Rabu, 25 November 2009

Material Keramik sebagai Biomaterial dalam Orthopedi

Material keramik adalah padat, campuran inorganik yang terdiri dari elemen-elemen metalik dan nonmetalik terikat bersama melalui ikatan ionik atau kovalen. Berbagai keramik adalah termasuk campuran-campuran seperti silika (SiO2) dan alumina (Al2O3). Bila diproses secara tepat sehingga memiliki kemurnian tinggi, mereka menunjukkan biokompatibilitas yang sempurna (satu fungsi dari insolubilitas dan inertness kimia) dan ketahanan wear yang tingi (keras, licin, permukaan hidrofilik). Material-material keramik adalah sangat kaku dan brittle, namun sangat kuat di bawah beban kompresi. Dalam orthopedi, keramik merupakan material yang baik bagi dua aplikasi yang sangat berbeda. Pertama, termasuk penggunaannya dalam komponen-komponen arthroplasti sendi total sebagai keramik penuh, seperti alumina dan zirkonia, dengan ke-inert-an dan ketahanan wear yang lebih superior dibandingkan alloy-alloy metalik. Kedua, termasuk pemakaian keramik, seperti kalsium fosfat dan bioglass (SiO2-Na2O-CaO-P2O5), sebagai pengganti graft tulang dan sebagai selubungan osteokonduktif untuk implan-implan metalik, memungkinkan permukaan-permukaan di mana tulang akan berikatan dengan peralatan tersebut. Keberhasilan dan keterbatasan keramik pada aplikasi-aplikasi tersebut dapat dipahami melalui pertimbangan akan ikatan-ikatan, struktur, dan sifat-sifat mereka.

· Ikatan ionik (elektrovalen) dan kovalen

Keramik secara tipikal merupakan array tiga dimensi ion-ion metal bermuatan positif dan ion-ion nonmetal bermuatan negatif, yang seringkali adalah oksigen. Ion-ion bermuatan positif dibentuk dari elemen-elemen yang secara mudah melepas elektron-elektron terluarnya, dan ion-ion bermuatan negatif dibentuk dari elemen-elemen yang telah siap menerima elektron pada dinding atom terluarnya. Ion-ion bermuatan positif yang berada pada sekelilingnya dengan sebanyak-banyaknya ion bermuatan negatif yang mungkin, demikian pula sebaliknya, menghasilkan satu closely packed arrangement dari nukleus yang terikat secara kuat untuk menimbulkan keadaan dengan total muatan adalah nol. Lokalisasi dari pertukaran ion antara nuklei ini membuat kebanyakan keramik sangat baik sebagai insulator listrik dan termal.

Material-material keramik lainnya terikat satu dengan lainnya bersama melalui ikatan kovalen. Ikatan kovalen terbentuk melalui mutual sharing elektron-elektron antara atom-atom sekitar sehingga elektron-elektron yang bertukaran melengkapi dinding valensi luar dari masing-masing atom. Baik material-material dengan ikatan secara ionik maupun secara kovalen merupakan insulator yang baik. Potensi ikatan yang kuat dari ikatan-ikatan kovalen dapat dipahami melalui pengetahuan akan berlian, yang merupakan satu material berkomposisi hanya atom-atom karbon yang berikatan secara kovalen.

· Struktur mikro keramik

Kebanyakan keramik memiliki struktur mikro poligranuler yang sama seperti alloy metalik. Sifat-sifat keramik tercatat luas karena karakteristik mikrostrukturnya, termasuk ukuran grain, porositas, dan tipe dan distribusi fase-fase dalam masing-masing grain. Sebagaimana halnya dengan alloy metalik, struktur mikro keramik dapat diubah secara bermakna melalui teknik-teknik pemrosesan thermal.

Satu teknik tersering fabrikasi material keramik adalah mencampur partikel-partikel halus dari material dengan air dan satu pengikat organik dan menekan mereka ke dalam satu mold untuk membentuk sesuai yang diinginkan. Selanjutnya dikeringkan melalui pemanasan untuk menguapkan airnya dan membakar habis bahan pengikatnya. Bagian ini kemudian di-fired atau sintered pada satu temperatur yang lebih tinggi. Proses ini menjadikannya densifikasi sebagaimana partikel-partikel masuk ke dalam kontak dekat yang terarahkan oleh mekanisme-mekanisme seperti difusi, evaporasi, dan kondensasi yang mengurangi energi permukaan total dalam bagian itu. Sebagaimana halnya dengan casting alloy metalik, mikro struktur yang terjadi (sehingga juga sifat-sifatnya) dari bagian keramik akan bergantung pada kontrol dari variabel-variabel kunci dalam pemrosesannya. Sebagai contoh, strength adalah berbanding terbalik secara proporsional baik dalam hal ukuran grain maupun porositas. Ukuran grain dapat dikontrol melalui ukuran awal partikel-partikel yang akan digunakan membentuk bagian, di mana semakin kecil ukurannya maka semakin kecil ukuran grain yang didapat. Bagimanapun, ukuran grain akan meningkat selama pemrosesan berlangsung, di mana porositas akan dikurangi, sehingga sintering time adalah sangat penting.

· Penggunaan keramik dalam arthroplasti sendi

Ceramic-on-polyethylene bearing secara komersial telah tersedia untuk beberapa waktu sebagai alternatif untuk metal-on-polyethylene konvensional. Ceramic-ceramic bearing saat ini hanyalah mengantongi ijin untuk distribusi komersialnya di Amerika. Kedua tipe bearing tersebut diperkenalkan bagi maksud penanggulangan masalah wear polietilen oleh karena mereka memiliki beberapa keuntungan mekanik lainnya bagi arthroplasti sendi. Keramik memiliki tingkat kekerasan tinggi dan modulus elastisitas tinggi, yang memungkinkan mereka untuk diperlicin menjadi hasil akhir yang sangat halus dan menjadi tahan pengasaran sementara saat digunakan sebagai satu permukaan bearing. Mereka memiliki wettability yang baik, yang memungkinkan pembentukan lapisan lubrikasi antara pasangan keramik untuk mengurangi bentuk-bentuk adesif dari wear.

1. Alumina

Oksida aluminium (Al2O3) memiliki ketahanan abrasi yang tinggi dan bila diperlicin dengan baik ia akan memiliki permukaan dengan satu koefisien friksi yang sangat rendah berhadapan baik dengan UHMWPE maupun dengan sesamanya. Pengalaman jangka panjang dengan alumina-on-polyethylene bearing bagi pengganti sendi panggul menunjukkan pengurangan wear rate dibanding dengan apa yang secara tipikal terjadi dengan penggunaan metal-on-polyethylene bearing, juga demikian bila dikaitkan dengan penurunan dalam kejadian osteolisis, yang kesemuanya tersebut kemudian menyarankan kepada kita bahwa tipe-tipe bearing ini adalah memang menguntungkan dalam hal memperbaiki tampilan klinis. Penggunaan alumina-on-polyethylene bearing dalam ganti sendi lutut adalah terbatas, dan hanya hasil-hasil pemantauan berjangka menengah yang tersedia. Hasil-hasilnya adalah memuaskan namun ketiadaan pembandingan langsungnya dengan permukan metal-on-polyethylene bearing konvensional dari desain yang sama dan kurangnya hasil-hasil penelitian berjangka lamanya, membuat sulit untuk ditentukan keuntungan-keuntungan klinisnya.

Di awal-awalnya, pengalaman klinis menunjukkan fraktur kaput femur alumina merupakan satu komplikasi yang bermakna, dengan satu angka insiden lebih dari 5% dalam beberapa seri yang dilaporkan. Beberapa perbaikan dan standarisasi dalam pemrosesan alumina, termasuk penghalusan ukuran grain, hot isostatic pressing dari material setelah sintering untuk lebih meningkatkan densitasnya, dan perbaikan manufacturing taper connection telah mengawali menuju satu perbaikan dramatik dalam penampilannya. Ukuran grain, semisal, secara tipikal melewati 4μm pada 1970-an dengan densitas sekitar 4 g/mm3; ukuran grain saat ini dipertahankan pada sekitar 0.5μm dengan densitas sekitar 6g/mm3. Sebagai hasil dari berbagai perbaikan tersebut membuat sebesar 45% meningkatnya kekuatan. Meski alumina dipertimbangkan sebagai memiliki biokompatibel tinggi, adanya osteolisis periprostetik sekunder terhadap debris alumina mendorong perhatian ke arah bahwa partikel-partikel kecil yang dimakan oleh sel dapat memicu satu reaksi biologis yang tidak menguntungkan tanpa perlu mempertimbangkan naturalitas kimia mereka.

Ceramic-on-ceramic bearing telah digunakan secara luas dalam arthroplasti sendi panggul di Eropa. Umumnya, secara klinis sendi alumina-on-alumina menunjukkan wear rate yang sangat rendah. Bagaimanapun, hasil-hasil adalah bergantung disain, dan bahkan bearing-bearing ini dapat menunjukkan wear yang besar bila diinkoorporasikan ke dalam satu disain yang inferior. Laporan-laporan terkini juga menunjukkan ketahanan wear yang memuaskan pada pasien-pasien muda, dengan bukti-bukti tanpa adanya wear dan osteolisis terukur dalam lebih 10 tahun diikuti. Lebih lanjut, fraktur kaput tidak pernah dijumpai pada kelompok pasien dengan aktifitas tinggi ini, yang lebih menguatkan keyakinan akan sifat-sifat mekanik yang telah mengalami perbaikan dari material keramik alumina.

2. Zirconia

Penggunaan zirkonia sebagai satu permukaan bearing yang berhadapan dengan polietilen tidak terbukti sukses secara klinis sebagaimana pemakaian alumina. Pembandingan langsung antara alumina-, zirkonia-, dan metal-on-conventional polyethylene bearing pada pasien-pasien dengan penggantian sendi panggul total menunjukkan wear rate tertinggi pada kelompok zirkonia, yang konsisten dengan satu peningkatan konten monoklinik pada permukaan dari kaput-kaput zirkonia yang diambil dari pasien-pasien dalam seri yang sama. Propensitas untuk zirkonia bertransformasi dari satu bentuk kristalin tetragonal, yang stabil dalam temperatur yang ditingkatkan, ke bentuk monokliniknya yang kurang tough merupakan satu ketidakberuntungan material ini yang membuat FDA Amerika memeringati akan pemakaian resterilisasi otoklaf bagi kaput-kaput zirkonia. Menurunnya toughness membuat material lebih mudah menjadi kasar dan meningkatnya wear. Masalah-masalah dengan berbagai proses pembuatannya yang menyebabkan tingginya insiden fraktur mendorong akhir-akhir ini penarikan kembali sembilan batches kaput-kaput zirkonia dari peredarannya oleh pabik pembuatnya secara volunter.

3. Keramik sebagai pengganti tulang

Aplikasi kedua bagi material keramik adalah dalam lingkup penggantian tulang. Keramik dan material-material glass tertentu telah diketahui memiliki sifat-sifat osteokunduktif di alam, seperti bahwa osteoblas membentuk tulang ketika fase mineral berkontak langsung dengan permukaan keramik. Ikatan kimia atau fisik yang terbentuk antara keramik dan tulang belum deketahui pasti, namun hasilnya adalah cukupnya kekuatan interfascial dari aplikasi itu sebagaimana pada penggunaan selubungan keramik pada implan yang telah digunakan dalam rangka mendorong perbaikan fiksasi implan ke tulang.

Kebanyakan aplikasi biokeramik adalah ditujukan pada serangkaian proses resorpsi atau pelepasan biokeramik melalui substitusinya dengan tulang yang remodel. Fase mineral dari tulang adalah hidroksiapatit, yang tiada lain adalah kalsium fosfat (Ca10[PO4]6[OH]2). Stabilitas dari keramik kalsium fosfat adalah bergantung pada temperatur dan lingkungan dan dapat dipengaruhi oleh substitusi (sebagai contoh, karbonat untuk fosfat). Selubungan hidroksiapatit untuk fiksasi implan-implan load-bearing telah merupakan pemakaian klinis untuk lebih dari satu dekade. Bagaimanapun, komposisi yang benar dari selubungan ini dapat sangat bervariasi oleh karena perbedaan dari proses-proses pembuatan dan berubah in vivo dengan berjalannya waktu. Studi-studi dari selubungan pada implan-implan yang diambil dari pasien menunjukkan bahwa meskipun selubungannya seringkali bersifat osteokonduktif, berikatannya dengan tulang adalah tidak uniform, dan selubungannya sendiri mungkin tidak, sejatinya, berupa hidroksiapatit, namun satu campuran dari fase-fase, termasuk kalsium oksid, trikalsium fosfat, dan kalsium fosfat amorf. Selubungan telah menunjukkan bahwa ia akan larut dan fraktur dari substrat implan dan dapat di dilepaskan oleh satu proses remodeling osteoklastik.

Semen hidroksiapatit (secara sendiri-sendiri atau berkombinasi dengan semen tulang PMMA) telah juga dikembangkan. Semen yang dapat diinjeksikan dan memadat secara isotermal menjadi satu apatit yang sama seperti dalam tulang dan memiliki kekuatan yang sebanding dengan tulang kanselus telah diujicobakan pada binatang percobaan dan telah digunakan secara klinis, khususnya dalam aplikasi maksilofasial. Semen menunjukkan bahwa ia mempertahankan kekuatannya sebagaimana ia di-remodel, membuatnya terpilih untuk digunakan sebagai material sulih tulang. Semen hidroksiapatit telah menunjukkan sebagai seefektf sulihan otogenik dalam menangani defek-defek tulang.

Glas bioaktif adalah didasarkan secara tipikal pada berbagai kombinasi dari SiO2, CaO, N2O, dan P2O5. Secara partial material ini terlarutkan in vivo, membentuk satu hidrogel permukaan yang kaya dengan ion-ion kalsium, dan fosfat. Kristalisasi mengawali pembentukan apatit dan, berarti satu ikatan dengan tulang. Sifat brittle dan stabilitas inheren dari material ini telah membatasi pemakaiannya bagi aplikasi-aplikasi nonstruktural seperti untuk coatings (selubungan) dan fillers (pengisi).

Tidak ada komentar:

Posting Komentar