Studi In vitro dan In vivo Komposit MgZn-xHA sebagai Bahan Implan Ortopedi Terdegradasi

Abstract

Implan ortopedi digunakan sebagai perlengkapan internal untuk membantu penyembuhan tulang yang mengalami cedera baik akibat trauma maupun penyakit. Logam yang dapat terdegradasi seperti magnesium (Mg) berpotensi dijadikan sebagai implan ortopedi. Kelemahan utama dari Mg dan paduannya adalah laju korosi dan pembentukan gas hidrogen yang terlalu cepat. Metode yang umum digunakan untuk mengendalikan laju korosi Mg adalah dengan membuat paduan. Salah satu bahan yang sering dipadukan dengan Mg adalah seng (Zn). Pada penelitian ini ditambahkan juga hidroksiapatit (HA) pada paduan Mg dan Zn sehingga terbentuk komposit MgZn-xHA. Campuran HA terhadap paduan diharapkan dapat meningkatkan sifat bioaktif dari implan dan memperlambat laju degradasi implan. Hal penting yang menentukan suatu implan bisa diaplikasikan secara klinis adalah derajat biokompatibilitas. Biokompatibilitas adalah kemampuan implan untuk dapat diterima dalam tubuh inang dan tidak memiliki efek yang merugikan. Pada penelitian ini dilakukan pengujian terhadap komposit MgZn-xHA baik secara in vitro maupun in vivo. Data yang diperoleh dapat dijadikan sebagai parameter untuk mengevaluasi reaksi sel dan tubuh inang terhadap implan. Salah satu pengujian in vitro yang dapat dilakukan untuk melihat sifat toksisitas dari suatu material implan adalah dengan uji microculture tetrazolium (MTT). Hasil uji MTT menunjukkan komposit MgZn-xHA memiliki persentase viabilitas sel yang besar yaitu lebih dari 90%, sehingga digolongkan sebagai material yang bersifat tidak sitotoksik. Komposit MgZn-7HA memiliki persentase viabilitas sel yang paling baik diantara semua bahan implan, bahkan lebih baik dibandingkan stainless steel yang umum digunakan sebagai implan ortopedi. Pengujian in vivo dilakukan pada 42 ekor tikus jantan jenis Sprague Dawley. Tikus dibagi menjadi 7 kelompok dan diterminasi pada hari ke-3, ke-5, dan ke-7 dalam implantasi fase akut. Kelompok tersebut adalah sham (kontrol tanpa implan), SS316L, Mg, MgZn, MgZn5HA, MgZn7HA, dan MgZn9HA. Pengamatan terhadap perubahan makropatologi jaringan sekitar area implantasi menunjukkan bahwa komposit MgZn-xHA tidak menyebabkan respon inflamasi yang berlebihan terhadap jaringan sekitar implan. Evaluasi terhadap makromorfologi dan laju korosi implan menunjukkan bahwa komposit MgZn-xHA memiliki ketahanan terhadap korosi yang lebih baik daripada paduan MgZn atau Mg murni. Pengambilan darah untuk pemeriksaan hematologi dilakukan pada semua kelompok tikus praimplantasi dan pascaimplantasi pada hari ke-3, 5, dan 7. Secara umum, jenis material yang diimplankan tidak memberikan pengaruh yang berbeda nyata (p<0.05) terhadap profil sel darah merah dan sel darah putih. Hal ini menunjukkan bahwa komposit MgZn-xHA selama masa 7 hari implantasi tidak menginduksi reaksi yang berlebihan pada sel darah merah dan sel darah putih, sehingga mempunyai potensi untuk dijadikan sebagai bahan implan ortopedi. Implan berbahan dasar magnesium menghasilkan gas hidrogen ketika terdegradasi di dalam tubuh. Pengamatan gas yang terbentuk dilakukan dengan metode radiografi. Pengambilan radiografi dilakukan praimplantasi, hari ke-1, 3, 5, dan 7 pascaimplantasi. Evaluasi gas yang terbentuk pada area implan menunjukkan bahwa kelompok sham dan SS316L tidak membentuk gas sama sekali pada semua waktu pengamatan. Gas yang terbentuk dari komposit MgZn-xHA lebih kecil dibandingkan dengan paduan MgZn dan Mg murni. Hal ini membuktikan bahwa penambahan Zn dan HA dapat menurunkan laju pembentukan gas pada implan berbahan dasar Mg. Komposit MgZn-xHA dapat terdegradasi dalam tubuh dan menghasilkan produk korosi berupa mineral Mg, Zn, Ca dan P. Konsentrasi Mg, Zn, Ca, dan P dalam serum darah, urin, feses, dan rambut dievaluasi praimplantasi dan pada hari ke-3, 5 dan 7 pascaimplantasi. Konsentrasi Mg, Zn, Ca dan P baik pada serum, feses, urin dan rambut tidak mengalami perubahan yang signifikan. Hal ini membuktikan bahwa implan MgZn-xHA berpotensi dijadikan sebagai implan ortopedi.

Orthopedic implants are used as internal device to help heal bones that have been injured either due to trauma or disease. Degradable metals such as magnesium (Mg) have the potential to be used as orthopedic implants. The main disadvantages of Mg and its alloys are the corrosion rate and the formation of hydrogen gas which is too fast. The method commonly used to control the corrosion rate of Mg is to make an alloy. One of the materials that is often combined with Mg is zinc (Zn). In this study, hydroxyapatite (HA) was also added to Mg and Zn to form MgZn-xHA composites. HA mixture to the alloy is expected to improve the bioactive properties of implants and slow down the rate of implant degradation. The important thing that determines an implant can be applied clinically is its biocompatibility. Biocompatibility is the ability of the implant to be accepted in the host body and not have an adverse effect. In this study, tests were carried out on MgZn-xHA composites both in vitro and in vivo. The data obtained can be used as a parameter to evaluate the reaction of cells and the host body to the implant. One of the in vitro tests that can be done to see the toxicity properties of an implant material is the microculture tetrazolium test (MTT). The results of the MTT test showed that the MgZn-xHA composite had a large percentage of cell viability, namely more than 90%, so it was classified as a non-cytotoxic material. MgZn-7HA composites have the best percentage of cell viability among all implant materials, even better than stainless steel which is commonly used as orthopedic implants. In vivo testing was carried out on 42 male Sprague Dawley rats. The rats were divided into 7 groups and terminated on day 3, 5, and 7 in acute phase implantation. The groups were sham (control without implants), SS316L, Mg, MgZn, MgZn5HA, MgZn7HA, and MgZn9HA. Observation of the changes in tissue macropatology around the implantation area showed that the MgZn-xHA composite did not cause an excessive inflammatory response to the surrounding tissue of the implant. Evaluation of the macromorphology and corrosion rate of implants showed that MgZn-xHA composites had better corrosion resistance than pure MgZn or Mg alloys. Blood sampling for hematological examination was carried out in all groups of mice before implantation and after implantation on days 3, 5, and 7. In general, the type of material implanted did not have a significant effect (p <0.05) on the red blood cell profile and white blood cell. This shows that the MgZn-xHA composite during the 7 days implantation period does not induce an overreaction in red blood cells and white blood cells therefore it has the potential to be used as an orthopedic implant material. Magnesium-based implants produce hydrogen gas when it is degraded in the body. Observation of the gas formed was carried out by the radiographic method. Radiographs were taken before implantation, day 1, 3, 5, and 7 after implantation. Evaluation of the gas formation in the implant area showed that the sham and SS316L groups did not form gas at all observation times. The gas formed from the MgZn-xHA composite is smaller than the pure MgZn and Mg alloys. This proves that the addition of Zn and HA can reduce the rate of gas formation in Mg-based implants. MgZn-xHA composites can be degraded in the body and produce corrosion products in the form of minerals Mg, Zn, Ca and P. The concentrations of Mg, Zn, Ca, and P in blood serum, urine, feces and hair were evaluated before implantation and on day 3, 5 and 7 after implantation. The concentration of Mg, Zn, Ca and P in serum, feces, urine and hair did not change significantly. This proves that the MgZn-xHA implant has the potential to be used as an orthopedic implant.