan material yang memiliki
kekuatan (strength) dan ketahan gesek (wear resistance) yang bagus. Oleh karenanya produk
hip prosthesis joint yang akan dibuat pada penelitian ini akan menggunakan CoCrMo alloy.
Pemilihan CoCrMo alloy berdasarkan pada keunggulan ketahanan gesek yang cukup bagus
jika dibandingkan dengan stainless steel dan titanium alloy.
Selain itu design implant hip prosthesis joint juga sangat berpengaruh terhadap hasil
treatment pasien. Model metal-on-metal (MoM) yaitu tanpa menggunakan semen tulang
(cementless) lebih cocok untuk diaplikasikan pada pasien berumur muda yang memiliki
mobilitas tinggi dalam aktivitas. Sedangkan model MoM dengan menggunakan semen tulang
lebih sesuai untuk pasien usia lanjut, dimana aktivitas mobilitasnya tidak terlalu tinggi. Model
MoM dengan material yang sama (femur dan acetabular) dipilih dengan alasan untuk
mencegah korosi dalam tubuh menjadi parah. Disamping itu, MoM juga dipilih sebagai
pertimbangan untuk mengantikan partikel release dari acetabular yang berbahan ceramic atau
polymer akibat gaya gesek. Geometries design juga sangat memegang peranan penting pada
proses penyembuhan dan kenyamanan pasien. Smart geometries sangat diperlukan untuk
mengurangi berat implant akibat densitas alloy, tanpa mengabaikan mechanical properties
implant dalam menerima beban. Oleh karenanya semua ini harus di simulasikan terlebih dahulu
sebelum proses manufacturing.
Investment casting dipilih sebagai alternative dalam proses manufacturing implant. Hal
ini dikarenakan untuk mengurangi ketergantungan bahan baku import yaitu berupa wrought
CoCrMo alloy dari proses cast forging. Selain itu, investment casting juga memiliki
keunggulan untuk dapat menghasilkan permukaan yang lebih halus. Untuk menunjang
kesuksesan dalam proses manufacturing, maka diperlukan simulasi casting terlebih dahulu.
Kegiatan penelitian ini dilakukan dalam upaya mewujudkan kemandirian mendesign,
mengembangkan material implant hip prosthesis joint, memproduksi dan memenuhi
permintaan kebutuhan implant yang tergantung terhadap produk import. Penelitian ini
diusulkan untuk dilaksanakan selama 2 tahun. Dimana pada tahun pertama bertujuan untuk
menentukan desain dan mengembangkan material CoCrMo alloy kemudian membuat
prototype untuk dilakukan uji coba. Pada tahun kedua dilakukan mulai dilakukan
2
manufacturing dengan pengembangan dan variasi design berdasarkan umur pasien (variasi
ukuran dan bentuk)
Kata Kunci: Artificial Hip Joint, Biocompatibilty, Finite Element Analisis, Desain, Tulang
3
BAB II
LATAR BELAKANG
II.1 Latar Belakang
Tulang adalah organ dengan struktur kaku dan keras yang membentuk kerangka
manusia dan merupakan salah satu bagian dari tubuh manusia yang sangat vital peranannya.
Tulang memiliki beberapa fungsi antara lain sebagai alat gerak pasif penopang tubuh, proteksi,
mendasari gerakan, homeostasis mineral (penyimpanan dan pelepasan) dan memproduksi sel
darah. Tulang bersifat dinamis dan terus berubah sesuai dengan stimulus dari lingkungan.
Beberapa tulang dapat menyatu dan membentuk tulang yang lebih kuat seperti yang terjadi
pada masa pertumbuhan (bayi memiliki 300 tulang, sementara dewasa hanya 206 tulang).
Selain itu, tulang juga dapat membesar atau mengecil, menebal atau menipis, atau menguat jika
dibutuhkan. [1] Gambar 2.1 memperlihatkan berbagaimacam kerangka tulang pada manusia.
Gambar 2.1 Kerangka Tulang pada Manusia [1]
Tulang manusia dapat mengalami beberapa masalah seperti penurunan kekuatan,
terkena penyakit seperti kanker tulang dan arthritis, serta tulang manusia juga dapat mengalami
kehancuran/kerusakan karena kecelakaan atau benturan yang keras. Osteoporosis
adalah masalah pengeroposan dan penurunan kepadatan massa tulang secara berkelanjutan.
Bagian dalam tulang yang sehat normalnya tampak memiliki banyak ruang kecil persis seperti
sarang lebah. Pengeroposan tulang akan membuat ruangan-ruangan tersebut menjadi lebih
lebar. Kondisi ini lambat laun membuat tulang kehilangan kekuatannya sehingga menjadi
lebih rapuh, hingga bahkan rentan rusak akibat benturan kecil. Pertumbuhan tulang bagian luar
juga cenderung lebih lemah dan tipis daripada seharusnya. Patah tulang akibat pengeroposan
biasanya lebih sering terjadi pada panggul, pergelangan tangan, dan tulang belakang.
4
Sayangnya, beberapa tulang seperti tulang panggul yang sudah rusak tidak dapat untuk
disembuhkan. Masalah tulang keropos memang sering tidak terdeteksi dan tidak diketahui
hingga tulang tersebut akhirnya patah/hancur.[2] Perbedaan antara tulang sehat dan
osteoporosis diperlihatkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Perbandingan Tulang Normal dan Osteoporosis [1]
Penyebab pengantian tulang juga dapat diakibatkan karena kecelakaan. Indonesia
merupakan salah satu negara dengan tingkat kecelakaan yang cukup tinggi di kawasan
ASEAN. Menurut Kepala Kepolisian Republik Indonesia pada Forum Polantas ASEAN 2017
menyatakan bahwa terdapat enam negara yang memiliki tingkat kecelakaan yang tinggi yaitu
Thailand, Vietnam, Malaysia, Indonesia, Filipina, dan Laos dimana Indonesia masuk dalam
tiga besar negara yang memiliki tingkat kecelakaan tertinggi. Berdasarkan data BPS terakhir
yaitu pada tahun 2016 jumlah kecelakaan yang terjadi di Indonesia sebanyak 106.129 (BPS,
2016). Tingginya jumlah angka kecelakaan di Indonesia World Health Organization (WHO)
sampai menyebutkan bahwa kecelakaan di Indonesia dinilai menjadi pembunuh nomor tiga
setelah penyakit jantung coroner dan tuberculosis.[3]
Badan kesehatan dunia WHO mencatat pada tahun 2011-2012 terdapat 5,6 juta orang
meninggal dunia dan 1,3 juta orang menderita patah tulang atau fraktur akibat kecelakaan lalu
lintas yang terjadi. Salah satu insiden kecelakaan yang memiliki jumlah korban luka cukup
tinggi yaitu insiden fraktur, dimana sekitar 40% dari insiden kecelakaan yang terjadi. Fraktur
merupakan suatu keadaan dimana hubungan kesatuan jaringan tulang terputus. Penyebab
terbanyaknya adalah insiden kecelakaan lalu lintas [2]. Terjadinya benturan yang keras secara
mendadak selain dapat menyebabkan patah tulang dapat juga menghancurkan tulang.
Osteoporosis selalu identik dengan orang tua, namun faktanya, pengeroposan tulang
bisa menyerang siapa saja termasuk di usia muda. Osteoporosis merupakan salah satu penyakit
degenerative. Penelitian terbaru dari International Osteoporosis Foundation (IOF)
mengungkapkan bahwa 1 dari 4 perempuan di Indonesia dengan rentang usia 50 – 80 tahun
memiliki risiko terkena osteoporosis (gambar 2.3). Dan juga risiko osteoporosis perempuan di
Indonesia 4 kali lebih tinggi dibandingkan laki-laki. Biasanya penyakit keropos tulang ini
menjangkit sebagian besar wanita pasca menopause. Osteoporosis tidak menampakkan tanda-
tanda fisik yang nyata hingga terjadi keropos atau keretakan pada usia senja. Hilangnya hormon
estrogen setelah menopause meningkatkan risiko terkena osteoporosis. Tidak dapat dipungkiri
5
osteoporosis pada wanita ini dipengaruhi oleh hormon estrogen. Namun, karena gejala baru
muncul setelah usia 50 tahun, osteoporosis tidak mudah dideteksi secara dini.
Gambar 2.3 Data Osteoporosis [3]
Osteoporosis dapat dijumpai diseluruh dunia dan sampai saat ini masih merupakan
masalah dalam kesehatan masyarakat terutama di negara berkembang. Di Amerika Serikat,
osteoporosis menyerang 20-25 juta penduduk, 1 diantara 2-3 wanita post-menopause dan lebih
dari 50% penduduk diatas umur 75-80 tahun. Mengutip dari data WHO yang menunjukkan
bahwa diseluruh dunia ada sekitar 200 juta orang menderita osteoporosis. Pada tahun 2050,
diperkirakan angka patah tulang pinggul akan meningkat 2 kali lipat pada wanita dan 3 kali
lipat pada pria. Laporan WHO juga menunjukkan bahwa 50% patah tulang adalah patah tulang
paha atas yang dapat mengakibatkan kecacatan seumur hidup dan kematian. Dibandingkan
dengan masyarakat di negara-negara Afrika, densitas tulang masyarakat Eropa dan Asia lebih
rendah, sehingga mudah sekali mengalami osteoporosis. Hasil penelitian white paper yang
yang dilaksanakan bersama Perhimpunan Osteoporosis Indonesia tahun 2007, melaporkan
bahwa proporsi penderita osteoporosis pada penduduk yang berusia diatas 50 tahun adalah 32,3
% pada wanita dan 28,8% pada pria. Sedangkan data system Informasi Rumah Sakit
(SIRS,2010) menunjukkan bahwa angka insiden patah tulang paha atas akibat Osteoporosis
adalah sekitar 200 dari 100.000 pada usia 40 tahun.[3]
Pengobatan dengan cara pemasangan implan buatan merupakan metode yang paling
sering digunakan untuk mengantikan tulang yang hancur akibat kecelakaan, osteoporosis atau
karena terkena penyakit (kanker tulang). Namun beberapa penelitian melaporkan adanya
phenomena debris (pelepasan ion metal) pada MoM implant, dimana disebabkan oleh
terjadinya gesekan antar implan (factor mekanis) atau debris yang dipicu oleh reaksi kimia
antara material implan dengan cairan dalam tubuh (factor chemical). Hal ini dapat memberikan
dampak negative pada bagi tubuh manusiai.[4] Oleh karena itu, hal ini digunakan sebagai
pertimbangan dalam mendesign performa implan tulang yang memiliki biocompatibility yang
baik. Untuk mengatasi kekurangan diatas maka implant CoCrMo akan dilakukan multifunction
6
coating pada permukaannya khususnya pada design Mom cementless. Coating ini mempunyai
fungsi untuk osseointegration (pertumbuhan jaringan) dan meningkatkan sifat
biocompatibility. Sekarang ini telah ditemukan beberapa implan yang sudah banyak
diaplikasikan secara luas oleh dokter sebagai metode penyembuhan kerusakan tulang. Namun,
implan yang ada dipasaran sekarang masih memiliki harga yang relative mahal dikarenakan
sebagian besar merupakan barang buatan luar negeri.
II.2 Tujuan Khusus
Tujuan khusus dari penelitian ini adalah upaya mewujudkan kemandirian mendesign,
mengembangkan material implant hip joint prosthesis, memproduksi dan memenuhi
permintaan kebutuhan implant yang tergantung terhadap produk import. Produk yang
dihasilkan akan menggunakan material yang memiliki biokompatibilitas baik, sehingga
keamanan saat pemakaian pada pasien dapat terjamin. Selain itu juga diharapkan dapat
memproduksi hip joint prosthesis dengan biaya yang relative murah karena menggunakan
bahan baku dari indonesia
II.3 Urgensi Riset
Penelitian terkait pembuatan artificial hip joint ini mendesak untuk dilakukan karena
beberapa faktor dan pertimbangan sebagai berikut:
1. Indonesia adalah negara dengan tingkat kecelakaan yang tinggi dan banyak dari
korbannya mengalami kerusakan tulang (patah atau hancur)
2. Penduduk Indonesia memiliki densitas tulang yang lebih rendah sehingga rentan
mengalami osteoporosis serta kesulitan mendapatkan implant yang sesuai dengan
ukuran orang Asia.
3. Masalah pada tulang menjadi penyebab kecacatan (disabilitas) yang akan
mengganggu kehidupan penderitanya
4. Pemasangan artificial hip joint merupakan metode paling efektif untuk
memperbaiki tulang yang terkena penyakit atau hancur
5. Masih minimnya perusahaan dalam negri yang mampu memproduksi artificial hip
joint dengan kualitas dan material yang baik
6. Kebutuhan akan artificial hip joint di Indonesia masih mengandalkan produk impor
sehingga biaya pemasangan implan tulang relative mahal
7. Perlunya riset pengembangan dan produksi artificial hip joint secara mandiri,
sehingga bisa mengurangi ketergantungan terhadap produk impor dan menekan
biaya pemasangan implan tulang
7
BAB III
TINJAUAN PUSTAKA
III.1 Peta Jalan (Road Map) Laboratorium aktivitas
Tim laboratorium kami telah melakukan banyak pengembangan produk material untuk
aplikasi medis sejak tahun 2007 hinga saat ini.
Tahun dan Deskripsi
Kegiatan
Kategori Luaran Kelemahan
Pengembangan material artificial cornea with controlled drug release
Riset Dasar dengan pendanaan Australia Government
Product implant artificial cornea yang memiliki sifat smart memory dan structur untuk loading drug capacity
Mengontrol burst release di saat awal pelepasan drug concentration
Pengembangan controlled drug floating carrier for gastric diseases
Riset Dasar Drug floating carrier berbasis CaCO3 berasal dari cangkang telor mampu bertahan floating dalam kondisi gastric >12 jam
Daya rendah ketika proses sintesis mempengaruhi radiasi gelombangmikro dan menghasilkan CaCO3 yang tidak floating cukup lama (<12 jam)
Pengembangan bahan baku medis dengan menggunakan metode gelombang mikro
Inovasi Riset Produk bahan baku medical dengan nano struktur , meliputi produk : Carbonated Hydroxyapatite (Ca/P =1.67) Calcium carbonate (various structure crystals) Chitosan (anti bacterial with hollow zone and killing bacterial)
Daya rendah dibawah 720 watt kurang menghasilkan produk yang berkualitas bagus
Pengembangan produk medis berbahan dasar recycle biowaste:
Dental filler
Semen tulang
Gypsum
Riset Dasar Produk :
Dental filler bersifat
biocompatible
Semen tulang bersifat
biomietic
Gypsum bersifat
biocompatible
Memperhatikan effect ratio komposisi material penyusunnya.
Pengembangan produk
implant berbasis Stainless
Inovasi Riset Produk implant
temporary orthopedic
Stainless steel (SS):
Plate dan screw
Beberapa pasien
mengalami reaksi alergi
terhadap SS sehingga
terjadi penolakan pada
2015-2018
2007-2010
2011-2012
2015-2018
2016-2018
8
steel dengan menggunakan
metode investment casting.
tubuh yang mengalami
implantasi.
Pengembangan produk
implant berbasis CoCrMo
dengn metode casting
forging.
Inovasi Riset
Dengan
pendanaan
Hitachi
Foundation
Produk implant
orthopedic CoCrMo alloy
Untk pasien dengan
kasus bentuk-bentuk
implant yang komplek
tidak dapat difabrikasi
dengan casting dan
forging.
Pengembangan produk
implant berbasis CoCrMo
dengan metode EBM
dengan pengaruh
parameter sudut fabrikasi
serta mengamati terhadap
sifat pelepasan ion Cr.
Innovasi Riset
Terapan
Dengan
pendanaan
Hitachi
Foundation
Produk material CoCrMo
alloy bahan implant
metal dengan sifat
pelepasan ion Cr rendah
sehingga tidak
menyebabkan tumor
dan kanker
Biological properties
dipengaruhi oleh
structure alloy
khususnya orientation.
Pengamatan hasil fabrikasi
pada tahun pertama untuk
di aplikasikan pada tubuh
tikus (in-vivo) guna
memperoleh data
kemampuan
osseointegration berupa
cytokines dan HE.
Innovasi Riset
Terapan
Produk material CoCrMo
alloy bahan implant
metal dengan sifat
osseointegration
(pembentukan jaringan)
yang bagus sehingga
proses penyembuhan
dapat berjalan dengan
cepat serta menyatu
dengan tubuh
Pengembangan hip prosthesis joint CoCrMo dengan invesment casting
Riset Terapan Produk implant CoCrMo berbahan baku lokal
Fabrikasi dengan geometris
yang disesuaikan dengan
model pasien
Riset Terapan Produk implant CoCrMo
alloy yang disesuaikan
designnya berdasarkan
kasus pada pasien
(Pembuatan implant
dengan custom
menggunakan EBM)
Pemasangan implant
terhadap salah satu pasien
yang membutuhkan.
Riset Terapan Produk implant yang
diaplikasikan pada tubuh
pasien yang
membutuhkan.
2018-2019
2019
2019
2021-2023
2024
2020
9
Peta jalan atau road map khusus penelitian yang akan dikerjakan ditahun 2020 dan
2021 yaitu tentang pembuatan dan pengembangan hip prosthesis joint CoCrMo alloy untuk
penanganan pasien yang mengalami penyakit tulang seperti kanker tulang, arthritis dan
osteoporosis, ditunjukkan pada gambar 3.1 yang dibagi menjadi 2 tahap yaitu tahun pertama
dan tahun kedua.
Gambar 3.1 Peta Jalan Penelitian
Tabel 3.1 Penjelasan Aktifitas dan luaran yang dihasilkan pada tiap tahap roadmap
Tahun Aktifitas yang dilakukan Luaran yang dihasilkan Sumber
Pendanaan
2020
Pembuatan design dan mengembangkan
material implant hip prosthesis joint dan
memproduksi prototype untuk uji coba.
Manufacturing produksi prototype untuk
uji coba serta pengaplikasian surface
treatment menggunakan coating
Hidroksiapatit dan Chitosan.
Desain artificial hip joint
Nama mahasiswa baru
Program Magister
Penyertaan dana dari mitra
production (berupa in-cash
dan in-kind)
ITS
2021
Pengembangan dan variasi design
berdasarkan variasi umur pemakai
artificial hip joint (variasi ukuran dan
bentuk)
Publikasi Makalah/Paper
terindeks Q2
Buku Thesis
Produk artificial hip joint
(Produk/Prototipe
unggulan ITS yang
dipatenkan)
ITS
10
III.2 Tulang
Tulang merupakan alat yang berfungsi untuk menopang tubuh makhluk hidup [1] Sel
tulang alami yang terdapat pada tubuh manusia memiliki dua komposisi utama, yaitu 30% zat
organik dan 70 % zat anorganik. Komposisi sel tulang organik terdiri dari sel osteoblast (OB),
osteosit (OS) dan osteoklas (OK). Komposisi sel tulang anorganik terdiri dari beberapa
komponen antara lain kolagen, glikosaminoglikan, dan mineral yang sebagian besar berupa
senyawa kalsium fosfat (hidroksiapatit) [5]
Tabel 3.2 Kandungan Mineral pada Tulang Manusia [6]