SETIA UTAMI DEWI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
ABSTRACT
SETIA UTAMI DEWI. Synthesizes of Calcium Phosphate-Chitosan Composite by Sonication Method. Under direction of KIAGUS DAHLAN and DJARWANI SOEHARSO SOEJOKO.
Formation of biomaterial composite consisting of organic matrix and inorganic mineral has been studied. The inorganic minerals used hydroxyapatite and hydroxyapatite and carbonated apatite compound that was result reaction of calcium from calcinations of chicken eggshell at 1000oC and phosphor in the form of diammonium hydrogen phosphates. Whereas the organic matrix was a commercial chitosan originated from shrimp shell. To produce the composite, both of apatite was mixed with chitosan using sonication method. The result samples were further dried at 50°C. Used calcium phosphate is hysroxyapatite as stable crystal and carbonated apatite as resorbable crystal. That calcium phosphate results from optimation process. Percentages of chitosan and calcium phosphate that used are 20:80 and 30:70. Another was studied influence percentages of hydroxyapatite and hydroxyapatite-carbonated apatite compound. Characteristics of the samples were performed using X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy. Identification phase from XRD profile shown there are not change calcium phosphate compound phase. Added chitosan influences to crystalline degree where an increase of chitosan tends to decrease crystalline the composite. Chitosan presenting was shown by N-H and C-H bands transmittance from FTIR spectrum. The SEM micrograph also showed granules of apatite carbonate and rod of hydroxyapatite. Increase of chitosan tends to increase of composite density. Keywords: composite, apatite carbonate, hydroxyapatite, chitosan.
RINGKASAN
SETIA UTAMI DEWI. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan DJARWANI SOEHARSO SOEJOKO.
Tinginya kasus kerusakan tulang dalam medis sering terjadi sebagai akibat fraktur yang penanganannya memerlukan pembedahan dan grafting (pencangkokan) dengan menggunakan biomaterial. Pemenuhan kebutuhan biomaterial tulang di Indonesia masih menggunakan material import. Adapun yang telah dikembangkan di tanah air adalah biomaterial yang berasal dari tulang manusia ataupun tulang sapi yang disebut allograft pada umumnya hanya terdiri dari komponen mineral saja serta mempunyai kelemahan, yakni karakternya tidak pasti, tidak konstan dan perbedaan imunitas yang dapat menyebabkan terjadinya karsinogenik. Dalam perkembangannya untuk mengatasi persoalan tersebut dilakukan pembuatan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui secara pasti sehingga lebih biokompatibel dibanding dengan biomaterial
allograftt.
Biomaterial sintetik yang telah berhasil diproduksi oleh negara lain memiliki harga yang tinggi. Oleh karena itu perlu dikembangkan produksi biomaterial di tanah air. Kelimpahan bahan alam yang sangat tinggi dapat dikembangkan sebagai raw material dalam membuat biomaterial. Kelimpahan kalsit (CaCO3) dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium dalam sintesis kalsium fosfat yang merupakan komponen mineral tulang. Kalsit dapat diperoleh dari koral, kerang dan marin alga bahkan cangkang telur yang dianggap sebagai limbah dapat dimanfaatkan karena mengandung 94-97% CaCO3. Dalam pengembagan biomaterial tulang tidak hanya komponen mineral saja namun perlu dimodifikasi dalam bentuk komposit antara komponen mineral dan matriks organik karena mendekati komponen alamiah tulang yang terdiri dari mineral apatit dan kolagen sebagai matriks organik.
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan. Pembuatan komposit ini menggunakan sumber kalsium dari hasil kalsinasi cangkang telur ayam dan kitosan dari kulit udang. Dua jenis senyawa kalsium fosfat yang digunakan untuk pembuatan komposit yaitu, hidroksiapatit (HA) sebagai kristal stabil dan campuran HA-apatit karbonat (AK) sebagai kristal yang lebih mudah diserap oleh cairan tubuh. Keberadaan HA sebagai kristal stabil bertujuan untuk memberikan sifat mekanik yang tinggi sedangkan AK dapat mempercepat penyerapan komposit yang dapat memberikan kesempatan sel untuk berinfiltrasi dalam komposit sehingga dapat mempercepat proses remodellling tulang. Kitosan digunakan sebagai matriks untuk mengurangi sifat brittle. Selain itu kitosan memiliki sifat osteokonduktif, bioresorbable, biokompatible dan tidak mengandung racun.
Senyawa kalsium fosfat diperoleh dengan mempresipitasi prekursor kalsium dari hasil kalsinasi cangkang telur dan diamonium hidrogen fosfat ((NH4)2HPO4) dengan perbandingan konsentrasi kalsium dan fosfor 1,67. Hidroksiapatit diperoleh dari hasil sintering presipitat kering pada temperatur 900oC sedangkan campuran HA-AK diperoleh dari presipitat kering tanpa sintering. Pembuatan
komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan menggunakan metode sonikasi. Untuk memperoleh komposisi komposit yang tepat dilakukan variasi perbandingan kalsium fosfat (HA dan campuran HA-AK) dengan kitosan yaitu (80:20)% dan (70:30)%. Kalsium fosfat yang digunakan juga dilakukan variasi perbandingan HA dan campuran HA-AK. Sampel komposit yang dihasilkan dianalisis dengan menggunakan difraksi sinar-X, spektroskopi Fourier Transform
Infrared (FTIR) dan Scanning Electron Microscopy (SEM).
Pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan metode sonikasi memberikan keseragaman morfologi komposit. Pengaruh kitosan diamati pada sampel HA dan campuran HA-AK yang ditambahkan dengan 20 dan 30% kitosan. Penambahan kitosan dianalisis dari pola difraksi memperlihatkan tidak terjadi perubahan fase namun dapat menurunkan ukuran kristal. Selain itu penambahan kitosan dapat memberikan sifat ulet dilihat dari bentuk pellet yang dihasilkan. Keberadaan komponen kitosan yang terlihat dari spektra FTIR menunjukkan pengaruh kitosan 20% tidak signifikan dibandingkan dengan kitosan 30%. Komposit dengan kitosan 20% cukup baik untuk dikembangkan sebagai biomaterial substitusi tulang. Pengaruh penambahan jumlah campuran HA-AK pada komposit dapat pula menurunkan derajat kristalin dan ukuran kristal. Semakin tinggi perbandingan campuran HA-AK untuk kedua penambahan kitosan menunjukkan bahwa ukuran kristal menurun. Morfologi komposit yang dihasilkan dalam bentuk padat dapat memberikan kekuatan mekanik yang lebih tinggi.
Hasil analisis semua data diketahui yang komposit dengan komposisi 64% HA+16% campuran HA-AK+20% kitosan merupakan komposit yang optimum. Penggunaan komposit ini berpeluang dikembangkan sebagai biomaterial implantasi pada bagian tulang yang dapat menerima beban berat.
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM
FOSFAT-KITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada
Program Studi Biofisika
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
Judul Tesis : Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi
Nama : Setia Utami Dewi NIM : G751070041
Disetujui Komisi Pembimbing
Dr. Kiagus Dahlan Prof. Dr. Djarwani Soeharso Soejoko Ketua Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biofisika Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Akhiruddin Maddu Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
PRAKATA
Alhamdulillahirobbil’alamin, puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas rahmat, anugrah dan kasih sayang-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini sebagai syarat untuk menyelesaikan Program Magister Sains pada Program Studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana IPB. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak Agustus 2008 ialah biomaterial substitusi tulang, dengan judul Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi. Pemilihan tema ini bertujuan sebagai upaya pengembangan bidang biomaterial tulang di Indonesia.
Penyusunan penulisan karya ilmiah ini dapat diselesaikan karena dukungan dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. Kiagus Dahlan dan Prof. Dr. Djarwani S. Soejoko sebagai dosen pembimbing atas bimbingan, pengarahan dan nasehat serta kepada kedua orang tua dan keluarga besar atas segala dukungan dan doa. Ungkapan terima kasih yang mendalam Penulis ucapkan kepada Mas Chairudin yang telah memberikan segala motivasi, doa dan bantuannya selama menempuh pendidikan ini. Penghargaan Penulis sampaikan kepada Dr. Irzaman dan Ibu Yessie Widya Sari, M.Si yang selalu memberikan semangat dan inspirasi. Kepada Bapak Didik, Bapak Dadang, Bapak Gustan Pari, Bapak Saptadi serta seluruh staf Balai Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Bogor, Staf Biofarmaka IPB dan Bapak Wawan serta Bapak Wikanda, Penulis menghaturkan terima kasih yang telah membantu dalam pengambilan data. Kepada rekan-rekan S2 biofisika Penulis mengucapkan terima kasih atas bantuan, semangat dan keceriaan selama menempuh pendidikan Magister ini. Penulis pula sampaikan terima kasih kepada teman-teman seperjuangan di Laboratorium Biofisika atas keceriaan dan kebersamaan selama penelitian.
Semoga hasil penulisan ini dapat menjadi wacana yang memberikan wawasan yang bermanfaat bagi semua pihak. Penulis mengharapkan kritik dan saran untuk kesempurnaan penulisan karya selanjutnya. Terima kasih.
Bogor, Agustus 2009
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kuningan-Jawa Barat pada tanggal 14 Januari 1985. Penulis merupakan putri bungsu dari pasangan Bapak Salim dan Ibu Karwiti.
Penulis menyelesaikan Program Sarjana di Departemen Fisika, FMIPA-IPB pada tahun 2007. Pada tahun yang sama Penulis melanjutkan pendidikan Program Magister di Sekolah Pascasarjana IPB dengan Program Studi Biofisika. Beasiswa pendidikan Pascasarjana diperoleh dari Program Beasiswa Unggulan Diknas tahun 2007.
Selama mengikuti perkuliahan Program Magister, Penulis menjadi Research
Assistant di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika, FMIPA-IPB. Penulis juga
tergabung dalam redaktur penerbitan Jurnal Biofisika dan sebagai asisten praktikum mahasiswa Program Sarjana.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ... xii
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ... xv PENDAHULUAN ... 1 Latar Belakang ... 1 Perumusan Masalah ... 2 Tujuan Penelitian ... 3 Manfaat Penelitian ... 3
Ruang Lingkup Penelitian ... 3
TINJAUAN PUSTAKA ... 4 Tulang ... 4 Struktur Tulang ... 4 Komposisi Tulang ... 6 Kalsium Fosfat ... 9 Hidroksiapatit (HAP) ... 11
Apatit karbonat (AK) ... 15
Trikalsium Fosfat (TKF) ... 16
Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan ... 18
Kitosan ... 18
Sintesis dan Karakterisasi Komposit kalsium fosfat-kitosan ... 19
METODOLOGI PENELITIAN ... 22
Bahan dan Alat ... 22
Metode ... 22
Tahap Pertama: Sintesis Kalsium Fosfat ... 23
1. Kalsinasi cangkang telur ... 23
2. Sintesis kalsium fosfat... 24
3. Uji kelarutan dlam Simulated Body Fluid (SBF) ... 26
Tahap Kedua: Pembuatan dan Karakterisasi Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan ... 28
1. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan ... 28
2. Karakterisasi Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan... 29
HASIL PENELITIAN ... 30
PEMBAHASAN ... 53
SIMPULAN DAN SARAN ... 64
Simpulan ... 64
Saran ... 65
DAFTAR PUSTAKA ... 66
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Kandungan unsur mineral dalam tulang ... 7
2 Jenis-jenis senyawa kalsium fosfat ... 10
3 Parameter kisi untuk sampel hasil penelitian Saraswaty dkk... 21
4 Variasi konsentrasi Ca dan P pada pembuatan HA ... 25
5 Variasi termperatur dan waktu pada sintesis TKF ... 26
6 Volume larutan ionik untuk pembuatan SBF ... 26
7 Komposisi ionik dalam SBF ... 27
8 Variasi komposisi sintesis komposit ... 28
9 Efisiensi kalsinasi cangkang telur pada temperatur 1000oC selama 5 jam ... 30
10 Effisiensi penggunaan senyawa kalsium dari cangkang telur dan (NH2)HPO4 pada sintesis HA ... 32
11 Ukuran parameter kisi sampel HA ... 33
12 Ukuran kristal pada bidang h k l (0 0 2) dan (3 0 0) untuk sampel HA ... 34
13 Efisiensi penggunaan senyawa kalsium dari hasil kalsinasi cangkang telur dan (NH4)2HPO4 pada sintesis TKF ... 37
14 Kelarutan sampel kalsium fosfat dalam SBF ... 38
DAFTAR GAMBAR
Halaman
16 Struktur tulang padat dan tulang jala ... 5
17 Bentuk tulang panjang (a) dan pipih (b) ... 6
18 Spektra FTIR untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun ... 8
19 Pola difraksi sinar-X untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun. 8 20 Struktur unit sel hidroksiapatit ... 11
21 Pola difraksi sinar-X HA hasil kalsinasi pada berbagai temperatur (hasil penelitian Deepak dkk) ... 12
22 Pola difraksi sinar-X HA dengan metode hidrotermal pada temperatur 200oC pada berbagai waktu 24 jam (a), 48 jam (b) dan 72 jam (c) (hasil penelitian Earl dkk) ... 13
23 Pola difraksi sinar-X untuk HA yang menggunakan cangkang telur (hasil penelitian prabakaran) ... 14
24 Spektra FTIR untuk apatit karbonat sintetik Tipe A (a) dan Tipe B (b) (hasil penelitian Sonju Clasen dkk) ... 15
25 Pola difraksi sinar-X hasil sintesis apatit karbonat (hasil penelitian Sari dkk) ... 16
26 Pola difraksi sinar-X TKF pada berbagai temperatur (hasil penelitian Wang dkk) ... 17
27 Struktur monomer kitosan ... 19
28 Pola difraksi sinar-X pada kitosan ... 19
29 Difraksi sinar-X untuk DGB (a), HA (b) dan komposit DBG-kitosan-gelatin (c) (hasil penelitian Saraswaty dkk) ... 20
30 Mikrograf SEM Kitosan (a) dan Komposit kitosan-HA (b) (hasil penelitian Yamaguchi dkk). ... 21
31 Proses kalisinasi cangkang telur... 23
32 Skema tahap-tahap presipitasi ... 24
33 Pengujian kelarutan kalsium fosfat dalam SBF ... 27
34 Proses sonikasi komposit kalsium fosfat-kitosan ... 29
35 Pola difraksi sinar-X hasil kalsinasi cangkang telur pada temperatur 1000 oC selama 5 jam ... 31
36 Pola difraksi sinar-X sampel HA dengan perbandingan Ca:P (0,30:0,18) M H3 (a) dan (0,50:0,30) M. H5 (b) ... 33
38 Spektra FTIR untuk sampel Hidroksiapatit (HA) (a) dan Apatit Karbonat (AK) (b) ... 36 39 Pola difraksi sinar-X untuk sampel TKF sintering 1000oC selama 5
jam(a) dan sintering 1300oC selama 5 jam (b) ... 37 40 Pola difraksi sinar-X kitosan ... 39 41 Spektra FTIR kitosan ... 39 42 Pola difraksi sinar-X untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan
perbandingan HA dan kitosan (80:20)% (a) dan (70:30)% (c) ... 41 43 Grafik ukuran kristal pada HA dan AK terhadap pengaruh kitosan ... 42 44 Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan HA dan kitosan (100:0)% (a), (80:20)% (b), (70:30)% (c) dan (0:100)% (d) ... 42 45 Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan campuran HA-AK dan kitosan (100:0)% (a), (80:20)% (b), (70:30)% (c) dan (0:100)% (d) ... 44 46 Pola difraksi sinar-X komposit kalsium fosfat kitosan 20% dengan
berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK (80:0)% (a), (64:16)% (b), (56:24)% (c) dan (0:80)% (d) ... 45 47 Pola difraksi sinar-X komposit kalsium fosfat kitosan 30% dengan
berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK (70:0)% (a), (56:14)% (b), (49:21)% (c) dan (0:70)% (d) ... 46 48 Grafik ukuran kristal bidang (3 0 0 ) komposit kalisum fosfat-kitosan
dengan berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK ... 47 49 Grafik ukuran kristal bidang (0 0 2) komposit kalisum fosfat-kitosan
dengan berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK ... 47 50 Spektra FTIR komposit kalsium fosfat kitosan 20% dengan berbagai
perbandingan HA dan campuran HA-AK (80:0)% (a), (64:16)% (b), (56:24)% (c) dan (0:80)% (d) ... 48 51 Spektra FTIR komposit kalsium fosfat kitosan 30% dengan berbagai
perbandingan HA dan campuran HA-AK (70:0)% (a), (56:14)% (b), (49:214)% (c) dan (0:70)% (d) ... 49 52 Mikrograf kitosan (a) Hidroksiapatit (HA) (b) dan campuran HA-AK
(c). ... 50 53 Mikrograf komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan HA, campuran HA dan AK dan kitosan (64:16:20)% (a), (56:24:20)% (b) dan (0:80:20)% (c) ... 51
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Diagram alir penelitian ... 70
2 Perhitungan massa komponen pada sintesis kalsium fosfat ... 72
3 Massa komponen dan hasil pembuatan komposit ... 73
4 Pola difraksi sinar-X untuk sampel Hidroksiapatit (HA) hasil sintering pada temperatur 900oC selama 5 jam ... 74
5 Perhitungan parameter kisi untuk sampel Hidroksiapatit (HA) ... 78
6 Perhitungan ukuran kristal untuk sampel Hidroksiapatit (HA) ... 93
7 Pola difraksi sinar-X untuk sampel Trikalsium fosfat (TKF) ... 94
8 Pola difraksi sinar-X untuk sampel campuran hidroksiapatit (HA) dan apatit karbonat (AK) ... 97
9 Perhitungan parameter kisi dan ukuran kistal sampel campuran hidroksiapatit (HA) dan apatit karbonat (AK) ... 98
10 Massa hasil uji kelarutan dalam Simulated Body Fluid (SBF) ... 100
11 Pola difraksi sinar-X untuk komposit kalsium fosfat-kitosan ... 102
12 Perhitungan parameter kisi sampel komposit kalsium fosfat-kitosan .. 110
13 Perhitungan ukuran kristal untuk komposit kalsium fosfat-kitosan .... 122
14 Spektra FTIR untuk kalsium fosfat ... 123
15 Spektrum FTIR kitosan ... 124
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penurunan kualitas hidup manusia erat kaitannya dengan kesehatan organ tubuh. Terganggunya fungsi organ dapat disebabkan oleh penyakit dan kecelakaan. Penanganan kerusakan fungsi pada beberapa organ dilakukan dengan implantasi biomaterial. Contohnya adalah kerusakan katup jantung, pembuluh darah, lensa kontak, tulang dan gigi. Biomaterial yang paling banyak digunakan ialah untuk keperluan substitusi tulang sebesar 46% dari total keseluruhan.
Penderita kerusakan tulang meningkat setiap tahunnya1. Fraktur merupakan salah satu penyakit tulang yang sering ditemui. Selain fraktur, kerusakan tulang lainnya ialah osteoporosis. Studi di dunia menyatakan bahwa satu di antara tiga wanita di atas usia 50 tahun dan satu di antara lima pria di atas 50 tahun menderita osteoporosis2.
Penanganan yang tepat pada kerusakan tulang sangat penting karena tulang berperan sebagai penyokong fungsi tubuh, maka penggunaan material yang tepat merupakan faktor keberhasilkan implantasi tulang. Material substitusi tulang yang digunakan harus bersifat dapat diterima oleh tubuh (biokompatible), tidak korosif, disain yang tepat dan dapat berintegrasi dengan cepat3.
Pada bidang medis telah dilakukan rekonstruksi tulang dengan berbagai jenis biomaterial. Berdasarkan sumber material, biomaterial dikelompokkan menjadi empat jenis. Biomaterial yang berasal dari tulang manusia disebut
allograft. Penggunaan bahan ini mempunyai kelemahan dapat terjadi infeksi jika
tulang donor tidak sehat. Xenograft yaitu implantasi bagian tubuh dari spesies yang berbeda. Kelemahan dari biomaterial ini yaitu memiliki perbedaan karakter mineral tulang. Autograft yaitu substitusi tulang dari bagian tulang yang lain yang dimiliki oleh pasien yang sama. Hal ini akan memberikan beban tambahan pada pasien3. Untuk mengatasi keterbatasan-keterbatasan material tersebut dilakukan berbagai modifikasi pembuatan biomaterial sintetik. Dengan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol.
Biomaterial sintetik yang tepat yaitu biomaterial yang mendekati sifat alamiah tulang. Struktur tulang merupakan komposit alami antara substansi anorganik dan susbtansi organik. Substansi organik meliputi matriks organik, sel osteoblas, osteosit, dan osteoklas. Sel-sel tersebut memegang peranan dalam pertumbuhan mineral tulang3. Substansi anorganik adalah mineral yang memberikan sifat mekanik yang kuat. Kalsium fosfat merupakan komponen dominan terdapat dalam mineral tulang. Kalsium fosfat dalam tulang membentuk senyawa apatit4. Senyawa apatit tulang terdiri dari fase amorf dan kristal5.
Hidroksiapatit (HA) merupakan kristal kalsium fosfat yang umum digunakan untuk implantasi dibidang biomedis karena memiliki sifat bioaktif dan osteokonduktif yang sangat bermanfaat dalam proses mineralisasi tulang4. Namun HA memiliki keterbatasan yaitu bersifat keras dan brittle. Untuk mengurangi sifat ini perlu dilakukan modifikasi dengan menambahkan polimer sebagai matriks. Biomaterial dengan menggabungkan dua komponen senyawa kalsium fosfat dan polimer disebut komposit. Komposit sangat berpotensi untuk digunakan sebagai biomaterial substitusi tulang.
Komposit substitusi tulang dengan menggunakan bahan alam dapat dilakukan dengan menggunakan bahan yang dapat dijadikan prekursor pembentuk senyawa kalsium fosfat. Bahan alam yang berpeluang digunakan yaitu limbah cangkang telur dan kulit udang. Kandungan kalsium yang tinggi pada cangkang telur dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium pada sintesis kalsium fosfat. Kulit udang terdiri dari struktur kitin yang dapat diekstrak menjadi biopolimer kitosan. Kitosan bersifat biokompatibel, bioderadabel, oseokonduktif dan dapat mengurangi sifat britle senyawa kalsium fosfat sehingga dapat dimanfaatkan sebagai matriks pada sintesis komposit kalsium fosfat-kitosan sebagai biomaterial substitusi tulang. Komposit dengan menggunakan bahan alam diharapkan dapat meningkatkan biokompatibilitas saat diaplikasikan.
Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit substitusi tulang menggunakan bahan alam. Bahan alam yang digunakan adalah cangkang telur sebagai donor kalsium pada senyawa kalsium fosfat dan kitosan dari kulit udang
sebagai matriks organik. Pendekatan terhadap struktur tulang dalam tubuh dilakukan dengan sintesis senyawa kalsium fosfat dalam dua fasa, yaitu fasa kristal dan amorf. Komposit disintesis dengan mengkombinasikan pencampuran kalsium fosfat kristal dan amorf dengan kitosan. Pengamatan yang dilakukan yaitu pengaruh penambahan jumlah kitosan dan variasi bobot fase kristal dan amorf dalam sintesis komposit. Pengujian karakteristik yang diamati yaitu struktur dan morfologi komposit.
Tujuan Penelitian
1. Dapat menyintesis komposit kalsium fosfat-kitosan dari cangkang telur sebagai material substitusi tulang
2. Dapat memahami pengaruh penambahan kitosan pada komposit substitusi tulang
3. Dapat memperoleh komposisi komposit yang tepat untuk aplikasi implantasi tulang
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan mampu memberikan prototype komposit substitusi tulang berbasis bahan alam yaitu cangkang telur dan kitosan. Prototype ini diharapkan mampu menjaring para medis khususnya bidang ortopodik sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan implantasi tulang. Lebih jauh lagi, dari segi harga, diharapkan pula biomaterial tulang yang dihasilkan dapat terjangkau oleh masyarakat luas.
Ruang Lingkup Penelitian
Kajian yang akan dilakukan yaitu rekayasa sintesis komposit dari limbah cangkang telur ayam dan kitosan sehingga memiliki nilai tambah sebagai sumber kalsium untuk sintesis senyawa kalsium fosfat dan pemanfaatan kitosan sebagai matriks organik. Komposit yang diperoleh akan dimanfaatkan sebagai implantasi tulang. Pemanfaatan limbah cangkang telur dan kulit udang diharapkan mampu menekan biaya produksi sehingga diharapkan keluaran penelitian ini mampu
menyelesaikan permasalahan masyarakat dalam hal penyediaan bahan implan tulang yang terjangkau oleh berbagai aspek masyarakat.
TINJAUAN PUSTAKA
Tulang
Tulang merupakan jaringan kuat pembentuk kerangka tubuh manusia. Tulang sebagai pembentuk kerangka manusia memiliki empat fungsi utama yaitu fungsi mekanik, protektif, metabolik dan hemopetik. Fungsi mekanik yaitu sebagai penyokong tubuh dan tempat melekatnya jaringan otot untuk pergerakan. Fungsi protektif yaitu sebagai pelindung berbagai alat vital dalam tubuh dan sumsum tulang. Fungsi metabolik yaitu sebagai cadangan dan tempat metabolisme berbagai mineral yang penting seperti kalsium dan fosfat. Fungsi hemopetik yaitu sebagai tempat berlangsungnya proses pembentukan dan perkembanagan sel darah6. Karena perbedaan fungsi tersebut, tulang memilki struktur dan komposisi yang berbeda.
Struktur Tulang
Kompleksitas dalam tulang mengakibatkan klasifikasi tulang dilakukan dalam berbagai cara. Secara radiologis tulang dibedakan menjadi dua yaitu tulang padat atau compact dan tulang jala atau cancellous6. Jumlah tulang jala dalam tubuh relatif lebih banyak dibandingkan dengan tulang padat. Struktur tulang secara radiologis ditunjukan oleh Gambar 1.
Unit struktur dari tulang padat dewasa adalah sistem harvesian atau osteon dengan diameter 100-300 μm. Sistem harvesian memiliki sebuah kanal harvesian yang dikelilingi oleh lamela yang tersusun secara konsentrik. Kanal harvesian memiliki paling sedikit satu pembuluh darah kapiler yang menyediakan nutrien bagi osteosit untuk remodelling tulang. Lamela pada sistem harvesian memiliki rongga-rongga yang disebut lakuna. Setiap lakuna berisi sel yang bernama osteosit. Semua lakuna pada sistem harvesian dihubungkan oleh kanal-kanal kecil yang disebut kanalikuli. Osteosit pada tulang jala terletak pada lakuna yang saling
dihubungkan dengan kanalikuli seperti pada tulang padat tetapi lamela pada tulang jala tidak tersusun secara konsentrik7.
Gambar 1 Struktur tulang padat dan tulang jala7.
Berdasarkan anatomi, tulang memiliki berbagai bentuk dan ukuran untuk memenuhi kebutuhan tubuh, tulang dibedakan menjadi empat macam, yaitu tulang panjang, tulang pendek, tulang pipih, dan tulang tak sama bentuk. Tulang panjang merupakan tulang dengan ukuran yang panjang yang dibentuk oleh bagian
epiphyses dan diaphyses (Gambar 2a). Diaphyses terdapat pada bagian tengah
yang didalamnya terdapat medullar cavity sebagai tempat sumsum tulang.
Epiphyses terdiri dari tulang jala yang terbungkus oleh lapisan tulang padat
terdapat pada ujung tulang panjang. Pada anak-anak tulang panjang berisi sumsum merah. Setelah dewasa, sumsum ini diganti menjadi sumsum kuning. Tulang pendek berupa jala yang dipenuhi dengan ruang-ruang. Strukturnya hampir sama dengan tulang panjang namun tidak memiliki medullar cavity. Tulang pipih merupakan tulang berbentuk pipih, tipis dan melengkung. Tulang pipih terbentuk dari dua lapisan tulang padat yang diantara keduanya terdapat tulang jala. Tulang pipih seperti tampak pada Gambar 2b. Tulang ini berfungsi sebagai tempat melekatnya otot-otot dan melindungi organ-organ yang ada di dalamnya. Tulang tak sama bentuk merupakan tulang yang tidak memiliki kesesuaian dengan bentuk yang sebelumnya. Tulang ini memiliki fungsi sebagai tempat melekatnya otot7.
(a) (b) Gambar 2 Bentuk tulang panjang (a) dan pipih (b) 7.
Komposisi Tulang
Komposisi utama jaringan tulang jumlahnya bergantung pada spesies, umur, jenis kelamin, jenis tulang dan posisi tulang. Komposisi tulang secara umum terdiri dari 60% material anorganik, 30% organik dan 15% air3. Material anorganik merupakan mineral tulang yang mengandung cukup kalsium yaitu dalam bentuk kalsium fosfat karbonat atau disebut apatit karbonat dan mineral-mineral lain. Mineral-mineral-mineral lain yaitu magnesium (Mg), flouride (F) dan klor (Cl), natrium (Na) dan kalium (K)8. Kehadiran mineral-mineral tersebut menjadikan kalsium fosfat dalam tulang mempunyai sifat yang kompleks, seperti dapat hadir dalam berbagai fase dan adanya impuritas. Apatit karbonat atau
dahlite [(Ca, Na, Mg)5(HPO4, PO4 , CO3 )3(OH, CO3)]4. Senyawa kalsium fosfat dalam tulang disebut juga sebagai apatit biologi. Kandungan senyawa mineral tulang manusia secara umum terdapat pada Tabel 1.
Fase apatit yang stabil yaitu hidroksiapatit (HA) dengan rumus kimia Ca10(PO4)6(OH)2. Kehadiran karbonat (CO32-) dalam tubuh dapat mensubstitusi formula HA dengan menempati dua posisi. Karbonat menggantikan posisi hidroksil (OH-) disebut apatit karbonat tipe A dan menggantikan posisi fosfat (PO4)3- disebut apatit karbonat tipe B10,11,12.
Tabel 1 Kandungan unsur mineral dalam tulang9
Unsur Kandungan (% berat) Ca 34,00 P 15,00 Mg 0,50 Na 0,80 K 0,20 C 1,60 Cl 0,20 F 0,08 Zat sisa 47,62
Untuk mengetahui karakteristik apatit biologi tulang dilakukan penelitian dengan menggunakan hewan uji. Tahun 1998, Baig dkk melakukan pengujian karakter tulang dengan mineral tulang tikus. Karakter tulang tikus menunjukkan bahwa mineralnya mengandung banyak karbonat. Semakin bertambah usia tikus kelarutan apatit menurun karena karena kristalinitas meningkat13. Solehan (2001) mengamati kehadiran karbonat dalam mineral tulang tikus yang berumur 1-6 bulan diteliti dengan menggunakan difraksi sinar-X. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kandungan mineral dalam bentuk apatit karbonat meningkat dengan kenaikan umur. Selanjutnya disamping konsentrasi mineral, kristalinitas apatit karbonat dalam tulang tikus juga meningkat dengan kenaikan umur14. Penelitian yang lebih komprehensif juga telah dilakukan oleh Sari YW dkk (2005) untuk mengetahui pertumbuhan senyawa kalsium fosfat dalam tulang tikus yang berumur dalam rentang 1-8 bulan15,16. Hasil penelitian menunjukkan bahwa senyawa kalsium fosfat dalam tulang tikus hadir dalam bentuk amorf dan kristalin ukuran kecil dengan morfologi berbentuk kepingan.
Selain menggunakan tulang hewan, penelitian dengan menggunakan tulang manusia dilakukan oleh Nurizati dkk (2006), menunjukkan bahwa mineral tulang dalam bentuk senyawa campuran senyawa apatit karbonat dan HA. Data ini ditunjukkan pada hasil spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) dan
difraksi sinar X (Gambar 3 dan Gambar 4)17. Puncak untuk karbonat pita
ν
3menujukkan kehadiran senyawa apatit karbonat tipe B begitu juga dengan
ν
2.Hasil tersebut didukung dengan data difraksi sinar-X yang menujukkan puncak tertinggi merupakan puncak apatit karbonat tipe B. Hasil analisis komposisi mineral tulang manusia menunjukkan kehadiran unsur-unsur lain yaitu Na, Mg dan K. Kehadiran ion asing selain karbonat menyebabkan adanya inhibitor bagi apatit biologi. Inhibitor tersebut mengakibatkan apatit biologi yang hadir dalam tulang mempunyai kristalinitas rendah dan nonstoikiometri. Sebagian ion asing masuk ke dalam kisi kristal apatit, dan sebagian lain ada yang hanya diadsorpsi. Hal ini menyebabkan tulang terdiri dari fase kristal dan amorf.
Gambar 3 Spektra FTIR untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun.
ν
4 PO4ν
3 PO4ν
1PO4ν
2CO3ν
3CO3 OH Bilangan Gelombang (cm-1) TGambar 4 Pola difraksi sinar-X untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun.
Dalam penelitian kalsifikasi tulang diketahui bahwa proses pertumbuhan dan pendewasaan tulang berkaitan erat dengan konversi fase amorf kalsium fosfat menjadi kristal apatit. Proses transformasi tersebut akan terbentuk kristal non apatit sebagai fase antara yang mendahului pembentukan kristal apatit18. Fase antara yaitu dikalsium fosfat dihidrat (DKFD), oktakalsium fosfat (OKF) dan trikalsium fosfat (TKF). Hal ini ditunjukkan bahwa semakin bertambah usia kristalnitas semakin tinggi. Hidroksiapatit merupakan kristal apatit yang paling stabil.
Hidroksiapatit (HA) adalah yang mengandung hidroksida, anggota dari kelompok mineral dalam tulang yang memiliki rasio Ca/P dicirikan sebesar 1,67. Struktur HA adalah heksagonal. Dimensi parameter kisi HA pada tulang adalah nilai a = b = 9,419 Å dan c = 6,880 Å dan sudut α = β = 90o dan γ =120o19.
Komponen organik tulang terdiri dari sel dan matriks. Sel-sel yang terdapat pada tulang adalah osteoblas, osteoklas dan osteosit. Osteoblas merupakan sel yang membantu pertumbuhan tulang. Osteoklas merupakan sel penyerapan tulang sedangkan osteosit untuk mempertahankan mineral tulang. Penyusun matriks alami tulang adalah kolagen. Kolagen merupakan protein yang keras pembentuk struktur jaringan konektif tulang. Terdapat 13 jenis kolagen dari tipe I sampai XIII. Kolagen tipe I yaitu tipe kolagen yang terdapat pada tulang. Melalui pengamatan dengan mikroskop elektron, kolagen merupakan polimer dalam bentuk fibril. Kolagen berfungsi sebagai media tumbuh senyawa mineral yang membantu sel-sel pembentuk tulang melakukan mineralisasi. Dimana kristal mineral tulang berada di dalam dan di antara fibril kolagen. Kristal apatit karbonat bergabung sepanjang fibril kolagen dan penggabungan tersebut menjadikan tulang dalam bentuk komposit yang kuat dan keras20.
Kalsium fosfat
Komponen utama mineral tulang adalah senyawa kalsium fosfat. Pendekatan yang dilakukan untuk memperoleh material substitusi tulang yang tepat dengan menggunakan modifikasi senyawa kalsium fosfat. Senyawa kalsium
fosfat sintetik diperoleh dengan mencampurkan prekursor kalisum dan fosfat dengan berbagai metode.
Kalsium fosfat merupakan keramik yang yang memiliki ikatan kovalen atau ionik. Senyawa kalsium fosfat tidak memiliki muatan bebas sehingga memiliki sifat listrik yang rendah. Dalam berbagai penelitian kalsium fosfat sintetik berhasil diperoleh dalam berbagai macam fase. Perbedaan fase kalsium fosfat dapat digunakan dalam medis tergantung pada bioaktivitas atau kemampuan penyerapan material yang diperlukan. Pada Tabel 2 menjukkan daftar kalsium fosfat yang sering digunakan pada bidang medis19.
Biomaterial untuk implantasi tulang menggunakan senyawa kalsium fosfat yang memiliki kekuatan tinggi. Meninjau sifat tersebut, HA merupakan senyawa apatit yang banyak digunakan dibidang ortopedik9. Kombinasi beberapa fase kalsium fosfat dapat dilakukan untuk menghasilkan biomaterial yang optimum dan dapat mempercepat proses remodelling. HA memiliki stabilitas yang tinggi. Pada penggunaannya HA dimodifikasi dengan menambahkan fase kalsium fosfat lain yang memiliki kelarutan yang tinggi bertujuan untuk menghasilkan bagian yang dapat terdegradasi selama remodelling tulang. Fase senyawa kalsium fosfat yang mudah terserap adalah Trikalsium fosfat (TKF) dan apatit karbonat (AK)21. Tabel 2 Jenis-jenis senyawa kalsium fosfat
Nama mineral Nama kimia Rumus kimia Ca : P (rasio molar)
Monetite Dikalsium fosfat
(DKF)
CaHPO4 1,00
Brushite Dikalsium fosfat
dihidrat (DKFD)
CaHPO4.2H2O 1,00 Whitlockite Oktakalsium fosfat
(OKF ) Trikalsium fosfat (TKF) Ca8H2(PO4)65H2O Ca3(PO4)2 1,33 1,50 Hidroksiapatit Hidroksiapatit (HA) Ca10(PO4)6(OH)2 1,67 Hillinstockite Tetrakalsium Fosfat Ca4P2O9 2,00
(TTCP) Hidroksiapatit (HA)
Hidroksiapatit merupakan kristal apatit yang paling stabil. HA termasuk kelompok apatit yang paling banyak digunakan dibidang medis karena memilki sifat biokompatibel dan osteokonduktif9. Rumus kimia HA adalah Ca10(PO4)6(OH)2 yang memiliki rasio Ca:P adalah 1,67. Secara teoritis densitas HA adalah 3,156 g/cm3. Struktur kristal dari HA adalah heksagonal dalam bentuk
closed-paked dengan paramenter kisi a = 9,418 Å dan c = 6,881 Å9.
Struktur unit sel HA terdiri dari dua triangular (Gambar 7). Atom kalsium (Ca) ditunjukan oleh warna hijau, atom fosfor oleh warna merah dan atom oksigen oleh warna biru. Setiap unit sel memiliki dua jenis atom Ca yaitu Ca1 dan Ca2. Perbedaan ini berdasarkan letak posisi Ca, dimana Ca1 yaitu yang berada di pusat
triangular sedangkan Ca2 yang berada di dinding trianngular.
Sintesis HA telah banyak dilakukan oleh para peneliti. Berbagai metode dan prekursor sudah ditemukan untuk menghasilkan HA. Metode yang dapat dilakukan yaitu metode basah melalui presipitasi, metode kering dengan perlakuan termperatur tinggi dan hidrotermal. Raw material yang digunakan pada sintesis HA berasal dari bahan alam atau sintetik.
Deepak dkk (2005) melaporkan hasil sintesis HA dari kalsium nitrat tetrahidrat [Ca(NO3)24H2O] dan di-ammonium hidrogen ortofosfat [(NH3)2HPO4] dengan metode presipitasi. Pada penelitiannya juga dilakukan variasi temperatur dari 200oC sampai 1000oC dengan interval 200oC22.
Gambar 6 Pola difraksi sinar-X HA hasil kalsinasi pada berbagai temperatur (hasil penelitian Deepak dkk).
Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwa pada kalsinasi 200oC dan 400oC HA tampak dalam fase amorf sedangkan pada temperatur 600oC terlihat peningkatan derajat kristalin dengan disertai munculnya fase trikalsium fosfat (TKF). Semakin tinggi temperatur maka kristalinitasnya semakin meningkat. Hal ini ditunjukkan dengan menurunnya nilai lebar setengah puncak. Selain itu pada temperatur 800oC dan 1000oC terdapat penambahan fase dikalsium fosfat (DKF) (Gambar 6)22.
Earl dkk (2006) melakukan sintesis HA dari senyawa yang sama yaitu Ca(NO3)24H2O dan (NH3)2HPO4 dengan metode hidrotermal. Metode hidrotermal dilakukan dengan memberikan perlakuan panas dan tekanan pada proses sintesis HA. Temperatur yang digunakan yaitu 200oC dengan variasi waktu pada 24, 48 dan 72 jam. Hasil eksperimen dianalisis dengan difraksi sinar-X. Pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa tidak hanya muncul fase HA namun terdapat monetit (CaHPO4) pada waktu perlakuan 48 dan 72 jam. Pada waktu perlakuan 24 jam terlihat fase HA tanpa impuritas fase lain (Gambar 7)23.
Gambar 7 Pola difraksi sinar-X HA dengan metode hidrotermal pada temperatur 200oC pada berbagai waktu 24 jam (a), 48 jam (b) dan 72 jam (c) (hasil penelitian Earl dkk).
Sumber prekursor untuk menghasilkan HA dapat juga diperoleh dari bahan alam. Bahan alam yang mulai dikembangkan yaitu koral, kerang dan cangkang telur. Penggunaan bahan tersebut sebagai sumber kalsium. Sebagian besar kandungan yang terdapat pada bahan tersebut adalah kalsit (kalsium karbonat, CaCO3)24,25,26.
Senyawa HA diperoleh dengan mereaksikan kalsium dari bahan-bahan tersebut dengan senyawa yang mengandung fosfat. Ben-Nissan (2003) menunjukkan sintesis HA dengan menggunakan koral dan diamonium hidrogen fosfat dengan metode hidrotermal. Pada proses tersebut dapat memelihara struktur pori pada koral24.
Vecchio dkk (2007) melakukan sintesis HA dari kulit kerang dengan metode hidrotermal pada termperatur 180oC dan 200oC selama 10 hari. HA murni diperoleh dari perlakuan hidrotermal temperatur 200oC selama 10 jam. Perlakuan dengan temperatur 180oC selama 10 jam masih menunjukkan adanya kalsit25.
Gambar 8 Pola difraksi sinar-X untuk HA yang menggunakan cangkang telur (hasil penelitian prabakaran).
Prabakaran dkk (2005) melakukan sintesis HA dari cangkang telur. Metode yang dilakukan dengan menghilangkan komponen organik pada cangkang telur sehingga dapat menghasilkan senyawa kalsium dengan mengkalsinasi cangkang telur pada temperatur 900oC. Kalsium yang diperoleh selanjutnya direaksikan dengan senyawa asam fosfat sehingga menghasilkan senyawa kalsium fosfat. Untuk memperoleh HA dilakukan perlakuan pemanasan pada temperatur 400, 700 dan 900oC. Dari hasil analisis dengan difraksi sinar-X diperoleh bahwa pemanasan yang dapat menghasilkan HA yaitu pada temperatur 900oC (Gambar 8)26.
Nurlaela dkk (2009) melakukan metode ekstraksi senyawa kalsium dari cangkang telur menjadi senyawa kalsium oksida dengan memberikan variasi temperatur, yaitu 900 dan 1000oC dengan berbagai variasi waktu. Hasil optimum untuk menghasilkan senyawa kalsium oksida dari cangkang telur yaitu pada temperatur 1000oC selama 5 jam27.
Penelitian in vivo mengenai penggunaan HA pada rekonstruksi tulang rahang kelinci dari bahan alam menunjukkan hasil yang sangat baik. Penelitian lain menunjukkan HA dari bahan alam memiilki osteokonduktif yang lebih baik dibandingkan dengan dari bahan sintetik28.
Apatit karbonat (AK)
Mayoritas apatit yang terdapat pada apatit biologi adalah apatit karbonat [(Ca, Na, Mg)5(HPO4, PO4 , CO3 )3(OH, CO3)]17,21. Pada penelitian kalsium fosfat sintetik telah diperoleh fase-fase kalsium fosfat yang sesuai dengan apatit biologi. Terbentuknya apatit karbonat sintetik yaitu dengan menambahkan karbonat dalam formulasi HA. Karbonat dapat menggantikan posisi OH- pada HA membentuk apatit karbonat tipe A dan jika menggantikan posisi (PO4)3- disebut apatit karbonat tipe B10,11,12. Ukuran parameter kisi untuk Tipe A adalah a = 9,529 Å, b = 19,10 Å dan c = 6,860 Å. Ukuran parameter kisi untuk Tipe B nilai a = 9,309 Å dan c = 6,927 Å.
Probalitas karbonat untuk membentuk apatit karbonat tipe B lebih mudah dibandingkan dengan membentuk apatit karbonat tipe A. Fenomena itu terjadi karena OH- pada HA membutuhkan energi yang lebih besar untuk lepas dari pada (PO4)3-. Apatit karbonat tipe A dapat dibentuk pada termperatur yang tinggi dan mayoritas apatit tipe B karbonat dapat dibentuk pada termperatur rendah.
Sonju Clasen dkk (1997) melakukan sintesis apatit karbonat tipe A dan tipe B. Apatit karbonat tipe A disintesis pada termperatur 900 oC dengan ditambahkan gas karbon dioksida dengan laju 0,5 L/jam selama lima jam. Apatit karbonat tipe B disintesis dengan mereaksikan (NH4)2HPO4, (NH4)2CO3, dan Ca(NO3)2 lalu disimpan selama 2 jam kemudian dikeringkan pada termperatur 70oC. Hasil yang diperoleh ditunjukkan dengan spektra FTIR (Gambar 9). Pita karbonat untuk tipe A yaitu pada bilangan gelombang 1545 dan 1460 cm-1, sedangkan pita karbonat untuk tipe B yaitu pada bilangan gelombang 1466, 1455 dan 1422 cm-1 29.
Gambar 9 Spektra FTIR untuk apatit karbonat sintetik Tipe A (a) dan Tipe B (b) (hasil penelitian Sonju Clasen dkk).
(a)
Gambar 10 Pola difraksi sinar-X hasil sintesis apatit karbonat (hasil penelitian Sari dkk).
Sintesis apatit karbonat dengan metode pereaksian basah dilakukan oleh Waluyo dkk (2006). Sintesis dilakukan dari senyawa CaCl2.2H2O, Na2HPO4.2H2O dan NaHCO3. Hasil difraksi sinar-X menunjukkan bahwa fase yang terbentuk lebih dari satu yaitu HA, apatit karbonat tipe A, apatit karbonat tipe B (Gambar 10)30.
Trikalsium fosfat (TKF)
Rumus kimia TKF adalah Ca3(PO4)2. TKF memiliki empat polimorf: α, β, γ dan super- α. Polimorf super- α dapat diamati pada termperatur sekitar 1500 oC. Polimorf yang sering diperoleh pada TKF yaitu α dan β. α-TKF memiliki struktur monoklinik dengan parameter kisi a = 12,887 Å, b = 27,728 Å dan c = 15,219 Å. β-TKF memiliki struktur rhombohedral dengan unit sel memiliki ukuran a = 10,439 Å dan c = 37,3775 Å. Struktur β-TKF memiliki plot yang sama dengan heksagonoal19.
Sintesis TKF dilakukan dengan memberikan perlakuan temperatur tinggi. Pemanasan ini diperlukan untuk menghilangkan semua OH yang terbentuk. Termperatur pembentukan fase TKF diatas 1000oC. β-TKF stabil sampai termperatur 1125oC. Diatas temperatur tersebut sampai 1430oC menjadi TKF pada fase α. Super- α TKF dapat terbentuk pada termperatur 1430oC dan memiliki titik leleh 1756 oC,
α-TKF memiliki densitas yang lebih rendah dari pada β-TKF. α-TKF memiliki reaktivitas yang tinggi dalam sistem air dapat terhidrolisis jika dicampur dengan dikalsium fosfat dihidrat (DKFD), oksihidroksiapatit dan kalsium fosfat lain dalam berbagai macam proporsi, tergantung pada kondisi. β-TKF tidak dapat terbentuk pada sistem cair. β-TKF dikenal lebih mudah larut dari pada oksihidroksiapatit, tetapi diatas pH=6 kemampuan kelarutannya lebih kecil dibandingkan dengan kalsium fosfat lain. Selain itu, kelarutannya menurun dengan meningkatnya temperatur.
Penelitian kelarutan TKF dan HA telah diamati oleh banyak peneliti. Hasil yang diperoleh bahwa TKF memiliki waktu yang lebih cepat larut 12,3 waktu dibanding HA dalam larutan penyangga asam laktik (0,4 M, pH 5,2) dan 22,3 waktu lebih besar dari HA pada larutan etilen diamin tetrasetik acid (EDTA) (0,05 M, pH 8,2). Kelarutan antara HA dan β-TKF yaitu berbeda 3 kali waktu lebih besar β-TKF. Kelarutan HA dan fase-fase TKF jika diurutkan berdasarkan kelarutannya adalah: HA< β-TKF< α TKF
Untuk keperluan medis TKF memiliki sifat biodegradabel, bioaktif dan kelarutan yang tinggi. Material ini dapat digunakan untuk material implan tulang. Para peneliti melakukan sintesis TKF dengan menggunakan temperatur tinggi.
. Gambar 11 Pola difraksi sinar-X TKF pada berbagai temperatur (hasil penelitian
Wang dkk melakukan sintesis TKF dari senyawa kalsium fosfat sintetik kemudian diberi perlakuan beberapa variasi temperatur yaitu 1100-1600oC dengan interval 100oC. Hasilnya pada temperatur 1100 dan 1200oC menghasilkan β-TKF. Semakin tinggi temperatur maka α-TKF semakin banyak terbentuk31 (Gambar 11).
Komposit kalsium fosfat-kitosan
Komposit kitosan diperoleh dengan menggabungkan kalsium fosfat dengan kitosan. Penggunaaan kitosan yaitu untuk media melekatnya kalsium fosfat. Kitosan diharapkan dapat meningkatkan bioaktivitas, biokompatibel dan sifat mekanik komposit.
Kitosan
Kitosan merupakan polimer alami yang berpotensi digunakan sebagai matriks dalam pembuatan komposit. Ketersediaan kitosan banyak terdapat di alam. Kitosan dapat diekstrak dari kepiting atau udang32. Kitosan merupakan polisakarida alam yang terdapat di biota laut, dengan strukturnya menyerupai
glycosaminoglycansi33. Kitosan terdiri dari glusamine dan N-acetylglusamine
yang dihasilkan dari ikatan 1-4 glicosideic34 (Gambar 12). Kitosan diperoleh dari eliminasi asetil kitin.
Kitosan memiliki karakter bioresorbabel, biokompatibel, toksin, non-antigenik, biofungsional35 dan osteokonduktif36. Karakter osteokonduktif yang dimiliki kitosan dapat mempercepat pertumbuhan osteoblas sehingga dapat mempercepat pembentukan mineral tulang. Karakter lain yang dimiliki kitosan adalah tidak larut dalam air, alkali dan pelarut organik tetapi larut dalam larutan asam organik dan dapat terdegradasi oleh enzim dalam tubuh. Kitosan dapat dibentuk menjadi struktur berpori dengan freezing dan lyophilising35. Hasil
penelitian sebelumnya membentuk struktur berpori dengan metode freezing menghasilkan makropori yang homogen pada rongga permukaan dan hubungan antar mikrostruktur yang seragam dilihat dari penampang lintang rongga.
Gambar 12 Struktur monomer kitosan33.
Gambar 13 Pola difraksi sinar-X pada kitosan.
Pengataman difraksi sinar-X untuk kitosan ditunjukkan pada Gambar 13. Puncak difraksi terjadi pada sudut 20o dengan nilai lebar setengah puncak (FWHM) yang tinggi37. Besarnya nilai FWHM menujukkan bahwa kristalinitas kitosan rendah (Gambar 13).
Sintesis dan karakterisasi komposit kalsium fosfat-kitosan
Sintesis komposit kalsium fosfat-kitosan untuk penggunaan implantasi tulang diperlajari dari beberapa literatur. Metode utama yaitu dilakukan dengan presipitasi ex situ dan in situ, sol gel dan pembentukan semen.
Saraswaty dkk (2001) mengamati sintesis tiga dimensi jaringan HA/kitosan gelatin komposit yang dihasilkan dengan metode pemisahan fase. Fase yang dibuat yaitu, suspensi HA melalui proses dispersi dengan ultrasonik, larutan kitosan pada asam asetat dan gelatin. Pencampuran semua larutan dilakukan dengan menggunakan magnetic stirrer. Hasil yang diperoleh disimpankan dan dikeringkan dengan freeze drier. Hasil yang diperoleh semakin besar konsentrasi
kitosan-gelatin maka porositas menurun28. Difraksi sinar-X ditunjukkan pada Gambar 14. Gambar tersebut membandingkan Deglued Bone (DGB), HA dan komposit HA kitosan gelatin. Fase HA pada komposit tidak berubah, hasil difraksi hanya menggeser posisi sudut sehingga nilai parameter kisinya berubah (Tabel 3).
Gambar 14 Difraksi sinar-X untuk DGB (a), HA (b) dan komposit DBG-kitosan-gelatin (c) (hasil penelitian Saraswaty dkk).
Tabel 3 Parameter kisi untuk sampel hasil penelitian Saraswaty dkk
Parameter kisi HA DGB Komposit
a 9,418 Å 9,414 Å 9,406 Å
c 6,886 Å 8,886 Å 6,880 Å
Yamaguchi dkk (2003) melakukan sintesis komposit HA-kitosan dengan metode presipitasi. Larutan kitosan dalam asam asetat disiapkan dengan menambahkan bubuk kitosan pada aquabides yang dicampur dengan asam asetat. Larutan tersebut ditambahkan pada larutan H3PO4 sehingga diperoleh larutan kitosan- H3PO4, larutan tersebut kemudian ditambahkan pada larutan Ca(OH)2 dalam kondisi distirring sampai pH 9. Pada saat tersebut kitosan tidak larut dan presipitasi HA terbentuk maka dapat dihasilkan komposit HA-kitosan. Hasil presipitasi kemudian disimpan selama 24 jam. Presipitat kemudian disaring dan dibilas dengan aquabidest selanjutnya dikeringkan38. Hasil pengamatan dengan mikroskop menunjukka bahwa HA hasil presipitasi menempel pada permukaan kitosan (Gambar 15).
(a) (b) Gambar 15 Mikrograf SEM Kitosan (a) dan Komposit kitosan-HA (b) (hasil
METODOLOGI PENELITIAN
Bahan dan Alat
Bahan utama yang digunakan pada penelitian ini yaitu cangkang telur ayam sebagai donor kalsium, diamonium hidrogen fosfat ((NH4)2HPO4) pro analis (Merck) dan kitosan (Teknologi Hasil Perikanan, Fakultas Perikanan IPB) sebagai matriks organik. Bahan pendukung lain yang digunakan yaitu aquades, aquabides dan asam asetat.
Alat yang digunakan terdiri dari dua kelompok, peralatan yang digunakan untuk pembuatan sampel dan pengujian sampel. Peralatan pembuatan sampel terdiri dari magnetic stirrer, ultrasonic chamber, hot plate, neraca analitik,
thermometer digital, furnace, incubator, buret 100 mL, gelas kimia, mortar, pipette Mohr, corong, dan kertas saring (whatman 40). Pembuatan sampel dilakukan di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika FMIPA-IPB.
Peralatan karakterisasi sampel pada prinsipnya digunakan untuk tiga jenis analisis. Analisis struktur dilakukan dengan menggunakan difraktometer sinar-X Shimadzu Philips Diffraktometer yang terdapat di Laboratorium Terpadu bagian Kimia Kayu di Badan Penelitian dan Pengembangan Hutan (Balithut) Bogor. Difraksi menggunakan sinar-X karakteristik Kα Cu (λkαCu = 1,54002 Å). Kandungan gugus fungsi sampel dianalisis dengan spektrometer Fourier
Transform Infrared (FTIR) Burker Tensor 37 milik Laboratorium Biofarmaka
IPB-Bogor. Morfologi permukaan diamati dengan Mikroskop elektron JEOL SEM (Scanning Electron Microscope) yang dilakukan di Pusat Penelitian Geologi–Bandung.
Metode
Sintesis komposit kalsium fosfat-kitosan sebagai material substitusi tulang dilakukan dalam dua tahap. Penelitian tahap pertama bertujuan untuk memperoleh fase kalsium fosfat kristal stabil dan kristal yang dapat larut dalam cairan tubuh. Telah diketahui fase senyawa hidroksiapatit (HA)10 sebagai kristal stabil dan fase trikalsium fosfat (TKF) atau apatit karbonat (AK) sebagai kristal yang lebih
mudah larut oleh cairan tubuh20. Tahap kedua melakukan sintesis dan karakterisasi komposit kalsium fosfat-kitosan.
Tahap Pertama: Sintesis Kalsium Fosfat
Proses ini diawali dengan kalsinasi cangkang telur untuk memperoleh senyawa kalsium. Selanjutnya dilakukan sintesis kalsium fosfat. Masing-masing tahapan diuraikan di bawah ini.
1. Kalsinasi Cangkang Telur
Proses kalsinasi cangkang telur diawali dengan membersihkan cangkang dari membran dan kotoran makro dengan menggunakan aquades. Selanjutnya, dikeringkan pada termperatur ruang dan dikalsinasi pada termperatur 1000oC selama 5 jam dengan laju kenaikan termperatur 5oC/menit. Karakterisasi fase diamati dengan menggunakan difraksi sinar-X dan kadar kalsium diuji dengan spektroskopi serapan atom. Secara skematis proses kalsinasi cangkang telur dapat ditunjukkan pada Gambar 16.
Gambar 16 Proses kalisinasi cangkang telur. Karakterisasi difraksi sinar-X Cangkang telur yang
sudah dibersihkan
Kalsinasi pada
T=1000oC selama 5 jam Serbuk hasil kalsinasi
Karakterisasi serapan atom
2. Sintesis Kalsium Fosfat
Senyawa kalsium fosfat diperoleh dengan mereaksikan prekursor kalsium (Ca) dan prekursor fosfat (P). Prekursor Ca diperoleh dari hasil kalsinasi cangkang telur. Prekursor P diperoleh dari senyawa (NH4)2HPO4. Masing masing prekursor dilarutkan dalam aquabides.
Kedua prekursor direaksikan dengan metode presipitasi, yang dilakukan dengan cara meneteskan 100 ml larutan (NH4)2HPO4 ke dalam 100 ml suspensi Ca dari hasil kalsinasi cangkang telur (Gambar 17). Presipitasi dilakukan pada termperatur 37oC larutan diaduk dengan magnetic
stirrer. Selanjutnya, hasil presipitasi diendapkan selama 24 jam pada
termperatur ruang. Kemudian presipitat disaring dan dikeringkan pada termperatur 110oC selama 5 jam.
Gambar 17 Skema tahap-tahap presipitasi.
Penyaringan dengan whatman 40 Pengeringan pada T=110oC selama 5 jam Presipitat kering Larutan (NH4)2HPO4 Suspensi CaO Presipitasi T=37oC Pengendapan selama 24 jam, T= ruang
Presipitasi untuk sintesis HA dilakukan dengan berbagai variasi konsentrasi komponen prekursor yang dapat dilihat pada Tabel 4. Presipitat kering yang diperoleh selanjutnya disintering pada termperatur 900oC selama 5 jam.
Tabel 4 Variasi konsentrasi Ca dan P pada pembuatan HA konsentrasi Kode sampel Ca (M) P (M) 0,10 0,06 H1 0,20 0,12 H2 0,30 0,18 H3 0,40 0,24 H4 0,50 0,30 H5
Sintesis AK dilakukan setelah diperoleh fase HA optimum karena konsentrasi yang digunakan pada presipitasi AK sama dengan konsentrasi yang digunakan untuk memperoleh HA optimum. Perbandingan konsentrasi tersebut adalah 0,3 M suspensi Ca dari hasil kalsinasi cangkang telur dan 0,18 M larutan (NH4)2HPO4. Proses yang dilakukan seperti pada sintesis HA namun tanpa proses sintering.
Untuk memperoleh fase TKF, proses presipitasi dilakukan dengan mereaksikan 100 ml larutan Ca dari hasil kalsinasi cangkang telur 0,3 M dan 100 ml larutan (NH4)2HPO4 0,2 M. Selanjutnya dilakukan sintering presipitat kering pada termperatur yang bervariasi mulai 1000oC sampai 1300oC. Variasi waktu sintering dipilih sesuai dengan kemampuan furnace. Variasi temperatur dan waktu sintering ditunjukkan pada Tabel 5. Analisis senyawa HA, AK dan TKF dilakukan dengan difraktometer sinar-X dan uji kelarutan dalam larutan Simulated Body Fluid (SBF).
Tabel 5 Variasi termperatur dan waktu pada sintesis TKF Termperatur (oC) Waktu (jam) Kode sampel
1000 5 T1 1000 10 T2 1000 15 T3 1100 3 T4 1300 3 T5 1300 5 T6
3. Uji kelarutan dalam Simulated Body Fluid (SBF)
Simulated Body Fluid (SBF) adalah larutan sintetik yang memiliki
komposisi ionik mendekati komposisi dalam plasma darah. Dalam penelitian ini SBF dibuat dengan mencampur larutan-larutan ionik KCl 0,8 M, NaCl 2 M, NaHCO3 0,54 M, MgSO4.7H2O 0,2 M, CaCl2 52,5 mM, Tris+HCl 0,77 M, NaN3 1,54 M, KH2PO4 0,2 M. Pembuatan SBF mengikuti Muller L dan Muller FA (2006) dilakukan dengan cara menambahkan secara berurutan KCl, NaCl, NaHCO3, MgSO4.7H2O, CaCl2, Tris+HCl, NaN3, KH2PO4 sesuai dengan Tabel 6 ke dalam 70 ml aquabides. Hasil pencampuran ditambah dengan aquabides sampai 100 ml. SBF yang hasilkan dengan cara yang sama telah diuji konsentrasi ionik yang ditunjukkan pada Tabel 7. Tabel 6 Volume larutan ionik untuk pembuatan SBF
Larutan ionik SBF (ml) KCl 0,8 M 0,50 NaCl 2 M 5,60 NaHCO3 0,54 M 2,78 MgSO4.7H2O 0,2 M 0,50 CaCl2 52,5 mM 2,50 Tris+HCl 0,77 M 5,00 NaN3 1,54 M 1,00 KH2PO4 0,2 M 0,50
Tabel 7 Komposisi ionik dalam SBF Ion Jumlah (mM) Na+ 108,69 K+ 5,01 Mg2+ 1,11 Ca2+ 0,99 Cl- 155,13 SO43- 1,08 PO43- 2,01
Pada pengujian HA dan campuran HA-AK yang dipilih adalah yang disintesis dengan konsentrasi larutan Ca dari hasil kalsinasi cangkang telur 0,3 M dan (NH4)2HPO4 0,18 M sedangkan TKF yang digunakan yaitu seluruh sampel TKF. Cara uji kelarutan dilakukan dengan merendam sampel dalam 10 ml SBF selama 24 dan 48 jam. Laju kelarutan diamati dengan membandingkan bobot sebelum dan setelah perendaman.
Gambar 18 Pengujian kelarutan kalsium fosfat dalam SBF. SBF 10 ml Serbuk kalsium fosfat Perendaman dalam SBF
(24 dan 48 jam) Penyaringan dengan whatman 40
Serbuk kalsium fosfat setelah perendaman
Tahap kedua: Pembuatan dan Karakterisasi Komposit Kalisum Fosfat-Kitosan
1. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan
Pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan metode sonikasi. Larutan kitosan 2% (b/v) diperoleh dengan melarutkan serbuk kitosan dalam asam asetat 3% (v/v). Larutan kitosan yang digunakan dengan konsentrasi 2%. Larutan yang diperoleh disaring dan disimpan pada termperatur ruang selama lebih dari 12 jam untuk menghilangkan gelembung-gelembung udara. Kalsium fosfat yang digunakan HA dan campuran HA-AK. Selanjutnya HA dan campuran HA-AK didispersikan dalam aquabidest dengan menggunakan ultrasonik selama 1 jam. Larutan kitosan dengan HA dan AK dicampurkan dengan fraksi massa bervariasi dengan metode sonikasi sampai homogen. Variasi fraksi massa pembuatan komposit ditunjukkan pada Tabel 8. Secara skematis pembuatan komposit kalsium fosfat-kitoan ditunjukkan pada Gambar 19. Untuk memastikan homogentitas campuran tersebut dilakukan penyimpanan selama 12 jam pada temperatur ruang. Secara visual diamati sampel terlihat tetap homogen. Selanjutnya sampel dikeringkan pada termperatur 50oC selama 15 jam. Pembuatan sampel komposit untuk masing-masing variasi dilakukan tiga kali ulangan.
Tabel 8 Variasi komposisi sintesis komposit
Kitosan (C) (%) Kalsium fosfat (A) (%) Kode Sampel
HA Campuran HA-AK 20 80 0 C1A1 64 16 C1A2 56 24 C1A3 0 80 C1A4 30 70 0 C2A1 56 14 C2A2 49 21 C2A3 0 70 C2A4
2. Karakterisasi Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan
Komposit yang dihasilkan dikarakterisasi dengan menggunakan difraksi sinar-X, SEM dan spektroskopi FTIR. Prngukuran difraksi sinar-X dilakukan pada rentang 10-80o dengan laju 0,02o per detik. Untuk kedelapan sampel komposit dilakukan masing-masing 2 kali ulangan. Persiapan sampel untuk pengukuran dengan spektrometer FTIR dilakukan dengan mencampurkan 10 mg sampel dan 100 mg KBr kemudian ditekan sehingga membentuk pellet. Pengukuran FTIR dilakukan pada rentang bilangan gelombang 400-4000 cm-1. Untuk pengamatan morfologi dengan SEM, sebelumnya sampel dilapisi dengan emas untuk memberikan sifat konduktif pada sampel. Observasi dilakukan sampai perbesaran 20.000 kali.
Gambar 19 Proses sonikasi komposit kalsium fosfat-kitosan. Sonikasi selama 3 jam
Larutan kitosan
Dispersi HA dan AK
Campuran Larutan kitosan +
HASIL PENELITIAN
Pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dalam penelitian ini diperoleh dari pencampuran senyawa kalsium fosfat yang disintesis dengan menggunakan sumber kalsium dari cangkang telur ayam dan kitosan dari kulit udang. Senyawa kalsium fosfat yang digunakan terdiri dari dua fase yaitu fase stabil, hidroksiapatit (HA) dan fase yang mudah larut dalam cairan tubuh, trikalsium fosfat (TKF) atau apatit karbonat (AK).
Sintesis kalsium fosfat diawali dengan melakukan kalsinasi cangkang telur pada temperatur 1000oC selama 5 jam. Metode ini merupakan metode optimum untuk menghasilkan kalsium oksida (CaO) dari cangkang telur29. Kalsinasi bertujuan untuk mengeliminasi komponen organik dan mengkonversi senyawa kalsium karbonat (CaCO3) sebagai komponen utama cangkang telur menjadi CaO. Prediksi reaksi tersebut yaitu :
CaCO3 → CaO + CO2
Hasil kalsinasi menunjukkan adanya eliminasi komponen-komponen tersebut dilihat dari data pengurangan massa setelah kalsinasi. Rata-rata pengurangan massa selama proses kalsinasi adalah 34,33%. Ini berarti efisiensi senyawa kalsium yang dihasilkan sebesar 65,67%. Data perubahan massa untuk 5 kali ulangan diperlihatkan dalam Tabel 9.
Tabel 9 Efisiensi kalsinasi cangkang telur pada temperatur 1000oC selama 5 jam Ulangan Massa sebelum
kalsinasi (gram) Massa setelah kalsinasi (gram) Efisiensi massa hasil kalsinasi (%) 1 5,81 3,8 65,40 2 6,96 4,18 60,06 3 6,57 4,4 66,97 4 6,35 4,1 64,57 5 6,00 4,28 71,33 Rata-rata massa (%) 65,67 ± 4,07
Gambar 20 Pola difraksi sinar-X hasil kalsinasi cangkang telur pada temperatur 1000oC selama 5 jam.
Hasil kalsinasi dianalisis dengan difraksi sinar-X dan spektroskopi serapan atom. Identifikasi material hasil kalsinasi cangkang telur menggunakan pola difraksi sinar-X (Gambar 20) mengacu pada data Joint Committee on Powder
Diffraction Standards (JCPDS untuk CaO (82-1691) dan CaCO3 (47-1743). Hasil penyesuaian puncak-puncak tertinggi pada nilai 2θ 32,3o, 37,48o, 54,3o, 64,41o, 67,6o, 79,93o dan 88,85o milik CaO dan puncak pada 18o, 23,05o, 29,4o dan puncak dengan intensitas rendah lainnya milik CaCO3.
Pengukuran kandungan kalsium pada hasil kalsinasi dilakukan dengan menggunakan spektrometer serapan atomya. Hasil pengukuran menunjukkan sampel mengandung kalsium 70,86% (b/b). Hasil ini selanjutnya digunakan untuk perhitungan stoikiometri sintesis senyawa kalsium fosfat.
Massa hasil sintering presipitat kering yang diperoleh dari presipitasi dengan berbagai konsentrasi senyawa kalsium dan (NH4)2HPO4 pada proses sintesis hidroksiapatit (HA) diperlihatkan dalam Tabel 10. Dalam tabel tersebut dapat dilihat bahwa massa yang diperoleh dari proses sintering lebih kecil dari jumlah komponen senyawa yang digunakan. Data ini dapat menginformasikan efisiensi penggunaan kedua komponen. Nilai efisiensi yang memiliki hasil yang cukup tinggi terdapat pada interval konsentrasi Ca 0,2-0,4 M. Hasil efisiensi
In te ns ita s (counts/s ) 2 θ (o) CaCO3 CaO
tertinggi sebesar 65,47% pada sampel H3 sedangkan nilai efisiensi terendah sebesar 50,67% pada sampel H1.
Tabel 10 Effisiensi penggunaan senyawa kalsium dari cangkang telur dan (NH2)HPO4 pada sintesis HA
Kode Sampel
Konsentrasi (M) Massa (gram) Massa hasil
sintering (gram) Efisiensi (%) Senyawa Ca (NH2)HPO4 Senyawa Ca (NH2)HPO4 H1 0,10 0,06 0,57 0,79 0,69 50,67 H2 0,20 0,12 1,13 1,58 1,75 64,50 H3 0,30 0,18 1,70 2,38 2,67 65,47 H4 0,40 0,24 2,26 3,17 3,54 65,21 H5 0,50 0,30 2,83 3,96 4,16 61,29
Penetuan produk HA optimum dilakukan dengan uji difraksi sinar-X. Pola hasil difraksi tersebut dicocokkan dengan data JCPDS 09-0432 untuk HA. Hasil penyesuaian diperoleh bahwa seluruh puncak difraksi sesuai dengan pola HA terjadi pada perbandingan molaritas Ca dan P (0,01 : 0,06) M [H1], (0,02 : 0,12) M [H2] dan (0,03 : 0,18) M [H3] sedangkan pada sampel dengan perbandingan Ca dan P (0,40 : 0,24) M [H4] dan (0,50 : 0,30) M [H5] selain puncak-puncak yang bersesuaian dengan HA terdapat pula puncak pada 2θ = 31,27o pada sampel H4 dan 31,31o pada sampel H5 yang menunjukkan kemungkinan kehadiran α-TKF (trikalsium fosfat). Seluruh pola difraksi untuk sampel HA dapat dilihat dalam Lampiran 4. Untuk mewakili pola difraksi sinar-X sampel HA diperlihatkan pada Gambar 21. Gambar 21a memperlihatkan pola difraksi untuk H3 sebagai contoh dari sampel yang seluruh puncaknya bersesuaian dengan HA dan Gambar 21b memperlihatkan pola difraksi untuk H5 sebagai contoh dari sampel memiliki puncak selain HA.
Gambar 21 Pola difraksi sinar-X sampel HA dengan perbandingan Ca:P (0,30:0,18) M H3 (a) dan (0,50:0,30) M. H5 (b).
Tabel 11 Ukuran parameter kisi sampel HA Kode Sampel HA
Konsentrasi Parameter kisi (Å) CaO (M) (NH4)2HPO4 (M) a c H1 0,10 0,06 9,294 6,781 H2 0,20 0,12 9,454 6,911 H3 0,30 0,18 9,420 6,881 H4 0,40 0,24 9,397 6,863 H5 0,50 0,30 9,477 7,015 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 25 30 35 40 45 x 00 2 1 02 210 21 1 11 2 300 202 30 1 21 2 311 113 Intensit as (cou nt s/s) 2θ (o) (a) (b)
Struktur unit kristal HA berbentuk heksagonal dengan parameter kisi a = b = 9,418 Å dan c = 6,881 Å. Dengan pola difraksi, parameter kisi sampel HA dapat dihitung dengan menggunakan metode Cohen yang hasilnya dapat dilihat dalam Tabel 11. Berdasarkan tabel tersebut parameter kisi H3 memiliki nilai yang paling mendekati dengan data JCPDS yaitu a = b =9,420 Å dan c = 6,881 Å. Berdasarkan hasil penyesuaian dengan JCPDS dan efisiensi tertinggi maka sampel yang paling optimum yaitu H3 dengan perbandingan konsentrasi Ca 0,3 M dan (NH4)2HPO4 0,18 M.
Kekonsistenan sampel H3 diamati dengan melakukan ulangan sebanyak tiga kali. Hasil pola difraksi ulangan kedua dan ketiga yang diperlihatkan pada Lampiran 4. Pola tersebut menunjukkan pola yang bersesuaian dengan HA dan parameter kisi yang diperoleh a = b = (9,419 ± 0,004) Å dan c = (6,881 ± 0,002) Å.
Ukuran kristal hasil dihitung melalui rumus Debye Scherrer. Untuk semua sampel ukuran kristal dihitung pada puncak 25,89o untuk bidang (0 0 2) dan 32,90o untuk bidang (3 0 0) yang bersesuaian dengan pajang c dan a. Perhitungan ukuran kristal untuk semua sampel HA ditunjukkan dalam Lampiran 6. Hasil perhitungan dapat dilihat dalam Tabel 12.
Tabel 12 Ukuran kristal pada bidang h k l (0 0 2) dan (3 0 0) untuk sampel HA Kode Sampel HA Konsentrasi D (0 0 2) (nm) D (3 0 0) (nm) CaO (M) (NH4)2HPO4 (M) H1 0,10 0,06 28,29 34,49 H2 0,20 0,12 33.29 33.84 H3 0,30 0,18 33.29 33.83 H4 0,40 0,24 33.30 33.84 H5 0,50 0,30 33.30 33.84
Perbandingan 0,3 M larutan senyawa kalsium dan 0,18 M larutan (NH4)2HPO4 telah diketahui sebagai kosentrasi optimum maka untuk memperoleh senyawa Apatit karbonat (AK) dipilih perbandingan konsentrasi tersebut. Pola difraksi sinar-X untuk sampel AK diperlihatkan dalam Gambar 22.
Gambar 22 Pola difraksi sinar-X sampel apatit karbonat (a) dan HA (b).
Pola difraksi sinar-X sampel AK memperlihatkan kurva yang lebih lebar dibandingkan dengan pola difraksi HA. Pelebaran puncak menunjukkan ukuran kristal yang lebih kecil. Selain itu terdapat perbedaan puncak sudut pada 2θ = 31,73o sampel HA dan 32,02o untuk sampel AK menunjukkan kehadiran karbonat pada kristal. Adanya puncak-puncak yang lebar dimungkinkan bahwa sampel merupakan campuran HA dan AK.
Identifikasi adanya karbonat dalam kristal diamati dari spektra FTIR untuk sampel HA dan AK (Gambar 23). Pita transmitansi yang muncul dikedua sampel terdapat pada bilangan gelombang 610-550 cm-1 untuk vibrasi bending asimetri fosfat (υ4-PO4), 958 cm-1 untuk vibrasi stretching fosfat (υ1-PO4) dan 1090-1030 cm-1 untuk vibrasi stretching asimetri fosfat (υ
3-PO4) 40,41,42. Pita-pita tersebut menunjukkan kehadiran senyawa kalsium fosfat.
0 50 100 150 200 250 300 350 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 25 30 35 40 45 2θ (o) Intensit as ( cou nts /s ) (a) (b)
Pita transmitansi yang mengindikasikan perbedaan HA dan AK adalah puncak pita pada bilangan gelombang 630 dan 3568 cm-1 untuk spektra HA dan puncak pita pada bilangan gelombang 862, 1411 dan 1438 cm-1 untuk spektra AK. Puncak pita bilangan gelombang 630 dan 3568 cm-1 menunjukkan pita transmitansi untuk OH pada Ca10(PO4)6(OH)2 sebagai karakteristik HA. Puncak pita pada bilangan gelombang 862, 1411 dan 1438 cm-1 menunjukkan adanya karbonat dengan bentuk apatit karbonat tipe B40,41,42. Tidak adanya puncak pita OH karakteristik HA sangat dimungkinkan hadirnya apatit karbonat tipe B. Untuk selanjutnya sampel AK ini disebut sampel campuran HA-AK.
Trikalsium fosfat (TKF) diperoleh dengan sintering berbagai temperatur hasil presipitasi larutan dengan konsentrasi larutan senyawa kalsium 0,3 M dan larutan (NH4)2HPO4 0,2 M (Tabel 5). Nilai konsentrasi ini dipilih sesuai perbandingan stoikiometri TKF (Ca3(PO4)2). Tabel 13 memperlihatkan massa yang dihasilkan pada proses sintesis TKF.
Gambar 23 Spektra FTIR untuk sampel Hidroksiapatit (HA) (a) dan Apatit Karbonat (AK) (b). 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 4000 Bilangan Gelombang (cm-1) T rans m it ans i υ4-PO4 υ4-PO4 υ3-PO4 υ3-PO4 υ1-PO4 υ1-PO4 OH OH CO CO OH (a) (b)
Tabel 13 Efisiensi penggunaan senyawa kalsium dari hasil kalsinasi cangkang telur dan (NH4)2HPO4 pada sintesis TKF
Kode Sampel
Sintering Massa hasil sintering
(gram) Efektifitas (%) Temperatur (oC) Waktu (Jam)
T1 1000 5 2,15 49,57 T2 1000 10 2,75 63,41 T3 1000 15 2,85 65,74 T4 1100 3 2,90 66,75 T5 1300 2 2,55 58,79 T6 1300 5 2,46 56,61
Massa yang digunakan pada proses presipitasi sama untuk semua sampel TKF sebanyak 1,7 gram serbuk senyawa kalsium hasil kalsinasi cangkang telur dan 2,64 gram serbuk (NH4)2HPO4. Efisiensi tertinggi pada sintesis TKF yaitu sampel T4 sintering pada temperatur 1100oC selama 3 jam sebesar 66,75%.
Gambar 24 Pola difraksi sinar-X untuk sampel TKF sintering 1000oC selama 5 jam (a) dan sintering 1300oC selama 5 jam (b).
0 200 400 600 800 1000 25 30 35 40 45 α-T K F 0 200 400 600 800 1000 25 30 35 40 45 α-T K F 2θ (o) Intensit as (cou nt s/s) (a) (b)
