Pengecoran dan Pengujian Ketahanan Aus Pasangan Ball on Socket Material UHMWPE-Commercial Pure Titanium dan UHMWPE-Stainless Steel 316L untuk Aplikasi Lumbar Disc Tulang Belakang

LILIK DWI SETYANA, Dr. Suyitno, S.T., M.Sc

2021 | Disertasi | DOKTOR TEKNIK MESIN

Lumbar disc adalah diskus tulang rawan di tulang belakang bagian bawah yang memisahkan antar ruas tulang. Lumbar disc berfungsi sebagai pelumas, melindungi ruas dan meningkatkan fleksibilitas tulang punggung bagian bawah. Cedera pada lumbar disc mengakibatkan rasa nyeri sehingga terkadang harus dilakukan penggantian. Desain implan lumbar disc umumnya berupa pasangan ball on socket, namun mempunyai resiko keausan yang menghasilkan debris sehingga membahayakan jaringan di sekitarnya. Peningkatan ketahanan aus pasangan ball on socket terus diupayakan, diantaranya dengan menggeser center of radius (CoR) ball ultra high molecular weigh polytelene (UHMWPE) terhadap socket endplate. CoR biasanya diposisikan di pusat disc yang berada di pusat inti polietilena. Material yang digunakan untuk implan lumbar disc harus bersifat biokompatibel. Metode pengecoran sering digunakan untuk pembuatan implan karena mampu membuat produk dengan bentuk rumit, ukuran presisi dan permukaan halus. Perencanaan sistem saluran pada pengecoran harus dilakukan untuk menghasilkan produk sesuai kebutuhan. Tujuan penelitian adalah mengkaji proses pengecoran untuk pembuatan socket dan pengujian keausan pasangan ball on socket untuk material commercial pure titanium (CP-Ti)-UHMWPE dan stainless steel (SS) 316L-UHMWPE. Material yang digunakan dalam penelitian adalah CP-Ti, SS 316L dan UHMWPE. Spesimen socket CP-Ti dan SS 316L dibuat dengan pengecoran invesmen. Penuangan logam cair saat pembuatan socket CP-Ti dilakukan dengan metode sentrifugal, sedangkan socket SS 316L dilakukan dengan metode gravitasi. Karakterisasi socket hasil pengecoran yang dilakukan meliputi cacat coran, densitas, kekerasan, struktur mikro, dan kekasaran permukaan. Pengujian keausan dengan tribotester (spine simulator) dilakukan pada pasangan ball on socket variasi CoR (7,5; 9; 11; dan 13 mm) hingga 1 juta siklus dengan pembebanan dinamis 50-150 N dalam cairan bovine serum. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengecoran sentrifugal socket CP-Ti dengan saluran masuk berpenampang persegi panjang yang miring dengan sudut 60º (searah dengan putaran cetakan) menghasilkan socket dengan rongga penyusutan paling sedikit (0,34%), densitas tertinggi (4,519 g/cm3), dan kekasaran permukaan terendah (3,9 μm). Socket CP-Ti dengan sudut saluran masuk 150º (berlawanan arah dengan putaran cetakan) menghasilkan socket dengan rongga penyusutan paling banyak (0,92%), densitas terendah (4,510 g/cm3), dan kekasaran permukaan tertinggi (5,5 μm) diantara saluran masuk dengan sudut 30º hingga 150º. Pengecoran invesmen dengan metode gravitasi pada socket SS 316L yang dituang dengan posisi berbeda memiliki karakteristik yang hampir sama dengan rata-rata Ra 4,64 μm, densitas 7,827 gr/cm3dan kekerasan 185 VHN. Variasi CoR pasangan ball on socket mempunyai pengaruh terhadap laju keausan, faktor keausan dan kekasaran permukaan. Laju keausan dan faktor keausan meningkat seiring dengan peningkatan CoR, sedangkan kekasaran permukaan menurun seiring peningkatan CoR untuk pengujian keausan hingga 1 juta siklus. Desain CoR yang memenuhi performa untuk implan lumbar disc adalah CoR dengan jarak 7,5 mm untuk pasangan UHMWPE/Cp-Ti sedangkan untuk pasangan UHMWPE/SS 316L adalah 7,5; 9 dan 11 mm.

The lumbar disc is a cartilage disc in the lower spine that separates the vertebrae. The lumbar disc has a function as a lubricant, protects the joints, and increases the flexibility of the lower spine. Injury to the lumbar disc causes pain so that sometimes requires replacement. The lumbar disc implant design is generally a ball on socket pair, but there is a risk of wear that results in debris, which can endanger the surrounding tissue. Efforts to improve the wear resistance of ball on socket pairs are continuously being made, including by shifting the ultra high molecular weigh polytelene (UHMWPE) center of radius (CoR) ball to the socket endplate. Currently, the CoR is always positioned at the center of the disc, which is at the center of the polyethylene core. The material used for lumbar disc implants must be biocompatible. The casting method is often used to manufacture implants because it is capable of making products with complex shapes, precise sizes, and smooth surfaces. The design of the gating system on casting must be done to produce products as needed. This research aims to study the casting process for making sockets and test the wear of ball on socket pairs for commercial pure titanium (CP-Ti)-UHMWPE and stainless steel (SS) 316L-UHMWPE. The materials used in the research were CP-Ti, SS 316L, and UHMWPE. CP-Ti and SS 316L socket specimens were made by investment casting. During the manufacture of CP-Ti sockets, the pouring of liquid metal was carried out by the centrifugal method, while the SS 316L sockets were carried out by the gravity method. The characterization of the socket includes porosity, density, hardness, microstructure, and surface roughness. The tribotester (spine simulator) wear test was carried out on the ball on socket pairs of CoR variations (7.5, 9, 11, and 13 mm) up to 1 million cycles with dynamic loading of 50-150 N in bovine serum fluid. The results showed that the CP-Ti socket produced by centrifugal casting with a square section oblique gate at an angle of 60º (the same as the mold rotation) resulted in a socket with the least shrinkage cavity (0,34%), the highest density (4,519 g/cm3), and the lowest roughness (3,9 µm). On the other hand, oblique gate at an angle of 150º (opposite with the mold rotation) resulted in a socket with the highest shrinkage cavity (0,92%), the lowest density (4,510 g/cm3), and the highest roughness (5,5 µm) among the gate with an angle of 30º up to 150º. Meanwhile, the SS 316L socket produced by investment casting using the gravity method, which is poured in different positions, has almost the same characteristics. Variations in the CoR of the ball on socket pairs have an influence on the wear rate, wear factor, and surface roughness. The wear rate and wear factor increase with the increase in CoR, whereas the surface roughness decreases with the increase in CoR after reaching 1 million cycles. The performance-compliant CoR design for lumbar disc implants is the 7.5 mm CoR spacing for UHMWPE/Cp-Ti, while the CoR spacing for UHMWPE/SS316L pair are 7.5, 9, and 11 mm.

Kata Kunci : lumbar disc, laju keausan, center of radius, sentrifugal, CP-Ti, SS 316L, UHMWPE