SINTESIS KOMPOSIT BIOMATERIAL (β-Ca3(PO4)2)–(ZrO) BERBASIS CANGKANG TELUR AYAM RAS DENGAN VARIASI KOMPOSISI DAN PENGARUHNYA TERHADAP POROSITAS, KEKERASAN, MIKROSTRUKTUR, DAN KONDUKTIVITAS LISTRIKNYA Cientya Eka Velayati, Hartatiek, Yudyanto Jurusan Fisika, Universitas Negeri Malang E-mail:
[email protected],
[email protected],
[email protected]
ABSTRAK: Trikalsium fosfat (TCP) adalah mineral apatit yang terdapat pada tulang. TCP merupakan kombinasi dari kalsium dan senyawa fosfat dengan rumus senyawa Ca3(PO4)2. Salah satu polimorf TCP yang banyak digunakan untuk rekonstruksi tulang, yaitu β-TCP karena memiliki tingkat biodegradasi yang sesuai dengan laju pertumbuhan tulang dan bersifat osteoconductive. Sifat bioaktif, biokompatibel, stabilitas termal, dan tingkat bioresorbable β-TCP lebih unggul jika dibandingkan dengan hidroksiapatit maupun apatit lainnya. Zirkonia (ZrO) merupakan implan yang menggantikan kedudukan titanium dan meningkatkan kesehatan periodontal. Penambahan zirkonia ke dalam matriks β-TCP sangat berperan dalam memperbaiki sifat mekanik β-TCP yang pada akhirnya akan mempengaruhi ketangguhan dari β-TCP. Jenis penelitian ini adalah eksperimen murni. Sintesis β-TCP dilakukan dengan mereaksikan kalsium oksida (CaO) dan asam fosfat (H3PO4) dengan menggunakan metode presipitasi. Kalsium oksida didapatkan dari hasil kalsinasi cangkang telur ayam dengan suhu 1000 oC selama 5 jam. Pencampuran antara β-TCP dengan zirkonia dengan perbandingan 70% : 30%; 60% : 40%; 50% : 50%; 40% : 60%; 30% : 70% dari berat total. Campuran digerus dan disintering pada suhu 900 oC selama 5 jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa komposisi komposit β-TCP dan zirkonia yang mempunyai nilai porositas yang paling rendah dan nilai kekerasan paling besar terdapat pada perbandingan 40% β-TCP : 60% zirkonia dan untuk nilai konduktivitas listrik paling rendah terdapat pada perbandingan 50% β-TCP : 50% zirkonia. Kata Kunci : komposit konduktivitas listrik.
biomaterial,
porositas,
kekerasan,
mikrostruktur,
menjadi empat jenis. Biomaterial yang berasal dari tulang manusia disebut allograft. Penggunaan bahan ini mempunyai kelemahan dapat terjadi infeksi jika tulang donor tidak sehat.
PENDAHULUAN Pada bidang medis telah dilakukan rekonstruksi tulang dengan berbagai jenis biomaterial. Berdasarkan sumber materialnya, biomaterial dikelompokkan
1
Xenograft, yaitu implantasi bagian tubuh dari spesies yang berbeda. Kelemahan dari biomaterial ini, yaitu memiliki perbedaan karakter mineral tulang. Autograft, substitusi tulang dari bagian tulang yang lain yang dimiliki oleh pasien yang sama. Hal ini akan memberikan beban tambahan pada pasien. biomaterial sintetik, yaitu biomaterial buatan (Bhat, 2002). Biomaterial sintetik yang tepat, yaitu biomaterial yang mendekati sifat alamiah tulang. Struktur tulang merupakan komposit alami antara substansi anorganik dan substansi organik. Substansi organik meliputi matriks organik, sel osteoblas, osteosit, dan osteoklas. Sel-sel tersebut memegang peranan dalam pertumbuhan mineral tulang (Bhat, 2002). Substansi anorganik adalah mineral yang memberikan sifat mekanik yang kuat. Kalsium fosfat merupakan komponen dominan yang terdapat dalam mineral tulang. Kalsium fosfat dalam tulang membentuk senyawa apatit (Hin, Vol. 1). Senyawa apatit tulang terdiri dari fase amorf dan kristal (Cao et al, 2007). Biomaterial pengganti tulang pada umumnya adalah hydroxyapatite dan tricalcium phosphate karena kedua material ini memiliki komposisi kimia yang mendekati komponen-komponen yang nada di dalam tulang. Hydroxyapatite merupakan senyawa kalsium fosfat yag paling stabil, tetapi tingkat kelarutannya lebih rendah jika dibandingkan dengan tricalcium phosphate. Salah satu polimorf tricalcium phosphate (TCP) yang paling banyak digunakan adalah β-TCP karena memiliki tingkat biodegradasi yang sesuai dengan laju pertumbuhan tulang dan memiliki sifat osteoconductive
(Krishna, 2007). Pada sintesis β-TCP, sumber kalsium yang digunakan dapat diambil dari limbah cangkang telur ayam ras. Pemanfaatan cangkang telur ayam ras pada proses pembuatan β-TCP dikarenakan cangkang telur ayam ras memiliki kandungan kalsium yang tinggi sehingga cocok digunakan sebagai sumber kalsium pada sintesis β-TCP (Aisyah, 2011). Untuk meningkatkan nilai mekanik dari mineral hydroxyapatite dan tricalcium phosphate, dilakukan komposit dengan beberapa material yang memiliki sifat biokompatible dengan jaringan tubuh sehingga mempunyai sifat yang lebih unggul dari sifat sebelumnya. Dalam penelitian ini bahan yang dikompositkan dengan β-TCP adalah zirkonia. Keuntungan dari zirkonia, yaitu memiliki sifat mekanis yang baik, memiliki estetis yang baik, memiliki sifat biokompabilitas yang baik, memiliki daya tahan kimia yang kuat, tahan abrasi, tahan korosi, tidak menghantarkan listrik, konduktifitas termal rendah, dan kekuatan termalnya lebih baik dari pada alumina (Afifudin, 2010). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh komposisi komposit (β-TCP)–(ZrO) terhadap mikrostruktur, porositas, kekerasan, dan konduktivitas listriknya. METODE EKSPERIMEN Sintesis CaO Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah experimen murni. Diawali dengan membersihkan cangkang telur ayam ras dari membran dan kotoran makro menggunakan aquades. Cangkang telur ayam yang
2
telah dibersihkan, selanjutnya dikeringkan dengan menggunakan hair dryer dan dikalsinasi pada suhu 1000 oC selama 5 jam. Hasil kalsinasi tersebut kemudian dikarakterisasi menggunakan XRD untuk mengamati fase yang tebentuk dan diuji kandungan unsurnya menggunakan XRF. Sintesis β-TCP Sintesis β-TCP dilakukan dengan mereaksikan prekursor kalsium (Ca) dengan prekusor fosfat (P). Prekursor Ca diperoleh dari hasil kalsinasi cangkang telur ayam dan prekusor P diperoleh dari senyawa H3PO4. Kedua prekusor ini kemudian direaksikan dengan metode presipitasi dengan cara mereaksikan 100 mL Ca 1,2 M dan 100 mL H3PO4 0,8 M. Presipitasi dilakukan pada temperatur 37 oC, larutan diaduk menggunakan magnetik stirer dengan kecepatan putar 600 putaran/menit selama 5 jam. Hasil presipitasi diendapkan selama 24 jam pada temperatur ruang. Ppresipitat disaring dan dikeringkan menggunakan furnace pada suhu 110 oC selama 5 jam. Untuk memperoleh fase β-TCP, presipitat kering disintering pada suhu 1000 oC selama 15 jam. Hasil kalsinasi, dikarakterisasi menggunakan XRD untuk mengetahui struktur kristalnya. Sintesis Komposit (β-TCP)-ZrO Sintesis komposit (β-TCP)-ZrO dilakukan dengan menggunakan metode solid state sintering. Serbuk β-TCP dan serbuk zirkonia digerus selama 2 jam dengan tujuan agar campuran tercampur secara homogen. Pada pengkompositan antara β-TCP (β-Ca3(PO4)2 dan zirkonia (ZrO), dilakukan variasi komposisi komposit β-TCP : ZrO, yaitu 70% : 30%; 60% : 40%; 50% : 50%; 40% : 60%; 30% : 70% dari berat total. Setelah
dilakukan pengkompositan untuk setiap komposisinya, kemudian dibentuk pelet dengan berat total 2 gram. Setelah terbentuk pelet, dilakukan pemanasan pada suhu 900 oC selama 3 jam. Komposit yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan SEM untuk mengetahui mikrostruktur komposit yang terbentuk. Untuk mengetahui pengaruh dari komposisi komposit β-TCP dan Zirkonia, dilakukan beberapa pengujian, yaitu uji porositas, uji kekerasan, dan uji konduktivitas listrik. Untuk pengujian porositas, sampel diukur dan dihitung nilai keporian semunya. Untuk pengujian kekerasan, digunakan metode Micro Vickers Hardness Tester. Untuk pengujian konduktivitas listrik, dilakukan pengukuran kuat arus dan tegangan pada masing-masing sampel. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis CaO Pola difraksi hasil karakterisasi menggunakan XRD kemudian dianalisis menggunakan program PCW. Hasil analisis fase CaO ditunjukan pada Gambar 1.
Gambar 1 Pola Difraksi CaO Hasil Kalsinasi Cangkang Telur Ayam Ras
Berdasarkan Gambar 1 didapatkan gambar struktur kristal CaO dari hasil
3
kalsinasi cangkang telur ayam ras cocok dengan model struktur kristal CaO yang diperoleh melalui database AMCSD sehingga dapat disimpulkan bahwa hasil kalsinasi cangkang telur ayam ras pada suhu 1000 oC menghasilkan CaO yang merupakan sumber Ca pada sintesis β-TCP. Sintesis β-TCP Pola difraksi hasil karakterisasi menggunakan XRD kemudian dianalisis menggunakan program PCW. Hasil analisis fase β-TCP ditunjukan pada Gambar 2.
direfinement adalah a = b = 10,4352 Å, c = 37,3901 Å. Pengaruh Komposisi Zirkonia pada β-TCP Terhadap Mikrostruktur Gambar 3.a sampai dengan Gambar 3.e adalah gambar mikrostruktur komposit (β-TCP)-ZrO. Terlihat bahwa kandungan β-TCP 40% : Zirkonia 60% (Gambar 3.d) mempunyai pori-pori yang sedikit dibandingkan komposisi yang lainnya. Jika dihubungkan dengan kekerasannya, komposisi tersebut mempunyai nilai kekerasan yang tinggi. Ini sesuai dengan mikrostrukturnya yang mempunyai sedikit pori sehingga mempengaruhi nilai kekerasannya.
(a)
(b)
Gambar 2 Pola Difraksi β-Trikalsium Fosfat
Berdasarkan Gambar 2 didapatkan gambar struktur kristal β-TCP. Untuk menghasilkan fase β-TCP maka pada proses persintesisan dilakukan sintering pada suhu 1000 oC selama 15 jam. Menurut penelitian (Aisyah, 2011), β-TCP dapat terbentuk dengan baik pada suhu 1000 oC selama 15 jam. Untuk mengetahui fase β-TCP yang terbentuk, maka dilakukan analisis menggunakan Celref. Hasil Celref menunjukkan bahwa pola difraksi β-TCP model dengan data hasil sintesis adalah cocok. Tetapi nilai a, b, dan c mempunyai sedikit perbedaan. Jika nilai a, b, c pada data AMCSD adalah a = b = 10,439 Å dan c = 37,3775 Å, data pada hasil persintesisan β-TCP yang telah dianalisis menggunakan Celref dan telah
(c)
(d)
(e)
Gambar 3 Foto Mikrostruktur Komposit (β-TCP)-ZrO
Gambar 3 merupakan hasil foto SEM dengan perbesaran 10000 kali. Dapat diketahui secara mikrostruktur bahwa ukuran butiran dari semua perbandingan komposisi masih
4
bervariasi tetapi campuran β-TCP dengan Zirkonia sudah merata sehingga proses penggerusan β-TCP dengan Zirkonia sudah homogen. Ukuran butiran yang berbeda ini kemungkinan diakibatkan ukuran mesh bahan sebelum dilakukan penggerusan tidak sama. Pori-pori yang terdapat pada komposisi ini terlihat hanya sedikit. Pengaruh Komposisi Zirkonia pada β-TCP Terhadap Porositas Untuk mengetahui pengaruh komposisi penambahan Zirkonia pada Trikalsium Fosfat terhadap keporian semu, maka dibuat grafik seperti yang ditampilkan pada Gambar 4.
zirkonia yang paling banyak, tetapi pada komposisi zirkonia 60% dari berat total dan β-TCP 40% dari berat total sehingga pada komposisi tersebut merupakan komposisi yang sesuai untuk mendapatkan nilai keporian semu yang kecil. Selain itu, pada komposisi 30% β-TCP dan 70% zirkonia terjadi penurunan nilai keporian semu yang dimungkinkan karena pada komposisi ini banyak zirkonia yang terbuang karena pada saat proses penggerusan zirkonia terihat sedikit basah dikarenakan zirkonia mempunyai sifat mengikat oksigen sehingga pada saat dipres zirkonia banyak yang terbuang. Selain itu, penurunan nilai keporian semu ini dimungkinkan karena proses penggerusan kurang lama sehingga β-TCP dengan zirkonia tidak benar-benar tercampur secara homogen. Munculnya porositas yang besar bisa disebabkan pada saat proses pencampuran dan penggerusan tidak terjadi secara sempurna yang menyebabkan distribusi butiran tidak merata sehingga pada saat sintering terjadi pertumbuhan butir yang tidak merata pula. Pengaruh Komposisi Zirkonia pada β-TCP Terhadap Kekerasan Untuk mengetahui pengaruh komposisi zirkonia pada trikalsium fosfat terhadap kekerasan, maka dibuat grafik seperti yang ditampilkan pada Gambar 5.
Gambar 8 Grafik Pengaruh Komposisi Zirkonia pada β-TCP Terhadap Keporian Semu
Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa nilai keporian semu terendah terdapat pada perbandingan komposisi Zirkonia 60% dari berat total dan komposisi β-TCP 40% dari berat total Nilai keporian semu tertinggi terdapat pada perbandingan komposisi zirkonia 40% dari berat total. Pada saat komposisi zirkonia di bawah 60% dari berat total, didapatkan nilai keporian semu yang lebih tinggi yang disebabkan karena zirkonia mempunyai nilai kekerasan yang tinggi yang artinya mengandung sedikit pori. Tetapi, pada saat zirkonia dikompositkan dengan β-Trikalsium Fosfat, nilai keporian semu terendah tidak terdapat pada komposisi
5
Gambar 5 Grafik Pengaruh Komposisi Zirkonia pada
yang tinggi. Tetapi pada saat dikompositkan dengan β-TCP, nilai kekerasan tertinggi tidak terdapat pada sampel yang mempunyai kandungan zirkonia terbanyak, yang artinya komposit β-TCP dan zirkonia dengan perbandingan massa tersebut mempunyai kualitas yang lebih baik dibandingkan hanya mengandung zirkonia. Pengaruh Komposisi Zirkonia pada β-TCP Terhadap Konduktivitas Listrik Untuk mengetahui pengaruh komposisi zirkonia pada Trikalsium Fosfat terhadap konduktivitas listrik, maka dibuat grafik seperti yang ditampilkan pada Gambar 6.
β-TCP Terhadap Kekerasan
Dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa nilai kekerasan yang paling besar, terdapat pada kandungan zirkonia 60% dari berat total dan β-TCP 40% dari berat total. Dengan meningkatnya komposisi zirkonia, maka nilai kekerasan komposit β-TCP-ZrO juga meningkat karena zirkonia mempunyai sifat yang sangat keras sehingga meningkatkan nilai kekerasan pada komposit (β-TCP)-ZrO. Tetapi, nilai kekerasan tertinggi tidak terdapat pada kandungan zirkonia yang paling banyak sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5. Pada saat zirkonia dinanaikkan 70% dari berat total, maka nilai kekerasannya juga menurun sehingga komposisi komposit yang menghasilkan nilai kekerasan yang baik terdapat pada perbandingan komposisi zirkonia 60% dari berat total dan komposisi β-TCP 40% dari berat total. Pada komposisi 30% β-TCP dan 70% zirkonia terjadi penurunan nilai kekerasan yang dimungkinkan karena pada komposisi ini banyak zirkonia yang terbuang karena pada saat proses penggerusan zirkonia terihat sedikit basah dikarenakan zirkonia mempunyai sifat mengikat oksigen sehingga pada saat dipres zirkonia banyak yang terbuang. Selain itu, penurunan nilai keporian semu ini dimungkinkan karena proses penggerusan kurang lama sehingga β-TCP dengan zirkonia tidak benar-benar tercampur secara homogen sehingga menurunkan nilai kekerasan komposit (β-TCP)-ZrO. Jika dihubungkan secara teori, untuk bahan implan tulang yang dibutuhkan adalah bahan implan yang mempunyai nilai kekerasan yang tinggi dan zirkonia mempunyai sifat kekerasan
Gambar 6 Grafik Pengaruh Komposisi Zirkonia pada β-TCP Terhadap Konduktivitas Listrik
Dari Gambar 6 terlihat bahwa nilai konduktivitas listrik terkecil didapat pada komposisi 50% β-TCP dan 50% Zirkonia. Pada saat kandungan β-TCP dinaikkan dan kandungan zirkonia diturunkan, nilai konduktivitasnya juga semakin meningkat. Jika kandungan β-TCP diturunkan dan kandungan zirkonia dinaikkan, nilai konduktivitasnya juga meningkat. Jika dihubungkan secara teori, untuk bahan implan tulang dibutuhkan bahan implan yang mempunyai nilai konduktivitas listrik kecil sehingga pada kandungan 50% β-TCP dan 50%
6
zirkonia adalah komposisi yang cocok untuk digunakan sebagai bahan implan tulang. Secara teori, zirkonia sendiri mempunyai sifat konduktivitas listrik yang rendah. Tetapi setelah dikompositkan dengan dengan β-TCP, terlihat bahwa semakin banyak zirkonia tidak semakin menurunkan nilai konduktivitas listrik. Hal ini menunjukkan bahwa jika zirkonia dikompositkan dengan β-TCP dengan perbandingan massa tersebut, nilai konduktivitas listriknya lebih kecil dibandingkan dengan sampel yang mempunyai komposisi zirkonia yang lebih banyak. PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan hasil analisis data dan pembahasan disimpulkan sebagai berikut. (1) Pada mikrostruktur variasi komposisi β-TCP dan Zirkonia terlihat bahwa pori-pori yang sedikit terdapat pada perbandinan komposisi 40% β-TCP dan 60% Zirkonia dai berat total. Semakin tidak adanya pori yang terbentuk, semakin sedikit penyusutan, semakin sedikit porositas, dan semakin besar nilai kekerasannya. (2) Dengan penambahan komposisi Zirkonia, maka nilai keporian semu juga meningkat. (3) Dengan peningkatan komposisi Zirkonia, maka nilai kekerasannya juga akan meningkat. (4) Nilai konduktivitas paling kecil terdapat pada perbandingan komposisi β-TCP : Zirkonia, yaitu 50% : 50%.
3, 2010. Aisyah, I. 2011. Sintesis dan Karakterisasi β-Tricalcium Phosphate Berbasis Cangkang Telur Ayam Di Udara Terbuka Dengan Variasi Waktu Sintering. Skripsi gelar sarjana Fakultas Matematika dan Ilmu PengetahuanAlam: InstitutPertanian Bogor. Barsoum, M.W., 1997. Fundamentals of Ceramics. Bristol: Institute of Physics Publishing. Bhat SV. 2002. Biomaterials. Pangboune England: Alpha Science International Ltd. Cao X, WG Harris, MS Josan, VD Nair. 2007. Inhibition of Calcium Phosphate Precipitation Under Environmentally-Relevant Conditions. Science of the Total Environment. 383: 205-215. Krishna DSR, Siddharthan A, Seshadri SK, Kumar TSS. 2007. A Novel Route for Synthesis of Nanocrystalline Hydroxyapatite from Eggshell Waste. Material Medicine 18: 1735-1743.
DAFTAR RUJUKAN Afifuddin. Beberapa Penggunaan Zirconia Dalam Bidang Kedokteran Gigi. Available from: http://webcache.googleusercontent .com/search?. Accessed Oktober
7
