Titanium Tembaga, Kekuatan Tekan, dan Aplikasi Implan

Abstrak

Titanium telah digunakan untuk pembuatan implan ortopedik. Titanium dipilih karena sifatnya yang kuat, ringan, tahan korosi, dan memiliki modulus elastisitas yang tidak terlalu tinggi. Namun, titanium tidak memiliki sifat antimikroba sehingga akan menyebabkan infeksi pasca pemasangan implan. Upaya yang dilakukan adalah memadukan titanium dengan tembaga. Selain untuk membuat sifat antimikroba, tembaga juga meningkatkan nilai kekuatan mekanik dan kekerasan paduan. Kekuatan mekanik juga ditingkatkan melalui pengurangan area pori dengan cara meningkatkan gaya tekan kompaksi. Percobaan dimulai dengan pembuatan paduan sinter Ti-Cu dari bahan dasar serbuk titanium dan serbuk tembaga dengan variasi komposisi tembaga 1; 3; dan 5 persen berat. Dilakukan pencampuran serbuk selama 30 menit dan dikompaksi pada variasi gaya tekan kompaksi 40 kN dan 60 kN. Kemudian disinter pada 950°C selama 2 jam pada kondisi inert. Untuk mengetahui kekuatan tekan dilakukan pengujian tekan untuk paduan tersebut. Hasil penelitian kekuatan tertinggi dimiliki oleh paduan sinter Ti-5 wt%Cu pada gaya tekan kompaksi 60 kN, senilai 1100,413 MPa.

Kata kunci : biomaterial, paduan sinter Ti-Cu, kekuatan tekan

Abstract

Titanium has been used for the manufacture of orthopedic implants. Titanium is chosen because of its strong, light, corrosion-resistant, and has a modulus of elasticity that is not too high. However, titanium does not have antimicrobial properties so it will lead to postoperative infection of the implant. The idea is to combine titanium with copper. In addition to making antimicrobial properties, copper also increases the value of mechanical strength and hardness of the alloy. Mechanical strength is also enhanced through reduction of the pore area by increasing compression forces. The experiment was initiated by the manufacturing of sintered Ti-Cu alloys of the base material of titanium powder and copper powder with a variation of copper composition 1; 3; and 5 percent by weight. Powder mixing was done for 30 minutes and compacted on compression force compression variation 40 kN and 60 kN. Then sintered at 950 ° C for 2 hours under inert conditions. To know the compressive strength is done testing press for the alloy. The highest strength research results were owned by sinter alloy Ti-5 wt% Cu at compression force of 60 kN, worth 1100,413 MPa.

Keywords: biomaterial, sintered Ti-Cu alloy, compressive strength

1. Pendahuluan

Biomaterial adalah material yang digunakan dalam komponen yang ditanamkan dalam tubuh manusia untuk mengganti bagian tubuh yang hilang atau rusak[1]. Biomaterial ini digunakan untuk menggantikan jaringan ataupun organ yang rusak. Salah satu material yang digunakan dalam biomaterial adalah material logam. Aplikasi dari material logam sebagai biomaterial yang banyak digunakan adalah sebagai implan. Salah satu bagian tubuh yang lazim diganti dengan implan ketika rusak adalah bagian tulang.

Paduan titanium tembaga adalah salah satu material yang digunakan dalam pemanfaatan sebagai biomaterial. Paduan ini banyak digunakan karena memiliki sifat biocompability, kekuatan tekan yang baik, memiliki densitas seperti tulang, dan ketahanan korosi. Terdapat lapisan TiO2 pada permukaan paduan titanium sehingga memiliki biocompability yang baik[2]. Dalam prakteknya tembaga ditambahkan untuk mengurangi infeksi yang terjadi pada pemasangan implan itu sendiri. Penelitian yang dilakukan pada logam tembaga menunjukkan bahwa tembaga mampu membunuh bakteri hingga seratus juta bakteri per menit. Bakteri yang dibunuh adalah seperti Staphylococcus aureus yang biasanya menyebabkan infeksi[3]. Oleh itu diperlukan data yang cukup untuk mengembangkan penelitian tentang paduan titanium tembaga ini. Beberapa variasi dilakukan dalam penelitian untuk memperkaya penelitian yang dilakukan dan mencari metode paling tepat untuk membuat paduan tersebut.

2. Teori Dasar

Titanium adalah salah satu unsur kimia pada tabel periodik dengan nomor atom 22 dan berat atom 47,867 gr/mol. Titanium memiliki titik leleh 1688oC dan titik uap 3287oC[4]. Tembaga memiliki nomor atom 29, berat atom 63,546 g/mol, titik leleh 1084,6²⁰C dan titik uap 256²⁰C[5]. Dalam proses pembuatan paduan titanium tembaga ini dilakukan dengan metode metalurgi serbuk. Metalurgi serbuk (P/M) merupakan salah satu metode dari teknologi near-net shape (NNS). Metode P/M dikembangkan sebagai alternatif proses untuk menghasilkan suatu produk yang memiliki bentuk akhir sesuai dengan yang diinginkan[6]. Pembuatan paduan logam itu sendiri dibuat dengan proses sintering. Sintering merupakan proses pemanasan material (serbuk) yang sudah terkompaksi pada temperatur di bawah temperatur lelehnya[7].

Terdapat sifat-sifat yang dimiki oleh suatu padua logam, termasuk paduan tembaga titanium. Sifat — sifat yang dimaksud adalah kekuatan tekan dan kekerasaan dari paduan tersebut. Uji tekan dilakukan serupa dengan uji tarik (tensile test), namun perbedaannya terletak pada gaya. Pada uji tekan, gaya yang diberikan adalah gaya tekan kompaksi dan spesimen uji berkontraksi di sepanjang arah tegangan, dimana spesimen menjadi semakin pendek dan berisi.[8]

3. Metode

3.1. Pembuatan Paduan Sinter Ti-Cu

Serbuk titanium (44 μm) dan serbuk tembaga (70 nm) dengan kemurnian serbuk 99,5%, ditimbang dengan komposisi tembaga 1 wt%, 3 wt%, dan 5 wt%. Kemudian serbuk dicampur selama 30 menit dan campuran serbuk dikompaksi dengan metode die pressing dengan gaya tekan kompaksi 40 kN dan 60 kN. Sampel hasil kompaksi, yang berukuran diameter 10 mm dan tinggi 2 mm, kemudian disinter pada suhu 950oC selama 2 jam dengan dialiri gas argon dan didinginkan dalam tanur.

3.2. Pengujian Kekuatan Tekan

Pengujian kekuatan tekan dilakukan sesuai dengan standar ASTM E 112–96 (2000). Sampel berukuran diameter 10 mm dan tinggi 15 mm hasil sinter diamplas bagian permukaan atas dan bawahnya dengan kertas amplas grit 2000. Pengujian dilakukan pada alat Hung Ta Testing Machine dengan rasio deformasi sebesar 50% dari tinggi awal.

4. Hasil dan Pembahasan

Permasalahan yang ingin dicoba dijelaskan dari penelitian ini adalah sifat mekanik dalam hal kekuatan tekan. Terdapat data yang mumpuni yang seharusnya dikumpulkan dalam membentuk implan tersebut. Tulang pada dasarnya akan mengalami tarikan dan tekanan. Implan yang menggantikan tulang pun harus memilki sifat kekuatan yang sama dengan tulang. Oleh karena itu dibutuhkan penelitian untuk menemukan implan yang cukup baik untuk tulang[9].

Pengujian kekuatan tekan dilakukan pada setiap sampel. Hasil pengujian disajikan seperti pada gambar dan tabel berikut.

Dari data literatur, titanium murni memiliki nilai kekuatan tekan sebesar 110 GPa

dan yield strength sebesar 342,5 MPa[6]. Dapat dilihat bahwa nilai kekuatan tekan meningkat baik dengan meningkatnya kandungan tembaga dalam paduan maupun gaya tekan kompaksi yang diberikan kepada paduan. Nilai tertinggi terdapat pada paduan Ti-5% Cu pada gaya tekan kompaksi 60 kN senilai 1100,413 MPa.

Jika gaya tekan kompaksi 60 kN diberikan, maka ukuran butiran akan mengecil dan tersebar secara merata, yang menyebabkan pergerakan dislokasi menjadi sulit. Sehingga hal inilah yang menyebabkan kekuatan paduan meningkat. Dalam penelitiannya, Li[10] menyebutkan bahwa dengan semakin kompaknya suatu material, nilai kekuatan tekannya juga akan meningkat. Selain dari gaya tekan kompaksi, peningkatan nilai kekuatan tekan ini juga didukung oleh keberadaan tembaga dalam paduan yang membentuk fasa kedua, yaitu Ti2Cu. Dalam keberjalanannya, dislokasi akan sulit melewati fasa ini. Sehingga, fasa ini berkontribusi dalam meningkatkan kekuatan mekanik logam, yang dalam hal ini adalah kekuatan tekannya[12].

5. Kesimpulan, saran, dan rekomendasi

5.1. Kesimpulan

Kekuatan tekan paduan meningkat seiring dengan meningkatnya komposisi tembaga dan gaya tekan kompaksi yang diberikan. Kekuatan tekan tertinggi didapat pada paduan sinter Ti-5% Cu pada gaya tekan kompaksi 60 kN, yaitu senilai 1100,413 MPa.

5.2. Saran

Untuk penelitian berikutnya diharapkan ditambahkan parameter lainnya seperti ukuran serbuk dan komposisi yang berbeda pula

5.3. Rekomendasi

Hasil penelitian ini dapat dijadikan salah satu bahan acuan dalam pembuatan implan untuk tulang berbahan dasar paduan loga Ti-Cu

6. Daftar Pustaka

[1] Callister, W. D., dan Rethwisch, D. G., Material Science and Engineering an Introduction, Seventh edition, John Wiley & Sons, Inc, 2006

[2] Oldani, C., dan Dominguez A., Physical Medicine and Rehabilitation “Recent Advances in Arthtroplasty” Chapter 9 Titanium as a Biomaterial for Implant, 2012

[3] Grass, G., Rensing, C., Dan Solioz, M., Metallic Copper as an Antimicrobial Surface, Journal of American Society for Microbiology, vol 77, no 5, (2011), 1541–1546

[4] Informasi dari https://titaniumthemetalhistoryoftitanium.pbworks.com/w/page/110662087/FrontPage, diakses pada 11 Maret 2018

[5] Brininstool, Mark, Mineral Commodity Summaries: Copper, U.S. Geological Survey, 2016

[6] ASM Handbook, Volume 2, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials, ASM International, USA, 1990

[7] Höganäs PM-School, Höganäs Handbook for Sintered Components, Sweden, 2013

[8] Ashby, Michael. F., Jones, David R. H., Engineering Materials 1 : An Introduction to their Properties and Applications, Second Edition, Great Britain, 1996

[9] Silaban, Y. F. H., Studi Pengaruh Komposisi Tembaga dan Gaya Tekan Kompaksi Pada Titanium-Tembaga Sintered Alloy Untuk Aplikasi Implan, Tugas Akhir, Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2017.

[10] Li, Yuhua, et al., New Developments of Ti- Based Alloys for Biomedical Applications, Journal of Materials, China, 2014