Salah satu sendi paling penting pada tubuh manusia adalah sendi pinggul (hip joint), yang menghubungkan femur ke panggul/hip. Sendi ini bisa memburuk seiring berjalannya waktu karena berbagai masalah utamanya adalah osteoarthritis.

Sendi pinggul berisi batang femoralis, kepala femoralis, liner plastik dan cangkir acetabular. Sebuah artifisial adalah jenis prostesis (bagian tubuh sintetis) yang mengandung dua atau lebih komponen. Biasanya batang yang masuk ke tulang paha dan di bagian atas batang ada struktur seperti bola yang pas dikenal sebagai kepala femoralis. Kepala femoralis ini masuk ke dalam komponen acetabular. Pelapis plastik menggunakan antara kepala femoralis dan cangkir acetabular yang memberikan permukaan luncuran bola yang halus dengan minimum memakai. Secara umum, implan pinggul mirip dengan pemuatan tulang asli dan juga berfungsi sebagai biokompatibel.

Batang femoralis untuk implan pinggul di mana lapisan luar harus berupa struktur berpori membantu pertumbuhan sel di dalam tulang dan sel internal pengaturan memberikan kekakuan rendah dan berat badan rendah. Permukaan luar untuk kepala femoral pada implan pinggul harus tahan aus dan permukaan bagian dalam harus bioaktif dan kekakuan rendah. Struktur internal komponen acetabular harus tahan aus dan bioaktif tetapi struktur luar komponen acetabular memberikan kekuatan pada implan pinggul.

Kegagalan Implan Hip Joint

Kegagalan bahan implan karena berbagai alasan seperti kekerasan yang tidak mencukupi, ketahanan aus, kekuatan luluh dan biokompatibel. Kekerasan dan ketahanan aus material yang tidak memadai mengembangkan puing-puing aus. Puing-puing keausan ini adalah fenomena utama kegagalan. Kekuatan luluh material yang tidak mencukupi memberikan deformasi permanen dan deformasi ini meningkatkan tegangan kontak. Tegangan kontak setinggi ini pada sendi pinggul adalah kegagalan implan. Biokompatibilitas bahan yang rendah dapat menghasilkan efek buruk dan kegagalan implan. Ada tiga faktor yang harus diketahui untuk memprediksi keberhasilan atau kegagalan implan.

  1. Laju keausan material pada uji laboratorium.
  2. Tegangan kontak dan jarak geser per tahun untuk protesa
  3. Laju produksi puing puing aus yang dapat ditampung oleh jaringan.

Sifat Biomaterial Implan Pinggul

Karena fungsi utama tulang panjang tubuh bagian bawah adalah memberikan dukungan untuk transfer beban, masuk akal untuk diharapkan bahwa bahan awal diperkenalkan untuk menggantikan sambungan, seperti pinggul buatan, adalah logam. Tentu saja kekakuan dan kekuatan mereka jauh melebihi parameter tulang, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 [34,39,46- 48]. Tiga paduan yang biasa digunakan dalam pembuatan implan pinggul adalah stainless baja, paduan titanium dan paduan Co-Cr. [39,46] Mekanik sifat baja tahan karat baru-baru ini telah ditingkatkan secara substansial, dan itu merupakan alternatif yang baik untuk pasien yang lebih tua dengan tingkat yang lebih rendah aktivitas fisik, harapan seumur hidup atau sumber daya keuangan yang terbatas [39,46,47]. Paduan berbasis kobalt tahan terhadap korosi, kelelahan, keausan dan kerusakan paduan besi, tetapi modulus elastisitasnya lebih tinggi dari biomaterial lainnya. Paduan titanium, khususnya Ti-6Al-4V dan Ti-6Al7Nb, saat ini merupakan bahan yang paling cocok untuk sambungan prostesis, dan terdaftar dalam standar ASTM sebagai biomaterial.

Prostesis yang digunakan untuk penggantian pinggul terdiri dari tulang paha dan komponen acetabular, dan dasar tulang paha dapat dibagi menjadi kepala, leher dan badan. Dalam kasus penggantian pinggul total, kepalanya paling sering terbuat dari paduan kobalt-krom, alumina atau zirkonium, sedangkan komponen batang terbuat dari paduan titanium atau paduan CoCr, dimana baja 316L digunakan di masa lalu. Permukaan geser sering dibuat paduan kobalt-krom dan polietilen dengan berat molekul sangat tinggi (UHMWPE), karena kombinasi tersebut dapat mencapai sifat yang serupa ke permukaan geser gesekan rendah. Polyethylene juga memiliki moderat plastisitas, yang memungkinkannya berubah bentuk, dan dengan demikian menciptakan pergeseran permukaan kontak yang sesuai dengan paduan CoCr.

Untuk memahami mekanisme fraktur klinis implan, perlu dipahami hal-hal berikut: gaya yang bekerja di pinggul, tekanan yang dihasilkan di dalam tulang dan implan material, efek keausan, akumulasi kerusakan, dan remodeling tulang. Pengetahuan tentang biomekanik pinggul penting dalam menentukan skenario fraktur yang diperlukan untuk pengujian praklinis yang efektif.

Pendekatan alternatif dapat menggunakan metode elemen hingga (FEM) untuk mendapatkan gambaran awal tentang sifat mekanik yang diharapkan dari calon desain. Hal ini tidak berarti bahwa pengujian praklinis dapat dihilangkan, tetapi pendekatan ini hadir untuk mempercepat mendeteksi desain dengan kinerja yang berpotensi buruk.

Meskipun perkiraan, FEM cukup umum di bidang biomedis, karena mendapatkan solusi yang tepat tidak mungkin karena geometri kompleks, sifat material dan kekhususan kondisi. Karena itu, metode ini menjadi alat yang banyak digunakan dalam biomekanik ortopedi, sebagai metode komputasi yang cocok untuk penentuan tegangan dan regangan di setiap titik tertentu dalam suatu struktur dengan geometri sewenang-wenang dan kompleksitas material. Metode elemen hingga bergantung pada konstitutif yang tepat representasi sifat material (seperti koefisien elastis a Hukum Hooke yang digeneralisasikan), data geometri, properti pemuatan, batas kondisi dan kondisi di sendi.

FEM menjadi alat numerik yang kuat dan andal untuk analisis struktur mengalami berbagai jenis beban dalam kasus di mana pemecahan masalah ini terlalu kompleks untuk analitis eksklusif metode. Saat ini ada beberapa model analitik baru juga lebih akurat mewakili masalah integritas implan pinggul, yaitu lebih model simulasi keausan realistis. Ada beberapa keadaan seni teknik juga, sehingga memungkinkan untuk mensimulasikan geometri yang tepat dari pinggul, yaitu dengan menggunakan metode komputer grafis model tulang pinggul 3D dari CT scan model numerik saat ini dapat disimulasikan kondisi yang berbeda pada implan pinggul, misalnya, ditunjukkan investigasi pengaruh diameter luar cangkir pada kontak mekanik dan fiksasi semen dari implan pinggul dengan keausan yang berbeda parameter menggunakan metode elemen hingga. Jadi, saat ini adalah mungkin untuk menggunakan pemodelan numerik untuk evaluasi uji praklinis implan, tetapi perlu dicatat bahwa model ini menjadi lebih akurat.

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

R.B. Taqriban, R. Ismail, J. Jamari, A.P. Bayuseno. (2021). Finite Element Analysis of Artificial Hip Joint Implant Made from Stainless Steel 316L. Bali Medical Journal 10 Nomor 1: 448-452.

R.K Singh, S.Gangwar. (2021). An Assessment of Biomaterials for Hip Joint Replacement. International Journal of Engineering, Science and Technology 13 Nomor 1: 25-31.