BIOMATERIAL Di susun untuk melengkapi tugas Mata Kuliah Sintesis Anorganik Dosen pengampu : Ella Kusumastuti, S.Si, M.Si
Disusun oleh : Mustikawati
4311409001
Bahtiar Aji Nugroho
4311409002
Arisna Rahmawati
4311409003
Julianto`Pratomo
4311409004
Mafaza Salsabila
4311409005
Hanny Noviani
4311409006
Tri Puspitarini
4311409008
Fadhlina Khoirun Nisa
4311409009
Dwi Nugroho
4311409011
Arum Kinantiningsih
4350408046
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2012
BIOMATERIAL
A. Sejarah Umum Biomaterial
Definisi biomaterial secara umum adalah suatu material tak-hidup yang digunakan sebagai perangkat medis dan mampu berinteraksi dengan sistem biologis. Adanya interaksi ini mengharuskan setiap biomaterial memiliki sifat biokompatibilitas, yaitu kemampuan suatu material untuk bekerja selaras dengan tubuh tanpa menimbulkan efek lain yang berbahaya. Ide untuk menggantikan organ manusia yang rusak dengan material tak-hidup telah ada sejak lebih dari dua ribu tahun yang lalu dimulai oleh Bangsa Romawi, China dan Aztec yang memiliki peradaban kuno tercatat menggunakan emas untuk perawatan gigi. Pada masa itu perkembangan biomaterial diuji coba secara trial and error terhadap tubuh manusia ataupun binatang namun tingkat kesuksesannya tidak maksimal.
Gambar I.1
Penggunaan Penggunaan emas (a) dan kayu (b) sebagai salah satu biomaterial yang digunakan di bidang kedokteran gigi di masa lalu.
B. Isi
Aspek Umum
Biomaterial adalah bidang yang menggunakan ilmu dari berbagai disiplin ilmu yang membutuhkan pengetahuan dan pemahaman mendasar dari sifat-sifat material pada umumnya, dan interaksi dari material dengan
lingkungan biologis. Bidang biomaterial didesain untuk memberikan pemahaman dan pengajaran di bidang fisika, kimia dan biologi dari material, dan juga dengan berbagai bidang dari teknik secara umum seperti matematika,
kemasyarakatan,
dan
ilmu
sosial.
Sebagai
tambahan,
mahasiswa yang berurusan dengan bidang ini harus mencapai pemahaman yang mendalam dan berusaha untuk memperoleh pengalaman pada penelitian biomaterial. Ketika pemahaman mahasiswa mengenai prinsip dasar dari ilmu material teraplikasikan, pemahaman penuh dari biomaterial dan aplikasinya dengan lingkungan biologis juga membutuhkan derajat yang lebih tinggi dari spesialisasi ilmu yang ada. Bidang biomaterial mengarah pada ilmu material dan bidang ilmu biologi serta kimia. Material buatan manusia meningkat sesuai dengan penggunaan aplikasinya seperti pada drug-delivery dan terapi gen ( gene therapy),
perancah
untuk
rekayasa
jaringan
( tissue
engineering),
penggantian bagian tubuh ( body replacement ), serta alat biomedis dan bedah. Peningkatan ini sejalan dengan meningkatnya kebutuhan manusia akan tingkat kehidupan yang lebih baik. Biomaterials merupakan material sintesis yang dipakai untuk mengganti bagian dari sistem hidup atau untuk berfungsi secara terikat dengan jaringan hidup. Biomaterials pada dasarnya adalah material dari bahan hayati; setiap substansi (selain obat) atau kombinasi substansi, sintesis atau alami, yang dapat dipakai pada perioda waktu tertentu, sebagai bagian atau keseluruhan sistem yang memperlakukan, menggandakan, atau mengganti
setiap
jaringan,
organ,
ataupun
fungsi
tubuh.
Walau
bagaimanapun, seperti yang dikatakan Prof.Kunio, biomaterials memiliki beberapa kekurangan. Tidak seperti organ yang memiliki fungsi kompleks, biomaterial hanya memiliki fungsi tunggal. Kemudian, Respon jaringan terhadap biomaterial biasanya berupa respon toksis ( toxic response) dan respon asing tubuh ( foreign body response). Pada rekonstruksi tulang cacat, material yang dapat diintegrasikan dengan tulang diantaranya Titanium (Ti), Apatite (Ca 10(PO4)6(OH)2), dan Bone Morphogenic protein (BMP). Pada pemakaian Ti, tulang akan
terbentuk dengan lambat, jaringan benang akan perlahan teramati diantara tulang dan material. Pada pemakaian apatite, tulang akan terbentuk secara cepat, material akan bergabung langsung dengan material. Pada pemakaian BMP, sel lemak akan terdeferensiasi, merupakan faktor tumbuh yang menginduksi tulang pada daerah tidak bertulang. Prosedur untuk merekonstruksi tulang cacat diantaranya autograft, allograft , dan xenograft. Pengisi tulang buatan ( Artificial bone filler ) diantaranya hydroxyapatite (sama seperti tulang manusia) dan carbonateapatite (komposisi tulang manusia). Pada reaksi kimiawi, carbonate apatite merupakan fasa paling stabil secara termodinamika. Jaringan keras pada makhluk bertulang belakang (vertebrate) adalah apatite. pembentukan blok carbonate apatite diantaranya
pembentukan
blok
kalsium
karbonat
yang
kemudian
bertransformasi menjadi carbonate apatite.
Biogenik Mineral dan Biomineralisasi
Biomineralisasi merujuk pada sebuah proses dimana organisme hidup menghasilkan materi anorganik padat. Mineral biogenik dapat ditemukan dimana saja contohnya: Cangkang Tiram, batu koral, gading gajah, duri landak laut. Fungsi dari mineral biogenik adalah memberikan kekuatan kepada bagian tulang keras dan gigi. Biomineral itu tidak dapat dikelompokan dalam sistem yang statis tapi menunjukkan proses demeneralisasi atau generasi aktif yang membuatnya menjadi berguna sebagai media penyimpanan misalnya besi atau kalsium. Tidak semua biomaterial itu diinginkan misalnya biomaterial kalsium oksalat
monohidrat CaC₂O4.H₂O adalah kompenen utama batu ginjal.
Bagian Utama dari mineral biologis adalah karbonat, phospat, halida, sulfat, dan oksalat. Sebagian besar mineral biologis adalah garam ionik kecuali silika dikarenakan dari Si-O-Si dalam air.
Material Amorf
Diatom
adalah
alga
uniseluler
mikroskopis
yang
merupakan
komponen penting dari fitoplankton. Diatom memiliki exoskeletons unik (kerang atau frustules), yang terdiri dari silika amorf biogenik (Gambar 420). Bagian hidup terbungkus dalam. Ketika diatom mati, kerang silika mengumpulkan di dasar laut. Deposito tersebut digunakan secara komersial sebagai komponen dalam produk seperti artikel semir sepatu dan kosmetik. Bacillariophyceae atau diatom terdapat lebih dari 250 marga dan sekitar 100.000 spesies. Diatom merupakan mikroflora utama di lingkungan yamg cukup sinar matahari untuk mempertahankan aktivitas. Diatom selain bersifat kosmopolit juga memiliki laju pertumbuhan yang tinggi. Sebagi misal pada perairan yang subur dan tidak tercemar kepadatan populasinya dapat mencapai 2.000-10.000 sel per liter air. Diatom mempunyai kelimpahan yang tinggi dan dapat ditemukan di berbagai habitat misalnya tanah basah, dinding batu, karang terjal, gambut dan kulit kayu. Juga dapat dilihat sebagai buih kuning di atas lumpur pada selokan atau kolam.Berdasarkan cara hidupnya diatom dikelompokkan menjadi dua kelompok besar, yaitu diatom bentos dan diatom plankton. Diatom bentos pada umumnya hidup bercampur dengan lumpur atau menempel
pada
substrat
di
dasar
perairan,
misalnya Cymbella,
Gomphonema, Cocconeis, dan Eunotia. Diatom plankton biasanya hidup
melayang-layang bebas di perairan, baik air tawar maupun air laut. Di air tawar diatom dapat ditemukan di sungai, danau, kolam, rawa-rawa, dan ada
0
juga yang bisa ditemukan di perairan yang suhunya mencapai 45 C. Beberapa diatom hidup sebagai epifit pada alga lain atau tanaman air. Air
merupakan
hal
yang
penting
untuk
pertumbuhan
dan
peerkembangan, serta diperlukan pada berbagai macam proses kehidupan diatom. Bila tidak ada air, diatom tidak akan mampu bertahan hidup lebih lama dalam keadaan aktif. Selain keberadaan air, ada beberapa faktor lingkungan
yang
turut
berpengaruh
terhadap
pertumbuhan
dan
perkembangan diatom. Faktor-faktor tersebut adalah cahaya, suhu, dan kandungan senyawa organik. Cahaya termasuk faktor penting yang ikut menentukan pertumbuhan dan perkembangan diatom. Cahaya merupakan faktor esensial untuk fotosintesisi. Diatom ada yang tidak peka terhadap intensitas cahaya. Namun ada juga yag dalam proses metabolismenya memerlukan intensitas cahaya tertentu. Untuk itu diperlukan cahaya yang sesuaai agar proses tersebut bisa berjalan dengan baik. Suhu habitat merupakan faktor yang mempengaruhi keberadaan diatom dalam habitat. Tiap marga diatom memliki suhu optimum yang berbeda-beda. Marga tertentu memerlukan suhu dengan kisaran tertentu pula untuk proses metabolisme yang normal. Di atas dan di bawah kisaran suhu optimum tersebut proses metabolisme tidak akan berlangsung dengan normal atau bahkan akan mengalami kematian. Faktor
ketiga
yag
berpegaruh
terhadap
pertumbuhan
dan
perkembangan diatom adalah kandungan senyawa organik perairan. Jumlah senyawa organik yang terlarut dalam perairan berpengaruh terhadap tingkat keasaman dan kebasaan. Beberapa anggota diatom memerlukan pH di bawah 7,00 dan kandungan kalsium (Ca) serta magnesium (Mg) yang rendah, misalnya Eunotia dan Frustulia. Genus yang lain justru sebaliknya, menghindari air yang mengandung asam dan konsentrasi kalsium dam magnesium yang sangat rendah, seperti Mastogoia, Diploneis, Amphipleura, Gysigma, Denticula, Ephitemia, dan Rhopalopoada. Perubahan sedikit pada
nilai pH dan senyawa organik perairan akan mempengaruhi keberadaan
diatom dalam perairan tersebut. Senyawa organik bagi diatom berguna dalam pembentukan frustul, seperti sulfur dan kalsium. Perana diatom sangat penting dalam ekosistem perairan karena merupakan produsen dalam rantai makanan yakni sebagai penghasil bahan organik dan oksigen. Pada ekosistem air tawar, diatom mengambil alih peran flora lain khususnya Cyanophyta dan Chlorophyta. Apabila tumbuhan renik ini mati, maka jatuh ke dasar laut, dan karena mengandung silika, dinding selnya tidak akan hancur dan tetap lestari. Endapan besar bahan ini, yang dikenal dengan tanah diatom, dijumpai di banyak bagian permukaan bumi ini. Di tanah Amerika serikat, kumpulan yang terbesar setebal 1.400 kaki (atau lebih dari lima puluh meter) terdapat di California. Karena tanah diatom ini secara kimiawi lembam dan memiliki sifatsifat fisika yang luar biasa, maka zat itu amat penting dan bernilai bagi industri. Misalnya digunakan untuk bahan penyarigan, yang secara luas digunakan untuk memisahkan zat berwarna dari produk-produk seperti bensin dan gula. Karena bukan penghantar panas yang baik, maka tanah diatom ini digunakan dalam pipa pemanas dan pipa uap. Juga karena menyerap bunyi, bahan itu digunakan dalam alat pengedap suara. Selain itu dimanfaatkan dalam pembuatan cat, pernis, piringan hitam, dan wadah untuk kotak baterai. Karena kerasnya, juga dipakai dalam bahan peelicin dan bahan pengampelas. Susunan
tubuh
diatom
biasanya
uniseluler
dan
mikroskopis.
Walaupun diantaranya ada yang berbentuk koloni. Struktur selnya berbeda dengan jenis alga yang lain. Bentuk sel diatom sangat bermacam-macam dengan bentuk dasar bilateral simetris ( Pennales) dan radial ( Centrales). Beberapa tampak seperti perahu, sedang yang lain seperti balok, cakram atau segitiga. Koloni dari diatom bentuknya bermacam-macam, ada yang seperti benang,
missal
Chaetocceros dan Melusina;
seperti
batang,
misal Tabellaria dan Asterionella. Sel-sel ada yang mempunyai tanduk (horn) atau duri (spina) pada ujung-ujungnya. Tanduk-tanduk duri ini berfungsi dalam pembentukan koloni. Sedangkan sel yang tidak memiliki
keduanya, koloni terbentuk melalui penggabungan antar sel dengan bantuan bantalan gelatin. Bentuk koloni antara jenis yang hidup di air laut dengan yang hidup di air tawar berbeda. Jenis yang hidup di air laut, koloni tersusun di dalam substansi gelatin, atau sel-sel terletak bebas dalam substansi gelatin yang amorf. Jenis yang hidup di air tawar, koloni tersusun secara bersambungan antara permukaan sel yang satu dengan permukaan sel yang lain sebagai penghubung substansi gelatin. Gelatin makin menutup seluruh permukaan sel dan mungkin juga hanya terbatas pada bulatan kecil pada salah satu ujung dari masing-masing sel, misalnya pada Terpsinoe. berikut beberapa gambar diatome:
Walaupun semua anggota kelas Baccillariophyceae tidak memiliki alat
gerak
yang
khusus,
bukan
berarti
semua
anggota
kelas
Baccillariophyceae tidak dapat bergerak. Diatom pennate bergerak secara spontan. Bold & Wynne (1980:465) menjelaskan bahwa pergerakan terjadi karena, pertama adanya sekresi rantai mukopolisakarida. Zat ini dikeluarkan secara terus-menerus sehingga menyebabkan sel bergerak, dan mampu pindah dari satu tempat ke tempat lain. Kedua, adanya mekanisme
kapilaritas yang menimbulkan gerakan perlahan-lahan dari partikel-partikel di sepanjang rafe. Ketiga, pergerakan diatom berkaitan erat dengan aliran sitoplasma dalam sel dan keberadaan rafe pada dinding sel. Menurut teori pergerakan siklolisis sitoplasma, ada aliran sitoplasma dari bintil depan (nodus anterior) menuju bintil belakang (nodus posterior). Mulai dari celah kutub belahan luar, aliran bergerak mundur sepanjang permukaan luar (outer face) dari rafe dan mencapai daerah sekitar bintil pusat (central nodule). Gerakan ini arahnya tegak menembus dinding katub melalui saluran vertikal anterior. Bersamaan dengan aliran tersebut terdapat aliran yang naik dari sitoplasma pada saluran vertikal posterior dari bintil pusat dan aliran ini bergerak mundur sepanjang belahan luar sampai celah kutub pada bintil kutub posterior. Pada belahan dalam anterior dan belahan dalam posterior terdapat pergantian gerakan aliran sitoplasma yang arahnya berlawanan dengan yang ada pada belahan luar. Jadi dengan adanya mekanisme aliran siklolisis sitoplasma tersebut menghasilkan perpindahan sel dari satu tempat ke tempat lain. Sel diatom yang terkandung dalam dinding sel yang unik silikat (asam silikat) yang terdiri dari dua katup yang terpisah (atau kerang). Silika biogenik bahwa dinding sel terdiri dari yang disintesis secara intraseluler oleh polimerisasi monomer asam silikat. Bahan ini kemudian diekstrusi dengan eksterior sel dan ditambahkan ke dinding. Dinding sel diatom juga disebut frustules atau tes, dan dua katup biasanya tumpang tindih satu atas yang lain seperti dua bagian dari sebuah cawan petri. Pada sebagian besar spesies, ketika diatom membelah menghasilkan dua sel anak, setiap sel menyimpan salah satu dari dua bagian dan tumbuh setengah lebih kecil di dalamnya. Akibatnya, setelah setiap siklus pembelahan ukuran rata-rata sel diatom dalam populasi semakin kecil. Setelah sel-sel tersebut mencapai ukuran minimum tertentu, bukan hanya membagi vegetatif, mereka membalikkan penurunan ini dengan membentuk sebuah auxospore. Ini memperluas dalam ukuran untuk menimbulkan sebuah sel jauh lebih besar, yang kemudian kembali ke ukuran-divisi berkurang. Auxospore produksi hampir selalu dikaitkan dengan meiosis dan reproduksi seksual.
Dekomposisi dan pembusukan diatom mengarah ke organik dan anorganik (dalam bentuk silikat) sedimen, komponen anorganik yang dapat menyebabkan metode analisis lingkungan laut masa lalu oleh corings laut atau teluk lumpur lantai, karena materi anorganik tertanam di endapan tanah liat dan silts dan bentuk catatan geologi permanen strata laut. Tabel 4-2. biomineral Penting , komposisi kimianya, dan fungsinya komposisi kimia
Mineral
Kalsium karbonat
kalsit
CaCO3
vaterite, amorf
,
Fungsi dan contoh aragonit,
exoskeletons telur
(misalnya.,
kerang,
karang,
moluska, spons spikula) Calcium phosphates
Cam(OH)2(PO4)5
Hidroksilapatite merusak
Penempatan
kalsium
apalities Endosketelon (tulang dan
flouroapatite
gigi)
Whewellite
Penempatan kalsium dan
wheddelite
deposit pasif pada kalkuli
Ca10-x(HPO4)x(PO4)6x(OH)2-x
Ca10F-.(PO,)ft Ca3(HPa,J2-2H20 Ca2(HP04b Cax(HP04)2(POJ)4H20 Ca3(P04)2 Calcium oxalate
GHQ04 • (1 atau 2)
tumbuhan exeretory tract
H20 Sulfat logam
Gypsum
CaSO4, 2H2O
baryte
SrSO4 BaSO4
celestite
Sensor grafitasi Eksoskeleton Sensor gravitasi
Amerphous Silika
Amorphous (Ofal)
SiOn (OH) 4-2n
Bertahan pada tumbuhan, katup diatum Spikula sponge, dan uji radiolarian
Oksida besi Fe3O4
Magnetik
Gigi
chiton,
sensor
magnetik
α,γ- FeOOH 5 Fe2O3, 9 H2O
Gambar 4-20. Tayangan-diatom dunia menarik diatom pada rentang mikron. Meskipun silika menunjukkan tanpa urutan kristalografi jarak jauh, agar morfologi mikroskopis sering diamati. Keteraturan tersebut mungkin timbul selama baik nukleasi dia (► glossary) atau proses pertumbuhan. Pertimbangan Energi mendukung pembentukan agregat silika dengan inti, padat kovalen terikat dan permukaan yang sangat terhidrasi. Permukaan adalah mungkin untuk berinteraksi dengan substrat organik di lingkungan biologis dengan cara yang analog dengan interaksi kristal, dengan demikian menurunkan energi bebas pembentukan agregat dan agregat mengendalikan morfologi pada skala mikroskopis (Gambar 4-21).
Zona yang tampak Karbohidrat Ser-rich Protein template
Sel diatom terhidrasi
Gambar 4-21. Model dari cangkang diatom. Gambar 4-22 menunjukkan model dari metabolisme silikon diatom uniseluler. Pembentukan cangkang diatom terhubung dengan siklus vegetatif selama dua sel anak dengan exoskeletons lengkap terbentuk dengan pembelahan sel ibu.
Gambar 4-22. Model metabolisme silikon diatom. Ini sintesis (dia diatom shell terjadi secara bertahap dengan transportasi dari monomer asam silikat (Si (OH.) 4) dari lingkungan ke bagian dalam sel melalui mekanisme transpor aktif. Untuk menghindari polikondensasi tidak terkendali (► glossary) dari asam silikat dengan konsentrasi meningkat di sel ii terikat lo kofaktor (Si (OH)
4
CoF) sifat
kimia yang masih belum diketahui. Aparatus Golgi pada sel tersebut memungkinkan menjalani sebagai tempat penyimpanan untuk asam silikat
yang disembunyikan. Dari asal silika disimpan pada perlengkapan pengakut kecul perlengkapan Golgi (► glossary),
kendaraan pengangkut silica
(STV) yang terbentuk dengan memfusi vesikel silika deposisi (SDV) organel mineralisasi sel.. Kondensasi asam silikat mengambil tempat di dalam SDVs yang terletak pada bagian bawah dinding sel baru, dan tumbuh dengan cepat di segala penjuru.. areolae vesikel adalah 1) yang terletak pada dinding sel yang biasanya satu lapisan-padat gelembung melayani sebagai pola negatif untuk SDVs. Hal ini sering menyebabkan struktur heksagonal dari
kerang
diatom.
Hipotesis
pra
pola
cetakan
menggambarkan
pembentukan sel diatom, tetapi tidak menjelaskannya. Bentuk dan tampilan sel silika diatur oleh faktor genetik. Dari sudut pandang ilmu material-, morfogenesis dari sel diatom N merupakan suatu pencapaian yang tak tertandingi oleh semua pendekatan sintetis lainnya terhadap silika berbasis bahan berpori seperti zeolit, MCMs dll.
Struktur Agregat
Agregat adalah suatu bahan keras dan kaku yang digunakan sebagai bahan campuran, yang berupa berbagai jenis butiran atau pecahan tang termasuk di dalamnya antara lain : pasir, kerikil, agregat pecah, terak dapur tinggi, abu/debu agregat. Agregat menurut proses pengolahannya : -
Agregat Alam. Agregat yang dapat dipergunakan sebagaimana bentuknya di alam atau dengan sedikit proses pengolahan. Agregat ini terbentuk melalui proses erosi dan degradasi. Bentuk partikel dari agregat alam ditentukan proses pembentukannya.
-
Agregat melalui proses pengolahan. Digunung-gunung atau dibukit-bukit, dan sungai-sungai sering ditemui agregat yang masih berbentuk batu gunung, dan ukuran yang besar-besar sehingga diperlukan proses pengolahan terlebih dahulu sebelum dapat digunakan sebagai agregat konstruksi jalan.
-
Agregat Buatan. Agregat yang merupakan mineral filler/pengisi (partikel dengan ukuran < 0,075 mm), diperoleh dari hasil sampingan pabrik-pabrik semen atau mesin pemecah batu. Agregat menurut asal kejadiannya :
-
Batuan Beku (igneous rock). Batuan yang berasal dari magma yang mendingin dan membeku. Dibedakan atas batuan beku luar (extrusive igneous rock) dan batuan beku dalam (intrusive igneous rock).
-
Batuan Sedimen. Berasal dari campuran partikel mineral, sisa hewan dan tanaman. Pada umumnya merupakan lapisan-lapisan pada kulit bumi, hasil endapan di danau, laut dan sebagainya.
-
Batuan Metamorfik. Berasal dari batuan sedimen ataupun batuan beku yang mengalami proses perubahan bentuk akibat adanya perubahan tekanan dan temperatur dari kulit bumi.
Material Kristalin
Dari logam transisi banyak yang menampilkan kimia biocoordination kaya. Hanya besi dan untuk tingkat yang lebih kecil, mangan, memiliki peran yang luas dalam biomineralization. Kimia solid-state biorganic elemen ini didominasi oleh kimia redoks sebagai sumber energi untuk aktivitas biologis, afinitas untuk O, S, dan ligans OH, dan kemudahan hidrolisis dalam larutan air. Seperti kalsium yang mengandung biomaterial. Oksida besi biologis digunakan untuk kekuatan kemudian jaringan lunak 3+
-
2-
dan sebagai depot penyimpanan(Fe , OH , dan HPO4 ). Selanjutnya, sifat magnetik dari campuran valensi fase ini dimanfaatkan oleh bakteri dari beberapa jenis untuk navigasi di bidang geomagnetik ambien. Kebanyakan bakteri magnetotactic mensintesis magnetit intraseluler(Fe 3O4); spesies mendiami sulfida kaya morfologi kristal dikendalikan oleh membran organik yang merupakan spesies yang tergantung. Pada sistem kedua, kristal (magnetosomes) harus selaras dalam rantai untuk memberikan bakteri dengan teh domain magnetik. Partikel yang lebih besar dari ini akan memiliki beberapa domain dimana efisien sebagai kompas bio magnetic
tidak akan mampu berfungsi secara
Proses Mineralisasi
Proses mineralisasi terjadi dalam proses yang terbuka (sel dengan sel membran permeabel yang selektif) Kompartemen lokal yang dikelilingi membran lipid Regulasi yang tepat dari proses kimia-fisik dalam kompartmen mengontrol struktur dalam biomaterial Proses biomaterial dapat dibagi dalam 4 tahap : 1. Preorganisasi supramolekul 2. Nukleasi terkontrol 3. Pertumbuhan kristal terkontrol 4. Pengolahan sel Preorganisasi Supramolekuler Salah satu syarat untuk mengendalikan deposisi dari material anorganik biogenik dalam organisme hidup adalah dengan adanya kompartemen
pengorganisir
reaksi
supramolekuler,
dimana
zona
mineralisasi diisolasi dari lingkungan sel. Lokasi kompartemen terdapat di : -
Dipermukaan atau didalam membran dari sel bakteri
-
Diluar sel Nukleasi terkontrol dengan pengenalan interfacial molecular
-
Aspek umum dari pengenalan ini meliputi perbandingan isi dan distribusi kepolaran, sehingga memberikan kontrol dimensional terhadap nukleasi dan batas ukuran tempat nukleasi.
-
Konsep epitaxy, jarak kation-kation dalam suatu permukaan spesifik kristal sebanding dengan daerah pengikat periodik dari suatu permukaan organik.
Kontrol pertumbuhan Kristal -
Nukleasi dari fase anorganik dalam host supramolekuler, diikuti dengan pertumbuhan kristal menurut hukum kristalisasi
-
Regulasi dapat dicapai dengan adanya ion flux, pertukaran kompleksasidekompleksasi, redoks dan modifikasi pH, dan perubahan lokal aktivitas ion
a. Penggunaan energi menambah gradien konsentrasi dalam membran dengan dorongan (pump) dari ion spesfik (A dan B = ion asing) b. Proses redoks pada permukaan membran diikuti dengan selektif transport dari species yang teroksidasi ataupun yang tereduksi ke dalam sel n+
c. Kompleksasi selektif dari ion logam (M ) biasanya didalam permukaan membran. Diikuti tahap sebelumnya dengan dekomposisi ion kompleks (MC) untuk membentuk kation logam dalam larutan encer. d. Enzym (E)-mediated proses transport untuk menambah konsentrasi anion -
(X ) e. Variasi pH f. Dalam reaksi mineralisasi dimana air diproduksi dengan reaksi kimia . Pengaturan tekanan osmotik mempengaruhi nukleasi Proses sellular Biomineralisasi tidak dapat dihentikan dengan pembentukan artikel yang kecil, tetapi hasil dengan struktur yang lebih tinggi dan teliti.
Contoh : -
Ultrastruktur teratur yang tertentu kekakuan dan jaraknya secara relatif dari kumpulan rantai dari batas membran kristal magnetit dalam bakteri magnetotatik
-
Makroskopik ultrastruktur teratur pada lapisan nacleous kerang.
Sintesis Biomaterial
Sebuah replikasi yang tepat dari arsitektur biologis dan proses pembentukan akan diinginkan untuk pengembangan implant atau prostesis. Namun kemampuan untuk perintah dan sel-sel hidup langsung dengan cara untuk menyesuaikan material telah disengaja dibuat. Oleh karena itu, harus ditemukan cara untuk merancang bahan sintetis yang dapat menggantikan bahan biologis. Biomaterial adalah zat yang digunakan dalam prosthesis atau perangkat medis yang dirancang untuk kontak dengan tubuh yang hidup. Polimer yang digunakan dalam oftalmologi misalnya untuk perawatan kulit luka, dan sebagai implant jaringan lunak. Logam memiliki berbagai macam aplikasi termasuk perangkat untuk fiksasi fraktur, penggantian sendi parsial dan total, serta amalgam gigi. Karbon pirolitik digunakan sebagai pelapis, misalnya, pada katup jantung prostetik, keramik, dan gelas sebagai komponen bioaktif untuk adhesi yang lebih baik dari jaringan implant tulang, dan sebagai pembawa obat. Biokeramik secara khusus dirancang dan dibuat untuk memperbaiki keramik dan rekonstruksi dari bagian tubuh manusia yang rusak. Sebuah skema dengan menggunakan klinis biomaterial ditunjukkan pada Gambar 4-28. Biomaterial untuk aplikasi medis membutuhkan sifat mekanik, kimia dan biologi yang dioptimalkan. Dalam banyak kasus bahan komposit yang digunakan
dimodifikasi,
karena
bahan
tunggal
memenuhi
semua
persyaratan. Bentuk biomaterial tergantung pada fungsi yang dimaksudkan dalam tubuh. Bahan implan biasanya terbuat dari Hulk yang memenuhi bahan non-pori, tetapi lapisan atau struktur komposit juga dapat digunakan untuk mencapai sifat kimia mekanik. Implan hanya untuk mengisi ruang
atau menambah jaringan tulang dalam tubuh yang digunakan dalam bentuk bubuk, partikulat, atau bahan berpori. Berbagai jenis interaksi antara jaringan dan biomaterial dapat dibedakan : -
Bahan Bioinert menunjukkan interaksi minimal dengan jaringan lain (jaringan tetangga). Bahan ini tidak melepaskan senyawa untuk lingkungan, dan tidak ada kerusakan pada jaringan. Misalnya, implan yang terbuat dari logam atau non-porous alumina mengalami pertumbuhan tulang kepermukaan perangkat kedalam jaringan. (disebut fiksasi morfologi).
-
Bahan biokompatibel yang positif berinteraksi dengan jaringan tetangga.
Karenainteraksiini,
kestabilan
mekanik
dari
implant
ditingkatkan. Misalnya, implant apatit hidroksil secara mekanis dipasang dalam pertumbuhan (fiksasi biologis). -
Bioaktif bahan penyembuhan dan pertumbuhan jaringan. Ini adalah kemudahan yang ideal untuk biomaterial. Bahan bioaktif untuk implant dan prosthesis dirancang untuk perlahan-lahan digantikan oleh tulang (fiksasi bioaktif).
Gambar 4-28. Contoh untuk menggunakan klinis dari beberapa biomaterial. Substitusi tulang
Material dapat digunakan untuk substitusi tulang karena penting dalam tubuh. Tidak mudah untuk bisa meniru bagian struktur tulang dari material alam. Karena adanya perbedaan untuk mensubstitusi material daritulang. Modifikasi dari sampel biologis yang dapat digunakan misalnya pada tulang hewan. Cara lain yaitu pada corals dan algae yang dilakukan dengan perlakuan hidrotermal untuk mengubah bentuk menjadi kalsium fosfat. 5 CaCO3 + 3 (NH4)2HPO4 + H2O 2H2CO3
Ca5(PO4)3OH + 3(NH4)2CO3 +
Struktur berlubang digunakan pada material kalsium fosfat. Karena ini penting untuk membentuk tulang yang tumbuh pada lubang tulang tersebut. Metode kimia sering digunakan untuk modifikasi polimer biologis, implant metalik dan kombinasi dari material. Komponen dan campuran solid dari sodium pospat memberi solusi untuk injeksi pengobatan yang dilakukan dalam waktu setelah lima menit. Pada karbonat juga sama berisi hidroksil yang merupakan mineral tulang dari kristal besar. Biomaterial adalah suatu material balk natural maupun buatan manusia (sintetis) yang digunakan berkontak dengan sistem biologi dengan tujuan untuk memperbaiki ( repair ), memulihkan (restore) atau mengganti (replace) jaringan yang rusak/sakit atau sebagai interface dengan lingkungan fisiologis.
Biomaterial
material adalah
sintetik
atau
sering
disebut biomedical
hidrogel, ceramic,
katup
jantung
buatan
dan
lain
sebagaianya. Biomaterial berkenaan dengan aspek bidang material dari peralatan medis. Seorang ilmuwan biomaterial berurusan dengan sifat kimia dan fisika dari material dan kecocokannya untuk perangkat khusus. Hal tersebut berkaitan dengan bagaimana sifat ini berubah dengan lingkungan biologis dan bagaimana material mempengaruhi tubuh. Area aplikasi dari biomaterial ini sangat luas dan meliputi beberapa bagian seperti joint dan limb replacement , arteri dan kulit buatan, lensa kontak dan gigi buatan. Bahan biomaterial lain yang banyak digunakan dibidang kedokteran gigi, sebagai contoh dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
a. dental implant
b. porcelain veneers
c. crown and bridge
Perkembangan biomaterial di bidang kedokteran gigi saat ini terbagi dalam biomaterial sintetis dan biomaterial rekayasa jaringan. Keduanya terkait material seperti logam, keramik, polimer, dan komposit. Sedangkan biomaterial rekayasa jaringan meliputi pengembangan scaffolds , sel, dan sinyal dalam pembuatan jaringan pengganti gigi. Syarat: biomaterial tersebut harus cocok. biomaterial ini harus tidak memperlihatkan respon yang merugikan dari tubuh, atau kebalikannya, harus tidak beracun dan non-carcinogenic. Contoh material yang biasa digunakan untuk beberapa aplikasi sendiri diklasifikasikan menjadi 4, yaitu logam, polimer, keramik, komposit.
Berikut ini merupakan kelebihan dan kekurangan serta aplikasi dari masing-masing jenis material: Material
Kelebihan
Kuat,
tangguh,
ductile
Logam
Kenyal,
mudah
diproduksi Polimer
Kekurangan
Dapat
terkorosi,
Contoh
Tulang
sendi,
berat jenis besar,
akar
gigi
proses
buatan,
pembuatannya
dan
sulit
tulang
Tidak kuat,
Benang bedah,
mudah
pembuluh
terdeformasi,
darah, sel-sel
dapat terdegradasi
yang halus,
pelat sekrup
sendi pinggul
Keramik
Biokompatibilitas
Rapuh,
tidak Gigi buatan dan
tinggi
kenyal, tidak kuat
tulang buatan
ditekan
Komposit
Kuat, dapat
Proses
Bone
cement,
disesuaikan
pembuatannya
dental resin
bentuknya
sulit
BIOMATERIAL LOGAM Sebagai bagian dari material, logam merupakan material yang sangat banyak digunakan untuk implantasi load-bearing. Misalnya, beberapa dari kebanyakan pembedahan ortopedi pada umumnya melibatkan implantasi dari material logam. Mulai dari hal sederhana seperti kawat dan sekrup untuk pelat yang bebas dari patah sampai pada total joint prostheses (tulang sendi buatan) untuk pangkal paha, lutut, bahu, pergelangan kaki dan banyak lagi. Dalam ortopedi, implantasi bahan logam digunakan pada pembedahan maxillofacial cardiovascular, dan sebagai material dental. Walaupun
banyak logam dan paduannya digunakan untuk aplikasi peralatan medis, tetapi yang paling sering digunakan adalah baja tahan karat, titanium murni dan titanium paduan, serta paduan cobalt-base
BIOMATERIAL POLIMER (biopolymer ) Berbagai jenis polimer banyak digunakan untuk obat-obatan sebagai biomaterial. Aplikasinya mulai dari wajah/muka buatan sampai pada pipa tenggorokan, dari ginjal dan bagian hati sampai pada komponen-komponen dari jantung, serta material untuk gigi buatan sampai pada material untuk pangkal paha dan tulang sendi lutut. Material polimer untuk biomaterial ini juga digunakan untuk bahan perekat medis dan penutup, serta pelapis yang digunakan untuk berbagai tujuan. Selulosa dan starch, protein dan petida, serta DNA dan RNA adalah contoh dari biopolimer yang diproduksi oleh organisme hidup, dimana unit monomernya adalah gula, asam amino dan nukleotida. Selulosa adalah biopolimer yang paling umum dan juga merupakan senyawa organik yang paling banyak di bumi.
BIOMATERIAL KOMPOSIT Merupakan kombinasi material yang direkayasa untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan dalam memenuhi kriteria sebagai biomaterial. Biomaterial komposit yang sangat cocok dan baik digunakan di bidang kedokteran gigi adalah sebagai material pengganti atau tambalan gigi.
Walaupun masih terdapat material komposit lain seperti komposit karbonkarbon dan komposit polimer berpenguat karbon yang dapat digunakan pada perbaikan tulang dan penggantian tulang sendi karena memiliki nilai modulus elastis yang rendah, tetapi material ini tidak menampakkan adanya kombinasi dari sifat mekanik dan biologis yang sesuai untuk aplikasinya. Tetapi juga, material komposit sangat banyak digunakan untuk prosthetic limbs (tungkai buatan), dimana terdapat kombinasi dari densitas/berat yang
rendah dan kekuatan yang tinggi sehingga membuat material ini cocok untuk aplikasinya.
BIOMATERIAL KERAMIK (bioceramic) Keramik dikenal sebagai sintesis anorganik, solid, material kristalin. Keramik yang digunakan sebagai biomaterial untuk mengisi cacat pada gigi atau tulang, untuk melengkapi grafit tulang, patahan, atau prostheses pada tulang dan untuk menggantikan jaringan yang rusak disebut biokeramik. Biokeramik
harus
memiliki
sifat
biokompatibilitas
yang
tinggi
dan antithrombogenic, harus tidak beracun, tidak beralergi, tidak memiliki sifat karsinogen atau tetratogen dan tahan lama. Biokeramik dapat diklasifikasikan menjadi 3 grup, yaitu: bioinert keramik, bioaktif keramik dan bioresorbable keramik. Keramik juga telah banyak digunakan sebagai material pengganti dalam ilmu kedokteran gigi. Hal ini meliputi material untuk Mahkota gigi, tambalan dan gigi tiruan. Tetapi, kegunaannya dalam bidang lain dari pengobatan medis tidak terlihat begitu banyak bila dibandingkan dengan logam dan polimer. Hal ini dikarenakan ketangguhan retak yang buruk dari keramik yang akan sangat membatasi penggunaannya untuk aplikasi pembebanan. Material keramik sedikit digunakan untuk pengganti tulang sendi ( joint replacement ), perbaikan tulang ( bone repair ) dan penambahan tulang (augmentation).
C. Penutup
Kesimpulan 1. Biomaterial merupakan material sintesis yang dipakai untuk mengganti bagian dari sistem hidup atau untuk berfungsi secara terikat dengan jaringan hidup. 2. Biomaterial berkenaan dengan aspek bidang material dari peralatan medis.
