Tugas Analisis Biomaterial Semester 5 :))

ANALISIS KOMPOSISI KIMIA, KOROSI, DAN TOPOGRAFI IMPLANT STAINLESS STEEL 316L BERDASARKAN PERIODE IMPLANTASI

Arindha Reni Pramesti (080810115) ; Miranda Zawazi Ihsan (080810136) ; Nurul Istiqomah (080810144)

Biomedical Engineering Airlangga University

 

ABSTRAK

Stainless steel merupakan salah satu jenis logam yang banyak diaplikasikan dalam bidang medis. SS mengandung komposisi kimia yang mungkin dapat menyebabkan reaksi merugikan jika diimplankan dalam tubuh. Makalah ini berisi tentang sifat korosi, komposisi kimia, dan interaksi SS sebagai bahan implan berdasarkan periode waktu implantasi yang berbeda pada plat yang digunakan untuk memperbaiki tulang dada. SS yang digunakan adalah stainless steel tipe 316L. Pengujian dilakukan pada tiga implan:

1. Stainless steel baru.
   
2. Stainless steel yang telah diimplantatasikan selama 29 bulan.
   
   1. Stainless steel yang telah diimplantasikan selama 35 bulan.
      

Studi korosi mengungkapkan bahwa kondisi fisiologis pada plat SS yang baru memiliki densitas arus terendah dan potensi korosi tertinggi. Hal ini menunjukkan bahwa plat SS baru memiliki potensi korosi tertinggi dan potensi korosi tersebut dapat dikurangi selama implantasi oleh instrument yang digunakan selama operasi. Analisis secara kimia menunjukkan perubahan pada permukaan plat SS. Semakin lama waktu implantasi maka semakin banyak karbon dan oksigen yang teramati dan hanya elemen seperti Cr, Mo yang terdeteksi yang menunjukkan permukaan plat SS ditutupi oleh lapisan organik. Pada beberapa bagian dari implant yang tampak seperti jaringan berwarna putih menunjukkan bahwa ketebalannya semakin meningkat seiring waktu implantasi. Lapisan tersebut diidentifikasi sebagai lapisan organik, terutama menempel ke permukaan pada daerah dekat tempat implan yang ditekuk untuk mencapai kesesuaian anatomi dan implan memiliki kekasaran permukaan yang lebih tinggi. Studi ini menunjukkan bahwa plat dada dirusak oleh prosedur implantasi dan kontak dengan lingkungan biologi. Lapisan organik di permukaan menunjukkan bahwa implan tidak diam akan tetapi terjadi beberapa reaksi antara permukaan jaringan dan implant. Reaksi ini harus dilihat secara positif karena hal ini menunjukkan bahwa implan tersebut diterima oleh jaringan. Namun demikian, jika implant bereaksi, maka dapat terus melepaskan ion chromium, nikel, dan ion berbahaya lainnya dalam jangka panjang seperti yang ditunjukkan oleh penurunan ketahanan korosi dari implant.

 

PENDAHULUAN
Stainless steel memiliki sejarah panjang sebagai bahan logam untuk implant medis. Berbagai macam aplikasi dari bahan tersebut antara lain implan tulang (kuku intramedulla, piring tulang, jepit), kardiovaskuler implan (stent), urologi, dan implan gigi. Teknologi ini memiliki target utama untuk meningkatkan ketahanan korosi. Namun, karena konsentrasi chrom dan nikel tinggi pada stainless steel bukan berarti tidak menimbulkan resiko biologi. Tingginya konsentrasi dari elemen tersebut dapat menyebabkan reaksi merugikan, beracun, atau karsinogenik dalam tubuh. Plat yang terbuat dari stainless steel cenderung digunakan sebagai implan sementara yang membantu untuk mengembalikan fungsi tubuh. Pengujian pemindahan implant dapat mengungkapkan perubahan dalam hal kimia, topografi komposisi, dan perubahan sifat korosi. Korosi pada permukaan dapat menunjukkan kemampuan potensi bahan untuk menahan korosi dalam lingkungan tubuh. Pengujian topografi dapat menggambarkan perubahan kekasaran, struktur dari lapisan organik yang dapat terbentuk di tubuh, perubahan dalam struktur material yang muncul pada permukaan setelah deformasi, dan akhirnya dapat mengungkapkan efek pakai. Salah satu implan yang umumnya terbuat dari stainless steel dan yang digunakan dengan tingkat keberhasilan yang tinggi adalah pelat Nuss untuk memperbaiki saluran dada (excavatum pectus). Beberapa kasus melaporkan di mana pasien bereaksi negatif terhadap stainless steel. Karena plat dada memiliki kontak langsung dengan kedua sisi lembut dan keras jaringan dan berada dekat ke jantung dan jaringan yang terkait di sekitar mereka harus menunjukkan biokompatibilitas tinggi dan memiliki tingkat degradasi sangat rendah. Pengujian implan setelah implantasi sangat penting untuk menilai interaksi bahan dengan jaringan sekitarnya dan degradasi potensi material.
Tujuan makalah ini adalah untuk mengetahui hubungan antara implan berdasarkan perbedaan periode waktu, ketahanan korosi, kimia permukaan, dan topografi perubahan pelat dada.

 

PEMBAHASAN

Dalam pengujian digunakan pelat dari stainless steel AISI 316L. Ada tiga plat SS dari jenis yang sama yang digunakan dalam pengujian. Bentuk plat disesuaikan dengan bentuk khas dari dada pasien usia 12-15 (Gambar 1).

Gambar 1. Plat SS 316L yang disesuaikan dengan bentuk khas dada pasien usia 12-15tahun

Plat ini kemudian disterilisasi dalam uap pada 1208 C selama 60 menit. Dua lainnya ditanamkan pada pasien yang sama dengan interval waktu enam bulan. Oleh karena itu ada 3 implant yang dibandingkan :

(1) Plat SS 316L yang tidak diimplankan kedalam tubuh (sebagai SS control)

(2) Plat SS 316L yang telah 29 bulan diimplankan dalam tubuh.

(3) Plat SS 316L yang telah 35 bulan diimplankan dalam tubuh.

Karena plat SS yang ditanamkan berasal dari pasien yang sama, hasilnya minimal dipengaruhi oleh lingkungan yang berbeda, umur, aktivitas pasien, fitur genetik, dan obat-obatan yang digunakan yang biasanya terjadi ketika membandingkan implan dari berbagai pasien. Pengujian dari plat baru dan yang dipindahkan dari pasien dilakukan di berbagai daerah : cacat dan diubah bentuk dan tidak diubah bentuk Selain itu, terlihat bahwa beberapa bagian dipindahkan implan yang makroskopik diubah di permukaan lapisan keputihan diamati. Ini terutama di daerah di mana susuk itu kontak dengan tulang. Analisis dilakukan untuk kedua sisi pelat atas dan bawah. Untuk implan, analisis dilakukan berikut:

 

1. Topografi Permukaan
   

Pengukuran kekasaran bagian implan yang berbeda dilakukan oleh profilometry laser (Proscan 1000, Scantron, Inggris). Dalam pemeriksaan parameter R_a tercatat.
Topografi permukaan ditelusuri lebih lanjut menggunakan atom gaya mikroskop (XE-100, PSIA, Korea). Pengukuran kekasaran menunjukkan variasi dari nilai Ra dengan kedua lokasi diimplan dan waktu implantasi (Tabel 1).

Permukaan plat SS 316L yang baru dan belum dibentuk untuk implant pasien menunjukkan bahwa permukaan itu halus dengan nilai Ra = 0.74 µm. Pada plat SS yang telah dibentuk dan desainnya telah disesuaikan dengan bentuk implan pasien kekasarannya meningkat dengan Ra= 12,47 µm. Kekasaran ini disebabkan oleh adanya goresan dipermukaan implant yang dihasilkan dari penyesuaian bentuk implant pada pasien.

Gambar 2 (a) . Gambaran topografi permukaan implant pada SS yang masih baru.

 

Implan yang diambil dari pasien setelah 29 bulan memiliki wilayah yang ditutupi dengan sebuah lapisan film, kusam keputihan. Lapisan tersebut diidentifikasi sebagai lapisan organik yang terdiri dari Chromium (Cr) dan molybdenum (Mo) . Lapisan film di permukaan relatif tebal dan pecah-pecah. Ini daerah yang diamati pada kedua bagian atas dan bawah dari implan. Selain itu, pada permukaan ditemukan banyak goresan (ini adalah preoperative yang terjadi selama penyesuaian bentuk implan). Pemeriksaan kekasaran yang dilakukan untuk daerah yang nondeformed dan yang tertutup dengan lapisan keputihan menunjukkan bahwa perbedaan yang tidak terlalu signifikan. Untuk daerah yang nondeformed Ra = 0,88 µm, daerah yang tertutup dengan lapisan film Ra = 1,06 µm, sedangkan nilai Ra untuk bagian-bagian cacat adalah 1,66 µm. Kedalaman retaknya sekitar 0,65-0,94 µm yang menunjukkan ketebalan lapisan telah mencapai nilai ini.

Gambar 2 (b) Gambaran topografi permukaan implant yang ditutupi oleh film pada implant yang telah diimplankan selama 29 bulan.

 

Analisis implan yang tinggal selama 35 bulan menunjukkan suatu kekasaran untuk bagian nondeformed dari pelat yang permukaan halus dan mengkilat adalah Ra = 1,07 µm dan tanpa ada penurunan yang signifikan kecuali adanya goresan yang muncul akibat prosedur operasi. Kekasaran bagian ditutupi dengan lapisan keputihan yaitu Ra =1,2 µm. Film ini retak, tapi retak lebih teratur , jumlahnya banyak, dan ukuran lebih besar dibandingkan dengan durasi implan yang lebih singkat. Kedalaman retak sekitar 1,35-1,72 µm. Ini menunjukkan bahwa ketebalan lapisan meningkat sesuai waktu implantasi

Gambar 2 (c) Gambaran topografi permukaan implant yang ditutupi oleh film pada implant yang telah diimplankan selama 35 bulan.

Komposisi Kimia

Untuk menilai komposisi kimia dari permukaan SS dilakukan dengan menggunakan fotoelektron X-ray spektroskopi (XPS). Pemeriksaan XPS untuk pelat baru mengungkapkan elemen pada lapisan atas adalah sebagai berikut: O, C, Cr, Ni, Fe, Mo, dan N.

Tabel 2. Komposisi Kimia Plat SS 316L

Komposisi kimia dari implan (setelah 29 dan 35 bulan) yang ditutupi dengan lapisan keputihan (without tissue atomic concentration) secara signifikan berbeda dengan bagian yang tidak ditutupi lapisan film keputihan (with tissue atomic). Secara umum konsentrasi karbon hampir dua kali lebih tinggi seperti pada plat SS yang tidak diimplankan. Semakin lama waktu implantasi maka semakin banyak karbon dan oksigen yang teramati. Konsentrasi karbon yang tinggi menyebabkan strukturnya lebih keras dan adanya peningkatan jumlah oksigen dapat membantu pembentuka Cr-oksida yang nantinya membentuk lapisan film sebagai anti-korosi. Sedangkan pada tabel menunjukkan konsentrasi Cr dan Mo meningkat seiring waktu implantasi. Adanya Cr dan Mo menunjukkan permukaan plat SS ditutupi oleh lapisan organik yang berpengaruh juga terhadap ketahanan korosi.

Grafik Konsentrasi Carbon SS 316L

Grafik Konsentrasi oksigen yang menutupi implant SS setelah 29 bulan

Grafik Konsentrasi oksigen yang menutupi implant SS setelah 35 bulan

Ketahanan Korosi
Pengujian korosi dilakukan dalam larutan SBF [12-14] menggunakan Voltamaster 21 set elektrokimia. Pengujian dilakukan pada 36,6 ± 1°C dan pH2 Є (7,9-8,2). Pada awal percobaan potensial korosi (Ecor) diukur selama 60 menit.

Tabel 3. Hasil Pengujian Korosi

Perlu dicatat bahwa implan sebelum ditempatkan ke dalam tubuh ada cacat karena menyesuaikan dengan bentuk dada. Selama ini saat pemasangan implant, permukaan dapat tergores dan terkikis oleh instrumentasi yang digunakan sehingga menyebabkan hilangnya pelindung oksida. Kerusakan permukaan dapat mempengaruhi ketahanan terhadap korosi.

Salah satu faktor penting untuk stainless steel yang mempengaruhi biokompatibilitas dan reaksi tubuh terhadap bahan adalah resistansi korosi. Semakin rendah tingkat korosi makan semakin rendah tingkat pelepasan ion dan karena itu menurunkan risiko reaksi yang merugikan. Ketahanan korosi untuk tiga implan sangat bervariasi. Plat baru umumnya resistanti korosinya tinggi dan paling stabil (Ecor = 45 mV). Periode 29 bulan implantasi menurunkan potensi korosi (Ecor = −105 mV). Arus korosi pada umumnya lebih rendah untuk plat yang diimplankan dibandingkan dengan non-implan. Lamanya waktu implantasi dapat menyebabkan perubahan lebih lanjut dalam ketahanan terhadap korosi. Potensi korosi dan kerusakan hampir sama sepanjang implan. Ecor nilai lebih besar untuk implan yang ditanamkan selama 35 bulan di dalam tubuh dibandingkan dengan implan yang ditanamkan selama 29 bulan.

 

KESIMPULAN

1. Kekasaran dan hasil korosi menunjukkan bahwa plat SS untuk dada dirugikan oleh prosedur implantasi dan ketika kontak dengan lingkungan fisiologis keras.
   
2. Pengukuran kekasaran menunjukkan bahwa nilai-nilai Ra lebih besar untuk daerah cacat (permukaa tergores dan terkikis oleh instrumentasi yang digunakan ketika memasang implant).
   
3. Ketebalan lapiasan film meningkat sesuai dengan periode implantasi yang dinyatakan berdasarkan pengukuran kedalaman retak.
   
4. Ketebalan lapisan film juga berpengaruh terhadap ketahannya terhadap korosi. Semakin tebal lapisan filmya maka ketahanan korosinya semakin tinggi.
   
5. Penyesuaian bentuk dari implan dapat menyebabkan kerusakan (cacat) pada permukaan yang merugikan ketahanan terhadap korosi karena menyebabkan lapisan oksidasi semakin tipis.
   

   
    

DAFTAR PUSTAKA

Chrzanowski, Vojciech, dkk. 2008. Chemical, Corrosion and Topographical Analysis of Stainless Steel Implants after Different Implantation Periods. Journal of Biomaterials Applications. http:/jba.sagepub.com

Digital Library Petra. 1999. Stainless Steel. http://digilib.petra.ac.id/viewer.php?page=1&submit.x=15&submit.y=15&submit=next&qual=high&submitval=next&fname=%2Fjiunkpe%2Fs1%2Fmesn%2F1999%2Fjiunkpe-ns-s1-1999-24492066-10885-aisi_steel-chapter2.pdf