PertemuanIlmiahTahunan 8, Prodi Kedokteran Gigi Unjani, 14-15 Oktober 2016 80 80
An introduction to carbonate apatite as a biocompatible material in dentistry
Myrna Nurlatifah Zakaria1*, Arief Cahyanto2** 1Staf Konservasi Gigi, Program Studi Kedokteran Gigi, Universitas Jenderal Achmad Yani 2Staf Ilmu dan Teknologi Material Kedokteran Gigi, Fakultas Kedokteran Gigi, Universitas Padjadjaran *[email protected] **[email protected] ABSTRAKKarbonat apatit merupakan biomaterial yang termasuk kelompok biokeramik telah
digunakan dalam bidang kedokteran, khususnya bidang ortopedi karena memiliki kemampuan untuk berikatan dengan struktur tulang dan dapat menstimulasi pembentukan jaringan keras. Bahan ini mampu membentuk formasi lapisan hidroksiapatit yang menyerupai fase mineral tulang serta menghasilkan adaptasi yang baik antara semen apatit dan jaringan tulang. Kalsium fosfat juga dapat mengeras (setting) dalam lingkungan fisiologis dan dapat di resorpsi oleh jaringan yang akan menggantikan jaringan yang rusak. Dalam bidang Kedokteran Gigi, material yang memiliki biokompatibilitas yang baik, dan dapat menstimulasi regenerasi jaringan keras dan berikatan baik dengan struktur termineralisasi dapat menjadi alternatif material yang dapat diaplikasikan dalam berbagai kebutuhan klinis. Ditinjau dari bahan dasar tulang yang hampir serupa dengan jaringan gigi, bahan ini menjadi menarik untuk ditelaah lebih dalam dalam berbagai kajian agar dapat diaplikasikan pada dalam bidang Kedokteran Gigi. Makalah ini akan membahas secara singkat mengenai sifat karbonat apatit dari penelitian-penelitian terdahulu.
Keyword: karbonat apatit, osteogenesis, biokeramik, biomaterial
Pendahuluan
Dalam beberapa tahun terakhir, material dalam bidang kedokteran gigi mengalami perkembangan yang pesat. Berbagai studi dilakukan untuk mendapatkan material ideal yang dapat menjawab tantangan klinis maupun ekonomis. Bahan material mengalami perkembangan dari sifat biokompatibel yang bioinert, menjadi bahan yang tidak hanya stabil dalam tubuh, tetapi juga bioaktif atau dapat menstimulasi regenerasi jaringan yang rusak. Selain bersifat bioaktif, material yang kemudian dimasukkan ke dalam tubuh untuk menggantikan jaringan yang rusak juga diharapkan pada akhirnya dapat tergantikan oleh jaringan asli tubuh (biodegradable).
Karbonat apatit merupakan bahan biokeramik yang banyak dikembangkan dan dipelajari untuk menjadi material pilihan terutama untuk penggunaan bahan pengganti struktur tulang. Apatit secara umum dikenal sebagai hidroksiapatit (HAp)merupakan bahan yang memiliki sifat biokompatibilitas tinggi dengan tubuh. Apatit juga terdapat didalam tubuh baik di gigi maupun tulang dan sekitar 3-5% bagiannya tersusun oleh ion karbonat.1 Hal ini sejalan dengan penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Le Geros pada tahun 1991, yang menyatakan bahwa komposisi mineral tulang sebesar 4-8% adalah karbonat yang terdapat pada struktur apatit tulang sehingga susunan inorganik komponen tulang seharusnya dinamakan karbonat apatit (CO3Ap).2 Substitusi dari ion karbonat pada gugus OH dikenal sebagai CO3Ap tipe A sedangkan dengan gugus PO4 dikenal sebagai CO3Ap tipe B. CO3Ap tipe B inilah yang merupakan apatit yang terdapat di tubuh.
Perbandingan kelarutan antara CO3Ap dengan HAp telah dilakukan oleh Barralet et
al., pada tahun 2000 melakukan implantasi subkutan pada tikus Wistar dalam percobaannya
PertemuanIlmiahTahunan 8, Prodi Kedokteran Gigi Unjani, 14-15 Oktober 2016
81 81
dibandingkan dengan HAp.3 Ellies et al. pada tahun 1988 melakukan penilaian secara
kuantitatif pada uji in vivo biokompatibilitas jaringan dengan menggunakan CO3Ap sintetik
yang dikalsinasi. Hasilnya menunjukkan bahwa peningkatan jumlah tulang baru yang terbentuk setelah empat minggu sejalan dengan peningkatan jumlah CO32- ion.4 Linton et
al.,2002, melaporkan bahwa CO3Ap dapat digunakan sebagai bahan graft pada tulang
alveolar tempat tumbuh gigi.5
Doi et al., 1998, menyatakan bahwa CO3Ap sintered dapat diresorpsi oleh osteoklas,
dengan demikian bahan tersebut memperlihatkan keunggulan sebagai bahan pengganti
tulang yang rusak.6 Resorpsi dari CO3Ap ataupun HAp tergantung dari tingkat kelarutan pada
kedua material tersebut.
1. Semen Tulang Berbasis Karbonat Apatit
Pertama kali semen tulang berbasis apatit dengan menggunakan α-tricalcium
phosphate (α-TCP: α-Ca3(PO4)2) diperkenalkan pada tahun 1976 (Monma dan Kanazawa,
1976).7 α-TCP yang telah set akan membentuk calcium deficient hydroxyapatite (Cd-HAp:
Ca9(HPO4)(PO4)5OH) dengan Ca/P molar ratio of 1.5 pada suhu 60–100°C and pH antara 8.1
dan 11.4 seperti terlihat pada persamaan reaksi dibawah ini:
3α-Ca3(PO4)2 + H2O → Ca9(HPO4)(PO4)5OH
Walaupun penemuan ini menjadi suatu terobosan dalam rekonstruksi kerusakan tulang, akan tetapi semen tulang ini membutuhkan waktu yang lama sekitar 24 jam untuk set pada kondisi tubuh. Secara aplikasi klinis tentunya penggunaan α-TCP saja tidak dapat diterima. Pada perkembangannya, semen tulang dengan menggunakan α-TCP ditambahkan
dengan asam sitrat atau asam succinic dapat mempercepat proses set reaksinya.8
Semen tulang jenis lainnya yang berbasis apatit, yaitu semen tulang dengan
menggunakan campuran equimolar dari tetracalcium phosphate (TTCP: Ca4(PO4)2O) and
dicalcium phosphate anhydrous (DCPA: CaHPO4) atau dicalcium phosphate dehydrate
(DCPD: CaHPO4.2H2O) dengan hasil akhir berupa HAp yang set dalam 30-60 menit pada suhu
ruangan.9,10 Berikut ini merupakan persamaan reaksi yang terjadi:
2Ca4(PO4)2O + 2CaHPO4 → Ca10(PO4)6(OH)2
Berdasarkan hasil temuan semen tulang diatas, berbagai aplikasi klinik dan penelitian
dasar banyak berkembang.11,12,13
Setting reaksi pada semen tulang dengan menggunakan TTCP dan DCPA lebih rumit dibandingkan dengan semen tulang dengan bahan dasar gypsum atau α-TCP. Pada prinsipnya setting reaksi yang terjadi tetap berdasarkan reaksi disolusi dan presipitasi.
Ketika TTCP dan DCPA dicampurkan dengan air, ion Ca2+ dan PO43- akan
terdistribusikan pada larutan seperti tertera pada persamaan reaksi berikut ini:
Ca4(PO4)2O + H2O → 4Ca2+ + 2PO43- + 2OH-
CaHPO4 → Ca2+ + H+ + PO43-
PertemuanIlmiahTahunan 8, Prodi Kedokteran Gigi Unjani, 14-15 Oktober 2016 82 82 Karena kelarutan HAp pada pH netral dan basa sangat terbatas maka larutan diatas akan menjadi sangat jenuh terhadap HAp. Selanjutnya kristal HAp akan terpresipitasi dan saling mengunci satu sama lain hingga mengeras. Seperti Persamaan reaksi dibawah ini:
10Ca2+ + 6PO42- + 2OH- → Ca10(PO4)6(OH)2
Setting reaksi untuk semen tulang CO3Ap sama dengan semen tulang diatas.
Perbedaannya semen tulang CO3Ap memiliki spesifikasi lain, yaitu adanya ion CO32- pada
gugus apatitnya. Saat CaCO3 dan DCPA dicampurkan dengan larutan, ion CO32-, Ca2+ dan
PO43- akan terlarut, kemudian menjadi sangat jenuh hingga terpresipitasi sebagai CO3Ap.
Kristal CO3Ap yang terpresipitasi dan saling mengunci satu sama lain hingga mengeras.
CaCO3 → Ca2+ + CO32-
CaHPO4 → Ca2+ + H+ + PO43-
(10-a)Ca2+ + (6-b)PO43- + cCO32- + (2-d)OH- ⇌ Ca10-a(PO4)6-b(CO3)c(OH)2-d
2. Karbonat Apatit Granul
Selain CO3Ap semen bentuk lain yang biasa digunakan dibidang kedokteran dan
kedokteran gigi adalah dalam bentuk granul. Bentuk CO3Ap granul ini harus memiliki salah
satu komponen pembentuk CO3Ap pada prekursornya dan juga memiliki kelarutan yang
cukup tinggi. Sebagai salah satu contohnya adalah kalsium karbonat (CaCO3), dimana CaCO3
ini memiliki ion Ca2+ dan ion CO32- yang dibutuhkan dalam pembentukan CO3Ap.14 Biasanya
transformasi CO3Ap yang terjadi melalui proses disolusi dan presipitasi.
CaCO3 yang digunakan pada metode ini memiliki tiga polymorphs, dari ketiga
polymorphs tersebut jenis kalsit lebih sering digunakan karena lebih stabil dan mudah
ditemukan. Ketika kalsit dilarutkan dalam larutan, kalsit akan terlarut dan menyuplai ion
Ca2+ dan ion CO32- pada larutan. Jika tidak terdapat ion lain maka kalsit akan berada pada
fase kesetimbangan dan tidak ada reaksi lain yang terjadi. Bila terdapat ion PO43-, larutan
akan bergerak ke arah kesetimbangan menjadi CO3Ap. Karena kelarutan CO3Ap lebih kecil
dari kalsit, maka larutan akan menjadi jenuh dan menjadi CO3Ap.
Pembahasan
CO3Ap memiliki kelebihan dibandingkan dengan hidroksiapatit (HAp), khususnya HAp
yang diproses melalui proses sintering dengan suhu tinggi. Pada CO3Ap yang diproses
dengan suhu rendah memiliki tingkat kristal yang rendah seperti tulang sehingga diyakini dapat diresorpsi oleh tubuh dalam prosesnya.15 Selain itu CO3Ap juga memiliki tingkat
osteokonduktivitas yang tinggi, sehingga diharapkan dapat merangsang pertumbuhan tulang baru.
Semen tulang berbasis apatit memiliki beberapa keuntungan, yaitu: pertama, kemampuan self-setting pada kondisi tubuh. Kemampuan ini menunjang semen tulang untuk dapat set dan mengeras pada defek tulang, sehingga defek tulang dapat diisi dan
ditutup oleh semen tulang dengan sempurna tanpa meninggalkan gap.16,17 Sel tulang tidak
dapat berpindah jika terdapat gap antara bahan tulang pengganti dengan tulang asli. Kedua, Semen tulang dapat digunakan dengan menggunakan syringe atau dengan kata lain semen
PertemuanIlmiahTahunan 8, Prodi Kedokteran Gigi Unjani, 14-15 Oktober 2016
83 83
tulang memiliki kemampuan injeksi yang baik, sehingga dapat diaplikasikan pada minimal
invasive surgery techniques. Ketiga, semen tulang memiliki kemampuan osteokonduktivitas
yang sangat baik. Keempat, semen tulang jenis ini dapat digantikan oleh tulang baru meskipun membutuhkan waktu yang cukup lama. Kelima, semen tulang dapat digunakan sebagai pembawa obat, seperti antibiotik, anti inflamasi, dan juga faktor pertumbuhan. Hal ini dikarenakan semen tulang memiliki mikro porositas pada semen yang telah mengeras.
Meskipun demikian, semen tulang juga memiliki kekurangan, yaitu: pertama, sifat mekanik yang rendah, sehingga hanya dapat digunakan pada non-load bearing area dalam aplikasi klinik. Kedua, pertumbuhan tulang yang lambat pada bagian interior set semen tulang karena keterbatasan interconnected pores pada semen tulang berbasis apatit.
Semen tulang berbasis apatit diyakini dapat digantikan oleh tulang baru, walaupun
hal itu masih menjadi perdebatan.19-23 Perbedaan-perbedaan ini diperkirakan karena adanya
perbedaan pada hewan percobaan, perbedaan tempat dan ukuran pada defek tulang, perbedaan komposisi pada semen tulang, dan juga perbedaan rasio bubuk dan cairan.
Pada proses remodelling tulang, osteoblast membentuk tulang baru yang erat kaitannya dengan sifat osteokonduktivitas dari apatit. Disisi lain, osteoclast berfungsi untuk meresorpsi tulang yang telah matang dengan cara membentuk Howship’s lacuna yang
memiliki kondisi pH 4,5.24 Kandungan karbonat pada struktur apatit tulang dekat
hubungannya dengan kelarutan apatit pada kondisi asam.25 Oleh karenanya, sangatlah
masuk akal jika CO3Ap dapat digantikan oleh tulang baru. CO3Ap dalam bentuk granul telah
terbukti dapat digantikan dengan tulang baru pada percobaan dengan menggunakan cranial tikus setelah proses implantasi selama 24 minggu.26 Penelitian pada defek tulang tibia
kelinci yang diimplantasi dengan habahn carbonat apatit dengan evaluasi pada 4, 12 dan 24 minggu, menunjukkan bahwa seiring berjalannya waktu, terjadi pembentukan tulang baru dengan pembentukan porositas yang terus berlanjut, yang mengindikasikan adanya bioresorpsi material yang diimplantasikan.
Kesimpulan
CO3Ap merupakan bahan biokeramik yang memiliki sifat biokompatibilitas dan
osteokonduktivitas tinggi yang dapat digunakan dibidang kedokteran. Kemampuannya untuk setting dalam lingkungan fisiologis, sifat bioaktif dan biodegredable yang dimiliki bahan ini membuat karbonat apatit menjadi bahan yang menarik untuk dipelajari kegunaannya untuk aplikasi di bidang kedokteran gigi sebagai salah satu bahan pengganti tulang yang ideal atau pengganti struktur gigi yang rusak.
Daftar Pustaka
1. Elliot JC. Structure and Chemistry of the Apatite and other Calcium Orthophosphates. Elsevier, Amsterdam. 1994, p. 260.
2. Le Geros RZ. Calcium phosphates in oral biology and medicine (Monographs in Oral Science). Vol. 15. Basel: S Karger Pub; 1991. p. 15. 3. Barralet J, Akao M, Aoki H. Dissolution of dense carbonate apatite subcutaneously implanted in Wistar rats. J. Biomed. Mater. Res. 2000; 49(2), 176–182. 4. Ellies LG, Carter JM, Natiella JR, Featherstone JD, Nelson DG. Quantitative analysis of early in vivo tissue response to synthetic apatite implants. J. Biomed. Mater. Res. 1988; 22(2), 137–148. 5. Linton JL, Sohn BW, Yook JI, Le Geros RZ. Effects of calcium phosphate ceramic bone graft materials on permanent teeth eruption in beagles. Cleft Palate-Craniofacial J. 2002; 39(2), 197–207. 6. Doi Y, Shibutani T, Moriwaki Y, Kajimoto T, Iwayama Y. Sintered carbonate apatites as bioresorbable bone substitutes. J. Biomed. Mater. Res. 1998;39, 603–610. 7. Monma H, Kanazawa T. The hydration of α-tricalcium phosphate. Yogyo-Kyokai-Shi. 1976; 84: 209-213. 8. Unezaki Y, Ryumon H, Inoue H, Okuda H, Onishi H, Minamigawa K. Histocompatibility of a bone graft
PertemuanIlmiahTahunan 8, Prodi Kedokteran Gigi Unjani, 14-15 Oktober 2016 84 84 cement consisting of tetracalcium phosphate dicalcium phosphate dehydrate and citric acid. Bioceramics. 1996; 9: 251-253. 9. Brown WE, Chow LC. A new calcium phosphate, water-setting cement, In: Brown P W, Cement Research Progress, Ed.; Brown, P.W., Westerville, USA. 1986; pp. 351-379. 10. Brown WE, Chow LC. Combination of sparingly soluble calcium phosphate cements in slurries and paste as mineralizers and cements. 1986; U.S. Patent No. 4,612,059. 11. Chow LC, Takagi S. A natural bone cement-a laboratory novelty led to the development of revolutionary new biomaterials. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology. 2001; 106: 1029-1033.
12. Bohner M, Gbureck U, Barralet JE. Technological issues for the development of more efficient calcium phosphate bone cements: a critical assessment. Biomaterials 2005; 26: 6423-6429.
13. Cahyanto A, Maruta M, Tsuru K, Matsuya S, Ishikawa K. Basic properties of carbonate apatite cement consisting of vaterite and dicalcium phosphate anhydrous. Key Eng Mater. 2013; 529–530: 192–196. 14. Matsuya S, Lin X, Udoh K, Nakagawa M, Shimogoryo R, Terada Y, Ishikawa K. Fabrication of porous low
crystalline calcite block by carbonation of calcium hydroxide compact. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 2007; 18, 1361–1367.
15. Leewenburgh S, Layrolle P, Barrère F, de Bruijn J, Schoonman J, van Blitterswijk CA, de Groot K. Osteoclastic resorption of biomimetic calcium phosphate coatings in vitro. J. Biomed. Mater. Res. 2001; 56: 208-215.
16. Ishikawa K. Bioactive ceramics: cements. Ducheyne P, Healy K, Hutmacher DE, Grainger DW, Kirkpatrick CJ, editors. Comprehensive biomaterials, vol. 1. Elsevier: Amsterdam, Netherland, 2006; pp. 268-282. 17. Ginebra MP. Orthopaedic bone cements: Calcium phosphate bone cements. Sanjukta Deb, editor.
Woodhead Publishing Limited: Boca Raton, Florida, USA, 2008; pp. 206-224.
18. Miyamoto Y, Ishikawa K, Takechi M, Toh T, Yuasa T, Nagayama M, Suzuki K. Histological and compositional evaluations of three types of calcium phosphate cements when implanted in subcutaneous tissue immediately after mixing. J. Biomed. Mater. Res.: Appl. Biomater. 1999; 48(1): 36–42. 19. Mai R, Reinstorf A, Pilling E, Hlawitschka M, Jung R, Gelinsky M, Schneider M, Loukota R, Pompe W, Eckelt U, Stadlinger B. Histologic study of incorporation and resorption of a bone cement-collagen composite: an in vivo study in the minipig. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2008; 105: e9-e14. 20. Constantz BR, Ison IC, Fulmer MT, Poser RD, Smith ST, Van Wagoner M, Ross J, Goldstein SA, Jupiter JB, Rosenthal DI. Skeletal repair by in situ formation of the mineral phase of bone. Science. 1995; 267: 1796- 1799. 21. Yuan H, Li Y, de Bruijn JD, de Groot K, Zhang X. Tissue responses of calcium phosphate cement: a study in dogs. Biomaterials. 2000; 21: 1283-1290. 22. Cancian DCJ, Vieira EH, Marcantonio RAC, Garcia Jr IR. Utilization of autogenous bone, bioactive glasses, and calcium phosphate cement in surgical mandibular bone defects in cebus apella monkeys. Int. J. Oral Max. Impl. 2004; 19: 73-79. 23. Gosain AK, Riordan PA, Song L, Amarante M, Kalantarian B, Nagy PG, Wilson CR, Toth JM, McIntyre BL. A 1-year study of osteoinduction in hydroxyapatite-derived biomaterials in an adult sheep model: part II. Bioengineering implants to optimize bone replacement in reconstruction of cranial defects. Plast.
Reconstr. Surg. 2004; 114: 1155-1163.
24. Kierszenbaum AL, Tres LL. Histology and cell biology: An introduction to pathology. Elsevier: Philadelphia, USA, 2012; 3: pp. 252-254.
25. Dorozhkin SV. Dissolution mechanism of calcium apatites in acids: A review of literature. World J.
Methodol. 2012; 2(1): 1-17. 26. Ishikawa K. Bone substitute fabrication based on dissolution-precipitation reactions. Materials. 2010; 3: 1138-1155. 27. Hasegawa M, Ohashi T, Tani T, Doi Y. Osteoconduction and bioresorption of sintered carbonate apatite. Key Eng Mater. 2000; 192: 453–456.
