PENGARUH VARIASI SUHU PEMBEKUAN TERHADAP SIFAT FISIS DAN SIFAT MEKANIK KOMPOSIT KOLAGEN-HIDROKSIAPATIT SEBAGAI BONE GRAFT
DENGAN METODE FREEZE-DRYING
Maema Dwi Saraswati1, Siswanto2, Djoni Izak R.3
Program Studi Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Email : rainbowws_zero@yahoo.com
Abstract. During this bone graft that have yet to be optimum compressive strength. Instrumental in raising the temperature of freezing compressive strength. In this research, variations in freezing temperatures to determine the temperature optimum in the manufacture of collagen-hydroxyapatite composite. Preparation of composites made with freeze-drying method is to make a mixture of hydroxyapatite and collagen in the ratio 2: 1. Then composite molded and frozen at -25 ° C, -30 ° C and -80 ° C with 2, 4, and 6 hours freezing duration. After subsequent freeze drying was done, the drying process was done using a lyophilizer. The results of the subsequent synthesis is characterized by SEM test, porosity test, density test and compressive strength test. The results of the analytical characterization showed that the pore size of SEM test on the temperature of -25°C 2 hours is 121,3-142,6 µm, -25°C 4 hours is 152,4-250,0 µm, -25°C 6 hours is 100,3-134,7 µm, -30°C 2 hours is 149,2-192,8 µm, -30°C 4 hours is 137,2191,5 µm, -30°C 6 hours is 110,5-190,9 µm, -80°C 2 hours is 119,2-136,3µm, -80°C 4 hours is 113,9-133,2µm, and -80°C 6 hours is 111,9-127,1µm . The porosity test result is 16%-46%. The density test result is 0,6-0,9 g/cm3. And the compressive strength test result is 0,6-2,33 MPa. Based on these results it can be concluded that the variation of freezing temperature and duration of freezing time can improve the physical properties and mechanical properties of composites.
Keywords: Collagen-hydroxyapatite composites, Freeze-Drying, Lyophilizer, Bone Graft, Pore Size
Abstrak. Selama ini bone graft yang ada belum memiliki kekuatan tekan yang optimal. Suhu pembekuan berperan dalam menaikkan kekuatan tekan. Pada penelitian ini dilakukan variasi suhu pembekuan untuk mengetahui suhu optimal pada pembuatan komposit kolagen-hidroksiapatit.Sintesis komposit menggunakan metode freeze-drying yaitu membuat campuran
hidroksiapatit dan kolagen dengan perbandingan 2:1. Kemudian komposit dicetak dan dibekukan pada suhu -25°C, -30°C dan -80°C dengan lama waktu pembekuan 2 jam, 4 jam, dan 6 jam. Setelah itu komposit dikeringkan dengan lyophilizer. Hasil dari sintesis selanjutnya dikarakterisasi dengan uji SEM, porositas, densitas, dan kekutan tekan. Berdasarkan hasil analisa karakterisasi didapatkan ukuran pori uji SEM yaitu pada suhu -25°C 2 jam sebesar 121,3-142,6 µm, -25°C 4 jam sebesar 152,4-250,0 µm, -25°C 6 jam sebesar 100,3-134,7 µm, -30°C 2 jam sebesar 149,2-192,8 µm, -30°C 4 jam sebesar 137,2-191,5 µm, -30°C 6 jam sebesar 110,5-190,9 µm, -80°C 2 jam sebesar 119,2-136,3µm, dan -80°C 4 jam sebesar 113,9-133,2µm, -80°C: 6 jam 111,9-127,1µm. Hasil uji porositasnya adalah 16%-46%. Hasil uji densitasnya adalah 0,6-0,9 gr/cm3. Dan dengan kekuatan tekannya adalah 0,60-2,33 MPa. Berdasarkan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa variasi suhu pembekuan dan lama waktu pembekuan dapat memperbaiki sifat fisis dan sifat mekanik komposit.
Kata kunci : Komposit Kolagen-Hidroksiapatit, Freeze-Drying, lyophilizer, Bone Graft, ukuran pori
PENDAHULUAN
Saat ini pemanfaatan bone graft untuk penyembuhan tulang mengalami peningkatan setiap tahunnya. Indonesia adalah negara dengan jumlah penderita patah tulang tertinggi. Terdapat 300-400 kasus operasi bedah tulang per bulan di RS. Dr. Soetomo Surabaya (Gunawarman dkk, 2010).
Penanganan yang tepat pada kerusakan tulang sangat penting karena tulang berperan sebagai penyokong fungsi tubuh, maka penggunaan material yang tepat merupakan faktor keberhasilan implantasi tulang. Terdapat tiga jenis bone graft. Tiga jenis bone graft
tersebut adalah autograft yaitu substitusi tulang dari bagian tulang yang lain yang dimiliki oleh pasien yang sama. Allograft yaitu graft yang berasal dari individu lain. Xenograft yaitu implantasi bagian tubuh dari spesies yang berbeda. Masing-masing bone graft tersebut mempunyai kekurangan, oleh karena itu dibuatlah bone graft sintesis. Syarat yang harus dipenuhi oleh bone graft sintetis adalah dapat diterima oleh tubuh atau biokompatibel. Selain itu syarat yang harus dipenuhi oleh bone graft sintetis adalah menguntungkan bagi proses
osteokonduksi, osteoinduksi dan osteogenesis. Osteokonduktif dan osteoinduktif adalah hal terpenting untuk biomaterial resorbable guna mengarahkan dan mendorong formasi pertumbuhan jaringan (Wahl et al. 2006). Osteokonduktivitas dan osteointegrasi dari bone graft
berhubungan dengan tingkat porositas dan ukuran pori (Develioglu et al. 2005).
Ukuran pori yang optimal untuk pertumbuhan sel tulang pada tulang spongius adalah pada kisaran 100-400 μm (Swain, 2009). Komposit kolagen-hidroksiapatit adalah bone graft
sintetis yang struktur dan komposisinya mirip dengan tulang alami. Komposit kolagen-hidroksiapatit saat ditanamkan dalam tubuh manusia menunjukkan sifat osteokonduktif yang lebih baik dibandingkan dengan hidroksiapatit monolitik dan menghasilkan struktur matriks tulang yang sama dengan tulang alami (Wang et al. 1995). Oleh sebab itu kolagen-hidroksiapatit merupakan material yang biokompatibel (Scabbia dan Trombeli, 2004).
Usaha untuk mendapatkan komposit dengan sifat fisis dan sifat mekanik yang diinginkan, maka dilakukan metode freeze-drying. Metode freeze-drying ini merupakan metode sintesis yang baik untuk fabrikasi material porous. Pada prinsipnya metode freeze-drying terdiri atas dua urutan proses yaitu pembekuan yang dilanjutkan dengan pengeringan. Penelitian ini menggunakan beberapa variasi suhu pembekuan dan beberapa lama waktu pembekuan untuk mengetahui suhu pembekuan yang optimal untuk memperbaiki nilai kuat tekan dan ukuran pori pada komposit kolagen-hidroksiapatit dengan metode freeze-drying.
METODE EKSPERIMEN Alat
Alat sintesa yang digunakan adalah : freezer, lyophilizer, gelas beaker, spatula, pinset, kaca timbangan, gelas ukur, cetakan, aluminium foil, plastik pembungkus dan kertas pH meter. Alat mekanik yaitu neraca digital dan magneticstirrer. Alat uji tekan compressive strength yaitu
autograph tipe AG-10 Te Shimadzu dan alat uji SEM tipe INSPECT 550.
Bahan
Hidroksiapatit bubuk dengan ukuran butir 150-355 μm produk Bank Jaringan RSUD Dr. Soetomo, kolagen dari ikan kakap merah (Lutjanus sp.) produk IPB Bogor, NaOH, Na2HPO4,
CH3COOH, NH3, asam fosfat dan aquades. Hidroksiapatit yang digunakan berasal dari tulang sapi. Dan kolagen yang digunakan berasal dari IPB.
Tahap Pembuatan Komposit
Pembuatan komposit kolagen hidroksiapatit diawali dengan menimbang hidroksiapatit
dan kolagen dengan perbandingan 2:1. Pada penelitian ini sampel dibuat sebanyak 9 sampel.
Masing-masing sampel dengan suhu pembekuan yang berbeda yaitu -25 °C, -30 °C dan -80 °C
dengan waktu pembekuan 2, 4, dan 6 jam dan komposisi yang sama. Digunakan 2 gr kolagen
dan 4 gr hidroksiapatit untuk mendapatkan perbandingan kolagen/hidroksiapatit 1:2. Dua gram
kolagen dilarutkan dalam 4 ml asam asetat. Selanjutnya ditambahkan 4 gram Na2HPO4.H2O ke
dalam larutan kemudian di stirrer. Campuran selanjutnya dinetralkan dengan NaOH 1M
menggunakan kertas pH meter.
Adapun hidroksiapatit sebanyak 4 gr dilarutkan dengan asam fosfat 16 ml. Hidroksiapatit
ditimbang sebanyak 4 gram kemudian dilarutkan perlahan-lahan dengan 16 ml asam fosfat
menggunakan stirrer. Larutan hidroksiapatit selanjutnya dinetralkan dengan NH3 menggunakan
kertas pH meter. Kenetralan dinilai dengan warna dari kertas pH meter yang menunjukkan angka
7.
Larutan hidroksiapatit dan larutan kolagen yang telah netral dicampur dengan menggunakan stirrer. Setelah tercampur maka komposit tersebut dibiarkan sampai terbentuk endapan kurang lebih selama 12 jam. Kemudian endapan dari komposit tersebut dimasukkan dalam sebuah cetakan silinder dengan panjang diameter 0,8 cm dengan tingginya 1 cm. Selanjutnya sampel dibekukan dengan suhu yaitu -25 °C, -30 °C dan -80 °C dengan waktu pembekuan 2, 4, dan 6 jam. Dan dikeringkan selama 12 jam dengan lyophilizer. Komposit kolagen-hidroksiapatit yang telah kering dikeluarkan dari cetakan untuk dikarakterisasi.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil sintesis komposit kolagen hidroksiapatit adalah sesuai Gambar 1.1
Gambar 1.1 Hasil Sintesis Komposit Kolagen-Hidroksiapatit Hasil Uji SEM
Gambar 1.3 Hasil Uji SEM Komposit Kolagen-Hidroksiapatit Pada Suhu -30°C
Gambar 1.4 Hasil Uji SEM Komposit Kolagen-Hidroksiapatit Pada Suhu -80°C
Pada Gambar 1.2 terlihat bahwa pada pembekuan suhu -25 °𝐶 didapatkan ukuran diameter pori komposit kolagen-hidroksiapatit yang tidak seragam. Komposit pada suhu -25 °𝐶 dengan waktu pembekuan selama 2 jam terlihat ada beberapa serabut kolagen yang berbentuk
seperti jarum. Pembekuan suhu -25 °𝐶 dengan waktu pembekuan 4 jam komposit terlihat lebih halus dibandingkan dengan pembekuan 2 jam. Untuk pembekuan selama 6 jam permukaan
komposit terlihat hampir sama dengan komposit yang dibekukan pada waktu 2 jam yaitu masih
terlihat beberapa serabut kolagen, hal ini karena hidroksiapatit belum tergabung dengan molekul
kolagen seluruhnya. Secara makro komposit terlihat agak kasar (Kim HW, 2003).
Pada Gambar 1.3 terlihat bahwa pada pembekuan suhu -30 °𝐶 dengan waktu pembekuan selama 2 jam terlihat bahwa komposit secara makro terlihat sangat halus. Untuk waktu
pembekuan 4 jam komposit secara makro terlihat agak halus. Untuk waktu pembekuan selama 6
jam pori tidak begitu terlihat hal ini karena pada saat proses pencampuran antara hidroksiapatit
dengan kolagen kurang lama sehingga komposit belum tercampur secara sempurna (Kim HW,
2 jam secara makro komposit terlihat halus dan lebih padat. Untuk waktu pembekuan 4 dan 6
jam permukaan yang dihasilkan sama dengan sampel sebelumnya yaitu secara makro terlihat
halus dan padat. Hal ini karena hidroksiapatit lebih tergabung dengan kolagen (Kim HW, 2003).
Hasil Pengukuran Diameter Pori Komposit Kolagen-Hidroksiapatit
Gambar 1. 5 Hasil Pengukuran Diameter Pori Komposit Kolagen-Hidroksiapatit
Ukuran diameter pori pada Tabel 1.5 menunjukkan bahwa ukuran diameter pori yang
paling besar adalah pada suhu -25°C dengan lama waktu pembekuan selama 4 jam. Hal ini
menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu yang digunakan maka ukuran diameter pori yang
dihasilkan semakin besar karena apabila suhu yang digunakan semakin tinggi maka dendrite
kristal es yang dihasilkan untuk membekukan komposit lebih sedikit sehingga pada saat
pembekuan pendesakan yang dilakukan oleh kristal es tidak terlalu kuat sehingga komposit yang
dihasilkan tidak rapat dan menyebabkan ukuran pori semakin besar (Ichsan MZ, 2012).
Hasil Uji Porositas dan Densitas
Nilai porositas pada suhu -25 °C dengan waktu pembekuan 2 jam mempunyai nilai
porositas sebesar 46%. Nilai porositas pada waktu pembekuan 4 jam mempunyai nilai porositas
sebesar 38%. Nilai porositas pada waktu pembekuan 6 jam mempunyai nilai porositas sebesar
22%. Dari nilai tersebut menunjukkan bahwa suhu -25 °C mempunyai nilai rata-rata porositas
paling besar dibandingkan dengan nilai porositas suhu -30 °C dan -80 °C. Hal ini karena semakin
rendah suhu yang digunakan dan semakin cepat waktu yang digunakan maka pada saat
pembekuan akan menyebabkan partikel hidroksiapatit akan diisi oleh filler kolagen lebih cepat,
hal ini karena apabila suhu pembekuan yang digunakan lebih rendah maka dendrite kristal es
akan semakin kuat ketika mendesak partikel hidroksiapatit dan kolagen sehingga ikatan antara
kolagen dan hidroksiapatit lebih rapat dan nilai porositasnya kecil (Kim HW, 2003).
Gambar 1.7 Hasil Uji Densitas Komposit Kolagen-Hidroksiapatit
Nilai densitas yang ditunjukkan Gambar 1.7 menunjukkan bahwa nilai densitas atau
kerapatan pada suhu pembekuan -25 °C dan waktu pembekuan 2 jam mempunyai nilai densitas
paling kecil. Semakin ditambah waktu pembekuan nilai densitas yang dihasilkan semakin besar
hal ini sesuai dengan penelitian oleh Kim HW, (2003) yaitu apabila suhu pembekuan yang
digunakan semakin rendah dan lama waktu pembekuannya semakin rendah maka proses
pembentukan dendrite kristal es pada komposit akan semakin banyak sehingga akan mendesak
pada suhu pembekuan -80 °C dengan waktu pembekuan selama 6 jam. Hal ini sesuai dengan
hasil uji SEM. Bahwa pada gambar SEM dengan suhu pembekuan -80 °C menunjukkan bahwa
gambar terlihat lebih rapat dengan sedikitnya pori, hal ini karena pada saat suhu pembekuan
yang rendah partikel kolagen terdistribusi lebih merata ke dalam partikel hidroksiapatit, sehingga
menyebabkan ikatan komposit lebit rapat (Kim HW, 2003).
Hasil Uji Kuat Tekan
Gambar 1.8 Hasil Uji Kuat Tekan Komposit Kolagen-Hidroksiapatit
Sesuai Gambar 1.8 dapat diambil kesimpulan bahwa semakin rendah suhu yang
digunakan untuk pembekuan maka proses terbentuknya dendrite kristal es akan semakin cepat
sehingga akan menghasilkan kristal es yang semakin banyak. Dari adanya kristal es yang banyak
ini akan menyebabkan komposit kolagen- hidroksiapatit didesak semakin kuat oleh kristal es
tersebut. Pendesakan yang semakin kuat ini akan menyebabkan pori di dalam komposit semakin
kecil sehingga kerapatannya juga semakin tinggi dan nilai kekuatan tekannya akan semakin besar
(Kim HW, 2003).
KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Variasi suhu pembekuan yaitu pada suhu -25 °C,-30°C, -80 °C dan lama waktu
pembekuan dapat memperbaiki sifat fisis yaitu ukuran pori, porositas dan densitas serta
maka ukuran diameter pori dan porositas yang dihasilkan semakin kecil. Semakin rendah
suhu pembekuannya maka densitas dan nilai kekuatan tekan semakin besar.
2. Komposit kolagen-hidroksiapatit yang dihasilkan berpotensi sebagai kandidat bone graft
dengan beberapa aspek diantaranya adalah ukuran pori dari sampel komposit memenuhi
syarat minimal untuk migrasi sel yaitu antara 100-400 µm. Kekuatan tekan komposit
kolagen-hidroksiapatit memenuhi nilai minimal untuk tulang trabekular yaitu antara
0,5-50 MPa.
UCAPAN TERIMAKASIH
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan ucapan terimakasih kepada Dr. Prihartini
Widiyanti, drg., M.Kes dan Ir. Puspa Erawati atas bimbingan, saran, dan kritik yang telah
diberikan, serta semua pihak yang telah membantu hingga terselesaikannya penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Asmawati. 2011. Skripsi. Kajian Morfologi Proses Persembuhan Kerusakan Segmental Pada Tulang Domba Yang Diimplan Dengan Komposit Hidroksiapatit-Trikalsium Fosfat (HA-TKF). IPB
Bhusan, R.K., 2009, Optimisation of porosity of 7075 Al alloy 10 % SiC composite produced by stir casting process through Taguchi method, Int. J. Material Engineering Innovation, Vol 1, No.1,2009.
Boursoum, M.W., 1997, Fundamental of Ceramic, Mc. Graw Hill Companies, New York, USA. Develioglu, H., Koptagel, E., Gedik, R. and Dupoirieux, L. 2005. The effect of a
biphasic ceramic on calvarial bone regeneration in rats. Journal of Oral Implantology 31(6):309-312.
Ermiza, Linda. 2012. Ermiza. Perbandingan Dosis Akhir Sterilisasi 15 kGy dan 25 kGy Bahan Allobatan (DFDB) Pada Proses Regenerasi Tulang. Universitas Indonesia
Ficai, A., Andronescu, E., Voicu, G., Ficai, D. 2011. Advances inCollagen/Hidroxyapatite Composite Material. InTech
Gunawarman, Malik, A., Mulyadi S., Riana, Hayani, A. 2010. Skripsi. Karakteristik Fisikdan Mekanik Tulang Sapi Variasi Berat Hidup sebagai Referensi Desain Material Implan. Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNMTTM)ke-9
Haryani, F.dkk. 2010. Mengenal Lebih Dekat Alat Pengering ‘’Freeze-Drying’’. Universitas Jenderal Soedirman. Jawa Tengah.
Ichsan, Miranda Z. 2012. Skripsi. Sintesis Makroporus Komposit Kolagen-Hidroksiapatit Sebagai Kandidat Bone Graft. Universitas Airlangga.
Karageorgiou V, Kaplan D .2005. Porosity of 3D biornaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials 26:5474-5491.
Keaveny, T. M., 2004, Standard Handbook of Biomedical Engineering and Design, McGraw Hill.
Kim, HW. Knowles, CJ. Kim HE. 2003. Hidroxyapatite and gelatin composites foams processed via novel freeze-drying and crosslinking for use as temporary hard tissue scaffold. University Coleege London and Seoul National University.
Kurniawan, S. B. 2012. Skripsi. Sintesis dan Karakterisasi Sifat Mekanik Mortar Berbasis Material Komposit Silika Amorf dengan Variasi Penambahan Sekam Tebu, Skripsi Jurusan Fisika, Universitas Airlangga, Surabaya.
Kutz, Myer. 2003. Standard Handbook of Biomedical Engineering and Design. McGraw-Hill: New York
Kroschwitz, J. 1990, Polymer Characterization and Analysis, John Wiley and Sons, Inc., Canada Laurencin C, Khan Y, El-Amin SF (2006) Bone graft substitutes. Expert Rev Med
Dev 3: 49-57.
Lu JX, Flautre B et al. 1999. Role of interconnections in porous bioceramics on bone recolonization in vitro and vivo. J Mater Sci Mater Med 10:111–120.
Miyata, Teruo. Taira, Toshiro. 1992. Collagen-Engineering for Biomaterial Use. Clinical Materials, 1992; 9: 139-148
Nugraha,Insan.blognyainsan.wordpress.com/2010/06/14/karakterisasi nanomaterial/. 12 Januari 2014
Novriansyah, Robin. 2008.Tesis. Perbedaan Kepadatan Kolagen Di Sekitar Luka Insisi Tikus Wistar Yang Dibalut Kasa Konvensional dan Pneutup Oklusif Hidrokoloid Selama 2 dan 14 Hari. Universitas Diponegoro. Semarang.
Muchtadi, D. 1992. Fisiologi Pasca Panen Sayuran dan Buah-buahan. PAU Pangan dan Gizi, IPB. Bogor
Park, J., et al., 2007, Biomaterials an Introduction, 3rd Edition, Springer, New York. Ratih, Ngatijo, Widjaksana, Latief AB. 2003. Aplikasi Hidroksiapatit di Bidang
Medis. Yogyakarta: Proc.
Ratner, B. D., et al., 2004, Biomaterial Science, Second Edition, Elsevier Scademic Press, San Diego.
Regar Br, Nurul H. 2009. Keramik Sebagai Bahan Substitusi Bone Graft. Universitas Sumatra Utara
Sloane, E., 2003, Anatomi dan Fisiologi untuk Pemula, EGC, Jakarta.
Scabbia A, Trombelli L (2004) A comparative study on the use of a HA/collagen/chondroitin sulphate biomaterial (Biostite®) and abovine derived HA xenograft (Bio-Oss®) in the treatment of deep intra-osseous defects. J Clin Periodontol 31: 348-355.
Suryadi. 2011. Tesis. Sintesis dan Karakterisasi Biomaterial Hidroksiapatit dengan Proses Pengendapan Kimia Basah.
Swain, S. K., 2009, Processing of Porous Hydroxyapatite Scaffold, Thesis Department of Ceramic Engineering, National Institute of Technology, Rourkela.
Syafrudin, H., 2011, Analisis Mikrostrukutr, Sifat Fisis dan Sifat Mekanik Keramik Jenis Refraktori, Skripsi Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya.
Triyono, Bambang. 2005. Thesis. Perbedaan Tampilan Kolagen Di Sekitar Luka Insisi Pada Tikus Wistar Yang Diberi Infiltrasi Penghilang Nyeri Levobupivakain. Universitas Diponegoro. Semarang.
Turnip, Rimbun. 2010. Skripsi. Penggunaan Komposit Epoksi Berpenguat Serat Kevlar Sebagai Bahan Alternatif Mengatasi Kebocoran Pipa. Universitas Indonesia.
Vaccaro AR. 2012. The Role Of The Osteoconductive Scaffold For Bone Tissue Engineering; Physico-Mechanical and Biological Evaluations. Ceramics Internasional. s571
Wahl, DA dan Czernuszka .2006. Collagen-Hydroxiapatite Composites for Hard Tissue Repair. Eropean Cells and Material Vol.11 pages 43-56
61
Nanophase Hydroxyapatite Collagen Composite. J Mater Sci Lett 14: 490- 492.
Yaszemski, M.J et al. 2004. Biomaterials in Orthopedics. Marcel Dekker, Inc. New York
Zein, Ardika. http://ardika-zein-fst08.web.unair.ac.id/artikel_detail-89794-teknobiomedikAPLIKASI%20HIDROKSIAPATITKOLAGEN%20PADA%20BONE%20 GRAFT.html. 17 desember 2013. 18.00
Zulfikar. 2010. Peptida Sebagai Rantai Protein. Www.chem-is-ty.org/materi_kimia-kesehatan/biomolekul/peptida-sebagai-rantai-protein/. 25 Agustus 2014. 10.00
