1
THE INFLUENCE OF CITHOSAN CONCENTRATION VARIATION OF HYDOXYAPATITE SCAFFOLD – SPONGE ON CRYSTALINITY AND
PORE SIZE
Ravita Wahyu Prasasti, Hartatiek, Nasikhudin Jurusan FMIPA Universitas Negeri Malang
Email: [email protected]
Hydroxyapatite (HA) is one kind of bioceramics have chemical formula (CA10(P04)6(OH)2) are similar to the chemical structure of bone and hard tissues
in mammals. One of a part HA developed is porous. Porous HA material that is implanted into the broken bone and serve to help stimulate the growth of bone tis-sue. The pores in the HA polymer made of solid polyurethane (sponge) which has an open structure and surface biocompatible. Mineral calcite likely as raw materi-al for the manufacture of HA minermateri-al cmateri-alcite contains cmateri-alcium was 98.7% with the potential to be used in the production of HA. Chitosan is a polymer that can be used as a control because it has specific properties of the pore, which is biocom-patible, non-toxic, osteoconductive, biodegradable, and not karsiogenik. This re-search aims to synthesize porous HA using basic ingredients of Ca(OH)2 of the
mineral calcite, H3PO4, sponge and chitosan by using sol-gel method. And for
know about the influence of chitosan concentration variasi of hydroxyapatite scaf-fold-sponge on crystalinity and pore size. Crystallinity was characterized using XRD. Pore morphology obtained by SEM and then the comparison of the Ca/P by using EDX. Cluster compounds contained in the HA obtained from FTIR charac-terization.Variations in the concentration of chitosan used in this study was 0% (without chitosan), 2% and 3%. The results showed HA has an average value ratio Ca/P of 1.67 corresponding to the ratio of Ca/P models. The degree of crystallini-ty respectively obtained at 73.90% (pure HA), 73.08% (HA-sponge scaffold with-out chitosan), 72.65% (HA scaffold-sponge with 2% chitosan) and 65.77% (HA-sponge scaffolds with 3% chitosan). As for the crystal size of 49.99 nm (pure HA), 54.37 nm (HA-sponge scaffold without chitosan), 54.98 nm (HA scaffold-sponge with 2% chitosan) and 40.44 nm (HA scaffold-scaffold-sponge with 3% chitosan). The results obtained from XRD characterization showed that the increase in crys-tallinity of HA chitosan affects on each variation, as indicated by changes in the level of the peak. SEM morphology showed that the addition of chitosan can en-large the pore size. On the results of SEM morphology, pore size successively ac-quired 1,325 lm (pure HA), 1,845 lm (HA-sponge scaffold without chitosan), 8,471 lm (HA sponge with 2% chitosan) and 8,868 lm (HA scaffold-sponge with 3% chitosan).
2 PENDAHULUAN
Hidroksiapatit merupakan salah satu biokeramik yang dapat digunakan sebagai bahan subtitusi untuk tulang buatan (Nasim, 2010) yang memiliki rumus kimia Ca10(PO4)6(OH)2
Hidroksiapatit berpori telah digunakan dalam aplikasi medis termasuk regenerasi jaringan tulang. Material hidroksiapatit berpori yang dimasukkan ke dalam tulang yang patah berfungsi untuk membantu dan merangsang pertumbuhan jarin-gan tulang serta secara bertahi-drokiapatit akan digantikan oleh jaringan tulang yang baru . (Kim
et al., 2007).Keuntungan yang
di-peroleh dari hidroksiapatit scaffold adalah kondisi pori-pori yang baik untuk transport nutrisi, infiltrasi jaringan, dan vaskularisasi (Teixeira dalam Niken Pratiwi, 2011).
Hingga tahun 2012, pemanfaatan batuan alam khusunya yang mengan-dung CaCO3 (calcite) masih kurang
maksimal bila dibandingkan dengan jumlah penyebarannya yang tinggi di wilayah Jawa Timur khususnya dae-rah Druju, Kabupaten Malang. Seba-gian besar orang hanya mengenal batuan calcite digunakan sebagai ba-han bangunan, baku marmer, penghias rumah, dan atap. Berdasar-kan data hasil pengujian yang telah dilakukan tahun 2011, kandungan batuan alam di daerah Druju Malang , didapat CaCO3 cukup besar yakni
sekitar 97,33% ; MgCO 2.61%.
Kitosan merupakan mikro-molekul biologi yang dapat diperoleh melalui proses deasetilasi dari kitin yang tersedia. Kitosan memiliki sifat
osteokondusif, bioresorbable, dan
tidak mengandung racun (Dewi, 2009). Kitosan dapat berperan se-bagai media pengendali pori karena pori dapat terbentuk saat dilakukan sintering pada kitosan yang terjebak akan meninggalkan hidroksiapatit (Yustinus, 2011).
Penelitian ini akan dilakukan sintesis hidroksiapatit scaffold-sponge dengan variasi massa kitosan
dengan metode sol gel. hal ini dikarenakan metode sol gel ini mem-iliki beberapa keuntungan dian-taranya kemurnian, kristalinitas, reaktivitas yang tinggi (Iis Sopyan, 2008). Selain kitosan yang dapat menimbulkan pori, akan dit-ambahkan bahan sponge sebagai me-dia berpori yang diharapkan dapat memperbesar ukuran pori sehingga struktur yang terbentuk sesuai dengan teori yang ada, yakni se-makin mudah untuk bisa diimplant ke jaringan tulang manusia
METODE EKSPERIMEN
HA scaffold dengan penamba-han kitosan disintesis dengan menggunakan metode sol gel. Batuan
calcite digunakan sebagai bahan
da-sar pembuatan HA. Batuan calcite digerus hingga menjadi serbuk kemudian serbuk dikalsinasi pada suhu 1000oC selama 5 jam sehingga menghasilkan Ca(OH)2. Ca(OH)2
3 kemudian dicampur dengan larutan H3PO4 80% dengan cara diteteskan
ke dalam larutan Ca(OH)2. Setelah
proses pencampuran selesai, larutan HA diaduk dengan kecepatan 300 rpm dengan suhu 37oC selama 30 menit. Setelah proses homogenisasi, HA diendapkan selama 24 jam di suhu ruang. Kemudian endapan HA diaduk pada suhu 60oC hingga men-jadi gel. Setelah menmen-jadi gel, HA dikeringkan pada suhu 110oC selama 24 jam dilanjutkan dikalsinasi pada suhu 1000oC selama 3 jam. Persa-maan reaksi HA sebagai berikut.
10 Ca(OH)2 + 6 H3PO4
Ca10(PO4)3(OH)2 + 18 H2O
Setelah HA kering, HA siap un-tuk ditambahkan dengan spons dan kitosan. Kitosan dilarutkan dengan asam asetat yang diaduk dengan ke-cepatan 300 rpm pada suhu ruang selama 3 jam kemudian didiamkan selama 24 jam. HA yang dilarutkan dalam aquades kemudian dicampur larutan kitosan dengan cara penetesan buret. Setelah pencampu-ran selesai HA-kitosan diaduk dengan kecepatan 300 rpm pada suhu 37oC selama 4 jam. kemudian dipanaskan dengan pemanas air selama 60 menit pada suhu 50oC. selanjutnya diendapkan selama 24 jam pada suhu ruang. Endapan HA diaduk hingga menjadi gel, setelah itu spons direndam hingga gel terserap seluruhnya. Setelah gel terserap oleh spons, dilakukan pen-geringan pada suhu 110oC selama 24 jam yang dilanjutkan kalsinasi pada suhu 1100oC selama 4 jam. Untuk
variasi HA scaffold tanpa menggunakan kitosan, HA kering yang dilarutkan dengan aquades kemudian spons direndam hinhha terserap. Setelah itu dilakukan pen-geringan pada suhu 110oC selama 24 jam yang dilanjutkan kalsinasi pada suhu 1100oC selama 4 jam.
Struktur kristal sampel diuji dengan X-Ray Diffraction (XRD) tipe X’Pert PRO berupa gambar pola difraksi yang ditunjukkan oleh hub-ungan antara 2θ dan intensitas, hasil uji SEM (FEI tipe INSPECT-S50) dalam bentuk gambar morfologi partikel, dan uji EDX untuk men-tukan perbandingan Ca/P. Dari data hasil uji XRD, pembentukan dan analisis fasa diidentifikasi menggunakan program HighScore
Plus. Dilanjutkan dengan bantuan Software Microcal Origin Pro 8
un-tuk penampilan berbagai grafik. Kristalinitas dapat dihitung dengan cara membandingkan banyaknya kandungan Kristal dalam suatu mate-rial dengan luasan kurva amorf yang diperoleh dari plot grafik dengan menggunakan program FullProf.
Kristal Ukuran Kristal dihitung menggunakan persamaan Scherrer. Kemudian ukuran pori diperoleh dari hasil fotografi SEM. Komposisi ba-han di uji dengan EDX. Kristalinitas dapat dihitung dengan persamaan:
Ukuran partikel dapat diten-tukan dengan memakai persamaan
Scherrer :
4 merupakan ukuran kristal , k merupakan konstanta yang nilainya 0,9, B0 merupakan lebar puncak pada
setengah maksimum (Full Width
Half Maksimum, FWHM) dan θ
merupakan sudut difraksi. Nilai FWHM dicari dengan menggunakan software Microcal Origin Pro 8. HASIL DAN PEMBAHASAN Pola Difraksi Hasil Pengukuran
Setelah dilakukan pencocokan hasil sintesis hidroksiapatit setiap variasi dengan data model yang menggunakan software HighScore
Plus diperoleh perbandingan grafik
yang ditunjukkan pada gambar 1
Gambar 1. Hasil XRD
Hasil XRD menunjukkan bahwa sintesis hidroksiapatit sesuai dengan data model. Pada variasi yang dilakukan, grafik XRD mengalami pergeseran puncak (ke arah kiri), hal ini d
ikarenakan adanya penambahan porogen (spons dan kitosan).
Melalui pola XRD dapat diketahui kristalinitas dengan cara memfitting dengan software FullProf dan Origin8 yang diperoleh grafik luas total, luas amorf dan luas background kemudian diperoleh luas kristalin.
Berikut hasil perhitungan kristalinitas dari berbagai variasi HA.
Kristalinitas
HA Murni 73,90%
HA SS 73,08%
HA SS – 0.5 gr cts 72,65%
HA SS – 0.5 gr cts 65,77%
Tabel 1. Hasil Perhitungan Kristalinitas
Dari hasil perhitungan derajat kristalinitas terlihat bahwa semakin banyak massa kitosan yang ditambahkan semakin kecil kristalinitasnya. Hal ini disebabkan struktur kitosan lebih amorf dan sudah tersebar secara merata pada partikel HA (Robiatuh, 2009).
Ukuran kristal dapat ditentukan dengan cara menghitung besarnya FWHM (Full Widht at Half
Maxi-mum) dari puncak bidang difraksi.
Untuk menentukan FWHM dan sudut Bragg menggunakan software Origin8. Ukuran Kristal dapat dihi-tung dengan persamaan Scherrer.
merupakan konstanta yang nilainya , merupakan panjang gelom-bang sinar-X yang besarnya . Hasil perhitungan ukuran Kristal disajikan pada tabel 4.2
Ukuran Kristal (nm) HA Murni 49.99 HA SS 54.37 HA SS – 0.5 gr cts 54.98 HA SS – 0.75 gr cts 40.44
Tabel 2. Hasil Perhitungan Ukuran Kristal
Hasil perhitungannya didapatkan ukuran kristal hidroksiapatit rentang 40-55 nm. Hasil ini menunjukkan besarnya ukuran kristal hidrok-siapatit hasil sintesis pada penelitian ini besarnya sesuai dengan hidrok-siapatit yang ada di dalam tulang
5 manusia yaitu sebesar 20-80 nm (Cunniffe, 2010).
Morfologi SEM
Perbandingan Ca/P dapat diketahui dengan karakterisasi EDX. Data hasil EDX berupa gambar pun-cak atom dan juga tabel yang berisi persen atom dari unsur yang ada pa-da sampel. Ca/P HA Murni 1.62 HA SS 1.67 HA SS – 0.5 gr cts 1.63 HA SS – 0.5 gr cts 1.64
Tabel 3. Perbandingan Nilai Ca/P
Dari hasil EDX diatas, nilai per-bandingan Ca/P hidroksiapatit hasil sintesis mendekati nilai per-bandingan Ca/P standar yaitu sebesar 1,67. Jadi dapat disimpulkan bahwa sintesis hidroksiapatit dengan menggunakan metode sol gel cocok untuk mensintesis hidroksiapatit, ka-rena dengan menggunakan metode ini perbandingan Ca/P sesuai dengan standar.
Hasil Morfologi SEM HA seper-ti yang ditunjukkan pada gambar 2
a.
b
c.
d.
Gambar 2. Hasil Morfologi SEM dengan perbesaran 5000 (a) HA Murni (b) HA SS (c) HA SS – 0.5 gr cts (d) HA SS – 0,75 gr cts
Dari hasil morfologi SEM dapat dilihat bahwa sintesis hidrok-siapatit menggunakan sol gel menghasilkan algomerasi yang cukup baik dan pori terlihat jelas. Berikut merupakan tabel ukuran pori yang diperoleh dari gambar 2
Rerata Uku-ran Pori (µm) HA Murni 1.1155 HA SS 1.1179 HA SS – 0.5 gr cts 5.7215 HA SS – 0.75 gr cts 6.795 Dengan menambahkan spons dan kitosan ukuran pori pada hasil
6 sintesis hidroksiapatit semakin ber-tambah. Hal ini dikarenakan semakin banyaknya kitosan yang terjebak di dalam partikel hidroksiapatit se-makin besar kekosongan ruang (pori) yang ditinggalkan (Yustinus, 2011). SPEKTRA FTIR
Gugus fungsi dari suatu senyawa tertentu ditunjukkan dengan adanya puncak spectrum absorpsi sampel pada suatu bilangan gelombang ter-tentu (Fajriyah, 2010).
Di bawah ini merupakan spectra FTIR hasil sintesis hidroksiapatit yang dicocokkan denga spectra FTIR hasil sintesis sebelumnya.
a. HA Murni OH- 3600-3550 PO4 3- v1 - v2 - v3 1100-850 v4 603.72 553.57 CO32- 1500-1450 C=C 2200-1950 b. HA SS OH- 3700-3500 632.66 PO4 3- v1 - v2 500-400 v3 1100-900 v4 600-550 CO32- - C=C - c. HA SS – 0.5 gr cts OH- 3700-3600 630.72 PO4 3- v1 - v2 500-450 v3 1100-850 v4 600-550 CO32- 1400-1350 C=C 2100-1950 d. HA SS – 0.75 gr cts OH- 3700-3600 628.79 PO43- v1 - v2 - v3 1050-950 v4 - CO32- 1500-1400 C=C 2100-2000
Pada hasil spectra FTIR terlihat bahwa gugus-gugus penyususn sen-yawa HA tampak pada bilangan ge-lombang masing-masing. Hal ini menandakan bahwa sintesis HA dan HA berpori dengan variasi konsen-trasi kitosan tidak mempengaruhi atau menghilangkan gugus fungsi yang terkandung dalam senyawa HA. KESIMPULAN
Sintesis hidroksiapatit berbahan dasar batuan calcite dengan metode sol gel berhasil dilakukan yang dibuktikan dengan pecocokan hasil XRD dengan model menghasilkan fasa hidroksiapatit 100% menggunakan software Highscore Plus. Hasil sintesis hidroksiapatit memiliki derajat kristalinitas sebesar 73.90% dan ukuran pori yang di-peroleh sebesar 1.325 µm dengan ukuran kristal sebesar 49.99 nm dan nilai Ca/P 1.62.
7 Hidroksiapatit scaffold dengan
polyurethane padat (spons) sebagai
pengendali pori telah berhasil dil-akukan dengan metode sol gel. Hasil sintesis hidroksiapatit
scaffold-sponge memiliki derajat kristalinitas 73.08% , ukuran pori sebesar 1.845 µm, berukuran 54,37 nm serta per-badingan Ca/P 1.67.
Penambahan larutan kitosan pa-da hidroksiapatit dapat mempengaruhi kristalinitas yang te-lah dihitung, yakni 72.65% untuk konsentrasi 2% dan 65.77% untuk konsetrasi 3%. Dapat dilihat bahwa dengan menambahkan larutan ki-tosan pada hidroksiapatit maka dera-jat kristalinitas semakin menurun. DAFTAR RUJUKAN
Cunnife, Grainne M. 2010. The Syn-thesis and characterization of nanophase hydroxyapatite using a novel dispersant-aided precipi-tation method. Journal of
Bio-medical Materials Research.
Dewi, Setia Utami.2009.Pembuatan
Komposit Kalsium
Fosfat-Kitosan Dengan Metode Soni-kasi.IPB.
Kim HS, Kim JT, Jung YJ. 2007.
Preparation of Porous Chi-tosan/Fibroin-Hydroxyapatite Composite Matrix for Tissue
Engineering. Macromolecular
Research 15(1):65-73.
Pratiwi, N. 2011. Sintesis dan
Karak-terisasi Hidroksiapatit Scaffold.
Skripsi tidak diterbitkan. Bogor: IPB.
Sepulveda, P., et al., In Vivo Evalua-tion of Hidroksiapatit Foams. Material Research, Vol 5, No. 3, 253-256, 2002, hal. 1
Sepulveda, P., et al., In Vivo Evalua-tion of Hidroksiapatit Foams. Material Research, Vol 5, No. 3, 253-256, 2002, hal. 1
Toibah Abdurrahim and Iis Opyan.
Recent Progress on the Devel-opment of Porrous Bioactive Calcium Phosphate for Biomed-ical Applications, Bentham
Sci-ence Publishers Ltd. Recent Pa-tents on Biomedical Engineering 2008, 1, 213-229.
Yudyanto, dkk. 2013. Sintesis
Nano-Hydroxyapatite Berbahan Dasar Batuan Alam Calcite Druju Ka-bupaten Malang Sebagai Bio-material Fungsional Pengganti Tulang. Usulan Penelitian Hibah
Bersaing. Malang: Universitas Negeri Malang.
