
Bandung, 24 Juni 2025 – Inovasi dalam pengembangan material biomedis terus menjadi fokus penting dalam dunia rekayasa material, terutama dalam menjawab tantangan terhadap keberhasilan penggunaan implan tubuh manusia. Salah satu tantangan utama adalah memastikan bahwa material yang digunakan tidak hanya cocok secara mekanik, tetapi juga aman dan kompatibel dengan jaringan biologis. Dalam konteks ini, Bapak Teddy Sjafrizal, B.Eng(Hons), M.Sc., Ph.D., dosen dan peneliti di Fakultas Rekayasa Industri, mengusulkan pendekatan baru yang menjanjikan: penggunaan unsur germanium sebagai elemen pencampur pada paduan titanium untuk aplikasi implan.
Tantangan Penggunaan Paduan Titanium Konvensional
Titanium dan paduannya telah lama digunakan sebagai material implan karena kekuatan mekanik dan ketahanannya terhadap korosi. Namun, paduan titanium yang umum digunakan saat ini, seperti Ti-6Al-4V, mengandung unsur aluminium dan vanadium yang dikenal memiliki biokompatibilitas rendah. Sejumlah studi menunjukkan bahwa paparan jangka panjang terhadap kedua unsur ini di dalam tubuh manusia dapat memicu reaksi toksik dan inflamasi, serta berpotensi berkontribusi terhadap perkembangan penyakit neurodegeneratif seperti Parkinson dan Alzheimer.
Selain isu biokompatibilitas, tantangan lain yang tak kalah penting adalah fenomena stress shielding. Hal ini terjadi karena modulus elastisitas paduan titanium yang terlalu tinggi dibandingkan dengan tulang manusia, menyebabkan beban mekanik tidak tersalurkan secara merata dan memicu degradasi tulang di sekitar area implan. Dalam jangka panjang, kondisi ini dapat mengarah pada kegagalan implan, terutama pada kasus implan ortopedi seperti penggantian sendi atau tulang panjang, di mana distribusi beban sangat penting bagi keberhasilan terapi.
Oleh karena itu, pengembangan material implan dengan modulus elastisitas yang lebih mendekati tulang alami menjadi fokus penting dalam riset material medis terkini.
Germanium: Alternatif Menjanjikan Pengganti Aluminium
Berangkat dari masalah tersebut, penelitian Bapak Teddy Sjafrizal, B.Eng(Hons), M.Sc., Ph.D. berfokus pada eksplorasi germanium (Ge) sebagai kandidat pengganti aluminium dalam paduan titanium. Germanium dikenal memiliki toksisitas rendah dan telah digunakan dalam sejumlah aplikasi medis serta elektronik. Dalam sistem paduan titanium, germanium menunjukkan potensi sebagai alpha stabiliser, yakni elemen yang mampu menstabilkan fase alpha pada titanium.
Penelitian ini mengevaluasi dua jenis sistem paduan titanium: beta titanium dan metastable beta titanium, yang dikenal lebih fleksibel dan memiliki modulus elastisitas lebih rendah dibandingkan paduan alpha-beta konvensional.
Pada paduan beta titanium, penambahan germanium menunjukkan kontribusi signifikan dalam membentuk struktur mikro yang stabil, sekaligus mempertahankan kekuatan mekanik dan ketangguhan material. Stabilitas fasa beta sangat krusial untuk menghasilkan implan dengan sifat elastisitas yang lebih dekat ke tulang manusia, sehingga mampu mengurangi efek stress shielding secara efektif.
Lebih jauh lagi, pada paduan metastable beta titanium, germanium mampu menahan kemunculan fasa omega – sebuah fasa keras yang seringkali muncul saat pendinginan cepat atau setelah proses deformasi plastik. Fasa omega memiliki sifat getas dan keberadaannya sering kali tidak diinginkan karena bisa mengurangi daya tahan dan fleksibilitas implan. Germanium membantu menjaga kestabilan struktur dan menghindari transformasi yang merugikan tersebut.
Selain kontribusinya terhadap sifat mekanik, germanium juga menawarkan keunggulan dalam proses manufaktur, khususnya pada teknik sintering. Karena memiliki titik leleh lebih rendah dibandingkan titanium, germanium mengalami transient liquid phase selama proses pemanasan, yang memfasilitasi liquid phase sintering.
Kehadiran fase cair sementara ini memungkinkan partikel logam menyatu lebih cepat dan padat, menghasilkan peningkatan densitas akhir material, mengurangi porositas, dan meningkatkan performa mekaniknya secara keseluruhan.
Berdasarkan hasil eksplorasi dan karakterisasi, Bapak Teddy Sjafrizal, B.Eng(Hons), M.Sc., Ph.D. merekomendasikan dua sistem paduan titanium yang menunjukkan performa unggul:
· Ti-7Fe-2Ge, dengan kombinasi elemen yang memberikan kekuatan dan fleksibilitas tinggi serta memanfaatkan elemen Fe yang ekonomis.
· Ti-10Cr-2Ge, yang menunjukkan ketahanan terhadap korosi dan stabilitas struktur tinggi, serta mencegah pembentukan fasa omega.
Kedua sistem paduan ini dinilai sangat menjanjikan untuk dikembangkan sebagai material implan generasi baru, karena menggabungkan biokompatibilitas yang tinggi, fleksibilitas mekanik yang optimal, serta kemudahan dalam proses manufaktur. Detail lengkap mengenai temuan dan pengujian dari penelitian ini dapat ditemukan dalam publikasi-publikasi ilmiah berikut:
1. Sjafrizal, T., Kent, D., Dehghan‐Manshadi, A., & Dargusch, M. S. (2025). Powder Metallurgy Preparation of Metastable β Ti–Cr–Ge Alloys for Medical Applications. Advanced Engineering Materials, 2500563. → Membahas proses pembuatan paduan Ti–Cr–Ge melalui teknik powder metallurgy dan evaluasi performa mekanikanya.
2. Sjafrizal, T., Kent, D., Dehghan-Manshadi, A., Xiao, W., & Dargusch, M. S. (2022). Metastable Ti-Fe-Ge alloys with high elastic admissible strain. Materialia, 21, 101304. → Mengulas performa mekanika Ti-Fe-Ge untuk aplikasi implant.
3. Sjafrizal, T., Kent, D., Dehghan-Manshadi, A., Yan, M., & Dargusch, M. S. (2020). Role of germanium in microstructural development of powder metallurgy Ti-20Cr-xGe alloys. Materials Letters, 274, 127964. → Fokus pada peran germanium dalam pengembangan mikrostruktur selama proses sintering paduan titaniu, dan pengaruhnya terhadap performa material.
Penelitian ini menegaskan pentingnya pendekatan yang tidak hanya berorientasi pada kekuatan material, tetapi juga pada keselamatan, keberlanjutan, dan kenyamanan pasien. Penggunaan germanium pada paduan titanium membuka jalan menuju inovasi implan yang lebih cerdas dan manusiawi, mengurangi risiko medis, serta meningkatkan kualitas hidup pasien.
Karya ini didanai oleh LPDP Budi. Melalui karya ini, Teddy Sjafrizal turut memperkuat kontribusi Fakultas Rekayasa Industri dalam mendukung riset terapan yang berdampak global, sekaligus menginspirasi mahasiswa dan akademisi untuk terus menciptakan solusi inovatif di bidang material medis.
Author: Teddy Sjafrizal, B.Eng(Hons), M.Sc., Ph.D.