PENGARUH WAKTU TERHADAP PEMBENTUKAN KALSIUM FOSFAT DI DALAM MATRIKS SELULOSA BAKTERIAL
Mario L. Silalahi, Tri Windarti, Didik S. Widodo, Yenny D. Budiarti, Iin Ardiani Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas diponegoro
Abstak
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh waktu terhadap pembentukan senyawa Kalsium-Fosfat di dalam matriks selulosa bakterial. Selulosa bakterial diperoleh dari fermentasi bakteri Acetobacter xylinum selama 14 hari dalam media Hestrin-Scramm lalu dimurnikan dengan NaOH 4% selama 15 jam dengan 3 kali pengulangan perendaman. Pendepositan Kalsium-Fosfat dilakukan dengan metode tidak langsung pada suhu 90 0C. Selulosa bakterial direndam dalam larutan CaCl2.2H2O selama 18 jam, kemudian direndam dalam larutan KH2(PO4) pada pH 9 dengan variasi waktu 3-18 jam. Komposit tersebut dikarakterisasi dengan UV-Vis, AAS dan FTIR. Hasilnya menunjukkan jumlah kalsium terdeposit maksimal pada waktu 9 jam dan fosfat pada waktu 12 jam. Spektra FTIR menunjukkan terbentuknya Trikalsium fosfat dan Hidroksiapatit di dalam matriks selulosa bakterial.
Kata kunci : selulosa bakterial, kalsium fosfat
THE EFFECT OF TIME TO THE FORMATION OF CALCIUM PHOSPHATE IN BACTERIAL CELLULOSE MATRIX
Mario L. Silalahi, Tri Windarti, Didik S. Widodo, Yenny D. Budiarti, Iin Ardiani Chemistry Department, Faculty of Mathematics and Natural Science
Diponegoro University
Abstract
This research submitted to know the effect of time to the formation of calcium phosphate in bacterial cellulose matrix. Bacterial cellulose were obtained from Acetobacter xylinum bacteri that fermented for 14 days and than purified with NaOH 4% for 15 hours and three times of immersion. The deposited of calcium phosphate were done by direct method at 90 0C with variation of immersion time of KH
2PO4 solution. Bacterial cellulose were immersed in KH2PO4 at pH 9 with time variation. The composite then characterized with UV-Vis, AAS and FTIR. The results shown that optimum of immersion time is 9 hours for calcium and 12 hours for phosphate. FTIR spectra shown thatof Tricalcium phosphate and Hidroksiapatit were formed in bacterial cellulose matrix
I. PENDAHULUAN
Kalsium-Fosfat merupakan suatu material anorganik jenis keramik yang banyak digunakan dalam aplikasi medis. Hal ini dikarenakan senyawa kalsium fosfat bersifat bioaktif dan biokompatibel [1]. Salah satu aplikasi yang saat ini banyak dikembangkan adalah pembuatan tulang buatan. Tulang pada manusia merupakan suatu komposit yang terdiri atas kolagen sebagai matriks dan senyawa kalsium fosfat sebagai penguatnya. Hidroksiapatit [Ca10(PO4)6(OH)2] merupakan senyawa kalsium fosfat yang paling besar kandungannya di dalam tulang, mencapai 60%. Senyawa kalsium fosfat lain yang dapat menjadi penyusun tulang adalah α dan β Trikalsium Fosfat [Ca3(PO)4]. Namun Hidroksiapatit maupun Trikalsium Fosfat tidak dapat langsung digunakan sebagai implan di dalam tubuh karena memiliki kekurangan yaitu pada sifat mekanisnya. Untuk mengatasi hal itu diperlukan material pendukung yang bersifat biokompatibel, biodegradabel dan memiliki sifat mekanik yang besar[2].
Selulosa bakterial merupakan jenis selulosa yang dihasilkan oleh aktivitas bakteri
Acetobacter xylinum melalui proses fermentasi sakarida. Selulosa yang dihasilkan merupakan selulosa murni berbentuk hidrogel dengan kristalinitas tinggi serta bersifat elastis dan dapat terbiodegradasi. Selulosa bakterial memiliki kekuatan mekanis yang sangat besar dibandingkan dengan selulosa alam karena tersusun atas rantai-rantai glukosa yang bergabung membentuk mikrofibril, dan sekitar 64 mikrofibril akan bergabung membentuk makrofibril/serat yang berikatan kuat[3]. Dari sifat-sifat yang dimilikinya, diharapkan selulosa bakterial dapat digunakan sebagai material pendukung hidroksiapatit.
Dalam penelitian ini dibuat komposit selulosa bakterial dengan kalsium fosfat, dengan selulosa bakterial sebagai matriks dan senyawa kalsium fosfat sebagai penguatnya. Pembentukan kalsium fosfat di dalam selulosa bakterial tergantung pada waktu Selulosa bakterial yang dihasilkan kemudian dimurnikan dengan NaOH 4% selama 15 jam dengan 3 kali pengulangan.
Kalsium fosfat dideposit dengan merendam selulosa bakterial di dalam larutan CaCl2.2H2O 1 M selama 18 jam. Kemudian dilanjutkan dengan perendaman dalam larutan KH2PO4 0,6 M pada pH di atas 9 dengan penambahan NaOH 4%. Pendepositan dilakukan pada suhu 90 oC dengan variasi waktu perendaman di dalam larutan KH
III PEMBAHASAN
Sintesis selulosa bakterial di dalam media Hestrin-Schramm dengan bakteri
Acetobacter xylinum, menghasilkan selulosa bakterial dengan ketebalan 1 cm setelah 14 hari. Selulosa bakterial mulai terbentuk pada hari ketiga yang ditandai dengan terbentuknya lapisan-lapisan putih (pelikel) yang mengambang. Selanjutnya pelikel tersebut akan membentuk lapisan selulosa berwarna putih pada permukaan wadah. Selulosa bakterial dihasilkan dalam bentuk hidrogel dengan berat sekitar 250-380 gram dan volum media berkurang sekitar 40%.
(a) (b)
Gambar 1. (a) Penampakan media hestri-Schramm selama fermentasi (b) Selulosa hasil fermentasi
Proses merserisasi atau pemurnian bioselulosa menggunakan NaOH dimaksudkan untuk menghilangkan pengotor seperti sisa-sisa metabolisme selain selulosa, serta bakteri yang masih ada. Merserisasi ini juga dimaksudkan untuk memperbaiki bentuk fibril yang kusut sehingga menghalangi terbentuknya ikatan hidrogen antar rantai. Makin besarnya ikatan hidrogen yang terbentuk akan semakin meningkatkan sifat mekanis selulosa bakterial.
Hasil analisis menggunakan FTIR memperlihatkan adanya serapan pada Serapan pada 3412,08 cm-1 yang menunjukkan adanya O-H stretching dan 686 cm-1 menunjukkan O-H
librational. Puncak yang melebar pada serapan 3412,08 cm-1 menunjukkan adanya ikatan hidrogen intermolekul. Serapan pada bilangan gelombang 2924,09 cm-1 dan 1448,54 cm-1
menunjukkan adanya ikatan C-H. Sedangkan serapan pada 1031,92 cm-1; 1060,85 cm-1
menunjukkan adanya ikatan C-O.
Pembentukan senyawa kalsium fosfat yang dilakukan pada suhu 90 0C selama 18 jam dimaksudkan untuk membentuk Hidroksiapatit karena merupakan senyawa Kalsium-Fosfat yang paling banyak digunakan sebagai pengganti tulang dan merupakan senyawa utama penyusun tulang[5]. Senyawa Kalsium-Fosfat yang didapat berbentuk endapan halus berwarna putih.
Gambar 3. Spektra FTIR senyawa Kalsium-Fosfat
Serapan diamati pada rentang daerah bilangan gelombang 4000-400 cm-1 yang dapat menginformasikan komposisi dan bentuk ikatan senyawa Kalsium-Fosfat yang terbentuk[6]. Serapan pada 3429 cm-1 dan 3570 cm-1, 2927,94 cm-1 dan 2858,51 cm-1 menunjukkan adanya gugus O-H stretching dari molekul yang memiliki ikatan hidrogen [7], serapan yang melebar di daerah bilangan gelombang tersebut juga menunjukkan adanya ikatan H-OH intermolekul [6]. Serapan pada bilangan gelombang tersebut menunjukkan adanya molekul H2O pada senyawa yang terbentuk[13]. Serapan pada daerah 1033,85cm-1, 1095,57 cm-1 menunjukkan vibrasi v3 dari PO43-, 962,48 cm-1 menunjukkan vibrasi v1 dari PO4,603,65 cm -1,567,07 cm-1 menunjukkan vibrasi v
4 dari PO43-dan 472 cm-1 menunjukkan vibrasi v2 dari PO43-. Serapan pada 2135,20 cm-1 dan 2000,18 cm-1 menunjukkan overtune dan kombinasi dari vibrasi v3 dan v1 dari PO43-. Serapan pada 567 cm-1, 603 cm-1 dan 632,65 cm-1 secara spesifik menunjukkan terbentuknya kristal hidroksiapatit[7][8].
Berdasarkan literatur yang ditulis oleh Richard dan Ronald (1971) spektra FTIR yang didapat identik dengan spektra Kalsium ortofosfat atau Trikalsium fosfat [Ca3(PO4)2]. Hal ini ditunjukkan dengan munculnya serapan pada bilangan gelombang: 3429,43 cm-1 dan 3570,24 cm-1 dan 567,07 cm-1; 603,72 cm-1; 632,65 cm-1 yang diperkuat oleh serapan pada 962,48 cm-1; 1033,85 cm-1; 1095,57 cm-1. Dapat disimpulkan bahwa senyawa Kalsium-Fosfat yang terbentuk tidak murni Hidroksiapatit, karena mengandung trikalsium fosfat juga. Ketidakmurnian senyawa Kalsium-Fosfat yang terbentuk juga ditunjukkan dengan munculnya puncak serapan pada bilangan gelombang 1415,75 cm-1 yang menandakan adanya gugus CO32-dan adanya HPO42- yang ditandai dengan adanya serapan pada bilangan gelombang 877,61 cm-1.
ditempati oleh molekul lain. Pada awalnya kalsium dimasukkan terlebih dahulu ke dalam selulosa bakterial agar kalsium terjerap terlebih dahulu didalam ruang antar rantai selulosanya. Sehingga reaksi Kalsium-Fosfat pada saat selulosa bakterial berisi kalsium direndam di dalam larutan PO43- terjadi pada ruang antar rantai selulosanya.
Berdasarkan percobaan yang dilakukan Kalsium memiliki mobilitas yang besar dibandingkan Fosfat sehingga dilakukan variasi waktu pendepositan fosfat ke dalam selulosa bakterial yang telah terisi kalsium. Hal ini dimaksudkan untuk mengetahui waktu optimum pemasukkan kalisum dan fosfat di dalam selulosa bakterial.
Tabel 1. Tabel jumlah kalsim dan fosfat di dalam matriks selulosa bakterial
Gambar 4.3 Grafik perbandingan waktu pendepositan PO43- terhadap konsentrasi P yang terdeposit
Hasil analisis menunjukkan bahwa jumlah terkecil fosfat dalam matrik selulosa bakterial pada waktu 6 jam dan kalsium pada waktu 12 jam. Jumlah fosfat terbesar dalam matrik selulosa bakterial pada waktu 6 jam dan kalsium pada waktu 9 jam. Spektra FTIR memperlihatkan munculnya serapan pada 3417,86 cm-1 dan 2980,02 cm-1, 2922,16 cm-1 dan 2515,18 yang menunjukkan adanya gugus O-H stretching dari molekul yang memiliki ikatan hidrogen[7]. Serapan yang melebar di daerah bilangan gelombang tersebut juga menunjukkan adanya ikatan H-OH intermolekul[6]. Serapan pada 2980,02 cm-1, 2922,16 cm -1 yang diperkuat pada 1431,18 cm-1 menunjukkan adanya gugus C-H. Serapan pada bilangan gelombang 3500 cm-1–2500 cm-1 menunjukkan adanya molekul H
2O, hal ini diperkuat dengan serapan pada1629,85 yang merupakan v2 bending dari molekul H2O. Serapan pada bilangan gelombang 2924,09 cm-1 dan 1448,54 cm-1 menunjukkan adanya ikatan C-H. Sedangkan serapan pada 1031,92; 1060,85 menunjukkan adanya ikatan C-O.
Gambar 4.6 Spektra FTIR senyawa Kalsium-Fosfat di dalam selullosa bakterial
Spektra Kalsium-Fosfat; serapan pada daerah 601,79 cm-1, 563,21 cm-1 menunjukkan vibrasi v1 dari PO43- dan 478,35 cm-1 menunjukkan vibrasi v2 dari PO4. Serapan pada 1031,92 cm-1, 960,56 cm-1, 873,75 cm-1, 711,73 cm-1 menunjukkan vibrasi P-O-P stretching
asimetri[6][9]. Serapan pada 1431,18 cm-1 dan 873,75 cm-1 menunjukkan adanya CO 32-. Sedangkan serapan pada 2360,87 cm-1 menunjukkan adanya HPO
42-.
IV KESIMPULAN
Jumlah kalsium semakin menurun pada kisaran waktu 3-18 jam. Jumlah kalsium terbesar dalam selulos abakterial pada waktu 9 jam. Sedangkan fosfat semakin meningkat jumlahnya dalam selulosa bakterial pada kisaran waktu 3-18 jam dan jumlah terbesar pada waktu 18 jam. Kalsium fosfat yang terbentuk adalah jenis Trikalsium fosfat dan Hidroksiapatit.
UCAPAN TERIMA KASIH
DAFTAR PUSTAKA
[1] Ho E. Y., 2005, Engineering Bioactive Polymers for the Next Generation of Bone
Repair, Thesis of Drexel University.
[2] Mickiewicz, R. A., 2001, Polymer-calcium phosphate composites for use as an injectable bone substitute, Thesis of Department of Materials Science and Engineering, University of Toronto.
[3] Yamanaka, S., Watanabe, K., Kitamura, N., Iguchi, M., Mitsuhashi, S., Nishi, Y., Uryu,
M., 1989, The Structure and Mechanical Properties of Sheets Prepared From Bacterial Cellulose, J. Material Science, 24, 3141-3145.
[4] Iguchiu, M., 2000, Review Bacterial Cellulose-A Masterpieces of Nature’s Art’s, J.
Material Science, 35.
[5] Evans, B. R., 2005, United States Patent Application: Composites, US Patent and Trademark Office.
[6] Joshi V. S., Joshi M. J., 2003, FTIR Spectroscopic, thermal and growth morphological
studies of calcium hydrogen phosphate crystals, Cryst. Res. Technol., 38 (9), 817-821
[7] Vijayalakshmi U., Rajeswari S., 2006, Preparation and characterization of Microcrystalline Hydroxyapatite Using Sol Gel Method, Trends Biomater. Artif. Organs, 19(2), 57-62
[8] Markovic, M., Fowler, O. B., Tung, M. S., 2004, Preparation and Comprehensive Characterization of a Calcium Hidroxyapatite Reference Material, J. Res. Natl. Stand. Technol. 109, 553-568.
