• Dr. Lies Banowati, S.T., M.T.
  • Tanggal Diubah : 28 Juli 2020
    Status Registrasi : Sudah Registrasi

Alat Bantu Medis Boston Brace Scoliosis Menggunakan Prepreg Komposit Termoplastik Benang Rami/HDPE

Deskripsi

Alat Bantu Medis Boston Brace Scoliosis Menggunakan Prepreg Komposit Termoplastik Benang Rami/HDPE

 

Dr. Lies Banowati, ST., MT.

Prof. Dr. Ir. H. Rochim Suratman

Prof. Dr. Ir. Bambang Kismono Hadi

Dr. Agus Hadian Rahim. dr., Sp.OT(K)., M.Epid., M.HKes

 

Latar Belakang Permasalahan

Perkembangan komposit dengan bahan serat alam pada saat ini telah mengalami peningkatan yang sangat pesat dan akan melengkapi komposit dengan bahan serat sintetis yang selama ini digunakan sebagai penguat komposit seperti serat gelas, carbon, kevlar, logam, dan polimer. Bahan-bahan tersebut memiliki kekurangan yaitu ketersediaan di alam semakin berkurang.

Komposit dengan bahan serat alam memiliki keunggulan yaitu: teknologi yang ramah lingkungan, mampu daur ulang, keberlanjutan dan dapat diperbaharui yang disebut sebagai “Teknologi Hijau” yang lebih mengutamakan kelestarian lingkungan hidup. Komposit tersebut merupakan salah satu sumber hayati yang memiliki potensi yang baik untuk dikembangkan di Indonesia. Pengembangan teknologi komposit berpenguat serat alam sejalan dengan kebijakan pemerintah untuk menggali potensi local genius yang ada. Hal ini tentu akan mampu meningkatkan pemberdayaan sumber daya alam lokal yang dapat diperbaharui (Jamasri,2008).

Disamping itu komposit dengan bahan serat alam tersebut akan melengkapi komposit dengan bahan serat sintetis yang selama ini digunakan di berbagai bidang, baik itu otomotif, penerbangan, transportasi, kontruksi, olahraga, bahkan sudah merambah di dunia kesehatan.

Bahan komposit pada umumnya dibentuk dari dua unsur utama yaitu serat (fiber) sebagai penguat dan matriks sebagai pengikat serat-serat tersebut. Serat inilah yang menentukan sebagian besar sifat karakterisitik komposit seperti kekuatan dan kekakuannya. sedangkan matriks berfungsi sebagai pelindung, pengikat dan penyalur tegangan antar serat (Hadi, 2000). Pada riset ini mengaplikasikan prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE (High Density Polyethylene) yang berpenguat serat alam rami dan matriks HDPE yang dibentuk menjadi prepreg sebagai bahan baku alat bantu medis boston brace (penyangga) pada pasien scoliosis.

Saat ini bahan baku alat bantu medis brace untuk penderita scoliosis yang sering  digunakan adalah polimer polyethylene (PE) dan polyprophylene (PP), bahan tersebut sebagian besar masih diimpor dari luar negri sehingga harga brace menjadi mahal, tidak terjangkau oleh pasien dengan ekonomi lemah.

Serat rami (Boehmeria Nivea Gaudich) sebagai penguat komposit memiliki keunggulan, merupakan tumbuhan perdu yang cocok dibudidayakan di Indonesia yang beriklim tropis sehingga ketersediaan bahan bakunya berlimpah di Indonesia namun belum banyak pemanfaatannya. Sedangkan matriks polimer HDPE sebagi pengikat komposit memiliki keunggulan yaitu sifat daur ulang dan lebih banyak diaplikasikan pada pembuatan botol, peralatan rumah tangga dan pipa.

Dengan sifat polimer HDPE tersebut maka botol dan peralatan rumah tangga dan pipa bekas dapat didaur ulang menjadi bahan matriks HDPE, hal tersebut setidaknya dapat mensolusi permasalahan sampah plastik sebagai salah satu penyebab terjadinya pemanasan global. Sehingga dengan menggunakan prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE yang bahan bakunya diproduksi di dalam negri maka alat bantu medis brace tersebut menjadi murah dan terjangkau oleh pasien dengan ekonomi lemah.

Keunggulan sifat mekanik yang dimiliki oleh prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE  yaitu kuat, kaku dan ringan sehingga menghasilkan brace yang rigid dapat berfungsi dengan baik untuk mencegah progresivitas pembengkokan tulang belakang. Disamping itu brace harus dipakai secara teratur 23 jam dalam sehari hingga 2 tahun setelah kondisi tulang belakang mendekati sempurna maka brace harus didisain lebih tipis sehingga brace menjadi lebih ringan dan nyaman, karena masalah utama yang dihadapi ketika menggunakan brace adalah rasa berat, sesak dan panas yang menyebabkan pasien tidak disiplin dalam menggunakannya sehingga tidak dapat memberikan hasil sebagaimana yang diharapkan.

Keunggulan sifat mekanik lainnya dari oleh prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE adalah tahan terhadap beban impak yang baik dengan mengatur orientasi serat dan fraksi volume serat dan matrik yang sesuai. Brace yang menggunakan bahan komposit tersebut akan lebih aman dibandingkan dengan bahan PP/PE saja, karena tidak membahayakan pasien ketika pasien terjatuh dimana pecahan plastik HDPE akan diredam oleh serat rami.

Melihat keunggulan dari sifat mekanik prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE berpotensi untuk diaplikasikan pada rancang bangun prototipe alat bantu medis brace untuk pasien scoliosis, merupakan produk inovasi yang kompetitif dan ekonomis sehingga dapat memberikan solusi terhadap permasalahan seperti yang telah disebutkan sebelumnya dan dapat dikembangkan lebih lanjut.

 

Ruang Lingkup Riset

            Bagian pertama dalam penelitian ini adalah analisis karakteristik mekanik HDPE, benang rami dan prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE untuk mendapatkan sifat mekaniknya.

Bagian kedua adalah rancang bangun prototipe boston brace menggunakan prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE dengan metoda thermoforming adalah sebagai berikut: prepreg dipanaskan, dicetak dan dibentuk pada possitive molding brace. Metoda tersebut untuk membuktikan apakah prepreg tersebut memiliki sifat mampu bentuk dan mampu produksi yang baik mengikuti bentuk geometri double curve dari brace.

Bagian ketiga adalah melakukan analisis FEM (Finite Element Model) menggunakan software MSC Patran/Nastran pada struktur boston brace dan perekat-nya dengan parameter arah serat yang bervariasi untuk mengetahui nilai tegangan maksimum yang terjadi dibandingkan dengan nilai hasil uji kekuatan tarik secara eksperimental sehingga valid untuk diaplikasikan sebagai bahan baku dalam rancang bangun boston brace. Disamping itu dapat menentukan ketebalan dan posisi peletakan gaya pengkoreksi (pad) yang dibutuhkan pada boston brace.

Bagian keempat adalah melakukan analisis gait menggunakan perangkat lunak biomekanika. Bagian ini berisi pembahasan analisis pola gerak tubuh atas saat berjalan dan membandingkannya antara pasien anak scoliosis pada saat menggunakan dan tanpa menggunakan brace.

Seluruh rangkaian riset ini bertujuan untuk mendapatkan karakter prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE yang mempunyai sifat lebih kuat kaku dan ringan untuk diaplikasikan pada pengembangan dan pembuatan prototipe alat bantu medis boston brace untuk pasien scoliosis.

 

Manfaat, Kontribusi Kebaruan Dalam Riset

Manfaat, kontribusi dan kebaruan dalam riset ini adalah mengkaji sifat-sifat mekanik prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE yang akan diaplikasikan pada rancang bangun prototipe alat bantu medis boston brace untuk pasien scoliosis yang belum dilakukan di Indonesia. Komposit tersebut dapat dijadikan sebagai material pelengkap dan alternatif dari material PP/PE yang selama ini digunakan sebagai bahan baku alat medis tersebut.

Secara umum metode yang digunakan dalam riset ini adalah dengan menggunakan bahan serat alam rami yang sudah dijadikan benang rami dan matrik HDPE. Proses manufaktur pembuatan bahan baku jenis prepreg komposit ttermoplastik benang rami/HDPE untuk penelitian dengan menggunakan metode hot compression molding

Serat yang dipilih dalam riset adalah rami yang sudah diolah menjadi benang sebagai penguat komposit karena ketersediaan yang cukup berlimpah di Indonesia. Sedangkan matriks yang dipilih pada penelitian ini adalah HDPE yang memiliki hanya beberapa cabang pendek yang dengan mudah membentuk struktur kristal sehingga mempunyai sifat mekanik yang kaku dan dibutuhkan untuk mendisain alat bantu medis brace scoliosis yang berfungsi untuk menstabilkan kurva kelengkungan tulang belakang.

Metode manufaktur prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE yang digunakan adalah hot compression molding, sedangkan metode thermoforming digunakan untuk mencetak brace dari bahan komposit tersebut. Pengujian tarik dan impak, mengacu pada standar ASTM (American Standar Testing and Material).

Riset dan aplikasi komposit rami/epoksi untuk alat bantu medis kaki palsu telah dilakukan (Irawan, 2010). Namun penelitian prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE yang diaplikasikan pada alat bantu medis merupakan hal baru yang belum dilakukan di Indonesia.

Berdasarkan hasil studi pustaka baik dalam bentuk buku, prosiding, jurnal dan tugas akhir (skipsi, tesis dan desertasi) belum ada yang melakukan riset material prepeg komposit termoplastik benang rami/HDPE yang diaplikasikan pada alat bantu medis boston brace untuk pasien scoliosis.

 

Landasan Teori

Seiring dengan perkembangan dunia teknologi namun  seiring  juga dengan maraknya isu pemanasan global, perkembangan teknologi tersebut haruslah beriringan, agar tidak terjadi kesenjangan antara teknologi dan kelestarian lingkungan hidup karena itu di dunia teknologi material perlu dikembangkan “komposit hijau” yang mencakup beberapa aspek, yaitu: ramah lingkungan,  mampu daur ulang, keberlanjutan dan dapat diperbaharui serta sebagai pelengkap dari material konvensional seperti logam dan serat sintetis. Salah satu yang banyak dikembangkan sekarang ini adalah serat alam (Koronis, 2013).

 Serat alam memiliki banyak keuntungan yang luar biasa melebihi serat sintetis. Komposit serat alam juga menawarkan keuntungan lingkungan seperti mengurangi ketergantungan pada sumber energi tak terbarukan, emisi polutan yang lebih rendah, emisi gas rumah kaca yang lebih rendah, peningkatan pemulihan energi, dan akhir masa pakai komponen yang hancur secara biologis (Harane dkk., 2014; Das dkk., 2008).

Sedangkan komposit yang menggunakan bahan sintetis dan logam memiliki kekurangan yaitu ketersediaan di alam semakin berkurang. Karena itu perlu dicarikan material alternatif lainnya sebagai pelengkap material yang sudah ada dan memiliki kelebihan diantaranya ketersediaan material berlimpah namun belum banyak pemanfaatannya, ramah lingkungan dan dapat didaur ulang.

  Pada riset ini, lebih spesifik mengkaji komposit dengan menggunakan bahan penguat serat alam Pada rami yang telah diolah dari tanaman tersebut, berasal dari kulit dan batang rami.

 

Pada Tabel 1. Menunjukkan bahwa serat rami mempunyai sifat mekanik dengan kisaran kekuatan tarik (σ) dan berat jenis (ρ) yang tidak jauh berbeda dibandingkan serat alam lainnya, kecuali dengan kekuatan tarik serat kelapa dan berat jenis serat pisang memiliki kisaran yang cukup signifikan. Namun serat rami memiliki kekuatan dan densitas yang lebih rendah bila dibandingkan serat sintetis E-Gelas dan S-Gelas.

Tabel 1. Perbandingan sifat mekanik serat alam dengan serat gelas (Thi Thu Loan, 2006, Ali, 2012)

                                                                     

Serat

ρ (g/cm3)

σ (MPa)

E (GPa)

e       (%)

σ/ρ     (MPa/ g.cm3)

E/ρ (GPa/ g.cm-3)

Dia. (μm)

Jute

1,3-1,45

393-773

13-26,5

1,16-1,5

286-562

9-19

40-350

Linen

1,5

345-1100

27,6

2,7-3,2

230-773

18

-

Rami

1.5

400-938

61,4-128

1,2-3,8

267-625

41-85

49,6

Eceng Gondok

1,45

468-640

9,4-22

3-7

323-441

3-5

128,8

Sabut Kelapa

1,15

131-175

4-6

15-40

114-152

3-5

121,3

Kenaf

1,31

476

25,1

-

363,36

19,2

60,5

Daun nenas

1,32

654

27

-

495,46

20,46

-

Pisang

0,83

452

12,9

-

544,58

15,54

57,5

Katun

1,6

597

12,6

8,0

373,13

7,88

-

E-Gelas

2,5

2000-3500

70

2,5

800-1400

28

-

S-Gelas

2,5

4570

86

2,8

1828

34

-

Meskipun demikian serat rami memiliki karakteristik yang lebih baik dengan nilai modulus elastisitas (E) tidak jauh berbeda bila dibandingkan serat E-Gelas dan S-Gelas dan regangan yang cukup rendah bila dibandingkan serat E-Gelas, S-Gelas dan serat alam lainnya kecuali serat sabut kelapa dan katun. Karena serat akan menentukan karakteristik material komposit yaitu kekuatan dan kekakuannya yang berfungsi menahan sebagian besar gaya-gaya pada komposit.

Sedangkan matriks HDPE merupakan salah satu jenis dari polimer PE memiliki keunggulan yaitu sifat daur ulang dengan siklus pemanasan-pendinginan berulang kali tanpa degradasi berarti selama masih dalam temperatur operasi maksimalnya, mudah membentuk struktur kristal sehingga lebih kaku, lebih kuat, memberikan leleh yang lebih tinggi dan lebih tahan abrasi dari LDPE. Diaplikasikan pada pembuatan botol, peralatan rumah tangga dan pipa untuk pengiriman gas alam yang bertekanan tinggi (Strong, 2006). Dengan sifat tersebut botol dan peralatan rumah tangga bekas dapat didaur ulang menjadi bahan matriks HDPE, hal tersebut setidaknya dapat mensolusi permasalahan sampah plastik sebagai salah satu penyebab terjadinya pemanasan global.

Sebagai bahan perbandingan bahan PP dan HDPE masing-masing mempunyai mempunyai nilai kekuatan tarik sebesar 35,5 MPa dan 25,5 MPa, nilai densitas spesifik sebesar 0,91 g/cm3 dan 0,96 g/cm3 (Strong, A.B.). Dalam hal ini kekuatan tarik PP lebih besar dibanding HDPE, sedangkan untuk nilai densitas spesifik bahan PP bila dibandingkan dengan HDPE terdapat perbedaan yang tidak begitu signifikan, namun dengan menambahkan serat rami yang memiliki nilai densitas yang cukup ringan sebagai penguat akan menghasilkan komposit rami/HDPE yang mempunyai sifat mekanik yang lebih kuat, kaku dan ringan bila dibandingkan dengan material HDPE dan PP yang selama ini digunakan sebagai bahan baku perancangan alat bantu medis brace scoliosis yang rigid untuk mencegah progresivitas pembengkokan tulang belakang

Namun material tersebut sebagian besar masih diimpor dari negara lain sehingga harganya menjadi mahal. Dengan menggunakan material prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE produksi dalam negri tersebut selain dapat dijadikan sebagai material pelengkap dan bahan baku alternatif untuk merancang alat bantu medis boston brace scoliosis.

Scoliosis didefinisikan sebagai kelengkungan lateral tulang belakang dengan terjadinya puntir tulang belakang dan dada serta adanya gangguan profil sagital (bidang yang membagi tubuh bagian kiri dan kanan) (Weiss,. H.R., 2008). Pada anak-anak yang masih tumbuh misalnya perempuan dengan usia 5 - 13 tahun, dan anak laki-laki usia 12 -14 tahun, kelengkungan biasanya bertambah sampai 25º-30º, karena itu dianjurkan untuk menggunakan brace yang dilekatkan pada tubuhnya selama 23-24 jam untuk membantu memperlambat progresivitas kelengkungan tulang belakang.

Proses Manufaktur Prepreg Komposit Termoplastik Benang Rami/HDPE dan Prototipe Boston Brace

  Pada riset ini langkah pertama adalah proses manufaktur prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE menggunakan mesin hot compression molding adalah salah satu metoda dalam manufaktur komposit untuk membuat komposit dengan matriks yang berbasis polymer. Konsep dari hot compression molding adalah dengan memberi tekanan panas agar penyebaran matriks bisa merata (Sathish, 2014) (Howell, 2014). Gambar 3. menunjukkan skema proses hot compression molding.

Prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE unidirectional , maka benang rami digulung sesuai arah benang dengan menggunakan alat penggulung benang yang berfungsi sebagai cetakan  sampai dengan ketebalan yang dibutuhkan. Sedangkan prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE acak cukup dengan menyusun benang rami yang sudah dipotong-potong sepanjang 30 mm pada permukaan cetakan secara acak. Kemudian benang rami yang sudah disusun ditaburi HDPE secara merata, kemudian dimasukkan ke dalam mesin hot compression molding

Langkah kedua adalah manufaktur brace menggunakan proses thermoforming dengan bahan baku prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE yang dipanaskan dengan memasukkan ke dalam oven selama 10 menit pada suhu ±1000 C .

Secara khusus pada daerah double curve harus diberi tekanan yang lebih dapat mengikuti kontur permukaan yang sesuai dengan bentuk dan ukuran tubuh pasien dengan tujuan memperoleh kenyamanan pada saat dipakai,  karena brace pada posisi yang sesuai melingkupi lekukan tubuh pasien, sehingga brace dapat berfungsi dengan baik untuk mencegah progresivitas pembengkokan tulang punggung pasien scoliosis.

Hasil manufaktur boston brace menggunakan bahan prepreg komposit benang rami/HDPE dengan orientasi acak dan unidirectional 0° memiliki mampu bentuk (formability) yang cukup baik, sehingga sesuai digunakan untuk bahan baku boston brace.

 

Analisis Kekuatan Prepreg Komposit Termoplastik Benang Rami/HDPE dan Boston Brace                                                                                                                       

Langkah ketiga adalah riset sifat mekanik prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE. Pada Tabel 2. dan Tabel 3. masing-masing menunjukkan data-data hasil uji tarik dan impak prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE.

Tabel 2. Analisa data hasil uji tarik benang HDPE, benang rami dan prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE unidirectional 0° dan acak

Spesimen/orientasi

ρ (g/cm3)

σ (MPa)

E

(GPa)

σ/ρ

(MPa/g. g/cm3)

E/ρ

(GPa/g.cm-3)

HDPE

0,96

29

1,65

30,21

1,72

Benang rami

1,4

172

2,52

122,86

1,8

Unidirectional

1,13

87,10

8,50

77,08

7,52

Acak

0,99

31

1,91

31,31

1,93

 

Tabel 3. Analisa data hasil uji impak HDPE, prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE unidirectional 0° dan acak

Spesimen/orientasi

Strength (J/cm3)

HDPE

3,1

Unidirectional

9,68

Acak

28,50

 Pada Tabel 2. menunjukkan bahwa kekuatan tarik (σ) dan modulus elastisistas (E) prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE orientasi acak dan unidirectional 0° sudah melebihi kekuatan HDPE. Nilai modulus elastisistas orientasi unidirectional 0° paling besar bila dibandingkan dengan orientasi acak sehingga orientasi unidirectional 0° lebih fleksibel, namun orientasi acak memiliki nilai densitas (ρ) yang lebih kecil dibandingkan orientasi unidirectional 0° sehingga orientasi acak lebih ringan. Namun bila dilihat dari kekuatan spesifiknya (σ/ρ) orientasi unidirectional 0° memiliki kekuatan yang tinggi dengan berat yang rendah.

Pada Tabel 3. menunjukkan   bahwa kekuatan impak prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE orientasi acak dan unidirectional 0° sudah melebihi kekuatan HDPE, sedangkan orientasi acak paling besar bila dibandingkan dengan orientasi unidirectional 0°. Sehingga brace yang menggunakan bahan baku prepreg komposit tersebut memiliki keunggulan tahan terhadap beban impak yang lebih baik sehingga  lebih aman yaitu tidak membahayakan pasien ketika pasien terjatuh karena pecahan HDPE  akan diredam oleh serat rami dibandingkan dengan brace yang hanya menggunakan bahan baku PP/PE saja.

Langkah ke empat adalah analisis kekuatan boston brace menggunakan metode elemen hingga dengan software MSC PATRAN, dimana kekuatan boston brace tersebut tidak boleh melebihi nilai kekuatan hasil pengujian tarik prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE. Agar hasil analisis yang didapat dapat seakurat mungkin, maka perlu dimodelkan pula gaya yang diberikan oleh perekat boston brace yang mempengaruhi force pad yang berfungsi sebagai tumpuan fix untuk menekan lengkungan tulang belakang pasien dengan gaya sebesar yang dibutuhkan (maximum corrective force) untuk mencegah progresivitas kelengkungan tulang belakang pasien.                                                                                  

 Teknik pad pada pemodelan perekat boston brace sebagai gaya-gaya yang bekerja pada masing-masing sisi boston brace yang akan direkatkan, maka tumpuan pada boston brace diberikan oleh tiga buah pad.

Model 3D boston brace pada CATIAV5R19 untuk mempermudah uji konvergensi pada saat analisis menggunakan software MSC PATRAN/NASTRAN.

Jenis kelengkungan  pada kasus scoliosis yang diteliti adalah letter S. Prinsip gaya yang diterapkan pada boston brace untuk  menghambat laju progresivitas kelainan tersebut yaitu 3-point bending dengan 2 buah tumpuan fixed dan 1 buah force yang memiliki besar sudut relatif terhadap bidang horizontal sama dengan sudut Cobb dari pasien.

Corrective force yang timbul pada force pad tidak boleh terlalu besar karena boston brace ini digunakan selama ±23 jam/hari sehingga dapat membuat pasien tidak nyaman serta dapat menimbulkan nyeri dalam pemakaian boston brace tersebut.

Analisis tegangan maksimum yang terjadi pada model boston brace scoliosis bahan prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE, gaya yang diberikan oleh masing-masing perekat sebesar 25 N dengan sudut cobb 450.

Hasil analisis menunjukkan bahwa dengan ketebalan 2,5 mm brace sudah kuat, bahkan masih bisa didisain lebih tipis dari 2,5 mm, karena tegangan tarik maksimum yang terjadi akibat gaya perekat pada brace tidak melebihi nilai hasil uji tarik-nya yaitu sebesar 87,10 MPa. Disamping itu kekuatan spesifiknya orientasi unidirectional 0° nilainya lebih tinggi dibandingkan HDPE dan orientasi acak sehingga dapat digunakan sebagai bahan baku rancang bangun brace yang lebih tipis namun memiliki kekuatan yang tinggi dengan berat yang rendah.

  Langkah ke lima adalah analisa gait yaitu pola gerakan berjalan anggota gerak tubuh bagian bawah, lower extremity. Beberapa penelitian tentang analisis pola gerakan tubuh bagian bawah (lower extremity) juga sudah dilakukan dalam penyusunan basis data gerak berjalan orang Indonesia oleh Tim Riset Biomekanika Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung (FTMD ITB) mulai tahun 2008 hingga sekarang (Mahyuddin, 2012). Pada pasien skoliosis kemampuan tulang belakang tidak dapat berputar secara simetris saat kaki kanan dan kaki kiri melangkah atau secara keseluruhan ketika melakukan gerakan berjalan.

 

Dalam menganalisis pola gerak berjalan dengan metode optik diperlukan kalibrasi kamera yang bertujuan untuk meningkatkan akurasi pengukuran. Perekaman gambar subjek berjalan dimulai dari kalibrasi kamera, setelah kamera dikalibrasi dan didapatkan parameter kamera. Pemasangan penanda pada segmen dada dibentuk dari penanda yang ditempatkan di ujung tulang clavicle sebelah kanan, ujung tulang clavicle sebelah kiri dan pada bagian manubrium sterni. Sedangkan segmen panggul dibentuk dari penanda yang ditempatkan pada tulang iliac crest sebelah kanan, tulang iliac crest sebelah kiri dan pusar . Aspek penting lainnya adalah pastikan subjek berjalan di lintasan yang telah dibuat. Lintasan jalan adalah lintasan yang sebelumnya digunakan

Subjek diambil data gerak berjalannya ketika tanpa mengunakan brace, dan menggunakan brace prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE kemudian dibandingkan jangkauan geraknya .

Subjek menderita neuromuscular scoliosis yang mendekati kurva S akibat cedera tulang belakang sejak usia balita seperti terlihat bahwa tulang belakang yang membelok ke kanan, sehingga posisi panggul kanan lebih tinggi dibanding panggul kiri  dan pandangan samping posisi tulang belakang. Pembelokan terjadi pada  Thoracic T11, T 12, Lumbar L1, L2 dan L3 kearah kanan (pandangan depan) dan menonjol keluar (pandangan samping).

Nilai torsional offset dan jangkauan gerak obliquity dada terhadap panggul (bidang transverse) yang terjadi antara subjek normal, skoliosis dengan brace dan tanpa brace dapat dilihat pada Tabel 4.

Tabel 4. Torsional offset dan jangkauan gerak obliquity dada terhadap panggul (bidang transverse)

Subjek

Max. (°)

Min.   (°)                

Torsional           Offset (°)

Jangkauan  Gerak (°)

Scoliosis tanpa brace

3,38

-4,47

-0,55

7,85

Scoliosis dengan brace prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE

0,88

-0,38

0,25

1,26

 

Pada Tabel 4. menunjukkan, bahwa gerakan dada terhadap panggul bidang transverse memiliki jangkauan gerak sebesar 7,85º pada pasien anak scoliosis tanpa menggunakan brace. Setelah menggunakan brace menjadi 1,26º. Hal tersebut menunjukkan, bahwa anak scoliosis memiliki jangkauan gerak obliquity dada terhadap panggul (bidang transverse) yang lebih kecil setelah menggunakan brace, karena brace yang rigid akan menghambat jangkauan geraknya dan mempengaruhi kualitas gerakan tubuh dan gerakan berjalan. Namun hal tersebut menunjukkan bahwa brace sudah berfungsi dengan baik untuk mencegah progresivitas pembengkokan tulang belakang.

 

Kesimpulan

Berdasarkan hasil riset dapat disimpulkan bahwa hasil uji kekuatan tarik spesimen prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE orientasi unidirectional 0º (87,10 MPa) lebih tinggi dibandingkan dengan orientasi acak (31 MPa), hal tersebut menunjukkan bahwa orientasi unidirectional 00 dengan serat yang panjang (continuous) lebih mampu menahan gaya geser yang diterima oleh matriks dan meneruskannya ke serat sekitarnya dibandingkan serat acak karena seratnya lebih pendek-pendek (discontinuous), namun kedua komposit tersebut manufakturnya sudah baik karena nilai kekuatan tariknya sudah melebihi nilai kekuatan tarik matriks HDPE (29 MPa).                                                                              

 Sedangkan hasil uji impak menunjukkan bahwa orientasi acak (28,50 J/cm3) lebih tinggi dibandingkan dengan orientasi unidirectional 0°(9,68 J/cm3), hal tersebut menunjukkan bahwa orientasi acak lebih mampu menah an gaya impak dibandingkan orientasi unidirectional 00, namun kedua komposit tersebut manufakturnya sudah baik karena nilai kekuatan impaknya sudah melebihi nilai kekuatan impak  matriks HDPE (3,1 J/cm3). Boston brace yang menggunakan bahan baku prepreg komposit tersebut memiliki keunggulan tahan terhadap beban impak yang lebih baik sehingga  lebih aman, yaitu tidak membahayakan pasien ketika pasien terjatuh karena pecahan HDPE  akan diredam oleh serat rami dibandingkan dengan brace yang hanya menggunakan bahan baku PP/PE saja.           

 Hasil manufaktur menunjukkan bahwa boston brace yang menggunakan bahan baku prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE dengan orientasi acak memiliki mampu bentuk (formability) yang baik yang dapat mengikuti bentuk double curvature dari kontur brace. Namun orientasi  unidirectional 00 memiliki mampu bentuk tidak sebaik orientasi acak, sehingga cocok diaplikasikan untuk bahan baku boston brace dengan bentuk curvature yang lebih sederhana.                                                                                                                   

  Pada analisis FEM (Finite Element Model) menggunakan software MSC Patran/Nastran menunjukkan bahwa brace komposit benang rami/HDPE acak dengan tebal 3 mm dan tebal pad 5 mm memiliki konsentrasi tegangan tarik maksimum yang cukup signifikan di sekitar lumbar pad sebagai tumpuan fixed ketiga sebesar 30 MPa sudah aman karena tidak melebihi batas maksimal kekuatan tarik komposit benang rami/HDPE acak adalah sebesar 31 MPa. Sehingga orientasi acak baik untuk digunakan sebagai bahan baku untuk merancang dan menghasilkan prototipe boston brace scoliosis yang kuat kaku dan ringan,hal, tersebut diperlukan untuk menghasilkan brace yang rigid.                                              

Sedangkan boston brace prepreg komposit benang rami/HDPE unidirectional 00 dengan tebal 2,5 mm dan tebal pad 5 mm memiliki konsentrasi tegangan tarik maksimum yang cukup signifikan di sekitar lumbar pad sebagai tumpuan fixed ketiga sebesar 64,4 MPa sudah aman karena tidak melebihi batas maksimal kekuatan tarik komposit benang rami/HDPE unidirectional 00 adalah sebesar 87,10 MPa. Sehingga bila menggunakan orientasi unidirectional 00 akan menghasilkan brace yang yang lebih kuat, kaku namun lebih fleksibel dari orientasi acak dan ringan. Hal tersebut diperlukan untuk menghasilkan brace yang lebih fleksibel dengan disain yang lebih tipis tetapi masih cukup rigid sehingga nyaman digunakan pada saat pasien tidur di malam hari.                                                                 

 Kekuatan spesifik prepreg komposit benang rami/HDPE orientasi unidirectional 00 nilainya lebih tinggi dibandingkan HDPE dan orientasi acak sehingga orientasi unidirectional 00 dapat digunakan sebagai bahan baku rancang bangun prototipe brace dengan disain yang lebih tipis namun memiliki kekuatan yang tinggi dengan berat yang rendah.                                  

  Hasil analisis gait gerakan dada terhadap panggul bidang transverse memiliki jangkauan gerak sebesar 7,85º pada pasien anak scoliosis tanpa menggunakan brace, sedangkan dengan menggunakan brace menjadi 1,26º, karena brace yang rigid akan menghambat jangkauan geraknya dan mempengaruhi kualitas gerakan tubuh dan gerakan berjalan. Hal tersebut menunjukkan bahwa brace sudah berfungsi dengan baik untuk mencegah progresivitas pembengkokan tulang belakang.                                                      

 Berdasarkan hasil riset secara keseluruhan menunjukkan bahwa prepreg komposit termoplastik benang rami/HDPE memiliki keunggulan yaitu sifat mekanik yang kuat, kaku,ringan, memiliki mampu bentuk yang baik dan ekonomis. Sehingga berpotensi untuk dikembangkan dan diaplikasikan pada rancang bangun prototipe alat bantu medis boston brace untuk pasien scoliosis, merupakan produk inovasi yang kompetitif dan dapat dijadikan sebagai material alternatif dan pelengkap material PP/PE yang selama ini digunakan untuk rancang bangun alat bantu medis tersebut.

 

Video

Materi

Poster_.pdf

Comment

Leave a comment