Karakteristik Hidroksiapatit Doping Silikon Si
0,5HA Hasil Reaksi
Keadaan Padat dan Potensinya sebagai Material Biomedis
HARTATIEK1*), YUDYANTO, RIRINYULIWINDARI, SEPTIDWIRATNASARI, NURULHIDAYAT
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang, E-mail: hartatiek.fmipa@um.ac.id
*) PENULISKORESPONDEN
TEL: 0341-552125
ABSTRAK:Hidroksiapatit merupakan biomaterial yang dalam beberapa dekade terakhir gencar dikaji oleh para ahli karena sifatnya yang unggul untuk aplikasi medis, khususnya yang berhubungan dengan ortopedi. Pada penelitian ini, hidroksiapatit doping silikon dalam bentuk Si0,5HA disintesis melalui metode reaksi keadaan padat (solid state reaction) dengan waktu
penggerusan 30 jam dan 40 jam. Prekursor utama dalam penelitian ini adalah SiO2, Ca2P2O7,
dan CaCO3. Karakterisasi Si0,5HA dilakukan dengan XRD (X-ray diffraction), FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy), SEM-EDX (scanning electron microscopy and energy dispersive x-ray spectroscopy), dan micro Vickers hardness. Lebih lanjut, uji bioresorbabilitas dan
bioaktivitas secara in vitro juga dilakukan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lama
penggerusan mempengaruhi struktur kristal dan ukuran partikel Si0,5HA. Karakteristik
kekerasan Si0,5HA cenderung mengalami peningkatan akibat penambahan waktu penggerusan.
Berdasarkan uji bioresorbabilitas dan bioaktivitas, semua sampel bersifat bioresorbable dan
bioaktif yang berimplikasi pada potensi aplikasi Si0,5HA sebagai material biomedis.
Kata Kunci: Si0,5HA, reaksi keadaan padat, material biomedis.
PENDAHULUAN
Doping HA dengan ion-ion lain melalui modifikasi stoikiometri komposisi dan kontrol terhadap kristalinitas, luas permukaan spesifik, dispersitas, dan morfologi partikel meniscayakan perubahan pada karakteristik-karakteristik unggul material HA, khususnya dari aspek fisikokimia: keterlarutannya dalam cairan biologis dan prototipenya (Solonenko dan Golovonava, 2014). Oleh karena itu, bahwa doping Si pada HA dalam sistem SiHA menjadi salah satu topik penelitian yang sampai detik ini menjadi fokus banyak ahli dan peneliti adalah realita yang tidak mengherankan.
Banyak cara telah dikembangkan oleh para ilmuan untuk mensintesis SiHA. Sebagai contoh, Byung dkk (2010) menggunakan metode reaksi keadaan padat dalam mempreparasi Ca10(PO4)6-x (SiO4)x (OH)2-x dengan x = 0,25 dan 0,5 (0,7 dan 1,4%wt).
Sintesis SiHA dengan metode reaksi keadaan padat tersebut telah berhasil mensintesis SiHA berfasa tunggal (yaitu merujuk hidroksiapatit). Akan tetapi, prekursor yang digunakan adalah bahan komersial yang tentu saja tidak ekonomis dari asapek biaya sintesis. Ditambah lagi, Marchat dkk (2013) juga berhasil mensintesis SiHA berfasa tunggal dengan rentang doping 0 x 1 (0-3%wt Si). Namun demikian, kelemahan yang sama juga termati dari sisi penggunaan bahan-bahan awal yang notabene komersial.
Alih-alih menggunakan prekursor (utama) yang komersial, makalah ini memaparkan penggunaan sumber daya alam lokal untuk sintesis SiHA. Untuk mendapatkan kalsium piroposfat (Ca2P2O7), mineral kalsit dari daerah Malang dipilih. Dengan demikian, penelitian ini memanfaatkan deposit alam yang melimpah di Indonesia sehingga meningkatkan nilai tambahnya. Senyawa CaCO3 adalah senyawa yang banyak terkandung dalam batu gamping (kalsit). Di Jawa Timur, tepatnya di daerah Druju Kabupaten Malang terdapat mineral kalsit yang ketersediaanya melimpah.
alam, sebagaimana yang dipaparkan dalam makalah ini. METODE PENELITIAN
Penelitian ini dimulai dari pengolahan batu kapur yang dari daerah Druju Malang. Batu kapur tersebut diancurkan dan digerus sampai tersaring melalui ayakan 200 mesh. Serbuk kemudian dikalsinasi 1000 C selama 5 jam untuk mendapatkan serbuk CaO. Tahapan berikutnya adalah menyiapkan Ca2P2O7dengan cara (1) melarutkan CaO dengan aquades di atas pengaduk magnetik, (2) menambahkan H3PO4pada suhu 30C selama 30 menit, dan (3) menyaring endapan hasil pelarutan dan memanaskan endapan pada suhu 700C selama 10 jam.
Bahan-bahan utama, CaCO3, Ca2P2O7, dan SiO2 disiapkan sesuai persamaan stoikiometri yang telah diperhitungkan. Ketiga material tersebut kemudian digerus selama 30 dan 40 jam. Serbuk hasil gerusan dibuat dalam bentuk tablet dan disinter pada suhu 1100C selama 20 jam untuk mendapatkan padatan SiHA.
Karakterisasi yang memadai dilakukan dilakukan adalah (1) uji kandungan unsur material awal dengan XRF, (2) uji kandungan fasa dengan XRD beserta analisisnya dengan metode Rietveld, (3) uji kekerasan Vickers, (4) uji morfologi permukaan sampel dengan SEM, (5) uji gugus fungsi dengan FTIR, dan (6) uji bioaktivitas serta bioresorbabilitas.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji awal melalui XRF menunjukkan bahwa kandungan Ca dari batu kapur yang telah digerus mencapai 97,6%. Dari hasil gerusan batu kapur tersebut, proses pembuatan Ca2P2O7dilakukan dan data XRD-nya ditampilkan dalam Gambar 1.
Hasil identifikasi fasa dengan menggunakan teknik search-match menunjukkan
dengan sangat jelas bahwa sampel Ca2P2O7hasil sintesis dengan metode reaksi keadaan padat bersesuaian dengan pola XRD Ca2P2O7dengan kode referensi (COD) 96-200-1133. Hasil ini sangat penting untuk memastikan bahwa tahap selanjutnya (sintesis hidroksiapatit doping Si) dapat dilakukan.
Gambar 2. Data XRD Si0,5HA dengan lama penggerusan 30 dan 40 jam.
Gambar 2 merepresentasikan data XRD sampel Si0,5HA dengan dua lama penggerusan yang berbeda. Secara visual, Gambar 2 menyajikan dua data XRD yang memiliki kesamaan pola dari aspek sekuensi 2-intensitas. Hal ini berarti bahwa keduanya memiliki struktur kristal yang sama, kecuali parameter kisi yang berbeda. Perbedaan parameter kisi tersebut dapat dilacak dari (sedikit) pergeseran posisi sudut Bragg yang terdeteksi dari data XRD.
Hasil analisis menunjukkan bahwa struktur kristal dalam kedua data tersebut mengikuti model hidroksiapatit dengan kode koleksi (PDF) 01-084-1998 dengan rumus empiris Ca5H13P3 atau rumus kimia Ca10(PO4)6OH2. Hidroksiapatit yang dimaksud memiliki sistem kristal heksagonal dan grup ruang P63/m. Tidak terdeteksinya puncak SiO2 mengindikasikan bahwa Si telah masuk ke dalam situs Ha. Di samping itu, samanya pola XRD dengan posisi sudut difraksi yang bergeser juga menguatkan implikasi tersebut.
Analisis kristal secara lebih jauh digunakan untuk melacak parameter kisi dan volume sel kristal. Ukuran kristal juga dihitung dengan menggunakan Pers. Scherrer (Scherrer, 1918). Karena secara prinsip, persamaan Scherrer yang berbasis pada pelebaran puncak difraksi dapat digunakan untuk memprediksi ukuran kristal, sebagaimana telah dilakukan di artikel yang lain (Hidayat dkk, 2010).
Tabel 1 menunjukkan data kristalografi Si0,5HA setelah analisis CelRef (Laugier dan Bochu, 2003). Sebagaimana dapat diprediksi dari pergeseran posisi sudut Bragg ke nilai yang lebih kecil akibat kenaikan lama sintering (Gambar 1), yang berarti bahwa terdapat kenaikan niai parameter kisi. Analisis CelRef membenarkan prediksi tersebut. Ditambahnya lama sintering dari 30 jam ke 40 jam menyebabkan kenaikan parameter kisi pada arah a = b sebesar 0,02 Å sehingga berimbas pada kenaikan volume sel kristal dari 611,79 Å3 menjadi 623,57 Å3. Hasil ini sangat make sense, pemuaian pada sel kristal dipicu oleh lamanya energi termal yang diberikan pada sistem. Ukuran kristal juga meningkat dari 41,07 nm menjadi 47,73 nm.
Tabel 1. Data kristalografi Si0,5HA hasil sintesis dengan metode reaksi keadaan padat.
Gambar 3. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 30 jam.
Gambar 4. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Gambar 5. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam setelah perendaman
Gambar 6. Data FTIR Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Tabel 2. Laju disolusi sampel Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Laju disolusi (%At/ hari)
0-2 hari 2-4 hari 4-6 hari Rerata
2,94 3,47 1,97 2,79
Gambar 7. Kadar kalsium terlarut dalam Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Temuan menarik lainnya adalah berkurangnya pori secara drastis pada sampel Si0,5HA dengan lama seintering 40 jam dibandingkan dengan 30 jam seperti yang ditampilkan oleh foto SEM dalam Gambar 3 dan 4. Berkurangnya pori atau meningkatnya densitas sampel akibat bertambahnya lama sintering tentu saja akan menaikkan karakteristik mekanik sampel. Menguatkan data SEM tersebut, uji Vickers menunjukkan bahwa sampel dengan lama penggerusan 30 jam dan 4 jam memiliki kekerasan, secara berturut-turut, sebesar 41,3 HVN dan 77,0 HVN. Peningkatan nilai kekerasan Vickers yang relatif drastis, hingga 86%.
Untuk juga memastikan ada ikatan Si dalam sampel yang telah dipreparasi, uji FTIR dilakukan. Hasilnya teramati gugus fungsi hidroksil pada 630 cm-1, P-O stretching pada 1097, 1050, dan 962 cm-1 ikatan Si-O pada 945 and 847 cm-1, dan ikatan O-H di sekitar 3600 cm-1.
dengan metode reaksi keadaan padat bersifat bioaktif danbioresorbable.
DAFTAR RUJUKAN
Byung-Dong, H., Jeong-Min, L., Dong-Song, P., Jong-Jin, C., Ryu, J., Woon-Ha, Y., Byoung-Kuk, L., Du-Si, S., Hyoun-Ee, Kim., 2010. Aerosol Deposition of Silicon-Substituted Hydroyapatite Coatings for Biomedical Applications. Thin Solid Films, vol. 518, 2194-2199.
Dompablo, M.E.A., Fernández-Gonzálezb, M.A., Fernández-Díaz, L., 2015. Computational Investigation of The Influence of Tetrahedral Oxoanions (Sulphate, Selenate and Chromate) on The Stability of Calcium Carbonate Polymorphs. RSC Adv., 5, 59845-59852.
Fujiwara, M., Shiokawa, K., Araki, M., Ashitaka, N., Morigaki, K., Kubota, T., Nakahara, Y., 2010. Encapsulation of Proteins into CaCO3 by Phase Transition from Vaterite to Calcite. Cryst. Growth Des., vol. 10(9), 4030-4037.
Gopi, S.P., Subramanian, S.K., Subramanian, V.K., Palanisamy, K., Palanisamy, K., 2013. Aragonite calcite vaterite: A Temperature Influenced Sequential Polymorphic Transformation of CaCO3 in The Presence of DTPA. Materials Research Bulletin, 48(5), 1906 1912.
Hidayat, N., Taufiq, A., Diantoro, M., Nasikhudin, Fuad, A., Hidayat, A., 2010. Aplikasi Kavitasi Akustik untuk Sintesis Nanomaterial Hetaerolite (ZnMn2O4) serta Karakteristik Geometri Kristalnya. Prosiding dalam Seminar Nasional Pendidikan dan MIPA, Malang Indonesia.
Hidayat, N., Ramli, I., Sunaryono., Taufiq, A., Zainuri, M., Pratapa, S., 2015. Gradualisme Struktur Kristal dan Sifat Mekanik Material Fungsional Kalsit-Mg/Al Hasil Fabrikasi dengan Metode Infiltrasi. Prosiding dalam Seminar Nasional Fisika dan Pembelajarannya 2015, FM19-24.
Laugier, J., Bochu, B., 2003. CELREF V3. Developed at the Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique, Ecole Nationale Supérieure de Physique de Grenoble (INPG). http://www.inpg.fr/LMGP.
Marchat, D., Zymelka, M., Coelho, C., Gremillard, L., Pottuz, J., L., Babonneau, F., Esnouf, C., Chevalier, J., dan Bernache-Assollant, D., 2013. Accurate Characterization Of Pure Silicon-Substituted Hydroxyapatite Powders Synthesized by A New Precipitation Route. Acta Materialiam vol. 9(6), 6992-7004.
Scherrer, P., 1918. Bestimung der Grosse und der Inneren Struktur von Kolloidteilchen Mittels Röntgenstrahlen, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften, Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse, Vol. 2, 98-100.
