Biokeramik

Biokeramik dan bioglas adalah bahan keramik yang biokompatibel.[1] Biokeramik adalah bagian penting dari biomaterial.[2][3] Biokeramik berkisar pada biokompatibilitas dari oksida keramik, yang lengai di dalam tubuh, hingga bahan-bahan resorbabel. Bahan ini adalah yang pada akhirnya digantikan oleh tubuh setelah membantu perbaikan. Biokeramik digunakan dalam banyak jenis prosedur medis. Biokeramik biasanya digunakan sebagai bahan kaku dalam implan bedah, meskipun beberapa biokeramik fleksibel. Bahan keramik yang digunakan tidak sama dengan bahan keramik jenis porselen. Sebaliknya, biokeramik terkait erat dengan bahan dari tubuh manusia atau oksida logam yang sangat tahan lama.[4]

Butiran biokeramik berpori dari komposisi kalsium ortobiologis yang diproduksi oleh Cam Bioceramics

SejarahSunting

Sebelum 1925, bahan yang digunakan dalam operasi implan adalah logam yang relatif murni. Keberhasilan bahan-bahan ini mengejutkan mengingat teknik bedah yang relatif primitif. Tahun 1930-an menandai dimulainya era teknik bedah yang lebih baik serta penggunaan paduan pertama seperti vitallium.[5]

Pada tahun 1969, LL Hench dan yang lainnya menemukan bahwa berbagai macam gelas dan keramik dapat berikatan dengan tulang hidup.[6][7] Hench terinspirasi oleh ide dalam perjalanannya ke sebuah konferensi tentang bahan. Dia duduk di sebelah seorang kolonel yang baru saja kembali dari Perang Vietnam. Kolonel itu berbagi bahwa setelah cedera, tubuh prajurit sering menolak implan. Hench tertarik dan mulai menyelidiki bahan-bahan yang biokompatibel. Produk akhirnya adalah bahan baru yang disebutnya bioglas. Karya ini menginspirasi bidang baru yang disebut biokeramik.[8]

Pada tanggal 26 April 1988, simposium internasional pertama tentang biokeramik diadakan di Kyoto, Jepang.[9]

AplikasiSunting

 
Prostesis pinggul titanium, dengan kepala keramik dan cangkir polietilena asetatabula

Keramik sekarang umum digunakan di bidang medis sebagai implan gigi dan tulang.[10][11] Cermet bedah digunakan secara teratur. Penggantian sendi umumnya dilapisi dengan bahan biokeramik untuk mengurangi keausan dan respon inflamasi. Contoh lain dari kegunaan medis untuk biokeramik adalah pada alat pacu jantung, mesin dialisis ginjal, dan respirator.[8] Permintaan global pada keramik medis dan komponen keramik adalah sekitar US $ 9,8 miliar pada tahun 2010. Diperkirakan memiliki pertumbuhan tahunan sebesar 6 hingga 7 persen pada tahun-tahun berikutnya, dengan nilai pasar dunia diprediksi meningkat menjadi US $ 15,3 miliar pada 2015 dan mencapai US $ 18,5 miliar pada 2018.[12]

Sifat mekanik dan komposisiSunting

Biokeramik dimaksudkan untuk digunakan dalam sistem sirkulasi ekstrakorporeal (dialisis misalnya) atau bioreaktor rekayasa; Namun, paling umum sebagai implan.[13] Keramik menunjukkan banyak aplikasi sebagai biomaterial karena sifat fisika-kimianya. Mereka memiliki keuntungan menjadi lengai dalam tubuh manusia, dan kekerasan serta ketahanannya terhadap abrasi membuatnya berguna untuk penggantian tulang dan gigi. Beberapa keramik juga memiliki ketahanan yang sangat baik terhadap gesekan, menjadikannya berguna sebagai bahan pengganti untuk sendi yang tidak berfungsi. Properti seperti penampilan dan isolasi listrik juga menjadi perhatian untuk aplikasi biomedis tertentu.[4]

Beberapa biokeramik memasukkan alumina (Al2O3) karena umurnya lebih panjang dari usia pasien. Bahan ini dapat digunakan dalam ossikel telinga bagian dalam, prostesis okular, isolasi listrik untuk alat pacu jantung, lubang kateter, dan dalam banyak prototipe sistem implan seperti pompa jantung.[14]

Aluminosilikat umumnya digunakan dalam protesa gigi, murni atau komposit keramik-polimer. Komposit keramik-polimer adalah cara potensial untuk mengisi rongga menggantikan amalgam yang diduga memiliki efek toksik. Aluminosilikat juga memiliki struktur seperti kaca. Berlawanan dengan gigi tiruan dalam resin, warna keramik gigi tetap stabil.[13][15] Zirkonia yang didoping dengan yttrium oksida telah diusulkan sebagai pengganti alumina untuk prostesis osteoartikular. Keuntungan utama adalah kekuatan yang lebih besar, dan ketahanan yang baik terhadap kelelahan material.[16]

Karbon vitreus juga digunakan karena ringan, tahan aus, dan kompatibel dengan darah. Sebagian besar digunakan dalam penggantian katup jantung. Berlian dapat digunakan untuk aplikasi yang sama, tetapi dalam bentuk pelapis.[14]

Keramik berbasis kalsium fosfat merupakan, saat ini, pengganti tulang yang lebih disukai dalam bedah ortopedi dan maksilofasial.[13] Mereka mirip dengan fase mineral tulang dalam struktur dan / atau komposisi kimia. Bahan ini biasanya berpori, yang menyediakan antarmuka implan tulang yang baik karena peningkatan luas permukaan yang mendorong kolonisasi dan revaskularisasi sel. Selain itu, ia memiliki kekuatan mekanik yang lebih rendah dibandingkan dengan tulang, membuat implan sangat berpori sangat halus. Karena modulus keramik Young umumnya jauh lebih tinggi daripada jaringan tulang, implan dapat menyebabkan tekanan mekanis pada antarmuka tulang. Kalsium fosfat yang biasanya ditemukan dalam biokeramik termasuk hidroksiapatit (HAP) Ca10(PO4)6(OH)2 ; trikalsium fosfat β (β TCP): Ca3(PO4)2 ; dan campuran HAP dan β TCP.[13]

Tabel 1: Aplikasi Biokeramik[14]

Perangkat Fungsi Biomaterial
Pinggul buatan total, lutut, bahu, siku, pergelangan tangan Merekonstruksi sendi reumatik atau patah Alumina densitas tinggi, pelapis bioglass logam
Pelat tulang, sekrup, kabel Memperbaiki patah tulang Komposit serat bioglass-logam, komposit serat Polisulfon-karbon
Paku intramedulla Menyejajarkan patah tulang Komposit serat bioglass-logam, komposit serat Polisulfon-karbon
Batang Harrington Membenarkan lengkungan tulang belakang kronis Komposit serat bioglass-logam, komposit serat Polisulfon-karbon
Anggota tubuh tiruan yang ditanamkan secara permanen Mengganti tungkai yang hilang Komposit serat bioglass-logam, komposit serat Polisulfon-karbon
Spacer Vertebra dan ekstensor Membenarkan kelainan bawaan Al2O3
Fusi tulang belakang Immobilisasi vertebra untuk melindungi sumsum tulang belakang Bioglass
Penggantian tulang alveolar, rekonstruksi mandibula Mengembalikan ridge alveolar untuk meningkatkan kesesuaian gigitiruan Politetra fluro etilena (PTFE) - komposit karbon, Al2O3 berpori, Bioglass, apatit padat
Mengakhiri implan pengganti gigi osseus Mengganti gigi yang sakit, rusak atau kendor Al2O3, Bioglass, hidroksiapatit padat, karbon vitreous
Jangkar ortodontik Menyediakan posting untuk aplikasi stres yang diperlukan untuk mengubah kelainan Bioglass-dilapisi Al2O3, vitallium dilapisi Bioglass

Tabel 2: Sifat Mekanis Biomaterial Keramik[14]

Bahan Young's Modulus (GPa) CompressiveStrength (MPa) Kekuatan ikatan (GPa) Kekerasan Kepadatan (g / cm 3 )
Inert Al 2 O 3 380 4000 300-400 2000-3000 (HV) > 3.9
ZrO 2 (PS) 150-200 2000 200-500 1000-3000 (HV) ≈6.0
Grafit 20-25 138 NA NA 1.5-1.9
(LTI) Karbon Pirolitik 17-28 900 270-500 NA 1.7-2.2
Karbon Vitreus 24-31 172 70-207 150-200 (DPH) 1.4-1.6
HAP bioaktif 73-117 600 120 350 3.1
Bioglass ≈75 1000 50 NA 2.5
AW Glass Ceramic 118 1080 215 680 2.8
Tulang 3-30 130-180 60-160 NA NA

SerbagunaSunting

Sejumlah keramik yang ditanamkan sebenarnya belum dirancang untuk aplikasi biomedis tertentu. Namun, keramik-keramik ini berhasil dimanfaatkan pada sistem implan yang berbeda karena sifat dan biokompatibilitasnya yang baik. Di antara keramik ini, kita bisa mengutip silikon karbida, titanium nitrida dan karbida, dan boron nitrida. TiN telah disarankan sebagai permukaan gesekan pada prostesis pinggul. Sementara tes kultur sel menunjukkan biokompatibilitas yang baik, analisis implan menunjukkan keausan yang signifikan, terkait dengan delaminasi lapisan TiN. Silikon karbida adalah keramik modern yang tampaknya memberikan biokompatibilitas yang baik dan dapat digunakan dalam implan tulang.[13]

BiokompabilitasSunting

Sifat biokeramik yang anti korosi, biokompatibel, dan estetis membuatnya sangat cocok untuk penggunaan medis. Keramik zirkonia memiliki kelengaian dan tidak beracun bagi sel. Karbon adalah alternatif lain dengan sifat mekanis yang mirip dengan tulang, dan juga memiliki kompatibilitas darah, tidak ada reaksi jaringan, dan non-toksisitas terhadap sel. Tidak satu pun dari tiga keramik bioinert menunjukkan ikatan dengan tulang. Namun, bioaktivitas keramik bioinert dapat dicapai dengan membentuk komposit dengan keramik bioaktif. Bioglass dan keramik gelas tidak beracun dan terikat secara kimiawi dengan tulang. Keramik gelas memiliki sifat osteoinduktif, sedangkan keramik kalsium fosfat juga menunjukkan non-toksisitas terhadap jaringan dan bioresorpsi. Penguatan partikulat keramik telah menyebabkan pilihan lebih banyak bahan untuk aplikasi implan yang mencakup keramik / keramik, keramik / polimer, dan komposit keramik / logam. Diantaranya komposit keramik / polimer komposit telah ditemukan untuk melepaskan unsur-unsur beracun ke dalam jaringan sekitarnya. Logam menghadapi masalah terkait korosi, dan pelapis keramik pada implan logam menurun seiring waktu selama aplikasi yang lama. Keramik / keramik komposit menikmati keunggulan karena kesamaan dengan mineral tulang, menunjukkan biokompatibilitas dan kesiapan untuk dibentuk. Aktivitas biologis biokeramik harus dipertimbangkan dalam berbagai penelitian in vitro dan in vivo. Kebutuhan kinerja harus dipertimbangkan sesuai dengan tempat implantasi tertentu.[14]

Tren masa depanSunting

Biokeramik telah diusulkan sebagai kemungkinan pengobatan untuk kanker. Dua metode pengobatan telah diusulkan: hipertermia dan radioterapi. Perawatan hipertermia melibatkan penanaman bahan biokeramik yang mengandung ferit atau bahan magnetik lainnya.[17] Area tersebut kemudian terkena medan magnet bolak-balik, yang menyebabkan area implan dan sekitarnya memanas. Atau, bahan biokeramik dapat didoping dengan bahan pemancar β dan ditanamkan ke daerah kanker.[2]

Tren lain termasuk rekayasa biokeramik untuk tugas-tugas tertentu. Penelitian yang sedang berlangsung melibatkan kimia, komposisi, dan mikro dan struktur nano dari bahan untuk meningkatkan biokompatibilitasnya.[18][19][20]

ReferensiSunting

  1. ^ P. Ducheyne, G. W. Hastings (editors) (1984) CRC metal and ceramic biomaterials vol 1
  2. ^ a b J. F. Shackelford (editor)(1999) MSF bioceramics applications of ceramic and glass materials in medicine ISBN 0-87849-822-2
  3. ^ H. Oonishi, H. Aoki, K. Sawai (editors) (1988) Bioceramics vol. 1 ISBN 0-912791-82-9
  4. ^ a b Larry, Hench (1993). An Introduction To Bioceramics. World Scientific. ISBN 9814504165. 
  5. ^ Gore, David; Frazer, Robert Q.; Kovarik, Robert E.; Yepes, Juan E. (2005). "Vitallium®". Journal of Long-Term Effects of Medical Implants (dalam bahasa Inggris). 15 (6): 673–686. doi:10.1615/JLongTermEffMedImplants.v15.i6.90. ISSN 1050-6934. 
  6. ^ Hench, Larry L. (1991). "Bioceramics: From Concept to Clinic" (PDF). Journal of the American Ceramic Society. 74 (7): 1487–1510. doi:10.1111/j.1151-2916.1991.tb07132.x. 
  7. ^ T. Yamamuro, L. L. Hench, J. Wilson (editors) (1990) CRC Handbook of bioactive ceramics vol II ISBN 0-8493-3242-7
  8. ^ a b Kassinger, Ruth. Ceramics: From Magic Pots to Man-Made Bones. Brookfield, CT: Twenty-First Century Books, 2003, ISBN 978-0761325857
  9. ^ Oonishi, H.; Aoki, H. (1989). Sawai, K., ed. Bioceramics: Proceedings of 1st International Bioceramic Symposium. Ishiyaku Euroamerica. hlm. 443. ISBN 978-0912791821. Diakses tanggal 17 February 2016. 
  10. ^ D. Muster (editor) (1992) Biomaterials hard tissue repair and replacement ISBN 0-444-88350-9
  11. ^ Kinnari, Teemu J.; Esteban, Jaime; Gomez-Barrena, Enrique; Zamora, Nieves; Fernandez-Roblas, Ricardo; Nieto, Alejandra; Doadrio, Juan C.; López-Noriega, Adolfo; Ruiz-Hernández, Eduardo (2008). "Bacterial adherence to SiO2-based multifunctional bioceramics". Journal of Biomedical Materials Research Part A. 89 (1): 215–23. doi:10.1002/jbm.a.31943. PMID 18431760. 
  12. ^ Market Report: World Medical Ceramics Market. Acmite Market Intelligence. 2011. 
  13. ^ a b c d e Boch, Philippe, Niepce, Jean-Claude. (2010) Ceramic Materials: Processes, Properties and Applications. DOI:10.1002/9780470612415.ch12
  14. ^ a b c d e Thamaraiselvi, T. V., and S. Rajeswari. “Biological evaluation of bioceramic materials-a review.” Carbon 24.31 (2004): 172.
  15. ^ Hench LL. Bioceramics: From concept to clinic. J Amer CeramSoc 1991;74(7):1487–510.
  16. ^ "Download Limit Exceeded". citeseerx.ist.psu.edu. Diakses tanggal 2019-07-17. 
  17. ^ John, Łukasz; Janeta, Mateusz; Szafert, Sławomir (2017). "Designing of macroporous magnetic bioscaffold based on functionalized methacrylate network covered by hydroxyapatites and doped with nano-MgFe 2 O 4 for potential cancer hyperthermia therapy". Materials Science and Engineering: C. 78: 901–911. doi:10.1016/j.msec.2017.04.133. 
  18. ^ Chai, Chou; Leong, Kam W (2007). "Biomaterials Approach to Expand and Direct Differentiation of Stem Cells". Molecular Therapy. 15 (3): 467–80. doi:10.1038/sj.mt.6300084. PMC 2365728 . PMID 17264853. 
  19. ^ Zhu, Xiaolong; Chen, Jun; Scheideler, Lutz; Altebaeumer, Thomas; Geis-Gerstorfer, Juergen; Kern, Dieter (2004). "Cellular Reactions of Osteoblasts to Micron- and Submicron-Scale Porous Structures of Titanium Surfaces". Cells Tissues Organs. 178 (1): 13–22. doi:10.1159/000081089. PMID 15550756. 
  20. ^ Hao, L; Lawrence, J; Chian, KS (2005). "Osteoblast cell adhesion on a laser modified zirconia based bioceramic". Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 16 (8): 719–26. doi:10.1007/s10856-005-2608-3. PMID 15965741.