laporan akhir pkmp

LAPORAN AKHIR PKMP

KARAKTERISASI PADUAN Co-Cr-Mo UNTUK MEMENUHI SYARAT

BIOKOMPATIBILITAS SEBAGAI MATERIAL IMPLAN TULANG

Oleh :

Maratus Sholikhah 080913066 Angkatan 2009

Hilyati Nuriya 080913055 Angkatan 2009

Tanti Crisaningtyas 081113018 Angkatan 2011

UNIVERSITAS AIRLANGGA

SURABAYA

2013

2

Abstrak

Telah dilakukan penelitian tentang sintesis paduan Co-Cr-Mo dengan

variasi komposisi Cr dimana diharapkan akan diperoleh komposisi Cr terbaik dari

paduan. Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk memperoleh hasil paduan

Co-Cr-Mo yang memenuhi syarat biokompatibilatas yakni sifat korosi dan

toksisitasnya sehingga dapat menghasilkan paduan CoCrMo yang belum ada di

Indonesia. Hasil yang diperoleh yaitu pada sifat mikro dari paduan kobalt dapat terlihat bahwa hasil uji XRD yakni dari persentase terbentuknya fase fcc, dimana semakin

besar fase fcc yang terbentuk maka semakin bagus sifat dari paduan tersebut. Sedangkan

dari sifat mekanik dapat terlihat dari uji kekerasan yakni kekerasan yang memenuhi

syarat sebagai material implant tulang yaitu sampel yang memiliki kekerasan 265-350

VHN yakni dimiliki oleh sampel D. Tingkat korosi paduan yang memenuhi syarat sesuai

standart Eropa yakni sampel C dan E. Sedangkan untuk uji toksisitas, menunjukkan

bahwa tidak ada sampel yang toksik yang terlihat bahwa hasil dari viabilitas selnya lebih

dari 60%.

Keyword: paduan Co-Cr-Mo, biokompatibilitas, toksisitas

3

I. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Permintaan dan penggunaan biomaterial berbasis logam meningkat tajam akhir-

akhir ini seiring dengan banyaknya kasus penyakit yang berhubungan dengan tulang dan

sering terjadinya kecelakaan. Penanganan kerusakan fungsi pada beberapa organ

dilakukan dengan implantasi biomaterial. Material substitusi tulang yang digunakan

harus bersifat dapat diterima oleh tubuh (biocompatible), tidak korosif, desain yang tepat

dan dapat berintegrasi dengan cepat (Bhat SV, dalam Dewi, 2009).

Pada paduan CoCrMo digunakan 3 unsur utama di dalamnya yaitu cobalt,

chromium dan molybdenum. Syarat mendasar dari biomaterial berbasis logam harus

memenuhi sifat mekanik maupun non-mekanik.Untuk sifat mekanik berhubungan dengan

kekuatan dan ketahanan biomaterial.Sedangkan sifat non-mekanik berhubungan dengan

biokompatibilitasnya yaitu ketahanan korosi dan toksisitasdari biomaterial, semua itu

menyangkut kesuaian dengan sel hidup (excellent biocompatibility). Sifat

biokompatibilitas sangat penting karena biomaterial ditanam dalam tubuh atau mulut

berhubungan langsung dengan sel hidup tubuh manusia.Logam tersebut tidak boleh

melepaskan ion-ion yang bersifat racun atau karsinogen bagi sel dan tubuh manusia.

Penelitian ini dilakukan karena belum tersedianya paduan CoCrMo di Indonesia.

Pada penelitian paduan CoCrMo sebelumnya yang telah dilakukan oleh Sulistioso dan

kawan-kawandengan metode peleburan menunjukkan hasil yang baik, akan tetapi

komposisi pada masing-masing unsur masih bervariasi. Oleh karena itu, pada penelitian

ini akan lebih difokuskan untuk memvariasikan komposisi Cr sehingga diperoleh

komposisi terbaik sehingga diperoleh biokompatibilitas yang terbaik pula.

Perumusan Masalah

Dari uraian latar belakang di atas maka didapatkan beberapa perumusan masalah

sebagai berikut:

1. Bagaimana sifat mikro dan sifat mekanik paduan CoCrMo sebagai material implan? 2. Berapakah tingkat biokompatibilitas (sifat korosi dan toksisitas) paduan CoCrMo

sebagai material implan?

Tujuan Program

Tujuan program yang akan dicapai adalah sebagai berikut :

1. Mengetahui sifat mikro dan sifat mekanik masing-masing paduan CoCrMo sebagai material implan.

2. Menentukantingkat biokompatibilitas (sifat korosi dan sitotoksisitas) paduan CoCrMo sebagai material implan.

Luaran Yang Diharapkan

Luaran yang diharapkan dari program ini adalah artikel tentang paduan Co-Cr-

Mo sebagai implan tulang yang memenuhi syarat biokompatibilitas

Kegunaan Program

Kegunaan dari program ini adalah :

1. Bagi para ahli medis Sebagai masukan bagi para ahli medis khususnya bidang ortopedik untuk

memanfaatkan paduan CoCrMo sebagai bahan implantasi tulang.

2. Bagi para penderita kerusakan tulang Menghasilkan bahan implantasi alternatif yang ekonomis dan terjangkau oleh

masyarakat luas.

II. TINJAUAN PUSTAKA

Paduan Kobalt untuk Aplikasi Medis Material implan memiliki persyaratan yang mutlak agar berhasil memenuhi

fungsinya untuk jangka waktu yang diperlukan, seperti biokompatibel, kekuatan mekanis,

ketahanan aus dan korosi yang sesuai dengan standar. Logam implan yang paling banyak

4

digunakan terbuat dari stainless steel 316L (didukung standar ASTM F 138), paduan

cobalt-chromium-molybdenum (ASTM F75, F 799), paduan cobalt-nickel-chromium-

molybdenum MP35N (ASTM F 562), Titanium tanpa paduan dan Ti-6Al-4V (ASTM F

67 dan F 136). Struktur pendukung katup jantung dan beberapa implan gigi juga

dihasilkan dari paduan CoCrMo.

Biokompatibilitas

Biokompatibilitas merupakan ukuran dari interaksi antara jaringan hidup dengan

material implan.Material implan memiliki biokompatibilitas yang baik jika mampu

menginduksi respon jaringan dengan baik. Implan akan menyebabkan sejumlah respon

karena tubuh mengenalinya sebagai obyek asing. Korosi pada logam implan oleh fluida

tubuh, akan menyebabkan dibebaskannya ion logam yang tidak diinginkan. Ketahanan

korosi saja tidak cukup untuk mencegah reaksi tubuh terhadap logam beracun atau

elemen alergenik seperti nikel, walau dalam konsentrasi korosi yang sangat kecil.

Ketahanan Korosi

Pengujian korosi dilakukan dalam larutan SBF [12-14] menggunakan

potensiostat. Salah satu faktor penting untuk paduan CoCrMo yang mempengaruhi

biokompatibilitas dan reaksi tubuh terhadap bahan adalah resistansi korosi. Semakin

rendah tingkat korosi maka semakin rendah tingkat pelepasan ion dan karena itu

menurunkan risiko reaksi yang merugikan. Proses korosi dikarenakan adanya aliran

pergerakan elektron pada reaksi elektrokimia, sehingga dapat ditentukan laju korosinya

dengan satuan mils per year (mpy). Ketahanan korosi untuk aplikasi medis mengacu

kepada standard Eropa yaitu 0,457 mpy.

Uji Toksisitas

Untuk mengetahui tingkat toksisitas bisa dilakukan dengan uji in vitro.Uji in vitro

dilakukan untuk mengetahui viabilitas sel terhadap paparan sampel.. Hasil pembacaan

microplate reader yang berupa nilai absorbansi (OD) dinyatakan dalam persentase

terhadap kelompok kontrol sebagai viabilitas cell line dengan menggunakan persamaan

dari In vitro Technologies sebagai berikut (Harsas, 2008) :

( )

III. METODE PENDEKATAN Dilakukan eksperimen dalam melaksanakan penelitian ini.

IV. METODE PELAKSANAAN

V. HASIL DAN PEMBAHASAN

Persiapan Sintesis:

a. Milling Co (Aldrich)

b. Menimbang komposisi masing-masing unsur (Cr, Co, Mo, Mn, N, Si)

Kompaksi bahan dengan tekanan 12 ton

Peleburan dengan Tri Arc Melting Furnace dengan I=200 A

Karakterisasi mekanik dan non mekanik sampel

Karakterisasi sampel dengan XRD

Pemotongan dan Grinding

Homogenisasi 1250oC selama 3 jam

5

Position [2Theta] (Copper (Cu))

30 40 50 60 70

Counts

0

1000

2000

3000

4000

CoCr Rolling 28,5


30 40 50 60 70

Counts

0

10000

20000

30000

CoCr Rolling 30%


30 40 50 60 70

Counts

0

2000

4000

6000 CoCr Rolling 31,5


30 40 50 60 70

Counts

0

2000

4000

CoCr Rolling 33


30 40 50 60 70

Counts

0

2000

4000

6000

CoCr Rolling 34,5

Pengujian XRD setelah peleburan dilakukan untuk mengetahui fase yang

terbentuk pada paduan. Berikut merupakan hasil uji XRD dari lima sampel paduan Co-

Cr-Mo.

Hasil uji XRD sampel setelah peleburan dari lima sampel diperoleh seperti pada

Gambar 4.1. Data peak list yang diperoleh dari hasil uji XRD dilakukan analisis secara

manual dikarenakan pada ICDD/ JCPDS tidak ditemukan database yang sesuai. Hasil

dari identifikasi fase yang muncul pada masing-masing sampel disajikan pada Tabel

4.1.

Tabel 4.1 Persentase Fase yang terbentuk setelah peleburan

Setelah tahapan peleburan, sampel di homogenisasi pada suhu 1250oC dengan

lama penahanan selama 3 jam kemudian sampel akan dilakukan forging-rolling.

Setelah itu sampel akan dilakukan uji XRD kembali. Hasil uji XRD sampel setelah

forging-rolling disajikan pada Gambar 4.2.

Sampel Persentase fase Persentase fase Persentase fase

A 46,24% 37,39 % 16,37%

B 13,59 % 27,25 % 59,16 %

C 59,18 % - 40,82 %

D 30,75 % 59,25 % 10,05 %

E 82,38 % - 17,62 %


10 20 30 40 50 60 70 80 90

Counts

0

1000

2000

3000

4000 CoCr 28,5


30 40 50 60 70

Counts

0

1000

2000

3000

CoCr Alloy 30%


20 30 40 50 60 70 80 90

Counts

0

1000

2000

3000

4000 CoCr Alloy 31,5


30 40 50 60 70

Counts

0

1000

2000

3000 CoCr Alloy Cr 33%


30 40 50 60 70

Counts

0

1000

2000

3000

CoCr Alloy Cr 34,5%

Gambar 4.1 Hasil uji XRD sampel setelah peleburan

6

Sama seperti hasil XRD sebelumnya, maka pada hasil XRD setelah forging-rolling

juga dilakukan identifikasi fase secara manual. Hasil identifikasi fase disajikan pada

Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Persentase Fase yang terbentuk setelah forging-rolling

Dari hasil identifikasi fase terlihat bahwa persentase fase tertinggi ada pada sampel

E, namun dari Tabel 4.2 terlihat bahwa pada sampel B yang terbentuk hanyalah fase dengan persentase total yaitu 100 %. Uji selanjutnya yakni uji SEM-EDX, dimana hasil

dari uji tersebut didapat kendungan unsur dari masing-masing sampel, salah satunya

seperti hasil uji SEM-EDX pada sampel D berikut.

Hasil uji SEM-EDX tersebut terlihat bahwa kandungan unsur yang terbentuk setelah

beberapa proses tidak mengalami perubahan yang besar dari besar persentase awal

kandungan unsur-unsur sebelum proses sintesis.

Uji selanjutnya yakni uji kekerasan dimana hasil dari uji kekerasan disajikan pada

Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Hasil uji kekerasan

Dari hasil pada Tabel 4.3 terlihat bahwa kekerasan terbesar ada pada sampel C

dengan nilai kekerasan sebesar 549,30. Namun nilai kekerasan yang mendekati syarat

implant tulang yaitu pada sampel D. Sedangkan pada sampel B terjadi keanehan dimana

kekerasannya bernilai 17,13 VHN dan sangat rapuh, hal ini sudah bisa terlihat dari hasil

uji XRD pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2 dimana pada sampel B terbentuk fase sigma

terbesar.

Selanjutnya, dilakukan uji korosi pada sampel , hasil uji korosi disajikan

padaTabel 4.4. Dari hasil uji korosi tersebut terlihat bahwa sampel C dan D saja yang

0

100

200

300

400

500

600

VHN

A

B

C

D

E

Sampel Persentase fase Persentase fase Persentase fase

A 68,98 % 19,31 % 11,71%

B - - 100 %

C 79,84 % - 20,16 %

D 99,17 % - 0,83 %

E 96,53 % - 3,47 %

Element Wt% At%

OK 05.53 17.42

SiK 00.94 01.68

MoL 06.78 03.56

CrK 27.94 27.06

MnK 00.65 00.60

CoK 58.15 49.68

Sampel VHN

A 537.03

B 17.13

C 549.30

D 345.3

E 419.4

7

memenuhi syarat sebagai implant tulang yatu < 0,457 mpy. Sedangkan pada sampel B,

sama seperti uji-uji sebelumnya, terjadi anomali pada sampel tersebut.

Tabel 4.4 Hasil uji korosi

Uji selanjutnya yaitu uji toksisitas yakni untuk melihat pertumbuhan sel pada

masing-masing sampel. Hasil dari uji toksisitas disajikan pada Tabel 4.5.

Tabel 4.5 Hasil uji toksisitas

Hasil uji MTT assay menunjukkan bahwa Sampel A, B, C,D dan E tidak bersifat

toksik. Hal tersebut dikarenakan nilai viabilitas sel yang diperoleh lebih besar dari 60%.

Material tidak bersifat toksik pada sel fibroblast (cell lines) apabila prosentase viabilitas

sel masih di atas 60%, yaitu OD dari perlakuan masih mendekati OD dari kontrol

(Istifarah, 2012).

VI. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan

Sifat mikro dari paduan kobalt dapat terlihat dari hasil uji XRD yakni dari

persentase terbentuknya fase fcc, dimana semakin besar fase fcc yang terbentuk maka

semakin bagus sifat dari paduan tersebut. Sedangkan dari sifat mekanik dapat terlihat dari

uji kekerasan yakni kekerasan yang memenuhi syarat sebagai material implant tulang

yaitu sampel yang memiliki kekerasan 265-350 VHN yakni dimiliki oleh sampel D.

Tingkat korosi paduan yang memenuhi syarat sesuai standart Eropa yakni

sampel C dan E dimana sampel tersebut memiliki nilai laju korosi < 0,457 mpy.

Sedangkan untuk uji toksisitas, pada semua sampel menunjukkan bahwa tidak ada sampel

yang toksik yang terlihat bahwa hasil dari viabilitas selnya lebih dari 60%.

VII. DAFTAR PUSTAKA Istifarah, dkk.2011, Sintesis Hidroksiapatit dari Tulang Sotong (Sepia Officinalis L.)

dengan Reaksi Hidrotermal untuk Tujuan Bone Repair. Surabaya: Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Airlangga.

0

100

200

300

Laju Korosi (mpy)

A

B

C

D

E

86

87

88

89

90

91

92

93

Viabilitas Sel (%)

A

B

C

D

E

Sampel Laju Korosi (mpy)

A 1.094

B 268.990

C 0.032

D 2.887

E 0.427

Sampel Viabilitas

Sel (%)

A 88.15

B 92.09

C 91.91

D 89.12

E 89.55

8

Pramesti, Arindha Reni. 2011. Analisis Komposisi Kimia, Korosi dan Topografi

Implant Stainless Steel 316 L Berdasarkan Periode Implantasi. Surabaya: Fakultas

Sains dan Teknologi Universitas Airlangga.

Wijayanti, Fitria, 2010, Variasi Komposisi Cobalt Chromium pada Komposit Co-Cr-

HAP sebagai Bahan Implan. Surabaya: Fakultas Sains dan Teknologi Universitas

Airlangga.

Wiranata, Hezti. 2012. Sintesis Paduan CoCrMo dengan Variasi Kandungan Nitrogen.

Bogor: FIS IPB.

Yuswono dan Andika Pramono.2010.Pembuatan Paduan Logam Co-30%Cr-6%Mo

Melalui Pengerjaan Kompak dan Sinter dan Pengaruhnya Terhadap Kandungan

Si.Banten: Pusat Penelitian Metalurgi LIPI.

VIII. Penggunaan Biaya

NO URAIAN JUMLAH (Rp)

I BAHAN dan ALAT

1 Unsur pemadu (serbuk Co,Cr, Mo, Mn, Si, N) 2.099.000

2 Bahan uji Toksisitas 395.000

3 Krusibel alumina kapasitas 38ml 450.000

4 Combustion boat 415.000

5 Dies and punch 210.000

6 Sewa tri arc melting furnace 1.250.000

7 Sewa furnace programable 637.500

8 Pemotongan sampel 85.000

9 kompaksi 50.000

10 Aluminium foil, botol kecil, dll 71.000

TOTAL I 5.662.500,00

II KARAKTERISASI

1 Uji XRD 750.000

2 Uji SEM-EDX 1.100.000

3 Uji kekerasan 270.000

4 Uji korosi 800.000

5 Uji toksisitas 1.244.000

TOTAL II 4.164.000,00

III TRANSPORTASI 88.000,00

IV LAPORAN DAN PUBLIKASI (Poster) 54.500

TOTAL I+II+III+IV 9.969.000,00

LAMPIRAN

1. Dokumentasi Penelitian

9

2. Hasil XRD setelah peleburan Sampel A

Peak List:

Pos. [2Th.] Height [cts] FWHM Left [2Th.] d-spacing [] Rel. Int. [%]

5.2822 241.56 0.8029 16.73063 16.19

41.0695 318.72 0.5353 2.19781 21.36

43.9890 1492.39 0.2342 2.05848 100.00

46.8621 1104.90 0.6022 1.93875 74.04

61.4698 101.54 0.9368 1.50849 6.80

75.1326 208.55 0.9368 1.26450 13.97

91.0241 142.38 0.8029 1.08066 9.54

Sampel B

Peak List:


41.2752 306.21 0.8029 2.18733 21.39

42.7967 692.55 0.2007 2.11302 48.38

44.1077 1431.34 0.1673 2.05322 100.00

46.9292 664.58 0.4684 1.93614 46.43

50.9852 152.71 0.5353 1.79123 10.67

Sampel C

Peak List:


40.9644 125.80 0.5353 2.20320 10.22

43.9535 1231.07 0.6691 2.06006 100.00

46.5881 638.97 0.6691 1.94952 51.90

50.5687 81.76 0.6691 1.80500 6.64

75.0935 220.57 0.6022 1.26506 17.92

Sampel D

Peak List:


40.8129 267.06 0.5353 2.21103 23.11

42.8078 922.27 0.2676 2.11250 79.80

43.7450 1155.72 0.6022 2.06939 100.00

46.4827 537.43 0.8029 1.95369 46.50

Sampel E

Peak List:


41.0989 307.73 0.4015 2.19630 22.55

42.7747 711.92 0.2007 2.11406 52.17

44.0424 1364.59 0.6022 2.05611 100.00

46.5701 809.68 0.3346 1.95023 59.33

50.7173 74.99 0.8029 1.80007 5.50

10

3. Hasil uji kekerasan

Sampel Hardness (VHN) Pengukuran ke-

I II III

A3 578,4 528,8 503,9

B3 6,6 37,9 6,9

C3 590,8 523,6 553,5

D3 355,4 358,1 322,5

E3 409,2 420,1 428,9

4. Hasil uji toksisitas OD

kontrol

OD

Perlakuan

Sel Media A B C D E

0,278 0,076 0,360 0,305 0,275 0,269 0,352

0,418 0,082 0,122 0,34 0,319 0,338 0,243

0,430 0,085 0,284 0,338 0,142 0,261 0,199

0,39 0,100 0,252 0,198 0,437 0,19 0,314

0,381 0,081 - - - - -

0,376 0,076 - - - - -

0,379 0,077 - - - - -

0,369 0,08 - - - - -

Rata-rata OD 0,377 0,657 0,2545 0,2953 0,2934 0,2645 0,2690

Viabilitas Sel (%) 88,15% 92,09% 91,91% 89,12% 89,55%

5. Nota

laporan akhir pkmp

Documents