Percetakan 3D dan Serat Kenaf: Inovasi Hijau Memperkukuh Bahan Pergigian

Penulis: Dr. Nurulezah Hasbullah
Pensyarah Kanan, 
Pusat Pengajian Sains Pergigian, Universiti Sains Malaysia (USM)

Teknologi percetakan 3D kini bukan lagi sesuatu yang asing. Daripada pembuatan alat industri sehinggalah kepada aplikasi perubatan dan pergigian, teknologi ini telah mengubah cara manusia mereka bentuk dan menghasilkan produk. Dalam bidang pergigian khususnya, percetakan 3D membolehkan pembuatan model gigi, alat ortodontik dan gigi palsu dilakukan dengan lebih pantas, tepat dan kos efektif. Namun begitu, di sebalik kelebihan ini, masih terdapat cabaran dari segi kualiti dan ketahanan bahan yang digunakan.

Salah satu kaedah percetakan 3D yang popular ialah Fused Deposition Modeling (FDM). Kaedah ini menggunakan filamen plastik termoplastik yang dipanaskan, dicairkan dan dicetak lapisan demi lapisan untuk menghasilkan sesuatu objek. Antara bahan yang kerap digunakan dalam FDM ialah nilon (poliamida) kerana sifatnya yang fleksibel, tahan lasak dan sesuai untuk aplikasi pergigian. Walau bagaimanapun, bahan bercetak FDM sering dikaitkan dengan isu kekuatan mekanikal dan kemasan permukaan yang tidak optimum.

Bagi mengatasi kekangan ini, para penyelidik mula meneroka penggunaan serat semula jadi sebagai bahan penguat (reinforcement) dalam filamen percetakan 3D. Selain lebih mesra alam, kos serat semula jadi juga jauh lebih rendah berbanding serat sintetik. Salah satu serat semula jadi yang semakin mendapat perhatian ialah serat kenaf, iaitu tumbuhan yang banyak ditanam di Malaysia dan negara-negara tropika lain.

Mengapa Serat Kenaf?

Kenaf kaya dengan selulosa, komponen utama yang memberikan kekuatan dan kekakuan kepada serat. Namun, serat kenaf mentah juga mengandungi bahan lain seperti lignin, hemiselulosa dan pektin. Komponen-komponen ini boleh menyebabkan serat mudah terurai apabila terdedah kepada suhu tinggi dan ini merupakan satu masalah besar kerana proses percetakan 3D FDM melibatkan suhu melebihi 200°C.

Oleh itu, sebelum serat kenaf boleh digunakan untuk menguatkan filamen nilon, ia perlu melalui rawatan kimia bagi menyingkirkan bahan-bahan yang tidak diperlukan dan meninggalkan struktur selulosa yang lebih stabil. Dalam kajian ini, dua kaedah rawatan kimia telah dibandingkan, iaitu menggunakan natrium hidroksida (NaOH) dan natrium hipoklorit (NaOCl).

Dua Kaedah Rawatan, Dua Kesan Berbeza

Serat kenaf direndam dalam larutan NaOH dan NaOCl pada kepekatan 6% selama 24 jam. Selepas itu, serat tersebut dicampurkan dengan butiran nilon untuk menghasilkan filamen komposit yang sesuai digunakan dalam pencetak 3D FDM. Hasil cetakan kemudian dianalisis dari segi sifat kimia, kekerasan permukaan dan kekasaran permukaan.

Bagi memahami perubahan kimia pada serat dan bahan komposit, penyelidik menggunakan teknik Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FTIR). Teknik ini membolehkan pengesanan kumpulan kimia tertentu dalam sesuatu bahan. Hasil analisis menunjukkan bahawa rawatan menggunakan NaOH masih meninggalkan kesan lignin pada serat kenaf, menandakan proses penyingkiran tidak berlaku secara menyeluruh.

Sebaliknya, rawatan menggunakan NaOCl didapati lebih cekap dalam menghilangkan lignin dan hemiselulosa. Ini bermakna serat kenaf yang dirawat dengan NaOCl mempunyai struktur selulosa yang lebih tulen dan sesuai untuk dicampurkan dengan nilon, sekali gus mengurangkan risiko degradasi haba semasa proses percetakan 3D.

Permukaan Lebih Licin, Bahan Lebih Tahan

Selain analisis kimia, kajian ini turut menilai kekerasan permukaan, iaitu keupayaan bahan menahan calar dan tekanan. Dalam konteks pergigian, ciri ini sangat penting kerana peralatan dan prostesis sering terdedah kepada geseran dan penggunaan berulang. Keputusan kajian menunjukkan bahawa filamen nilon yang diperkukuh dengan serat kenaf terawat NaOCl mempunyai nilai kekerasan permukaan yang sedikit lebih tinggi berbanding kumpulan lain.

Aspek kekasaran permukaan juga dinilai kerana ia mempengaruhi kebersihan, keselesaan dan ketahanan jangka panjang sesuatu bahan pergigian. Permukaan yang terlalu kasar boleh menjadi tempat pengumpulan plak dan bakteria. Menariknya, bahan yang menggunakan serat kenaf terawat NaOCl menunjukkan permukaan yang lebih licin berbanding serat terawat NaOH, walaupun perbezaannya tidak terlalu ketara.

Secara keseluruhan, dapatan ini menunjukkan bahawa rawatan NaOCl bukan sahaja memperbaiki sifat kimia serat kenaf, malah turut memberi kesan positif terhadap kualiti permukaan bahan cetakan 3D.

Implikasi terhadap Bidang Pergigian dan Alam Sekitar

Penggunaan serat kenaf sebagai bahan penguat dalam filamen percetakan 3D membuka peluang besar dalam pembangunan bahan pergigian yang lebih lestari. Sebagai sumber semula jadi tempatan, kenaf berpotensi mengurangkan kebergantungan kepada bahan import dan serat sintetik yang mahal serta kurang mesra alam.

Dari sudut pergigian, bahan cetakan 3D yang lebih kuat dan mempunyai permukaan lebih baik boleh meningkatkan kualiti alat prostetik, model latihan dan peranti klinikal. Pada masa yang sama, kos pengeluaran dapat dikurangkan, sekali gus memberi manfaat kepada institusi kesihatan dan pesakit.

Dari segi ekonomi, penggunaan serat kenaf ini secara meluas berpotensi meningkatkan permintaan terhadap tanaman ini. Secara tidak langsung, ia dapat menyumbang kepada peningkatan pendapatan petani tempatan, khususnya sebagai alternatif kepada tanaman tembakau di Malaysia.

Kajian ini menunjukkan bahawa tidak semua rawatan kimia memberikan kesan yang sama terhadap serat kenaf. Natrium hipoklorit (NaOCl) didapati lebih berkesan berbanding natrium hidroksida (NaOH) dalam menyediakan serat kenaf yang sesuai untuk pengukuhan filamen nilon dalam percetakan 3D FDM. Walaupun peningkatan dari segi kekerasan dan kekasaran permukaan adalah sederhana, dapatan ini menyediakan asas penting untuk penyelidikan lanjutan.

Pada masa hadapan, kajian lebih mendalam melibatkan kekuatan mekanikal, ketahanan jangka panjang dan prestasi klinikal amat diperlukan. Namun satu perkara jelas iaitu gabungan teknologi percetakan 3D dan bahan semula jadi seperti kenaf berpotensi besar untuk membentuk masa depan pergigian yang lebih inovatif, mampan dan mesra alam.

Rujukan:

Rezaie, F., Farshbaf, M., Maleki, R., & Moharamzadeh, K. (2023). 3D printing of dental prostheses: Current and emerging applications. Journal of Composites Science, 7(2).

Ismail, N. F., Mohd Radzuan, N. A., Sulong, A. B., Muhamad, N., & Che Haron, C. H. (2021). The effect of alkali treatment on physical, mechanical and thermal properties of kenaf fibre and polymer composites. Polymers, 13(12).

Beg, M. D. H., Pickering, K. L., & Gauss, C. (2023). The effects of bleaching and chemical treatment on natural fibre-reinforced 3D printed composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 166, 107384.

Park, J. M., Jeon, J., Koak, J. Y., Kim, S. K., & Heo, S. J. (2021). Dimensional accuracy and surface characteristics of 3D-printed dental casts. Journal of Prosthetic Dentistry, 126(3), 427–437.

van Noort, R. (2012). The future of dental devices is digital. Dental Materials, 28(1), 3–12.

Tentang Penulis

Dr. Nurulezah Hasbullah merupakan Pensyarah Kanan dan Penyelaras e-Pembelajaran di Pusat Pengajian Sains Pergigian, Universiti Sains Malaysia (USM). Beliau juga merupakan penceramah dan fasilitator bagi kursus universiti PdP Scholar@USM serta ahli Jawatankuasa Kawalan Kualiti Microcredential@USM.

Beliau berkelulusan ijazah Sarjana Muda Perubatan dan Sarjana Pembedahan (MBBS) (University of Adelaide, Australia), ijazah Sarjana Sains dalam bidang Fisiologi Bersepadu (University of Nottingham, United Kingdom) dan ijazah Doktor Falsafah (PhD) dalam bidang Fisiologi (King’s College London, United Kingdom).

Beliau mengajar bidang Fisiologi dan Biologi Kraniofasial serta terlibat secara aktif dalam penyeliaan pelajar peringkat Sarjana dan Doktor Falsafah (PhD). Bidang penyelidikan beliau merangkumi Fisiologi, Biologi Oral, dan Biomaterial Perubatan.