tambahan, struktur ujung permukaan sangat berpengaruh terhadap kemampuan menahan beban.
2.2. Landasan teori 2.2.1. Tulang-tulang anggota gerak
2.2.1.1. Tulang-tulang lengan
Tulang-tulang lengan dan tangan manusia terdiri dari beberapa bagian yaitu: skapula, klavikula, humerus, ulnaris, ossa kalpalia,
ossa metakarpalia, dan phalanges seperti terlihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6. Tulang-tulang lengan dan tangan dilihat dari depan Gibson,1995
Keterangan gambar:
- Skapula adalah tulang segitiga datar yang membentuk bagian dari
korset bahu.
- Klavikula adalah tulang kolar yang hampir menyerupai huruf S
yang melekat pada ujung medial kemanubrium sternum , pada ujung lateral ke processus acromiom dari skapula.
- Humerus adalah tulang panjang dengan kaput ujung atas, korpus, dan ujung bawah.
- Radius adalah tulang pada sisi luar dari lengan bawah yang
memiliki ujung proksimal dengan kaput, collum, dan tuberositas tempat melekatnya tendon dari otot bisep.
- Ulna adalah tulang panjang pada sisi dalam lengan bawah. - Karpalia adalah tulang pergelangan yang terdiri dari delapan ruas
tulang kecil yang tidak beraturan yang tersusun menjadi dua baris. - Metakarpal adalah lima ruas tulang pada tangan.
2.2.1.2. Tulang-tulang tungkai
Tulang-tulang tungkai manusia terdiri dari beberapa bagian yaitu os coxae, femur, patella, tibia, fibula, ostarsal, metatarsal, dan
phalanges seperti ditunjukkan pada gambar 2.7 .
Gambar 2.7. Tulang -tulang kaki dilihat dari depan Gibson,1995 Keterangan gambar:
- Os coxae adalah tulang besar, kuat, dan merupakan tulang yang berbentuk tidak teratur.
- Femur adalah tulang panjang yang terdiri dari tiga bagian yaitu ujung atas, korpus, dan ujung bawah.
- Patela adalah tulang berbentuk segitiga kasar dengan sudut-sudut yang membulat dan bagian apeksnya
meruncing kebawah. - Tibia dan fibula adalah tulang dibawah lutut.
2.2.2. Persendian dan pergerakan 2.2.2.1. Persendian
Persendian adalah kumpulan dari jaringan-jaringan yang menghubungkan antara dua tulang atau lebih, baik yang dapat
bergerak maupun yang tidak bergerak. Beberapa persendian misalnya pada lutut mempunyai bantalan jaringan yang di
antaranya seperti pada gambar 2.8.
Gambar 2.8. Struktur dasar persendian: a lutut, b pinggul Gibson,1995
Ada beberapa jenis persendian pada tulang manusia diantaranya:
a
b
1. Sendi hinge. Sendi hinge adalah sendi yang dapat menghasilkan pergerakan fleksi dan ekstensi, seperti pada
siku. 2. Sendi bola dan soket. Pada sendi jenis ini, kaput salah satu
tulang masuk ke dalam mangkuk tulang yang lainnya, seperti halnya pada sendi panggul.
3. Sendi kondiloid, yaitu suatu sendi hinge yang memungkinkan pergerakan lateral seperti persendian temporomandibular
dagu. 4. Sendi plana. Sendi plana merupakan salah satu permukaan
artikulasio tulang yang mempunyai bentuk plana, seperti persendian pada pergelangan.
2.2.2.2. Gerakan Persendian
Ada tiga macam pergerakan persendian pada tulang manusia, yaitu:
1. Glinding. Pada tipe ini pergerakan sendi dimulai dari salah satu permukaan yang berada di atas, sedangkan yang lain sebagai
sendi bidang. 2. Flexi. Pergerakan flexi merupakan gerakan menurunkan sudut
persendian, seperti halnya ketika melipat siku. 3. Ekstensi. Pergerakan ekstensi yaitu menambah besar sudut
persendian, seperti halnya ketika meluruskan siku.
2.2.3. Hip joint 2.2.3.1. Hip joint yang normal
Hip joint adalah sambungan dari tulang-tulang yang menjadi tumpuan paling besar weight bearing. Hip joint terdiri dari tiga
bagian utama, yaitu: femur, femoral head, dan rounded socked.
Gambar 2.9. Hip joint yang normal www.nlm.nih.gov Di dalam hip joint yang normal gambar 2.9 terdapat suatu
jaringan yang lembut dan tipis yang disebut dengan selaput synovial. Selaput ini membuat cairan yang melumasi dan hampir
menghilangkan efek gesekan di dalam hip joint. Permukaan tulang juga mempunyai suatu lapisan tulang rawan articular
cartilage yang merupakan bantalan lembut dan memungkinkan tulang untuk bergerak bebas dengan mudah. Lapisan ini
mengeluarkan cairan yang melumasi dan mengurangi gesekan di dalam hip joint. Akibat gesekan dan gerak yang hampir terjadi
setiap hari, maka articular cartilage akan semakin melemah dan bisa menyebabkan arthritis seperti ditunjukkan pada gambar
2.10.
Gambar 2.10. Hip arthritis www.nlm.nih.gov
2.2.3.2. Gaya-gaya yang terjadi saat berjalan
2.2.3.2.1. Gerakan oscillatory
Ketika berjalan, kaki dan tangan melakukan gerakan berulang yang serupa bandul.
Dengan menggunakan observasi ini, kecepatan berjalan pada
langkah alamiah dapat dihitung. John R, Cameron 1999 menjelaskan bahwa
besarnya amplitudo pada gerakan osilasi kecil, sementara periode bandul T= 2
? Lg
12
, dimana g adalah gravitasi lihat gambar 2.11. Untuk tipe kaki orang yang tingginya 2
m, panjang efektif kaki L
eff
= 0,2 m dan periode T = 0,9 s lihat gambar 2.11.
Gambar 2.11.a Bandul sederhana dengan panjang L melakukan getaran amlitudo kecil. b Kaki saat
berjalan juga berlaku seperti bandul Cameron, dkk., 1999
2.2.3.2.2. Gaya gesekan
Gaya gesekan terjadi bila tubuh melakukan gerakan, misalnya memegang tambang, berjalan, atau berlari.
Penyakit pada tulang seperti seperti arthritis, akan menambah besarnya gesekan, dan lama-kelamaan akan
mengakibatkan kerusakan permanen. Ketika tumit seseorang menyentuh tanah saat
berjalan, suatu gaya dari tanah mendesak kaki gambar 2.12.a. Gaya dari tanah dapat diurai menjadi komponen
horizontal dan vertikal. Gaya vertikal, yang didukuk ung oleh permukaan, diberi label N suatu gaya tegak lurus
dengan permukaan. Komponen horizontal F
H
didukung oleh gaya gesek. Gaya gesek maksimum F
f
biasanya dijabarkan dengan:
F
f
= ?
N..............................................................1
Dengan : ?
= Koefisien statis antara dua permukaan
dimana nilai koefisien gesekan sendi tulang berpelumas adalah 0,003.
N= Gaya tegak lurus dengan permukaan
Newton. Dari hasil pengukuran telah didapatkan komponen
gaya horizontal pada tumit saat menjejak tanah ketika seseorang berjalan yaitu: 0,15 W. Dimana W adalah berat
tubuh John R. Cameron, 1999.
Gambar 2.12.a Komponen gesek horizontal gaya F
H
dan komponen vertikal gaya N dengan resultan R yang ada pada tumit pada saat menjejakkan tanah,
memperlambat kaki dan tubuh. b ketika kaki meninggalkan tanah komponen gesek gaya F
H
mencegah kaki tergelincir ke belakang dan menyediakan gaya untuk mengakselerasikan tubuh ke
depan Cameron, dkk., 1999
2.2.3.2.3. Gaya dinamis pada sendi pinggul
Ketika berjalan beban yang terjadi pada kaki, khususnya sendi pinggul, bersifat dinamis. Seperti
ditunjukkan hasil penelitian Paul J. P Adams, Direct measurement of local pressures in the cadaveric human
hip joint during simulated level walking, 1985 dimana ia membagi proses sekali langkah dalam enam tahapan.
Pada setiap tahapan beban yang terjadi tidak sama dinamis, puncaknya saat beban tubuh tertumpu pada
satu kaki. Dari penelitiannya juga dicantumkan waktu yang dibutuhkan untuk setiap tahapan, sementara waktu yang
dibutuhkan untuk sekali langkah kurang lebih 7 detik gambar 2.13.
Gambar 2.13. Besarnya gaya pada hip joint dan waktu yang dibutuhkan untuk sekali langkah Adams, 1985
Sementara itu hasil pengukuran lainnya gambar 2.14 menunjukkan besarnya gaya maksimum yang terjadi pada
hip joint prosthesis saat kaki berjalan dengan kecepatan normal sebesar 610 N www.orthoload. com, akses: 20
Juli 2009. Dimana diletakkan suatu alat yang dapat mengukur besarnya gaya yang terjadi pada hip joint baik
gaya vertikal F
z
, gaya arah depan F
x
, gaya arah ke samping F
y
, dan gaya total F.
Gambar 2.14. Hasil pengukuran besarnya gaya pada hip joint prosthesis kaki kiri seorang pria dengan berat 62 kg dengan
waktu sekitar 1.2 detik untuk sekali langkah www.orthoload.com
Sewaktu berjalan terdapat saat ketika hanya satu kaki yang menjejak tanah dan pusat gravitasi tubuh terletak
pada kaki tersebut. Gambar 15 menunjukkan gaya yang paling penting yang terjadi pada kaki tersebut. Dimana
gaya itu adalah: 1. Gaya vertikal ke atas pada kaki, setara dengan berat
tubuh W; 2. Berat kaki WL, yang rata -rata setara dengan W7;
3. R, gaya reaksi antara femur dan pinggul sebesar 2,4W;
4. T, tekanan pada kelompok otot antara pinggul dan trochanter yang lebih besar pada femur, yang
menyediakan gaya untuk menjaga tubuh tetap seimbang yang besarnya 1,6W.
Gambar 2.15. Suatu diagram yang menunjukkan rata- rata gaya dan dimensi dalam cm untuk pinggul-kaki di
bawah beragam kondisi Cameron, dkk., 1999
Dari gambar 2.15 di atas dapat dijelaskan sebagai berikut: a.Ketika seseorang berdiri di atas satu kaki. Gaya
vertikal ke atas merupakan berat W seseorang. Berat kaki W
L
diambil menjadi W7 dan sudut otot abductor pinggul yang diindikasikan dengan T
adalah sebesar 70 . R adalah gaya raksi antara
pinggul dan kepala femur sendi pinggul. b.Ketika sendi pinggul maupun otot abductor terluka,
tubuh bungkuk ke arah cg melalui pusat femur dan pusat kaki, yang kemudian mengurangi gaya reaksi
R dan gaya otot abductor. Gaya reaksi rata -rata setara dengan berat tubuh di atas sendi ditambah
kaki yang lain atau 67W.
c. Ketika tongkat dipergunakan, gaya abductor T dan gaya reaksi R pada kepala femur berkurang cukup
besar. Gaya ke atas F
c
= W6 memberikan T ?
0,65W dan R ?
1,3W. 2.2.3.2.3.
Sistem koordinat pada sendi pinggul
Komponen-komponen arah beban pada sendi pinggul ditulis dengan -F
x
, -F
y
, -F
z
dengan suatu tanda yang negatif. Nilai-nilai gaya positif menandai adanya
aksi komponen-komponen terhadap femoral head. Tegangan ke arah atas ditulis dengan F
z
, sementara beban arah depan dengan F
x
dan beban arah samping dengan F
y
.
Gambar 2.16. Sistem koordinat pada tulang paha kiri www.orthoload.com
2.2.4. Gambaran umum tentang hip joint replacement 2.2.4.1. Indikasi dan proses hip joint replacement
Gambar-gambar di bawah menunjukkan gambaran tentang hip joint yang normal serta indikasi terjadinya radang sendi dan
tahapan-tahapan proses hip replacement sampai hasil hip replacement.
Gambar 2.17. Hip joint yang normal www.nlm.nih.gov. Gambar 2.17 menunjukkan anatomi hip joint yang normal.
Femoral head masih memiliki articular cartilage yang baik, dimana masih mampu mengeluarkan cairan yang melumasi dan mengurangi
efek gesekan pada sambungan sendi.
Gambar 2.18. Indikasi terjadinya arthritis www.nlm.nih.gov.
Pada gambar 2.18 terlihat bahwa articular cartilage pada femoral head telah berkurang, hal inilah yang menyebabkan
terjadinya radang sendi. Gambar 2.19 dan 2.20 adalah gambaran tentang penggantian
sambungan tulang pinggul dengan sambungan tulang pinggul tiruan hip joint prosthesis. Gambar 2.18 menunjukkan pemotongan tulang
femur, yang kemudian diganti dengan hip joint prosthesis dengan cara menanam stem pada tulang femur dan cup pada acetabulum,
seperti terlihat pada gambar 2.19.
Gambar 2.19. Pemotongan tulang femur www.nlm.nih.gov
Gambar 2.20.
Pemasangan hip joint prosthesis
www.nlm.nih.gov
Gambar 2.21 menunjukkan perbandingan antara hip joint yang belum dilakukan penggantian sambungan tulang dan setelah
dilakukan penggantian tulang.
Gambar 2.21. Hip joint sebelum dan sesudah dilakukan hip replacement www.nlm.nih.gov
2.2.5. Desain hip joint prosthesis
Hip joint prosthesis terdiri dari empat bagian gambar 2.22:
1. Cup. Cup berfungsi untuk menggantikan hip socket. Cup umumnya terbuat dari plastik, keramik, atau metal.
2. Metal ball head, yang akan menggantikan fractured head dari femur.
3. Stem batang metal yang terkait dengan batang tulang untuk menambahkan stabilitas hip joint prosthesis.
4. Batang
Gambar 2.22. Hip joint prosthesis Suhendra, 2005 Keterangan:
A. Cup B. Ball head
C. Stem D. Batang
2.2.6. Variabel proses hip joint prosthesis
Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan simulasi hip joint antara lain:
1. Gesekan Pada saat simulasi hip joint prosthesis berlangsung, besarnya
gesekan antara permukaan stem dengan ball head bagian dalam dan ball head bagian luar dengan cone akan mempengaruhi
penyaluran tegangan dan hasil dari produk ya ng dibuat.
2. Kekuatan material Material hip yang mempunyai kekuatan elastisitas maksimum
yang besar mampu menahan tegangan yang lebih besar sehingga produk tidak mudah mengalami deformasi, sedangkan material
dengan kekuatan elastisitas maksimum yang kecil akan mudah mengalami cacat.
2.2.7. Material untuk hip joint prosthesis
Material yang digunakan untuk hip joint prosthesis umumnya terbuat dari bahan keramik pada bagian ball head-nya. Bahan keramik yang
sering digunakan adalah alumina, silicon, carbide, silicon nitride , dan zirconia. Tabel 2.1 menunjukkan sifat-sifat dari keempat material tersebut.
Tabel 2.1. Sifat-sifat alumina, silicon carbide, silicon nitride, dan zirconia Weisse, 1997
Sementara itu untuk bahan stem dan cone serta bahan ball head yang lain bisa dilihat pada tabel 2.2.
Tabel 2.2. Sifat-sifat material untuk ball head, stem, dan cone Weisse dkk.,2003
2.2.7.1. Aluminium oksida alumina
Aluminium oksida adalah sebuah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia Al
2
O
3
. Nama mineralnya adalah alumina, dan dalam bidang pertambangan, keramik dan teknik
material senyawa ini lebih banyak disebut dengan nama alumina. Aluminium oksida berperan penting dalam ketahanan logam
aluminium terhadap perkaratan dengan udara. Logam aluminium sebenarnya amat mudah bereaksi dengan oksigen di udara.
Aluminium bereaksi dengan oksigen membentuk aluminium oksida, yang terbentuk sebagai lapisan tipis yang dengan cepat menutupi
permukaan aluminium. Lapisan ini melindungi logam aluminium dari oksidasi lebih lanjut. Ketebalan lapisan ini dapat ditingkatkan melalui
proses anodisasi. Beberapa alloy paduan logam, seperti perunggu aluminium, memanfaatkan sifat ini dengan menambahkan aluminium
pada alloy untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Al
2
O
3
yang dihasilkan melalui anodisasi bersifat amorf, namun beberapa proses oksidasi seperti plasma electrolytic oxydation
menghasilkan sebagian besar Al
2
O
3
dalam bentuk kristalin, yang meningkatkan kekerasannya.
Secara alami, aluminium oksida terdapat dalam bentuk kristal corundum. Batu mulia rubi dan sapphire tersusun atas corundum
dengan warna-warna khas yang disebabkan oleh karena kadar ketidakmurnian dalam struktur corundum.
Aluminium oksida merupakan komponen dalam bijih bauksit aluminium yang utama. Bijih bauksit terdiri dari Al
2
O
3
, Fe
2
O
3
, dan SiO
2
yang tidak murni. Campuran ini dimurnikan terlebih dahulu melalui Proses Bayer dengan reaksi seperti di bawah:
Al
2
O
3
+ 3H
2
O + 2NaOH + panas ? 2NaAlOH
4
Fe
2
O
3
tidak larut dalam basa yang dihasilkan, sehingga bisa dipisahkan melalui penyaringan. SiO
2
larut dalam bentuk silikat SiOH
6 2-
. Ketika cairan yang dihasilkan didinginkan, maka akan terjadi endapan AlOH
3
, sedangkan silikat masih larut dalam cairan tersebut. AlOH
3
yang dihasilkan kemudian dipanaskan seperti reaksi di bawah:
2AlOH
3
+ panas ? Al
2
O
3
+ 3H
2
O Al
2
O
3
yang terbentuk adalah alumina. Data dari www.wikipedia.org 28 Maret 2009 menyatakan
bahwa setiap tahunnya, 45 juta ton alumina digunakan, lebih dari 90-nya digunakan dalam produksi logam aluminium. Aluminium
hidroksida digunakan dalam pembuatan bahan kimia pengelolaan air seperti aluminium sulfat, polialuminium klorida, dan natrium
aluminat. Berton-ton alumina juga digunakan dalam pembuatan zeolit, pelapisan pigmen titania dan pemadam api. Alumina
merupakan insulator listrik, tetapi memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi
2.2.7.2. Silicon carbide
