ANALISIS DERAJAT KRISTALINITAS, UKURAN KRISTAL DAN BENTUK PARTIKEL MINERAL TULANG MANUSIA BERDASARKAN VARIASI UMUR DAN JENIS TULANG
MELLY NURMAWATI
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
ABSTRAK MELLY NURMAWATI. Analisis Derajat Kristalinitas, Ukuran Kristal dan Bentuk Partikel Mineral Tulang Manusia Berdasarkan Variasi Umur dan Jenis Tulang. Dibimbing oleh MERSI KURNIATI dan YESSIE WIDYA SARI. Komponen utama anorganik tulang adalah senyawa kalsium fosfat. Fase stabil kristal kalsium fosfat dikenal dengan nama hidroksiapatit (HAP). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh umur dan jenis tulang terhadap struktur mineral tulang dengan XRD dan SEM. Tulang paha yang berumur satu hari, iga dan kepala yang berumur 31 tahun mengandung kristal apatit yang dominan berbentuk HAP. Tulang iga yang berumur 25 tahun, tibia yang berumur 37 tahun dan iga yang berumur 65 tahun didominasi oleh kristal apatit yang hadir dalam bentuk apatit karbonat tipe B. Pertambahan parameter kisi a dan c dibandingkan dengan parameter kisi HAP, menunjukkan bahwa tulang tidak hanya mengandung kristal HAP. Berdasarkan hasil perhitungan derajat kristalinitas sampel secara keseluruhan cenderung meningkat berdasarkan umur. Ukuran partikel mineral meningkat seiring dengan bertambahnya umur tulang. Hasil observasi SEM menunjukkan bahwa bentuk partikel mineral tulang yang berumur satu hari dan 25 tahun adalah pipih, memiliki permukaan yang kasar dan sedikit berpori. Tulang iga yang berumur 31 tahun memiliki bentuk partikel bulat, kasar dan memiliki banyak pori seperti jala sedangkan 65 tahun memiliki bentuk partikel pipih, permukaannya halus dan berpori sedikit. Tulang kepala yang berumur 31 tahun dan tibia yang berumur 37 tahun memiliki bentuk partikel pipih dan memiliki permukaan yang kasar.
ANALISIS DERAJAT KRITALINITAS, UKURAN KRISTAL DAN BENTUK PARTIKEL MINERAL TULANG MANUSIA BERDASARKAN VARIASI UMUR DAN JENIS TULANG
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
MELLY NURMAWATI G 74102014
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
Judul Nama NRP
: Analisis Derajat Kristalinitas, Ukuran Kristal dan Bentuk Partikel Mineral Tulang Manusia Berdasarkan Variasi Umur dan Jenis Tulang : Melly Nurmawati : G 74102014
Menyetujui,
Mersi Kurniati, M.Si Pembimbing I
Yessie Widya Sari, M.Si Pembimbing II
Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS NIP. 131 473 999
Tanggal lulus :
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini. Judul dari skripsi ini adalah “Analisis Derajat Kristalinitas, Ukuran Kristal dan Bentuk Partikel Mineral Tulang Manusia Berdasarkan Variasi Umur dan Jenis Tulang”. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains dari Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Patah tulang atau retak sering terjadi pada manusia. Informasi mengenai mineral tulang manusia penting untuk dijadikan bahan acuan dalam pembuatan biomaterial. Biomaterial yang kompatibel diperlukan untuk bahan substitusi tulang manusia yang mengalami patah atau retak. Hal inilah yang menarik penulis untuk melakukan penelitian mengenai mineral tulang manusia. Penulis ucapkan terimakasih kepada pihak-pihak yang secara langsung maupun tidak langsung membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini, diantaranya : 1. Mersi Kurniati, M.Si dan Yessie Widya Sari, M.Si sebagai pembimbing yang dengan penuh pengertian dan kesabarannya memberikan bimbingan dan arahan selama proses penyelesaian skripsi ini berlangsung. 2. Dr. Kiagus Dahlan dan Dr. Akhiruddin Maddu sebagai dosen penguji yang telah memberikan saran untuk penelitian ini. 3. M. Nurindro M. Sc sebagai komisi Pendidikan 4. Direktorat Jendral Pendidikan, Departemen Pendidikan Nasional atas kesempatan dan dukungan yang diberikan untuk mengadakan penelitian ini. 5. dr. Jaya dan dr. Evi Untoro dari bagian Forensik Rumah Sakit Cipto Mangunkusumo atas bantuannya dalam penyediaan sampel tulang manusia. 6. Segenap staf Departemen Fisika. 7. Dr. Bambang Soegijono dari Departemen Fisika Material, Program Pascasarjana UI yang telah membantu penulis dalam proses karakterisasi XRD dan SEM. 8. Kepada kedua orang tua penulis yaitu Suwarso dan Sumiarti serta adik-adikku Novaria, Akbar dan Dina, terimakasih atas segala kesabaran, doa dan kasih sayangnya. 9. Teman-teman seperjuangan dalam penelitian yaitu Setia, Atik, Priyo, Taufik, Adi, Irma dan Ulis atas dukungan dan kerjasamanya. 10. Teman-teman angkatan 39 atas kebersamaan, persahabatan dan dukungannya selama ini kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. 11. Teman-teman angkatan 38, 40 dan 41. 12. Lawalata IPB yang telah mengajarkan banyak hal kepada penulis. 13. Alumni SMU 47 terutama angkatan 2002 yang telah banyak membantu penulis selama di IPB. 14. Sahabat-sahabatku Ida, Dewi, Eti, Ima, T’Enda, Widi, Vina, Wilis, Eko, Soni, Retno dan lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu. Semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat untuk penulis dan pihak lain yang membutuhkan.
Bogor, Mei 2007
Penulis
RIWAYAT HIDUP Penulis bernama Melly Nurmawati dilahirkan pada tanggal 9 Mei 1985 di Jakarta. Penulis adalah anak pertama dari empat bersaudara, pasangan Suwarso dan Sumiarti. Jenjang pendidikan penulis dilalui tanpa hambatan. Penulis menamatkan sekolah dasar pada SDN Pesanggrahan 01 Pagi Jakarta, kemudian melanjutkan ke SLTP 235 Jakarta dan lulus pada tahun 1999. Pada tahun yang sama penulis diterima di SMU Negeri 47 Jakarta dan lulus pada tahun 2002. Penulis diterima di Institut Pertanian Bogor pada Departemen Fisika melalui jalur USMI (Undangan Seleksi Masuk IPB) pada tahun 2002. Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif di organisasi kepecintaalaman Lawalata IPB. Penulis pernah menjadi asisten praktikum Fisika Dasar II pada tahun 2006.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL .................................................................................... ................................. vii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................. vii DAFTAR LAMPIRAN.............................................................................................................. vii PENDAHULUAN Latar Belakang ................................................................................................................... Tujuan Penelitian ............................................................................................................... Hipotesia............................................................................................................................. Tempat dan Waktu Penelitian............................................................................................
1 1 1 1
TINJAUAN PUSTAKA Struktur Tulang .................................................................................................................. Mineral Tulang................................................................................................................... Mineral Apatit .................................................................................................................... Struktur Kristal Apatit........................................................................................................ Difraksi sinar-X.................................................................................................................. SEM (Scanning Elektron Microscopy)..............................................................................
1 3 3 3 4 4
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ................................................................................................................... Metode Penelitian............................................................................................................... Persiapan sampel............................................................................................... Deproteinasi....................................................................................................... Karakterisasi sampel dengan difraksi sinar X .................................................. Karakterisasi sampel dengan Scanning Elektron Microscopy (SEM) .............
5 5 5 5 5 6
HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Difraksi Sinar X ................................................................................................... 6 Analisis Tulang Manusia dengan SEM ............................................................................. 10 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan............................................................................................................................. 11 Saran ................................................................................................................................... 12 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................ 12 LAMPIRAN ............................................................................................................................... 13
DAFTAR TABEL Halaman 1 Kandungan unsur mineral dalam tulang ............................................................................... 3 2 Formula kimia, struktur dan parameter kisi kristal kalsium fosfat ...................................... 3 3 Sampel tulang manusia yang digunakan............................................................................... 5 4 Puncak-puncak profil XRD sampel ...................................................................................... 7 5 Parameter kisi sampel ........................................................................................................... 7 6 Hasil perhitungan derajat kristalinitas .................................................................................. 8 7 Ukuran kristal sampel (D( 0 0 2)) ............................................................................................. 10
DAFTAR GAMBAR Halaman 1 Struktur tulang panjang ......................................................................................................... 2 2 Struktur hidroksiapatit........................................................................................................... 4 3 Sinar X menumbuk elektron ................................................................................................. 4 4 Profil XRD sampel A dan B ................................................................................................. 8 5 Profil XRD sampel C, D, E dan F......................................................................................... 8 6 Gambar SEM tulang manusia sampel A, B, C dan D .......................................................... 11 7 Gambar SEM tulang manusia sampel E dan F ..................................................................... 11
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1 Diagram alir penelitian.......................................................................................................... 14 2 Alat yang digunakan ............................................................................................................. 15 3 Alat karakterisasi yang digunakan........................................................................................ 16 4 Perhitungan derajat kristalinitas............................................................................................ 17 5 Lokasi puncak maksimum profil XRD sampel .................................................................... 19 6 Perhitungan parameter kisi.................................................................................................... 20 7 Profil XRD sampel ................................................................................................................ 22 8 Perhitungan ukuran kristal bidang (002) .............................................................................. 25
PENDAHULUAN Latar Belakang Biomaterial didefinisikan sebagai bahan inert yang diimplantasi ke dalam sistem hidup sebagai pengganti fungsi dari jaringan hidup atau organ[1]. Perkembangan teknologi biomaterial dalam implantasi salah satunya adalah plat tulang. Teknologi ini diperkenalkan pada awal 1990 an untuk menstabilkan keretakan pada tulang dan mempercepat penyembuhan. Reaksi tubuh manusia terhadap material implan berbeda-beda tergantung dari material yang digunakan. Material implan diharapkan dapat berinteraksi dengan jaringan tanpa adanya reaksi balik atau penolakan oleh tubuh manusia. Komponen utama garam anorganik pada tulang adalah senyawa kalsium fosfat. Senyawa ini hadir di tulang dalam dua fase yaitu fase amorf dan fase kristal. Fase stabil kristal kalsium fosfat lebih dikenal dengan nama hidroksiapatit (HAP). Kerusakan pada tulang karena retak atau patah sering terjadi pada manusia. Dalam perkembangannya, material komposit kalsium fosfat dibutuhkan untuk memperbaiki atau mengganti tulang yang rusak. Pemilihan biomaterial yang tepat sangat diperlukan dalam proses implantasi. Tentunya biomaterial yang dipilih adalah yang mudah diperoleh , biokompatibel atau sesuai dengan jaringan keras dalam komposisi dan morfologi, bioaktif, dan tidak toksik[2]. Selain memiliki sifat-sifat tersebut, senyawa kalsium fosfat sintetis juga harus memiliki karakteristik yang sama seperti kandungan kalsium fosfat dalam tubuh manusia. Oleh karena itu, pengetahuan akan sifat mineral dalam tulang manusia menjadi sangat penting. Morfologi tulang diamati dengan difraksi sinar-X dan SEM (Scanning Electron Microscopy). Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat dijadikan sebagai bahan acuan dalam pembuatan senyawa kalsium fosfat sintesis. Difraksi sinar-X dilakukan untuk mengetahui derajat kristalinitas dan ukuran kristal pembentuk tulang. SEM dilakukan untuk mengetahui struktur permukaan kristalnya. Selain itu pada penelitian ini juga diamati hubungan antara pertumbuhan tulang yang dipengaruhi oleh umur terhadap mineral tulang.
Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis derajat kristalinitas, ukuran kristal serta bentuk dari partikel mineral tulang manusia berdasarkan variasi umur dan jenis tulang dengan XRD (XRay Diffraction) dan SEM (Scanning Electron Microscopy). Hipotesa Tulang manusia mengandung kristal hidroksiapatit (HAP) dengan struktur heksagonal. Ukuran kristal mineral penyusun tulang berubah terhadap umur. Tulang yang berusia muda memiliki kalsium fosfat dengan fase amorf yang lebih dominan daripada tulang yang berusia tua, sehingga kristalinitas hidroksiapatit meningkat terhadap kenaikan umur tulang. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan pada bulan Maret 2006 – April 2007 di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika IPB. Karakterisasi XRD dan SEM dilakukan di Departemen Fisika Material Program Pascasarjana Universitas Indonesia.
TINJAUAN PUSTAKA Struktur Tulang Tulang sebagai bagian dari kerangka manusia memiliki berbagai fungsi antara lain sebagai tempat melekatnya otot dan menyokong jaringan halus, memberikan perlindungan kepada organorgan internal tubuh sehingga mengurangi resiko organ-organ tersebut terluka dan sebagai tempat memproduksi sel darah. Interaksi antar otot pada tulang menyebabkan tulang dapat digerakkan. Selain itu, jaringan tulang menyediakan beberapa mineral antara lain kalsium (Ca) dan fosfor (P). Ketika diperlukan, tulang akan melepaskan mineral ke dalam darah sehingga tercipta keseimbangan mineral di dalam tubuh[3].
Tulang berdasarkan bentuknya dapat dikategorikan menjadi tulang panjang, tulang pendek, tulang pipih, dan tulang tidak sama bentuk. Tulang tidak sama bentuk adalah tulang-tulang yang memiliki berbagai bentuk dan tidak cocok jika dimasukan kedalam kategori tulang panjang, pendek atau pipih[3].
Gambar 1 Struktur tulang panjang[4]. Tulang panjang terdiri dari dua bagian utama yaitu tulang padat atau cortical dan tulang rawan atau trabecular. Permukaan luar dari tulang umumnya halus dan disebut sebagai periosteum. Permukaan dalamnya disebut endosteal dan memiliki permukaan yang kasar. Tulang rawan terdapat pada wilayah antara epifisis dan metafisis pada tulang panjang dan seringkali disebut tulang spons atau trabecular karena tersusun dari penopang-penopang kecil pada material tulang yang disebut trabecula. Trabecula ini yang memberikan permukaan tulang rawan seperti spons[1]. Tulang panjang tersusun dari banyak sistem yang saling dihubungkan dengan kanal. Unit sistem dari tulang padat dewasa adalah sistem harvesian atau osteon. Sebuah sistem harvesian memiliki kanal harvesian yang dikelilingi oleh lamela yang tersusun secara konsentrik. Lamela memiliki rongga-rongga yang berisi sel tulang atau osteosit. Rongga-rongga tersebut disebut lakuna. Lakula-lakuna pada sistem harvesian saling dihubungkan dengan kanal-kanal kecil yang disebut kanalikuli. Osteosit mendapatkan nutrien dari pembuluh darah kapiler yang terdapat pada kanal harvesian. Pada tulang spons, osteosit terletak pada lakuna yang saling dihubungkan dengan kanalikuli seperti pada tulang padat tetapi lamela pada tulang spons tidak tersusun secara konsentrik[5]. Komposisi utama jaringan tulang adalah mineral, air dan matriks kolagen. Masing-masing komponen jumlahnya bergantung pada spesies, umur, jenis kelamin, jenis tulang dan posisi di tulang[1]. Tulang terdiri dari dua komponen utama yaitu rangka organik dan garam anorganik. Mineral tulang merupakan komponen anorganik tulang, sedangkan kolagen merupakan komponen organik tulang. Serat kolagen memberikan tulang kemampuan untuk meregang dan memutar. Kombinasi dari serat dan garam menjadikan tulang kuat tanpa menjadi rapuh[5]. Tulang merupakan jaringan hidup dan bersifat dinamis sehingga struktur tulang dapat berubah karena gaya luar yang didapat selama hidup. Tulang juga mengalami rekonstruksi internal atau remodelling. Remodelling adalah proses tulang lama akan dihancurkan dan diganti oleh tulang baru. Proses ini berlangsung selama hidup manusia dan terjadi pada semua tulang. Selain itu tulang juga mengalami perkembangan atau osifikasi. Ada dua tipe osifikasi yaitu osifikasi intramembranus dan osifikasi endokondral[6]. Rangka berkembang dari transformasi jaringan embrionik yang menjadi tulang. Jaringan yang menjadi tulang tersebut berasal dari sel-sel yang terdapat pada lapisan mesodermal embrio. Jika jaringan embrionik langsung bertransformasi menjadi tulang disebut osifikasi intramembranus. Jika sel mesodermal bertransformasi menjadi kartilago dahulu sebelum menjadi tulang maka prosesnya disebut osifikasi endokondral[5]. Osteoblast dan osteoclast ditemukan pada sumsum tulang dan permukaan tulang. Osteoblast merupakan basopili dan memiliki sel kubik serta bertanggung jawab terhadap pembentukan matriks tulang dan mengatur mineralisasi tulang. Sel ini terlibat dalam produksi sintetik kolagen tipe I, glycosaminoglycans, alkaline phosphatase dan phosphoprotein (osteonectin).
