BAB II TINJAUAN PUSTAKA

(1)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Definisi Gelas (Glass)

Gelas adalah material non-kristalin yang memiliki struktur amorf setelah

mengalami proses pembentukan[8].

Gambar 2.1 Struktur amorf gelas silica (SiO2)

Gelas sintesis atau yang sering juga disebut biogelass dapat dibuat jika dilakukan

proses pendinginan cepat (quenching) yang dimulai dari temperatur pada saat

gelas tersebut mengalami pelehan hingga mencapai temperatur gelas transisi, kemudian dilakukan proses heat treatment pada temperatur rekristalisasinya

(growth) yaitu pada temperatur seperti pada Tabel 3.2[1]. Biogelas dapat berfungsi

sebagai biomaterial jika memiliki struktur yang menyerupai jaringan tubuh

manusia. Biomaterial adalah material yang bersifat natural maupun yang dibuat

oleh manusia (sintetik) baik sebagian ataupun seluruhnya yang digunakan sebagai

alat medik (Madical Device) yang dimaksudkan dapat menggantikan fungsi kerja

(2)

2.2 Ferimagnetik Biogelas Ceramics (FBC)

Ferimagnetic Bioglas Ceramics (FBC) adalah multifasa, biocompatible, dan bioaktif komposit yang diproduksi dari bioglas murni dengan penambahan

senyawa kimia Fe2O3 pada senyawa – senyawa utama (SiO2, CaO, P2O5)

penyusun gelas[2]. Proses ini diperkenalkan pada treatment hipertermia (hyperthermic treatment) kanker tulang dikarenakan bahan gelas yang

ditambahkan dengan Fe2O3 telah diakui mampu dikendalikan dalam sistem terapi

kanker karena memiliki kekuatan magnet yang sangat baik.

Sifat magnetik bahan Ferrimagnetic Bioglas Ceramics (FBC) ini didapatkan dari

kehadiran senyawa magnetite - Fe3O4 yang dihasilkan dari hematite - Fe2O3 ketika

terjadinya oksidasi saat pembakaran gelas[2].

2.3 Hyperthermic Treatment (Hipertermia)

Hipertermia adalah metode penyembuhan penyakit dengan mengkondisikan

tubuh/bagian tubuh pada temperatur tertentu yang diinginkan[5]. Di Indonesia terapi ini belum banyak dilakukan. Namun, di luar negeri telah banyak dibuktikan bahwa metode ini dapat menyembuhkan berbagai macam penyakit, diantaranya kanker. Pengobatan dengan cara hipertermia ini memanfaatkan gelombang

elektromagnetik atau radiasi gelombang mikro untuk meningkatkan temperatur pada suatu sasaran yang akan di treatment. Sehingga penyakit tersebut dapat dikenai radiasi gelombang mikro tanpa harus mengenai sel – sel sehat yang disekitarnya. Bagian tubuh yang sering sekali ditreatment menggunakan system ini adalah otak, tulang, liver, kelenjar tiroid, pancreas, usus besar, ovarium, uterus, kulit, paru – paru, kanker payudara, kerongkongan dan banyak lagi[6].

Beberapa jenis tumor penyebab kanker yang dapat di treatment adalah

Adenocarcinoma, Carcinoma, Thymoma, Squamous Cell, Mesothelioma, Sarcoma, Melanoma, Lymphoma, Basal Cell.

(3)

2.4 Biogelas

Biogelas adalah suatu material yang terdiri dari bahan dasar SiO2, CaO,

Na2O dan P2O5 yang lapisannya menyerupai struktur jaringan tubuh manusia

sehingga sangat mungkin sekali untuk dipergunakan dalam pengobatan penyakit atau terapi penyakit yang ada di dalam tubuh manusia. Biogelaskeramik (biogelas

yang telah diheat treatment) sudah banyak digunakan sebagai bahan untuk

membantu pengobatan dalam bidang kedokteran khususnya digunakan di dalam tubuh manusia sebagai bioaktif. Hal ini disebabkan karena lapisan pada biogelas

tersebut selain menyerupai struktur jaringan tubuh manusia juga disebabkan ketahanan terhadap korosi. Hal ini perlu diperhatikan dengan baik karena tubuh manusia mengandung garam, dimana garam tersebut dapat mempercepat terjadinya proses korosi. Selain itu, biogelas dapat diatur komposisi kimianya agar

sesuai dengan kegunaan yang diinginkan. Contohnya untuk pengobatan kanker liver, maka biogelas yang akan digunakan harus sesuai dengan kondisi liver

tersebut[9].

Proses pembuatan bioaktif gelas ini sangat sederhana. Pada dasarnya dari semua

bahan yang telah tersedia tersebut langsung dicampurkan, kemudian dimasukkan ke dalam krusibel alumina lalu dibakar pada temperatur lelehnya. Pada penelitian ini menggunakan temperatur leleh yang ada pada literatur[1]_.

Bahan – bahan pembuat biogelas ini sebenarnya tidak murni didapatkan langsung

atau dapat dibeli di toko kimia. Karena jika bahan – bahan tersebut langsung jadi, maka harganya sangat mahal. Sehingga dibuat alternatif lain dengan cara mensintesa beberapa bahan menggunakan persamaan stoikiometri untuk mendapatkan bahan – bahan yang diinginkan. Proses ini menggunakan prinsip – prinsip reaksi kimia.

Sebagai contoh untuk mendapatkan CaO dari bahan CaCO3, maka CaCO3

(4)

membentuk CaO dan CO2. Secara singkat dapat dilihat pada persmaan reaksi

berikut ini :

CaCO3 CaO(s) + CO2 (g)

> 850o_C

Proses ini berlangsung secara reversibel[9]. Artinya jika proses ini sudah selesai kemudian dingin kembali, maka CaO yang terbentuk akan menyerap CO2 kembali

dari udara bebas sehingga akan membentuk CaCO3 seperti semula. Untuk

mengatasi hal ini maka penulis mengacu kepada literatur yang ada yang menuliskan bahwa, untuk bahan – bahan yang sifatnya reversibel seperti ini, maka bahan – bahan tersebut dapat langsung dipanaskan untuk menghasilkan gelas. Sehingga untuk bahan – bahan Na2O dari Na2CO3, CaO dari CaCO3, P2O5 dari

CaHPO4 . 2H2O (Hidrat), dan B2O3 dari H3BO3 langsung dibakar pada temperatur

pembuatan gelasnya sekaligus juga dimasukkan bahan – bahan seperti Fe2O3 dan

SiO2 sesuai dengan komposisi yang sudah ditentukan. Biogelas keramik dapat

digolongkan menurut cara kerjanya terhadap sistem tubuh manusia yaitu[9,11] :

1. Bioinert (Tidak terlalu interaktif dengan sistem tubuh manusia)

2. Bioaktif (Dapat berinteraksi pada sekeliling jaringan yang diterapi)

3. Biodegradabel (Dapat bergabung dengan jaringan)

Pada penelitian – penelitian yang sudah ada sebelumnya, beberapa gelas dan gelas keramik yang terdiri dari bahan Ca, Si dan Mg sangat memiliki kemampuan sebagai bahan bioaktif yang baik untuk aplikasi pada bidang kedokteran.

Biokeramik adalah keramik yang digunakan pada tubuh manusia (biologi) sebagai

penjukung jaringan lain. Contoh biokeramik adalah bioreaktor, biosensor, alat – alat kedokteran (pompa jantung), implan tulang dan lain – lain.

2.5 Radiotherapy Glasses

Radiotherapy glasses adalah radioaktif gelass yang digunakan pada

(5)

yang memanfaatkan gelombang radio aktifnya[9]. Aplikasi Radiotherapy glasses

ini pada umumnya terdapat pada organ – organ seperti liver, limpa, hati, paru – paru, usus besar, kelenjar tiroid dan lain sebagainya[9].

Secara umum pembuatan bahan radiotherapy glasses ini dapat dilihat pada

gambar berikut ini :

Gambar 2.2 Skema pembuatan bahan radiotherapy glass[9]

Secara singkat bagan tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : bahan gelas dimeltingkan pada temperatur 1550oC – 1650oC agar homogen[9] kemudian

diquenching (pendinginan cepat dengan udara) di atas pelat baja[9]. Selanjutnya

bahan gelas tersebut dihaluskan menggunakan mesin milling (High Energy Milling) untuk membentuk microsphere formation. Kemudian diayak sesuai

dengan ukuran yang diinginkan. Langkah terakhir yang dilakukan adalah melakukan penyinaran terhadap microsphere formation pada reaktor nuklir dalam

beberapa hari sampai batas radioaktifitas yang diinginkan[9]. Setelah itu bahan radioaktif tersebut dapat digunakan. Akan tetapi cara seperti ini sudah tidak digunakan lagi karena penggunaan bahan radioaktif membawa dampak negatif

bukan hannya pada lingkungan sekitar tetapi juga kepada pasien penderita yang akan diterapai. Oleh karena itu dilakukanlah inovasi baru dalam hal bioaktif gelas keramik akan tetapi tanpa menggunakan bahan radioaktif, melainkan menggunakan kekuatan magnet yang ditimbulkan dari bioaktif gelas tersebut.

(6)

Cara kerja Radiotherapy glasses ini sebenarnya sangat sederhana yaitu dengan

cara seperti pada gambar berikut ini :

Gambar 2.3 Sel kanker sebelum dan setelah mengalami treatment[9]

Bahan radioaktif yang diinjeksikan kedalam tubuh manusia akan mengalir melalui darah, kemudian bahan Radiotherapy glasses tersebut akan menempel pada sel

kanker yang tidak stabil seperti terlihat pada Gambar 2.3 selanjutnya bahan Radiotherapy glasses tersebut akan mentreatment sel kanker dengan bahan radioaktif yang dimilikinya tersebut, hingga sel kanker tersebut mengalami

kerusakan tanpa merusak jaringan yang sehat. Akan tetapi karena bahan ini mengandung unsur radioaktif, maka pada kenyataannya sel – sel yang sehat juga

mengalami kerusakan dan gangguan. Itulah sebabnya bahan ini tidak dipergunakan lagi.

(7)

Radiotherapy glasses tidak bersifat racun pada tubuh manusia (non-toxic) atau

disebut sebagai bahan yang biokompatibel[9], memiliki kemurnian bahan kimia

yang murni (mengalami proses pemanasan) serta senyawa kimia tersebut tidak dapat dipecahkan atau dilarutkan selama bahan tersebut dalam bentuk senyawa

radio aktif[9], akan tetapi bahan ini bersifat karsinogenik.

2.6 Simulated Body Fluid (SBF)

2.6.1 Definisi Simulated Body Fluid (SBF)

Simulated Body Fluid yang juga dikenal sebagai Synthetic Body Fluid adalah

suatu larutan yang dibuat menyerupai kondisi tubuh (darah) manusia yang sebenarnya, dengan cara mengatur konsentrasi ion – ion seperti yang terkandung di dalam tubuh manusia sehingga pH (Derajat Keasaman) nya menyerupai

kondisi tubuh manusia. Pada penelitian ini penulis menggunakan standard Kokubo et al[4,11,12]. Hal ini dikarenakan pada penelitian tugas akhir salah satu seorang

mahasiswa yang dibimbing oleh pembimbing penulis, sebelumnya telah menggunakan standard HBSS (Human Body Solid State) atau yang sering dikenal

sebagai standard Hank’s[12]. Ada beberapa standard yang lazim digunakan untuk mengatur konsentrasi ion – ion tersebut agar menyerupai kondisi tubuh manusia. Beberapa standard yang sering digunakan adalah blood plasma, HBSS, ringer’s solution dan kokubo et al[4,11,12] . Konsentrasi ion – ion penyusunnya dapat dilihat

seperti tabel di bawah ini[4] :

Tabel 2.1 Konsentrasi ion pada SBF (mM)

ION Blood Plasma HBSS Ringer's sol Kokubo et al

Na+ 130 - 155 141,7 39,1 142 K+ 4.0 - 5.6 5,7 1,4 5,0 Mg+ 1.6 - 2.2 0,8 0 1,5 Ca+ 4.0 - 5.5 1,7 0,4 2,5 Cl- 100 - 110 145,6 40,7 147,8 HCO3- 24 - 30 4,2 0,6 4,2 HPO42- 1.6 - 2.7 0.7 0 1.0 SO42- 0.7 - 1.5 0.8 0 0.5

(8)

2.6.2 Simulated Body Fluid (SBF) Kokubo et al

Untuk menghasilkan konsentrasi ion dengan standard yang sesuai pada

kokubo et al[4,11,12], maka dibutuhkan reagent – reagent sebagai prekursor untuk

mengontrol konsentrasi ion – ion pada larutan SBF tersebut seperti NaCl, KCl, HCl, dan tris-hidroksi methil aminomethan (CH2OH)3CNH2, seperti tertera pada

tabel berikut :

Tabel 2.2 Komposisi penyusun konsentrasi ion SBF

Nomor Reagent Banyaknya

1 NaCl 7,996 gram 2 NaHCO3 0,350 gram 3 KCl 0,224 gram 4 K2HPO4 0,228 gram 5 MgCl2 0,305 gram 6 CaCl2 0,278 gram 7 Na2SO4 0,071 gram 8 (CH2OH)3CNH2 6,057 gram 9 1 mol/dm3 HCl 40 mL

Simulated Body Fluid ini dibuat dengan cara mencampurkan semua bahan – bahan di atas ke dalam satu liter air pada temperatur 36.5oC, kemudian distir menggunakan stirer magnetik. Untuk mendapatkan pH 7,4 dilakukan dengan cara

melarutkan zat HCl sedikit demi sedikit untuk menambah kadar asam pada SBF tersebut. Biasanya jika tanpa HCl, larutan tersebut akan bersifat basa hingga mencapai pH > 11. Oleh karena itu dengan penambahan HCl akan menurunkan sifat basa larutan tersebut. Secara sederhana pembuatan larutan SBF ini dapat dilihat pada gambar berikut ini :

(9)

Gambar 2.5 Proses pembuatan larutan SBF standard Kokubo et al[4][11][12]

2.7 Heat Treatment

Heat treatment adalah metode yang digunakan untuk mengubah sifat

fisika dan kimia dari suatu material dengan memfariasikan temperaturnya[7]. Sebagian besar proses heat treatment ini diaplikasikan pada ilmu metalurgi

(logam). Akan tetapi perkembangan dalam bidang keramik yang pesat juga membutuhkan proses heat treatment ini untuk meningkatkan kualitas serta nilai

tambah (added value) dari material keramik. Tidak hanya pada bidang kedokteran atau pengobatan, saat ini sudah banyak perlakuan heat treatment yang dibuat

untuk menghasilkan keramik – keramik dengan mutu tinggi.

2.8 X-ray

Sinar-X atau yang sering dikenal dengan X-Ray merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang (λ) yang pendek sekitar 10 Angstorm, dan mendekati jarak antar atom kristal. Apabila berkas sinar-X yang sejajar dan monokromatik ditembakkan pada permukaan material, maka atom-atom dalam kristal akan menyerap energi dan menghamburkan kembali sinar ke segala arah. Berkas sinar yang dihamburkan oleh atom yang sefasa akan terjadi interferensi saling menguatkan, tetapi apabila tidak sefasa maka akan saling meniadakan atau menghilangkan.

(10)

Gambar 2.6 Ilustrasi hukum bragg[14]

Dari gambar 2.5 diatas dapat dilihat, garis-garis horizontal adalah bidang Kristal yang terpisah oleh jarak antara bidang (d). Bidang ABC tegak lurus pada berkas sinar-X yang datang, sedangkan bidang LMN adalah tegak lurus pada berkas yang dihamburkan. Perbedaan jarak antar bidang ABC dan LMN yang diukur sepanjang sinar yang direfleksikan memenuhi:

PQ + QR = n λ (2.1)

dimana: PQ = QR = d Sinθ (2.2)

Maka persamaannya dapat ditulis :

2d Sinθ = n λ (2.3)

Persamaan diatas ini dikenal dengan Hukum Bragg yang memberikan hubungan jarak antar bidang (d) dalam kristal dengan sudut hamburan (θ). Dalam penggunaannya, panjang gelombang (λ) sinar-X ditentukan sesuai dengan target yang digunakan. Setiap material yang diidentifikasi mempunyai nilai d tertentu dan harganya bergantung pada posisi bidang kristal tersebut.

Untuk mengetahui fasa dan struktur material yang diamati dapat dilakukan dengan cara sederhana dengan membandingkan nilai d dan 2θ yang terukur dengan nilai d dan 2θ pada data standar. Data standar ini dapat diperoleh melalui Joint Committee On Powder Diffraction Standard (JCPDS), dengan Hanawalt File.

(11)

Sinar-x merupakan suatu radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat kecil. Oleh karena itu sinar-x memenuhi sifat umum dari radiasi gelombang elektromagnetik, misalnya absorbsi, interferensi dan lain-lain. Suatu berkas gelombang elektromagnetik, misalnya cahaya tampak yang melewati suatu bahan akan mengalami absorbsi, sehingga intensitasnya berkurang menurut hubungan :

I = I

o

e

-μx

(2.2)

Dimana : I = Intensitas setelah menembus bahan setebal x/rapat massa

bahan (dB)

Io = Intensitas mula-mula (dB)

μ = koefisien absorbsi linear

Dengan konsep yang sama untuk sinar-x juga memenuhi hubungan di atas. Selanjutnya dari percobaan diperoleh, bahwa koefisien absorbsi massa bahan ditentukan oleh jenis bahan dan panjang gelombang berkas radiasi.

Prinsip kerja XRD adalah sebagai berikut:

1. Sinar-X mono kromatik dipancarkan dari tabung sinar-X 2. Sinar tersebut melewati celah soller

3. Kemudian diteruskan melalui celah penyebar 4. Sinar monokromatik tersebut mengenai sampel

5. Pantulan sinar yang mengenai sampel keluar melalui celah anti menyebar

6. Selanjutnya sinar melewati celah penerima 7. Diteruskan ke celah soller

8. Sinar yang melalui celah soller tersebut dibelokkan menggunakan monokromator grafit

(12)

Skema sederhana cara kerja XRD adalah sebagai berikut:

Gambar 2.7 Cara kerja XRD[14]

2.9 Scanning Elecron Microscope (SEM)

Scanning Electron Microscope (SEM) adalah mikroskop yang menggunakan

hamburan elektron dalam membentuk bayangan[15]. SEM memiliki banyak keuntungan jika dibandingkan dengan mikroskop cahaya. SEM menghasilkan bayangan dengan resolusi tinggi. Artinya pada jarak yang sangat dekat dapat menghasilkan perbesaran yang maksimal tanpa memecahkan gambar dan gambar bisa terlihat dengan jelas. SEM merupakan suatu metode karakterisasi yang digunakan untuk melihat struktur mikro (micro structure) dari suatu material.

SEM dengan perbesaran yang maksimal, dan merupakan perkembangan dari mikroskop optik (perbesaran maksimal 1000x)[16]. Pada dasarnya, karakterisasi SEM merupakan karakterisasi pada permukaan sample. Berikut adalah skema prinsip kerja Scanning Electron Microscope (SEM).

(13)

Gambar 2.8 Cara kerja SEM[15]

Data yang diperoleh pada metode SEM adalah data dari permukaan atau dari lapisan yang tebalnya 20µm dari permukaan. Gambar yang dihasilkan dari SEM adalah gambar topografi dari permukaan yang diperoleh dari berkas elektron yang dipancarkan oleh spesimen. Terdapat dua jenis berkas elektron yang dipancarkan oleh spesimen, yaitu secondary electron (SE) dan back scattered electron (BSE). Secondary electron (SE) terbentuk akibat interaksi yang terjadi antara primary electron (PE) dengan spesimen. Berkas elektron akan menyapu permukaan

spesimen, memancarkan sinyal yang selanjutnya ditangkap oleh detector dan

menghasilkan gambar yang ditampilkan pada layar.

Back scattered electron akan menghasilkan intensitas yang berbeda pada

masing-masing unsur dengan nomor atom yang berbeda. Akibatnya, akan dihasilkan gambar yang menyatakan perbedaan unsur kimia akibat perbedaan intensitas dari masing-masing unsur yang ditangkap oleh Back Scattered Electron detector.

Warna yang lebih terang akan dihasilkan oleh unsur kimia yang lebih tinggi nomor atomnya.

(14)

Spesimen yang akan dikarakterisasi dengan menggunakan SEM harus dipersiapkan terlebih dahulu sama seperti ketika akan menyiapkan sampel untuk metalografi menggunakan mikroskop optik. Permukaan spesimen harus bebas dari kotoran dan dietsa, tetapi permukaan spesimen dapat juga langsung diamati tanpa perlu pengetsaan. Karena prinsip kerja SEM yang menggunakan elektron, maka setiap sampel yang akan diuji dengan metoda ini harus bersifat konduktif. Jika sampel uji bukan konduktor yang baik, maka perlu dilakukan pelapisan terlebih dahulu dengan menggunakan emas (CVD). Contohnya sampel yang terbuat dari keramik, perlu dilakukan pelapisan dengan emas. Beberapa contoh sampel SEM adalah sebagai berikut:

Gambar 2.9 Beberapa contoh hasil SEM

SEM banyak digunakan untuk berbagai aplikasi yaitu :

1. Pemeriksaan struktur mikro spesimen metalografi dengan magnifikasi (perbesaran) yang jauh melebihi mikroskop optik biasa.

2. Pemeriksaan permukaan patahan dan permukaan yang memiliki kedalaman tertentu yang tidak mungkin diperiksa dengan mikroskop optik.

(15)

3. Evaluasi orientasi kristaldari permukaan spesimen metalografi seperti, butir individual, fasa presipitat, dan dendrit (struktur khas dari proses pengecoran logam).

4. Analisis unsur pada objek dalam range mikron pada permukaan bulk

spesimen,. misalnya, inklusi, fasa presipitat.

5. Distribusi komposisi kimia pada permukaan bulk spesimen sampai jarak mendekati 1 mikron.

Keterbatasan SEM :

1. Kualitas gambar spesimen yang permukaannya relatif rata kurang baik bila dibandingkan dengan mikroskop optik pada perbesaran dibawah 300-400 x

2. Resolusi gambar jauh lebih baik dibandingkan dengan mikroskop optik, tetapi masih kurang bila dibandingkan dengan TEM.

2.10 Sel kanker (cancer cell)

Kanker adalah istilah umum untuk pertumbuhan sel yang tidak normal. Artinya sel tersebut tumbuh sangat cepat, tidak terkontrol, dan tidak berirama dalam pertumbuhannya yang dapat menyusup ke jaringan tubuh normal dan menekan jaringan tubuh yang normal sehingga mempengaruhi fungsi tubuh[19]_.

Kanker bukan merupakan penyakit yang menular. Kanker tidak sama dengan tumor. Tumor adalah istilah umum untuk setiap benjolan abnormal sedangkan kanker adalah tumor yang bersifat ganas. Tahap terjadinya kanker adalah sebagai berikut :

(16)

Gambar 2.10 Tahap terjadinya sel kanker[19]

Terjadinya sel kanker simulai dari induksi. Yaitu terjadinya perubahan pada sel yang sering disebut dengan displasia. Sementara pada saat hyperplasia sel hanya

berupa benjolan kecil saja yang tidak bahaya. Selanjutnya pertumbuhan kanker terbatas pada jaringan tempat asalnya tumbuh (kanker in situ). Setelah mengalami in situ sel kanker menembus membran basal dan masuk ke jaringan atau organ

sekitarnya. Tahap ini sering disebut sebagai tahap kanker invasif. Tahap terakhir

adalah tahap metastasis. Tahap ini sering disebut sebagai tahap penyebaran kanker

ke kelenjar getah bening atau organ lainnya yang letaknya jauh. Misalnya kanker usus besar menyebar ke hati. Penyebaran ini dapat melalui aliran darah, aliran getah bening atau langsung dari tumor.

Penyebab kanker secara umum adalah terjadinya kerusakan struktur genetik yang mengakibatkan pertumbuhan sel tersebut tidak terkontrol[19]. Beberapa penyebab kerusakan gen tersebut adalah[19] :

1. Kelainan genetik bawaan (± 5 %)

2. Karsinogen (zat – zat kimia, radiasi sinar UV, asap rokok)

3. Pengaruh linkungan hidup

(17)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 1. Bedah 2. Radiasi 3. Kemoterapi 4. Terapi biologi 5. Kombinasi

Terapi biologi inilah yang menggunakan bahan – bahan bioaktif gelas

untuk pencegahan dini maupun terapi awal agar sel kanker tersebut dapat dimatikan. Proses kerjanya dapat dilihat seperti pada gambar 2.3.