1
PEMBUATAN MATERIAL SINTESIS NANO HYDROXYAPATITE UNTUK APLIKASI
SCAFFOLDS TULANG MANDIBULA DARI TULANG CUMI SONTONG
MENGGUNAKAN METODE KALSINASI
Solechan, Rubijanto JP
Teknik Mesin-Fakultas Teknik- Universitas Muhammadiyah Semarang
Jl. Kasipah no.12 Semarang 50254
e-mail : [email protected]
Abstrak
Bioceramik dapat digunakan untuk aplikasi medik, seperti restorasi kerusakan jaringan keras. Kerusakan jaringan keras tubuh berupa kecacatan struktur tulang. Di indonesia sekitar 40 % cacat bawaan dan penyakit, sisanya cacat kecelakaan. Kasus tumor tulang sendiri, kasusnya kurang dari 1% dari semua jenis kanker di dunia. Untuk Tumor mandibula berpotensi menimbulkan gangguan pengunyahan, saluran napas, penelanan dan berbicara. Pengangkatan tumor mandibula menimbulkan cacat, maka perlu rekonstruksi mandibula dengan transplantasi implan scaffolds. Material HA untuk pembuatan scaffolds sangat mahal karena produk impor. Tulang cumi sotong (cuttlefish) mengandung kalsium karbonat, dengan proses kalsinasi akan terbentuk sintesis HA untuk pembuatan scaffolds. Diharapkan material HA ini, harganya lebih murah dan kwalitasnya sama dengan HA komersil. Riset ini, membuat sintesis nano HA untuk material scaffolds implan mandibula dari tulang cumi sotong menggunakan proses kalsinasi temperatur rendah. serbuk diambil dari tulang cumi sotong dengan cara menggarukan spatula pada permukaan tulang. Bubuk kapur tulang cumi sotong
di kalsinasi dengan variasi suhu 900, 1000, dan 1100oC untuk mendapatkan sintesis HA yang
terbaik menurut uji karakteristik. Sedangkan mendapatkan sintesis nano HA dilakukan proses penghancuran menggunakan mesin ball milling. Waktu variasi penghancuran HA mulai dari 1, 2 dan 3 jam operasional. Material sintesis HA di uji karakteristik sesudah di ball milling. Uji karakterstik sintesis nano HA mulai dari uji XRD, FTIR, dan SEM. Hasil uji XRD menunjukan meningkatnya temperatur kalsinasi akan merusak gugus fungsi dari material sintesis HA nanomaterial dengan bentuk fase semi kristal. Temperatur kalsinasi yang optimal
pada suhu 900oC. Proses ball milling semakin lama menjadikan ukuran butir semakin kecil,
tetapi waktu proses ball milling 3 jam belum mampu menjadikan material HA berukuran nano. Secara karakterisasi material sisntesis HA nanomaterial TK-900/BL-1 menyamai karakteristik HA komersil (Sigma Aldrith), tetapi fase ketinggian puncak masih dibawahnya, sehingga material sintesis HA nanomaterial untuk kristalnya masih rendah.
Kata kunci: Hydroxyapatite, kalsinasi, nanometer, scaffold, tulang cumi sotong.
1. PENADAHULUAN
Bioceramik dapat digunakan untuk aplikasi medik, seperti restorasi kerusakan jaringan keras
(Karageorgiou., 2005). Kerusakan jaringan keras tubuh yang berupa kecacatan struktur tulang
banyak terjadi di Indonesia. Sekitar 40 % cacat bawaan dan penyakit, sisanya cacat kecelakaan
(Chen et al., 2008). Kasus tumor tulang sendiri, kasusnya kurang dari 1% dari semua jenis kanker
di dunia (salter RB., 1984). Lokasi tumor paling banyak ditibia 41%, tulang femur 33%, tulang
maxillofacial dan mandibular 3%, tulang radius 2% dan tulang fibula 2 % (Nacomical survellience
system data.
, 2011). Tumor mandibula berpotensi menimbulkan gangguan pengunyahan, saluran
napas, penelanan dan berbicara (Fonseca RJ., 2000). Pengangkatan tumor mandibula sering
menimbulkan cacat, mulai dari celah pada tulang alveolus sampai diskontinuitas tulang mandibula
(Smith., 2006). Maka perlu rekonstruksi mandibula untuk pembentukan kontinuitas dengan
transplantasi implan (Stošić S., 2008).
Teknik rekonstruksi mandibular banyak mengunakan tulang autogenous, osteogenetik, plat
logam, dan cangkok rekayasa jaringan (Stošić, 2008). Rekonstruksi mandibular dengan tulang
autogeneous pada cacat besar menjadi sulit dibentuk secara klinis karena morbiditi dari pendonor
dan waktu pembedahan yang panjang. Plat logam rekonstruksi dengan pengembangan pendekatan
alternatif, kekuranganya sulit dibentuk anatomi mandibular dan ada kerusakan pada area tekuk dan
biasanya mengacu pada hasil fungsi tidak bagus. (Singare S, 2004). Rumah Sakit telah
mengembangkan pendekatan alternatif untuk pengganti tulang dengan meniadakan operasi panen
tulang dengan scaffolds prothesisis (Sandia National Laboratories dan Carle Foundation Hospital,
2010). Beberapa material scaffolds telah dikaji untuk dikembangkan menjadi bahan bioaktif yang
akan memacu terjadinya biomineralisasi pada tulang adalah material berbasis bioceramic seperti
Calcium Phosphate atau Tricalcium phosphate (TCP). Material hasil sintesisnya berupa
Hydroxyapatite (HA) yang memiliki sifat bioaktif dan mampu memacu terbentuknya lingkungan
yang sesuai pada proses osteogenesis atau pertumbuhan tulang dengan adanya lapisan mineralisasi
sebagai penghubung antara bahan dan jaringan (Sopyan, 2004). Material HA dipatentkan oleh Etex
Corp umumnya berbentuk powder dan cara manufakturnya (Hench., 1991), tetapi mahal untuk
pasien Indonesia karena produk impor. Sementara HA sintesis dari bahan alam seperti gypsum,
calcite, tulang sapi, dan kitin bisa dikonversi berbentuk serbuk HA dengan harga relatif mahal
(Tontowi, A.E dkk, 2006).
Kitin dihasilkan dari binatang berkulit keras seperti udang, kepiting, rajungan, lobster, kerang,
tulang cumi sotong dan lain-lain. Kitin memiliki senyawa yang stabil terhadap reaksi kimia, tidak
beracun (non toxic) dan bersifat biodegradable (Deng et al, 2010). Untuk tulang cumi sotong
(cuttlefish) pada Gambar 1 memiliki kandungan kalsium karbonat, sodium klorida, kalsium fosfat
dan garam magnesium (Bihan et al, 2006). Dengan proses pemanasanan (kalsinasi) akan
membentuk sintesis HA (Fu Q, et al, 2008) yang memiliki kesamaan komposisi kimia dengan
jaringan tulang asli (Javidi et al. 2008). Kalsinasi dilakukan dengan suhu berkisar 900-1300
oC
(Nazarpak, et al, 2009). Material HA dibentuk scaffold untuk mengisi kekurangan tulang akibat
reseksi pada tulang mandibula. Oleh karena itu, pada riset ini, ingin melakukan studi awal
pembuatan sintesisi nano hydroxyapatit untuk scaffolds tulang mandibula dari tulang cumi sotong
dengan proses klasinasi. Keberhasilan riset awal ini, membuka jalan untuk fabrikasi material
scaffold dengan jumlah banyak (skala industri) untuk mencukupi pasien tumor mandibula dengan
biaya yang terjangkau pasien Indonesia.
Gambar 1. (a) Sotong utuh, (b) Cangkang Sotong
2. METODOLOGI
Riset yang diusulkan ini akan dilakukan mengikuti diagram alir pada Gambar 2 untuk
memudahkan pengambilan data penelitian. Material yang digunakan dalam riset ini adalah tulang
cumi sontong, dan HA komersial buatan Sigma Aldrich sebagai pembanding. Dalam riset ini,
spesimen dibuat sesudah di ball milling atau diperhalus dengan waktu 1, 2, dan 3 jam.
Langkah-langkah pembuatan sintesis HA mulai pembersihan tulang cumi sotong dengan cara merendamkan
didalam aquadesh untuk membersihkan dari kotoran. Hasil pembersihan tulang cumi sotong
dikeringkan didalam microwave pada suhu 100
oC selama 2 jam. Setelah kering diambil bubuk
kapur yang menempel pada tulang cumi sotong dengan cara menggarukan spatula ke permukaan
tulang. Bubuk kapur hasil pengambilan dari tulang cumi sotong diayak dengan ukuran mesh 200
menghasilkan ukuran butir yang keluar 76 µm. Bubuk kapur cumi sotong dikalsinasi kedalam
muffle atau dapur induksi untuk mendapatkan sintesis HA. Temperatur kalsinasi 900, 1000 dan
1100
oC dengan penahanan waktu 1,2, dan 3 jam. Pengambilan bubuk sintesi HA menggunakan
pendinginan alami, dengan cara menurunkan temperatur kontrol pada suhu 27
oC baru diambil.
Hasil pengambilan dari muffle diberi kode TK-900/BL-0, TK-1000/BL-0, dan
TK-1100/BL-0. Proses selanjutnya pembuatan sintesis HA dengan ukuran nanonmeter menggunakan mesin ball
milling sebagai penghancur. Variasi waktu operasional proses ball milling mulai dari1, 2, dan 3
jam. Hasil proses ball milling diberi kode TK-900/BL-1, TK-1000/BL-2, dan TK-1100/BL-3,
sedangkan sebagai pembanding diberi kode HA-OG. Kode TK-900 menunjukan temperatur
kalsinasi 900
oC dan BL-1 menunjukan waktu ball milling 1 jam. Spesimen pengujian berbentuk
powder atau bubuk mulai dari pengujian XRD, FTIR, dan SEM untuk mengkarakterisasi sintesis
HA nanomaterial. Hasil pengujian sintesis HA nanomaterial dikomparasi dengan HA original merk
Sigma Aldrich.
Gambar 2. Diagram alir penelitian
3.
HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1
Hasil Uji X-Ray Diffractometer (XRD)
Material sintesis nano HA berbentuk serbuk (powder) yang diperlihatkan pada Gambar 3
dilakukan pengujian XRD. Sampel berbentuk serbuk ditaruh dalam anvil (landasan) pada mesin
XRD merk Philips-binary. Penembakan dilakukan di daerah permukaan butir, sehingga dapat
mengidentifikasi jenis mineral yang terkandung dalam permukaan butiran. Hasil pengujian sebuah
sampel diprint-out dan dapat dicopy dengan perangkat pengcopy (flashdisk) untuk dapat diolah
datanya dengan software lain semacam Origin-50. Hasil data berbentuk grafik yang menampilkan
unsur senyawa dan bentuk kristal.
4
Material sintesis HA nanomaterial dari tulang cumi sontong di ball miiling untuk
mendapatkan butiran yang lebih halus. Waktu penghalusan selama 1, 2, dan 3 jam menggunakan
mesin ball milling. Temperatur kalsinasi dengan variasi 900
oC. 1000
oC, dan 1100
oC. Pengaruh
temperatur kalsinasi terhadap waktu proses ball milling disajikan dalam Gambar 4a, b, c.
a.
Pola difraksi sinar-X spesimen TK-900/BL-1
b. Pola difraksi sinar-X spesimen TK-1000/BL-2
c. Pola difraksi sinar-X spesimen TK-1100/BL-3
Gambar 4. Pola difraksi sinar-X dari produk kalsinasi pada berbagai temperatur dan waktu ball
milling
Po sition [ °2T he ta ] ( C o pp e r ( C u) ) 2 0 3 0 40 5 0 60 7 0 8 0 C o un ts 0 20 0 40 0 60 0 80 0 Se s ud a h T K .90 0 B L.1 P o s i t i o n [ ° 2 T h e t a ] ( C o p p e r ( C u ) ) 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 C o u n t s 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 S e s u d a h T K . 1 0 0 0 B L _ 2Position [°2Theta] (Copper (Cu))
20 30 40 50 60 70 80 Counts 0 200 400 600 800 Sesudah TK.1100 BL.3
Gambar 4 menunjukkan secara umum bahwa kenaikkan temperatur kalsinasi memberikan
difraktogram dengan pola yang serupa namun puncak-puncaknya semakin rendah. Pada puncak
tertinggi dimiliki spesimen sintetetis nano HA TK-900/BL-1 dengan puncak tertinggi sudut °2Th
di 34.0744
odengan ketinggian 918.74 cts. Naiknya temperatur kalsinasi menurunkan ketinggian
puncak, bagaimana dimiliki spesimen TK-1100/BL-3 pada sudut 34.1457
omemiliki tinggi
puncak 819.92 cts. Tingginya temperatur kalsinasi menurunkan tinggi puncak dan mempengaruhi
terbentuknya kristal (Tontowi, A.E., Ana, I.D., dan Siswomihardjo, W., 2006). Gambar 4a, b, c
memberikan difraktogram dengan puncak-puncak yang tajam dan intensitas tinggi. Pola seperti
ini menggambarkan bahwa sampel tersebut berfase semi kristal dan mempunyai kristalinitas yang
masih rendah (Pujianto dkk, 2005). Pada temperatur 900
oC memberikan kristalinitas yang sedikit
lebih tinggi dari pada temperatur 1000
oC. Temperatur kalsinasi pada 900
oC pada Gambar 4a
memberikan difraktogram dengan puncak-puncak yang tajam dengan intensitas yang tinggi
(Nasution, D., 2006). Hal ini menandakan bahwa sampel telah berbentuk kristal dengan tingkat
kristalinitas yang tinggi atau kristal yang sempurna. Penurunan kristalinitas dapat disebabkan oleh
kerusakan kristal dari sampel tersebut, akibat temperatur kalsinasi yang relatif tinggi (Solechan,
2014).
Gambar 5. Pola difraksi sinar-X pada HA komersil (merk Sigma Aldrith)
Pola kristalinitas sampel mengindikasikan bahwa temperatur menentukan proses
kristalisasi bahan tersebut. Dari data diketahui bahwa kalsinasi pada temperatur 900
oC
memberikan hasil yang terbaik, atau menunjukkan temperatur yang optimum. Apabila pola
difraksi sampel hasil kalsinasi, pada temperatur 900
oC memiliki kesamaan pola difraksi
hidroksiapatit komersil dari Sigma Aldrith. Kesamaan pola difraksi ini mengindikasikan bahwa
sampel hasil kalsinasi hidroksiapatit, untuk ketinggian puncak masih dibawahnya, sehingga
material sintesis nano HA untuk kristalnya masih rendah. Puncak tertinggi pada HA komersil
mencapai 1.230 cts terjadi perbedaan 311,26 cts ditampilkan pada Gambar 5.
3.2
Hasil Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)
Karakterisasi gugus fungsi material sinstesis nano HA dari tulang cumi sotong dari pengaruh
temperatur kalsinasi dan waktu ball milling di uji FTIR. Spesimen uji FTIR berbentuk spesimen
serbuk. Spesimen uji dengan kode TK-900/BL-1, TK-1000/BL-2, dan TK-1100/BL-3. Hasil uji
FTIR memperkuat data pada uji XRD dimana HA nanomaterial dari cumi sontong yang dihasilkan
dengan metode kalsinasi memiliki kemurnian yang tinggi. Gugus fungsi partikel HA setiap ikatan
memberikan citra berupa puncak yang khas sehingga berguna untuk identifikasi gugus fungsi
senyawa. Hasil uji FTIR HA nanomaterial dengan variasi temperatur kalsinasi dan waktu ball
milling ditunjukan pada Gambar 6a, b, dan c. Hasil uji spesimen kode TK-900/BL-1
memperlihatkan pada Gambar 6a untuk material HA dari gugus fungsi Ca
10(PO
4)
6(OH) , yaitu
pada wave number 874,50; 1096,82 cm
-1dimiliki gugus fungsi PO
4-3. Gugus fungsi CaCo
3(calcium
carbonat
) pada wave number 1468.81 cm
-1. Wave number 3639,52 cm
-1dimiliki gugus fungsi OH.
Hasil uji FTIR menunjukan material sintesis HA nanomaterial memiliki unsur yang dimiliki
material hydroxyapatite komersil. Uji FTIR ini memperkuat data pada uji XRD.
Gambar 6b pada
spesimen TK-1000/BL-2 menunjukan gugus yang sama dengan TK-900/BL-1. Unsur yang terdapat
gugus PO
4-3terdapat pada wave number 854,07; 875,00; 1082,76 cm
-1. Gugus CaCo
3pada wave
number
1472,23 cm
-1dan gugus OH pada wave number 3639,62 cm
-1.
a. Pola FTIR spesimen TK-900/BL-1
b. Pola FTIR spesimen TK-1000/BL-2
c. Pola FTIR spesimen TK-1100/BL-3
Gambar 6. Pola FTIR sampel variabel temperatur dan waktu ball milling
Spesimen TK-1100/BL-3 menunjukan gugus yang sama dengan spesimen lainya. Hasil uji
FTIR diperlihatkan pada Gambar 6c. Unsur yang terdapat gugus PO
4-3
number
712,80; 854,53; 873,21; 1082,50 cm
-1. Gugus CaCo
3pada wave number 1455,55 cm
-1dan gugus OH pada wave number 3640,55 cm
-1. Bertambahnya temperatur kalsinasi dan waktu
ball milling tidak berpengaruh terhadap bentuk gugus senyawa yang dimiliki oleh sintesis HA
nanomaterial dibuktikan dengan uji FTIR. Temperatur kalsinasi 1000
oC dan 1100
oC untuk
senyawa PO
4-3
lebih banyak terdeteksi dengan transmitansi lebih rendah, ini menunjukan
senyawa PO
4-3