BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Penelitian

BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Penelitian
Bone defect atau kerusakan (cacat) tulang dapat terjadi karena benturan
fisik akibat kecelakaan, kangker tulang, dan cacat bawaan lahir (Kalita et al,
2003). Untuk kasus defect yang besar dibutuhkan suatu media yang mampu
menambal/melengkapi jaringan tulang yang hilang tersebut dengan bentuk,
ukuran, porositas, dan kekuatan mekanis yang sesuai dengan tulang yang hilang
(Bose et al, 2012). Salah satu contoh kasus yang terjadi adalah rekonstruksi
mandibular yang dilakukan oleh Michael Goldwasser selaku Ahli bedah di Carle
dan professor of surgery dari University of Illinois, pada tanggal 10 Juni 2003, di
Urbana, Illinois, USA (Jamison, 2003). Gambar 1.1. dan Gambar 1.2.
Gambar 1.1. Tes scaffold pada rahang Gambar 1.2. Penempatan scaffold pada
hasil print 3D (Jamison,
rahang (Jamison, 2003)
2003).
Media yang digunakan untuk rekonstruksi pada kasus defect besar
dinamakan scaffold/bone scaffold (Abdellal dan Darwish, 2011), meskipun begitu,
1
2
autograft masih merupakan “gold standard” yang digunakan untuk rekonstruksi
tulang (Bucholz, 2002). Metode autograft menggunakan tulang yang didapatkan
dari tubuh pasien itu sendiri. Penggunaan metode autograft memberikan
keuntungan yaitu tidak menimbulkan masalah secara biologis. Akan tetapi karena
bentuk dan ukuran media yang dibutuhkan besar dan khusus, rekonstruksi dengan
menggunakan metode autograft sulit untuk dilakukan. Selain itu penggunaan
metode ini, pasien akan menerima resiko mengalami morbiditas, meningkatkan
resiko infeksi, resiko kehilangan darah, adanya tambahan waktu anestesi, serta
adanya tuntutan biaya perawatan yang lebih tinggi. (Turgeman, 2008). Oleh
karena hal tersebut banyak dikembangkan metode berbasis artificial bone
scaffold.
Gambar 1.3. Gambar scaffold yang digunakan dalam rekonstruksi mandibular
(Jamison, 2003)
Faktor kunci yang harus dimiliki sebuah artificial bone scaffold adalah (i)
menggunakan material yang biokompatibel terhadap jaringan sekitar, (ii) memiliki
makro pori (ukuran pori > 100µm) dan mikro pori (ukuran pori < 20µm); (iii)
memiliki porositas terbuka yang saling interkoneksi, untuk pertumbuhan tulang;
(iv) memiliki kekuatan mekanis yang cukup dan kinetika degradasi yang
3
terkontrol, serta (v) memiliki kekuatan awal yang cukup, untuk safe handling pada
saat proses sterilisasi (Bose et al, 2012).
Hydroxyapatite (HA; Ca10(PO4)6(OH)2) merupakan salah satu material
yang bersifat biokompatibel yang biasa digunakan sebagai material bone scaffold.
Selain bersifat biokompatibel HA juga memiliki sifat-sifat lain yang diperlukan
sebagai material pengganti tulang seperti non-toxic, non-inflammatory, nonimmunogenic, dan bioactive (Murugan dan Ramakrishna, 2004). HA juga
memiliki struktur kristal yang sama dengan material anorganik dari tulang itu
sendiri (Aoki, 1991; Barakat et al, 2008; dan Cunningham et al, 2011). Meskipun
begitu, HA merupakan material yang memiliki kekuatan mekanis yang buruk dan
memiliki ketahanan yang rendah terhadap crack-growth propagation (Kalita dan
Ferguson, 2006). Penambahan sintering aditif merupakan metode yang sederhana
untuk meningkatkan densifikasi dan kekuatan mekanis dari HA ini (Oktar et al,
2007). Salah satu material aditif yang telah diteliti adalah MgO (Magnesium
oksida) (Oktar et al, 2007; Kalita dan Ferguson, 2006). Selain mampu
meningkatkan kekuatan mekanis dari HA, MgO juga berpengaruh terhadap sifat
bioaktivitas dari HA, proses mineralisasi jaringan tulang, proses kristalisasi apatit,
destabilisasi HA, dan konversi termal HA menjadi β-tricalcium phosphate (Song
et al, 2011). Penelitian yang dilakukan terbatas pada penggunaan MgO sebagai
bahan aditif.
Untuk mendapatkan bone scaffold dengan bentuk, ukuran, porositas yang
menyerupai tulang yang digantikan, dibutuhkanlah metode Solid freeform
fabrication (SFF), seperti three-dimensional printing (3DP), robocasting, fused
4
deposition dan stereolithography. Metode ini berbasis computer-aided design
yang menghasilkan struktur dengan pola yang telah ditentukan dengan ukuran dan
geometri pori yang dikendalikan. Metode ini mampu mengubah hasil scan
rontgen tulang
yang hilang menjadi bentuk tulang 3D dengan cara
mendeposisikan material yang digunakan (Simon, 2007).
Penelitian ini akan dibuat HA bone scaffold dengan struktur beraturan,
menggunakan Bovine Hydroxyapatite (BHA) sebagai bahan dasar, dengan
material penambah berupa Magnesium Oksida (MgO), dengan tujuan untuk
memperbaiki kekuatan mekaniknya. HA bone scaffold ini akan dibuat dengan
menggunakan metode indirect fused deposition modeling (FDM), dengan tujuan
untuk mendapatkan bone scaffold dengan struktur 3D yang beraturan, ukuran pori
yang seragam, dan dapat dibuat meniru bentuk jaringan keras yang mengalami
kerusakan.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, maka rumusan masalah
pada penelitian ini adalah:
1. Bagaimanakah pengaruh variasi komposisi MgO berbanding BHA (Bovine
Hydroxyapatite) terhadap kekuatan tekan, densitas, kemurnian fasa, serta
kandungan gugus fungsi pada komposit BHA-MgO?
2. Seberapa besarkah nilai kekuatan tekan bone scaffold yang dihasilkan
melalui metode indirect fused deposition modeling?
5
3. Bagaimanakah struktur morfologi terutama ukuran pori dan nilai porositas
dari bone scaffold yang dihasilkan melalui metode indirect fused
deposition modeling?
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan umum dari penelitian ini adalah untuk mempelajari pembuatan
bone scaffold komposit BHA-MgO dengan struktur 3D yang terkondisi, ukuran
pori yang seragam, dan memiliki pori-pori yang saling terhubung.
Tujuan khusus dalam penelitian ini adalah untuk menjawab rumusan
masalah, yaitu untuk:
1. Mempelajari pengaruh variasi komposisi MgO terhadap BHA (Bovine
Hydroxyapatite) terhadap kekuatan tekan, densitas, kemurnian fasa, serta
kandungan gugus fungsi pada komposit BHA-MgO.
2. Mengetahui seberapa besar nilai kekuatan tekan bone scaffold yang
dihasilkan melalui metode indirect fused deposition modeling.
3. Mengkaji struktur morfologi, terutama mengenai ukuran pori dan nilai
porositas dari bone scaffold yang dihasilkan melalui metode indirect fused
deposition modeling.
1.4. Keaslian Penelitian
Penggunaan metode fused deposition modeling telah banyak dilakukan
dalam aplikasi pembuatan bone scaffold. Simon et al (2007) meneliti pengaruh
scaffold yang dibuat dari bahan hydroxyapatite melalui metode direct ink writing,
terhadap respon tulang. Penelitian tersebut dihasilkan scaffold yang memiliki
makro pori akan memberikan respon tulang yang optimum. Kalita et al (2006)
6
telah memfabrikasi scaffold dari bahan tricalcium phosphate yang di-doping
dengan Mg/Zn melalui metode fused deposition modeling. Dari hasil penelitian
didapatkan bahwa scaffold yang di-doping dengan Mg memiliki kekuatan tekan
lebih tinggi dibandingkan dengan scaffold yang di-doping dengan Zn. Sedangkan
Oktar et al (2007) meneliti pengaruh doping MgO, SiO2, Al2O3, dan ZrO2,
terhadap benda uji silindris dari bahan bovine hydroxyapatite (BHA). Hasil
penelitian tersebut hampir sama dengan hasil penelitian Kalita et al (2006), yaitu
penambahan MgO akan dihasilkan benda uji dengan kekuatan tekan tertinggi.
Keaslian
dari
penelitian
ini
adalah
penggunaan
bahan
bovine
hydroxyapatite (BHA) yang disintesis langsung dari tulang sapi lokal. Material ini
kemudian dicampur dengan bahan aditif untuk meningkatkan kekuatan tekannya,
adapun bahan yang digunakan sebagai bahan aditif adalah Magnesium Oksida
(MgO). Konsentrasi MgO yang digunakan bervariasi dari 0-5% berat. Campuran
dari kedua bahan ini dinamakan komposit. Material komposit inilah yang akan
digunakan sebagai material untuk membuat scaffold melalui metode indirect fused
deposition modeling. Pada penelitian ini dipelajari variasi komposisi material
MgO terhadap scaffold yang dihasilkan melalui metode indirect fused deposition
modeling sebagai material aditif. Pada penelitian ini juga dilakukan pengkajian
terhadap parameter akibat variasi komposisi dan penggunaan material cetakan
berupa plastik PLA. Serta perbandingan kekuatan tekan dari 3 desain bone
scaffold yang diajukan. Pengkajian variasi komposisi MgO terhadap scaffold yang
dibuat melalui metode indirect fused deposition modeling dan pengkajian
parameter yang timbul akibat variasi dan penggunaan material cetakan ini serta
7
perbandingan kekuatan tekan dari 3 desain bone scaffold belum pernah
dipublikasikan sebelumnya.
1.5. Manfaat Penelitian
Dengan mengetahui metode dan parameter terkait pembuatan bone
scaffold melalui metode indirect fused deposition modeling ini, diharapkan
mampu menjadi referensi yang baik dalam pembuatan bone scaffold dengan
struktur 3D yang terkondisi, memiliki ukuran pori yang seragam, interkonektifitas
pori yang saling terhubung, tingkat porositas yang baik serta kekuatan mekanis
yang tinggi. Bone scaffold yang dihasilkan dengan menggunakan bahan baku
alami ini lebih ekonomis dibandingkan dengan menggunakan bahan baku sintetis,
dan menghasilkan bone scaffold yang lebih murah. Sehingga kedepannya bone
scaffold ini diharapkan mampu menggantikan bone scaffold impor yang beredar di
pasaran Indonesia.