1
ANALISIS KUANTITATIF, KEKERASAN DAN PENGARUH TERMAL PADA MINERAL TULANG MANUSIA
SETIAUTAMI DEWI
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
2
ABSTRAK SETIA UTAMI DEWI. Analisis Kuantitatif, Kekerasan dan Pengaruh Termal pada Mineral Tulang Manusia. Dibimbing oleh Dr. KIAGUS DAHLAN dan YESSIE WIDYA SARI, M. Si. Rekonstruksi menggunakan biomaterial sintetik merupakan salah satu upaya mengembalikan fungsi tubuh yang hilang. Rekonstruksi ini juga dapat digunakan untuk implantasi tulang. Biomaterial yang baik untuk implantasi tulang harus bersifat bioaktif, sesuai dengan fisiologis, biokompatibiliti, mudah didapat dan tidak mengandung racun. Karakter biomaterial harus sesuai dengan karakter tulang dalam tubuh. Dalam penelitian ini dipelajari komposisi, kekerasan dan pengaruh termal pada mineral tulang. Tulang yang digunakan yaitu berdasarkan golongan usia anak-anak, remaja, dewasa dan lansia. Jenis tulang yang digunakan yaitu iga, paha, tibia dan kepala. Jumlah mineral tulang yang terkandung dalam setiap sampel bervariasi, tergantung pada usia, jenis tulang dan jenis kelamin. Mineral tulang meningkat sampai usia remaja kemudian menurun sampai lansia. Mineral tulang padat lebih tinggi dari tulang jala. Mineral tulang laki-laki lebih banyak dibandingkan tulang perempuan. Mayoritas unsur yang terkandung dalam mineral tulang yaitu Ca dan P. Unsur lain yang dianalisis Mg, Na dan K hadir dengan kadar yang kecil. Ca/P sampel memiliki nilai yang lebih besar dari HAp menunjukan adanya subtitusi gugus PO43-. Gugus yang dapat mensubtitusi PO43- yaitu CO32-, sehingga dapat diketahui tulang mengandung karbonat. Karbonat yang dikandung tulang sekitar 2%. Karakter lain yang diketahui yaitu tingkat kekerasan, tulang iga memiliki nilai kekerasan yang lebih rendah dari tulang tibia dan kepala. Nilai kekerasan sebanding dengan jumlah mineral tulang. Senyawa mineral tulang yang didapatkan bersifat amorf dan berbentuk apatit karbonat. Sampel mengalami pengkristalan saat dipanaskan. Semakin lanjut usia dekomposisi massa tulang akan semakin tinggi saat proses pengkristalan. Dekomposisi terjadi juga pada suhu 60oC - 165oC sebesar 2,26% (b/b) disebabkan adanya eliminasi H2O dan pada suhu 687,79oC-907,70oC disebabkan pada suhu tersebut terjadi pembebasan karbonat atau eliminasi CO3 menjadi gas karbon dioksida (CO2). Massa yang hilang saat eliminasi CO3 yaitu rata-rata 2,11% (b/b).
3
ANALISIS KUANTITATIF, KEKERASAN DAN PENGARUH TERMAL PADA MINERAL TULANG MANUSIA
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
SETIAUTAMI DEWI G74103025
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2007
4 Judul Skripsi Nama NRP
: Analisis Kuantitatif, Tingkat Kekerasan dan Pengaruh Termal pada Mineral Tulang Manusia : Setia Utami Dewi : G74103025
Menyetujui: Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Kiagus Dahlan NIP : 131 663 021
Yessie Widya Sari, M.Si
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, MS NIP : 131 473 999
Tanggal Lulus:
5
PRAKATA Puji dan syukur kehadirat Allah SWT, atas rahmat, anugrah dan kasih sayang-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Penulisan skripsi ini berdasarkan hasil penelitian yang penulis lakukan. Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan program pendidikan Sarjana di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Dalam era pengembangan pengetahuan dan ilmu teknologi, peranan berbagai disiplin ilmu sangat menentukan keberhasilan pengembangan pengetahuan. Setiap disiplin ilmu tidak dapat berdiri sendiri perlu disiplin ilmu lain yang menunjang. Dengan demikian dalam mempelajari material biologi memerlukan perangkat fisika untuk mengetahui secara rinci karakter dari material tersebut. Pengetahuan mengenai karakter tulang manusia merupakan kebutuhan penting dalam mengembangkan ilmu biologis dan medis. Penulisan skripsi dengan judul ”Analisis kuantitatif, Kekerasan dan Pengaruh Termal pada Mineral Tulang Manusia”. Informasi yang diperoleh dapat dijadikan acuan dalam pembuatan biomaterial yang sesuai untuk subtitusi tulang manusia. Penulisan hasil penelitian ini semoga dapat menjadi wacana yang memberikan informasi dan wawasan mengenai pengembangan ilmu biomedis dengan penggunakan analisis fisika. Selain itu dapat manjadi pemicu untuk lebih mengembangkan berbagai disiplin ilmu. Penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak Dr. Kiagus Dahlan dan Ibu Yessie Widya Sari, M. Si. sebagai pembimbing atas bimbingan dan nasehatnya, 2. Bapak Dr. Irzaman dan Dr. Akhiruddin Maddu selaku penguji atas kritik dan sarannya, 3. Ibu, Bapak, kakak-kakak, keluarga besar dan semua orang yang selalu mencintai saya atas segala dukungan baik secara materil, moril, kasih sayang dan doanya, 4. DIKTI No : 317/ SP3/ PP/ DP2M/II/2006. Date : February 1 2006 yang merupakan program hibah fundamental, 5. dr. Jaya dan dr. Evi Untoro (UNO) dari bagian forensik atas bantuannya dalam penyediaan sampel, 6. Departemen Fisika FMIPA Institut Pertanian Bogor atas sarana dan prasarana, 7. Bapak dan Ibu staf Departemen Fisika yang telah membantu administrasi untuk kelancaran penelitian, 8. Bapak Wawan, Bapak Eko, Ibu Yuli, Bapak Sulis, Ibu Sutri, Ibu Yanlinastuti dan Ibu Tri Laswati yang telah membantu proses karakterisasi sampel, 9. Rekan-rekan di ananda putri 2, mahasiswa Fisika angkatan 38, 39, 40, 41 dan 42. Semoga hasil penulisan penelitian ini dapat bermanfaat.
Bogor, Maret 2007 Penulis
6
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Kuningan-Jawa Barat pada tanggal 14 Januari 1985. Penulis merupakan putri bungsu dari pasangan Bapak Salim dan Ibu Karwiti. Penulis menempuh pendidikan dari tahun 1990 di TK Mawar V Walahrcageur, tahun 19911997 penulis menempuh pendidikan di SD Negeri 1 Walaharcageur, tahun 1997-2000 di SLTP Negeri 2 Luragung dan 2000-2003 di SMU Negeri 3 Kuningan. Tahun 2003 penulis lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis memilih Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi staf Departemen Kewirausahaan pada organisasi Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) tahun 2003-2004. Penulis mengikuti kepanitiaan kegiatan-kegiatan yang diadakan oleh Departemen Fisika dan HIMAFI. Pada tahun 2006 penulis megikuti Lomba Karya Tulis Ilmiah (LKTM) tingkat IPB dan Program Kreativitas Mahasiswa (PKM) tingkat IPB.
7
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL................................................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................ vii DAFTAR LAMPIRAN......................................................................................................... vii PENDAHULUAN Latar Belakang ................................................................................................................ Perumusan Masalah ........................................................................................................ Tujuan Penelitian ............................................................................................................ Manfaat Penelitian .......................................................................................................... Hipotesis ......................................................................................................................... Tempat dan waktu Penelitian ..........................................................................................
1 1 1 2 2 2
TINJAUAN PUSTAKA Klasifikasi Tulang ........................................................................................................... Komposisi Tulang ........................................................................................................... Pertumbuhan Tulang ....................................................................................................... Mineral Apatit................................................................................................................. Identifikasi dengan Atomic Absorbtion Spectroscopy (AAS) ......................................... Identifikasi dengan Ultraviolet-Visible Spectroscopy (UV-VIS).................................... Identifikasi dengan Analisis Termal ............................................................................... Identifikasi dengan Uji Vickers ......................................................................................
2 3 4 4 5 6 6 6
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat................................................................................................................ Metode Penelitian ........................................................................................................... Persiapan Sampel..................................................................................................... Karakterisasi Sampel dengan AAS, UV-Vis, TGA dan Uji Vickers .......................
6 6 6 7
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil ................................................................................................................................ 8 Pengukuran komposisi komponen kandungan mineral tulang manusia ........................ 8 Tingkat kekerasan mineral tulang manusia .................................................................... 9 Analisis Termal Pada Mineral Tulang........................................................................... 11 Pembahasan.................................................................................................................... 12 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ........................................................................................................................ 15 Saran .............................................................................................................................. 16 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................... 16 LAMPIRAN.......................................................................................................................... 17
8
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1 Kandungan unsur mineral tulang ............................................................................ 4 Tabel 2 Variasi kalsium fosfat .............................................................................................. 4 Tabel 3 Tabel 3 Perlakuan termal pada tulang padat............................................................. 5 Tabel 4 Presentase kandungan mineral tulang manusia ........................................................ 8 Tabel 5 Kadar komponen mineral tulang manusia................................................................ 9 Tabel 6 Rasio Ca/P mineral tulang........................................................................................ 9 Tabel 7 Nilai kekerasan mineral tulang manusia ................................................................. 10 Tabel 8 Analisis hasil karakterisasi TG-DTA ...................................................................... 11
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 1 Kerangka tulang manusia ..................................................................................... 2 Gambar 2 Struktur tulang padat dan tulang jala .................................................................... 3 Gambar 3 Struktur tulang pipih............................................................................................. 3 Gambar 4 Struktur tulang panjang ........................................................................................ 3 Gambar 5 Diagram alir penelitian ......................................................................................... 7
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1 Alat dan bahan yang digunakan........................................................................ 17 Lampiran 2 Alat yang digunakan karakterisasi .................................................................... 18 Lampiran 3 Skema alat thermal analysis dan uji kekerasan vickers .................................... 19 Lampiran 4 Sampel .............................................................................................................. 20 Lampiran 5 Perhitungan kadar unsur hasil karakterisasi AAS dan UV-Vis spektroskopi ... 22 Lampiran 6 Perhitungan rasio Ca/P...................................................................................... 25 Lampiran 7 Termogram hasil TG-DTA ............................................................................... 26 Lampiran 8 Perhitungan nilai kekerasan hasil uji Vickers ................................................... 31
9
PENDAHULUAN Latar Belakang Penggunaan biomaterial untuk keperluan tubuh manusia terus berkembang sampai saat ini. Biomaterial didefinisikan sebagai bahan inert yang diimplantasi kedalam sistem hidup sebagai pengganti fungsi dari jaringan hidup atau organ1. Penggunaan biomaterial salah satunya untuk membuat tulang tiruan atau implantasi tulang. Perkembangan biomaterial yang digunakan untuk implantasi tulang diawali tahun 1893-1912 oleh W.A. Lane untuk memperbaiki tulang retak menggunakan pelapis emas. Tahun 1926 E.W. Hey Groves menggunakan kayu untuk memperbaiki leher pinggul yang retak. Tahun 1931 M.N. SmithPetersen mendesain leher pinggul dengan baja. Tahun 1938 P.Wiles untuk pertama kali mengganti pinggul secara total. 1961 pinggul buatan dibuat dari polyethylene (PE)1. Tulang mengandung senyawa kalsium fosfat. Kalsium fosfat terdiri dari dua fase, yaitu amorf dan kristal. Senyawa amorf dan kristal pada kalsium fosfat memiliki kombinasi senyawa yang berbeda. Hal ini akan menyebabkan perbedaan karakter tulang. Karakter tulang dapat ditinjau dari analisis kuantitatif (komposisi), tingkat kekerasan dan pengaruh termal. Komposisi senyawa kalsium fosfat akan berbeda jika senyawa yang terbentuk berbeda, demikian pula dengan tingkat kekerasan dan pengaruh termal yang diberikan pada tulang tersebut. Perbedaan karakter tulang dipengaruhi oleh jenis kelamin, usia dan jenis tulang. Usia anak sampai remaja merupakan masa pertumbuhan tulang. Secara umum puncak pertumbuhan tulang yaitu pada usia 30-35 tahun. Setelah usia ini, tulang tidak mengalami pertumbuhan2. Peranan tulang sangat tinggi dalam menopang tubuh manusia. Kecelakan dapat menyebabkan kerusakan pada tulang berupa patahan atau retakan. Pada bidang medis telah dilakukan rekonstruksi tulang untuk memperbaiki fungsi tulang yang patah atau retak. Rekonstruksi ini dapat dilakukan dengan allograft, autograft, xenograft, ataupun berbagai biomaterial sintesis. Autograft yaitu menggunakan salah satu bagian tubuh dan diimplankan ke bagian tubuh lain dari individu yang sama. Allograft yaitu impalntasi yang digantikan dari bagian tubuh dari individu yang berbeda pada species yang sama. Xenograft yaitu implantasi bagian tubuh dari species yang berbeda. Biomaterial sintesis merupakan suatu material inert (tidak
bereaksi) yang digunakan untuk implantasi pada sistem makhluk hidup, untuk menggantikan fungsi dari organ makhluk hidup tersebut. Keramik salah satu contoh biomaterial sintetik yang diimplankan pada tubuh3. Tubuh akan memberikan respon yang berbeda tergantung biomaterial yang diimplankan. Biomaterial yang baik untuk implantasi tulang harus bersifat bioaktif, sesuai dengan fisiologis, biokompatibiliti, mudah didapat dan tidak mengandung racun1. Bioaktif adalah material yang diimplankan dapat bereaksi dengan jaringan dan menghasilkan ikatan kimia yang sangat baik. Informasi yang lengkap mengenai karakter tulang manusia harus diketahui terlebih dahulu sebelum membuat biomaterial subtitusi tulang yang sesuai dengan yang diperlukan oleh tubuh. Upaya pemulihan kerusakan tersebut harus menggunakan biomaterial yang tepat. Penelitian ini memberikan informasi mengenai komposisi, tingkat kekerasan dan karakter tulang jika diberikan perlakuan termal. Tulang yang digunakan yaitu digolongkan berdasarkan golongan usia. Selain itu ditinaju juga dari jenis kelamin pada golongan dewasa dan lansia, serta jenis tulang pada usia dewasa. Perumusan Masalah Pembuatan senyawa kalsium fosfat merupakan upaya menghasilkan biomaterial subtitusi tulang. Biomaterial yang dibutuhkan yaitu senyawa yang memiliki karakter yang sama dengan senyawa kalsium fosfat yang ada dalam tulang. Tujuannya agar dapat bermetabolisme dengan jaringan didalamnya. Pada penelitian ini dilakukan pengujian mineral tulang. Mineral tulang didapatkan dengan mengeliminasi komponen organik tulang. Mineral tulang merupakan senyawa kalsium fosfat. Kadar unsur yang terkandung dalam senyawa ini dilakukan dengan menggunakan alat Atomic Absorbtion Spectrometer (AAS) dan spektrometer Ultraviolet-Visible (UV-Vis). Karakter lain yang dianalisis yaitu nilai kekerasan dengan menggunakan uji kekerasan vickers dan pengaruh termal dengan menggunakan Termogavimetric and Differntial Thermal Analysis (TG-DTA). Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakter mineral tulang manusia pada berbagai usia. Analisis kuantitatif yaitu untuk mengetahui kadar kalsium (Ca) dan fosfat (P)
10 sebagai komponen utama tulang dan unsurunsur lain yang mungkin terkandung didalamnya seperti magnesium (Mg), natrium (Na) dan kalium (K). Karakter lain yaitu nilai kekerasan dan pengaruh termalnya. Manfaat Penelitian Memberikan informasi mengenai komposisi, kekerasan dan pengaruh termal mineral tulang manusia sebagai acuan untuk pembuatan biomaterial subtitusi tulang yang sesuai. Hipotesis 1. Komposisi mineral tulang manusia yaitu kalsium dan fosfat dalam bentuk apatit biologi. 2. Peningkatan suhu pada mineral tulang akan menyebabkan dekomposisi massa dan perubahan fasa senyawa mineral. 3. Tingkat kekerasan tulang akan meningkat jika mineral tulang meningkat. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika IPB untuk preparasi sampel. Karakterisasi dengan AAS dan spektrometer UV-Vis di Laboratorium Terpadu IPB, uji kekerasan Vickers di PTBIN BATAN dan uji TG-DTA di PTBN BATAN.
TINJAUAN PUSTAKA Tulang merupakan jaringan kuat pembentuk kerangka tubuh manusia, penunjang berat badan, pelindung organ-organ vital, serta pelekat otot-otot yang menyebabkan pergerakan dalam tubuh4,5. Tubuh manusia memiliki 206 tulang pembentuk rangka tubuh6. Tulang sebagai pembentuk kerangka manusia memiliki empat fungsi utama yaitu fungsi mekanik, protektif, metabolik dan hemopetik. Fungsi mekanik yaitu sebagai penyokong tubuh dan tempat melekatnya jaringan otot untuk pergerakan. Fungsi protektif yaitu sebagai pelindung berbagai alat vital dalam tubuh dan sumsum tulang. Fungsi metabolik yaitu sebagai cadangan dan tempat metabolisme berbagai mineral yang penting seperti kalsium dan fosfat. Fungsi hemopetik yaitu sebagai tempat berlangsungnya proses pembentukan dan perkembanagan sel darah6. Kerangka tubuh manusia ditunjukan oleh gambar 1.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.
Cranium Mandibula Clavicula Scapula Sternum Rib Humerus Vertebra Radius Ulna Carpal Metacarpal Phalanges Pelvis Femur Patella Tibia Fibula Tarsal Metatarsal
Gambar 1 Kerangka tubuh manusia7. Klasifikasi Tulang Kompleksitas dalam tulang mengakibatkan klasifikasi tulang dilakukan dalam berbagai cara. Secara radiologis tulang dibedakan menjadi dua yaitu tulang padat atau compact dan tulang jala yang mempunyai struktur seperti spon atau cancellous5,10,19. Jumlah tulang jala dalam tubuh relatif lebih banyak dibandingkan dengan tulang padat5. Struktur tulang secara radiologis ditunjukan oleh gambar 2 yaitu, tulang padat dan tulang jala. Unit struktur dari tulang padat dewasa adalah sistem harvesian atau osteon. Sistem harvesian memiliki sebuah kanal harvesian yang dikelilingi oleh lamela yang tersusun secara konsentrik. Kanal harvesian memiliki paling sedikit satu pembuluh darah kapiler yang menyediakan nutrien bagi osteosit. Lamela pada sistem harvesian memiliki rongga-rongga yang disebut lakuna. Setiap lakuna berisi sel yang bernama osteosit. Semua lakuna pada sistem harvesian dihubungkan oleh kanal-kanal kecil yang disebut kanalikuli. Osteosit pada tulang spons terletak pada lakuna yang saling dihubungkan dengan kanalikuli seperti pada tulang padat tetapi lamela pada tulang spons tidak tersusun secara konsentrik8. Secara anatomi tulang memiliki berbagai bentuk dan ukuran untuk memenuhi kebutuhan tubuh, tulang dibedakan menjadi 4 macam yaitu tulang panjang, tulang pendek, tulang pipih, dan tulang tak sama bentuk. Tulang panjang merupakan tulang dengan ukuran yang panjang6. Tulang panjang
