ANALISA SIFAT MEKANIK BIOKOMPOSIT HIDROKSIAPATIT DARI SERBUK TULANG SAPI TERHADAP WAKTU KALSINASI DENGAN RESIN POLYESTER SEBAGAI MATRIK Burmawi, Yovial Mahyoeddin, Akmal* Jurusan Teknik Mesin – Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta Kampus III Jl. Gajah Mada Gunung Pangilun Telp. (0751) 51257 Padang E-Mail :
[email protected]
ABSTRAK Potensi sampah biologi (biowaste) seperti tulang sapi di indonesia cukup besar ketersediaannya dan dapat digunakan sebagai sumber hidroksiapatit dimana sangat berguna untuk aplikasi biomedik dan bersifat ekonomis dan ramah lingkungan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui sifat mekanik biokomposit hidroksiapatit dari serbuk tulang sapi yang dihasilkan dari parameter uji kekerasan dan uji tekan. Pada penelitian ini resin polyester sebagi matrik dan hidroksiapatit dari serbuk tulang sapi sebagai filler, dengan menvariasikan waktu kalsinasi pada serbuk tulang sapi (1 jam, 3 jam dan 6 jam dengan temperatur 1000 0C), perbandingan komposisi resin polyester dan hidroksiapatit (75,75% : 24,25%) pembuatan biokomposit dilakukan dengan metode hand lay up . Dari hasil penelitian yang dilakukan diperoleh spesimen dengan waktu kalsinasi 6 jam memiliki kekerasan tertinggi dan spesimen dengan waktu kalsinasi 1 jam memiliki kekuatan tekan tertinggi. Kata Kunci : Hidroksiapatit, biokomposit, resin polyester ABSTRACT Potential biological garbage (biowaste) such as cow bones in Indonesia is quite large availability and can be used as a source of hydroxyapatite which are very useful for biomedical applications and are economical and environmentally
friendly. This study aims to determine the mechanical properties of hydroxyapatite biocomposite powders produced from cow bone hardness test parameters and test press. In this study as a polyester resin matrix and hydroxyapatite from cattle bone powder as a filler, to vary the time of calcination on bovine bone powder (1 hour, 3 hours and 6 hours at a temperature of 1000 0
C), the composition ratio of polyester resin and hydroxyapatite (75.75% :
24,25%) manufacture biocomposites made by hand lay-up methods. From the results of research conducted specimens obtained by calcining time of 6 hours has the highest hardness and specimen with a time of 1 hour calcination has the highest compressive strengths. Keywords: hydroxyapatite, biocomposites, polyester resin 1. PENDAHULUAN Sampai saat sekarang ini implan tulang masih di dominasi oleh logam seperti titanium yang di impor dari luar negri dan membutuhkan biaya yang besar, tentunya hal ini akan terasa berat bagi masyarakat menengah kebawah selain itu implan dari logam titanium ini juga tidak bertahan lama hanya berkisar antara 4 sampai 7 tahun sehingga diperlukan dua kali operasi, yang pertama untuk memasukan implan tersebut kemudian mengeluarkannya sesuai jangka waktu yang telah di tentukan, pada beberapa kasus implan ini juga menimbulkan rasa nyeri dan alergi pada pemakai, untuk itu perlu dibuat suatu material implan yang lebih baik dan mendekati karakteristik tulang asli dan dapat di jangkau dengan harga yang ekonomis. Maka untuk mengatasi mahalnya biaya material dan operasional dilakukan penelitian dengan media tulang sapi, hal ini di dukung oleh penelitian poumarat (1993) yang membandingkan komposisi dan kepadatan tulang pada enam hewan
veterbrata (Anjing, Sapi, Babi, Domba, ayam dan tikus) maka diketahui bahwa sapi memiliki struktur komposisi tulang yang paling mendekati tulang manusia. Potensi sampah biologi (biowaste) seperti tulang sapi di indonesia cukup besar ketersediaannya dan dapat digunakan sebagai sumber hidroksiapatit (HA) dimana sangat berguna untuk aplikasi biomedik dan bersifat ekonomis dan ramah lingkungan. Hidrosiapatit (HA) termasuk dalam keluarga senyawa kalsium fosfat. Material HA berasal dari sumber alami dapat membentuk ikatan yang kuat dengan jaringan tulang. Komposisi tulang sapi terdiri dari 93% hidrosiapatit dan 7% tricalcium phosphate (Ooi dkk.,2007). Hidroksiapatit yang berasal dari tulang sapi telah digunakan secara luas untuk mencangkok, memperbaiki, mengisi atau memperbaiki tulang karena biokompabilitasnya yang sangat baik dengan jaringan keras, bioaktivitas merekonstruksi ulang jaringan tulang yang telah rusak dan juga dalam jaringan lunak(Kusrini dan Sontang, 2012). Tulang sapi yang dipanaskan pada suhu 600
0
C hingga 1000
0
C
menunjukan terbentuknya hidroksiapatit murni dan kristalinitas dari HA meningkat dengan adanya kenaikan temperatur pemanasan. Pada suhu 1100 0C hingga 1200 0C dijumpai sebagian kecil B-TCP menunjukan dekomposisi parsial dari hidroksiapatit. Pemanasan tulang pada temperatur 700 0C menghasilkan struktur sponge dari tulang, yang mempunyai jaringan pori yang saling berhubungan (Ooi, dkk.,2007).
2. METODE PENELITIAN 2.1 Alat Beberapa alat yang digunakan didalam penelitian ini adalah gergaji, mesin giling, ayakan, furnace, timbangan digital, cawan, pipet tetes, cetakan spesimen, mesin poles, alat uji kekerasan dan alat uji tekan. Mesin giling berfungsi untuk menggiling tulang yang akan dijadikan bahan komposit, mesin yang digunakan dapat dilihat pada gambar. 1. Setelah tulang digiling hingga menjadi tepung kemudian dikalsinasi menggunakan furnace seperti yang ditunjukan gambar. 2.
Gambar. 1. Mesin giling
Gambar. 2. Furnace Kekerasan permukaan spesimen di uji menggunakan shore scleroscope, masing-masing spesimen di uji tiga titik pada permukaan bagian belakang takikan. Pengujian ini dilakukan di Laboratorium Pengujian Bahan Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang. Alat uji shore scleroscope ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar. 3. Alat uji kekerasan shore scleroscope Persamaan yang digunakan untuk menentukan nilai kekerasan spesimen adalah sebagai berikut: SHNS
SHN
T .....................................................................(2.1) n SHN T SHNT 1 SHNT 2 SHNT 3 ............................................( 2.2 )
SHN K
SHN
S .....................................................................(2.3 ) n SHN S SHN S1 SHN S 2 SHN S 3 ...........................................( 2.4 )
Dimana :
SHNS = Nilai kekerasan shore rata – rata pada masing-
SHN
T
SHNK
SHN
n
S
masing spesimen uji = Jumlah nilai kekerasan shore pada tiap titik pengujian = Nilai rata – rata kelompok kekerasan shore = Jumlah nilai kekerasan shore rata – rata pada masing-masing spesimen uji = Banyak data yang diuji
Pengujian tekan merupakan pengujian merusak spesimen, karena spesimen akan terdeformasi secara plastis (hancur). Alat uji tekan yang digunakan dapat dilihat pada gambar. 4.
Gambar. 4 Alat uji tekan Persamaan yang digunakan pada pengujian tekan ini adalah sebagai berikut :
K
K
K =
s
n
........................................................................ (2.5)
1 2 3
............................................................. (2.6)
s
n =
.............................................................................. (2.8) +
+
........................................................... (2.9)
L ................................................................................ (2.10)
K =
Dimana : δ
K
F A ................................................................................. (2.7)
s
s n .................................................................................. (2.11) =
+
+
.......................................................... (2.12)
= Defleksi
K
= Rata-rata defleksi kelompok
σ
= Tegangan
K
= Rata-rata tegangan kelompok s
=Jumlah nilai tegangan spesimen
ɛ
=Regangan
n
=Jumlah
F
=Gaya
A
=Luan penampang
L
=Panjang awal spesimen
2.2 Bahan Bahan yang digunakan sebagi penguat adalah serbuk tulang sapi yang telah dijadikan hidroksiapatit. Komposisi tulang sapi yang terdiri dari 93% hidroksiapatit dan 7% calcium phosphate. Tulang sapi yang telah dijadikan serbuk kemudian dikalsinasi hingga menghasilkan hidroksiapatit sperti yang ditunjukan gambar. 5. Matrik yang digunakan adalah Resin polyester tak jenuh yang merupakan jenis material polimer thermosetting. Matriks ini dapat menghasilkan keserasian matrik-serbuk dengan mengontrol faktor jenis dan jumlah komponen, katalis, waktu, dan suhu. Sifatnya tahan creep, sangat memadai sebagai perekat struktur berbeban berat, serta tahan kondisi panas tinggi, radiasi, kelembaban, dan bahan kimia. Katalis merupakan bahan kimia yang ditambahkan pada matrik resin polyester yang bertujuan untuk proses pembekuan matrik.
Gambar. 5. Hid roksiapatit 2.3 Cara Pembuatan Biokomposit Proses pembuatan biokomposit hidroksipatit dari tulang sapi dapat di uraikan sebagai beriku :
1. Mempersiapkan peralatan dan bahan-bahan yang diperlukan saat proses pembuatan hidroksiapatit tulang sapi. 2. Melakukan proses pemilihan tulang kemudian dibersihkan dengan cara dicuci agar tulang bersih dari kotoran-kotoran yang menempel. 3. Kemudian tulang tersebut dipotong dengan ukuran panjang 10 cm dan lebar 5 cm, agar lebih mudah saat melakukan proses perebusan dan penggilingan. 4. Selanjutnya tulang direbus dalam dandang presto dengan tujuan agar tulang lebih rapuh saat proses penggilingan. 5. Kemudian tulang tersebut dijemur sampai kering 6. Setelah itu masuk pada proses penggilingan, dimana tulang tersebut didihancurkan menggunakan mesin penggiling, sehingga menghasilkan tepung tulang. 7. Kemudian proses pengayakan yang bertujuan untuk memisahkan serbuk tulang yang masih kasar dengan yang halus. 8. Selanjutnya merubah serbuk tulang sapi menjadi hidroksiapatit dengan melakukan proses kalsinasi menggunakan furnace pada temperatur 1000o C dengan waktu yang berbeda-beda, yaitu : 1 jam, 3 jam, dan 6 jam. 9. Setelah itu dilakukan pembagian serbuk tulang dengan cara ditimbang menggunakan timbangan digital. 10. Kemudian Proses pencampuran serbuk tulang dengan resin polyester menggunakan mangkuk pencampur, kemudian di aduk sampai kedua bahan tersebut tercampur sempurna.
11. Proses pencetakan komposit hidroksiapatit, yaitu masukkan adonan campuran tersebut kedalam cetakan, kemudian dipadatkan. 12. Biarkan selama 1 hari kemudian keluarkan dari cetakan, tujuannya agar material tidak hancur pada saat mengeluarkan dari cetakan. 13. Selanjutnya material biokomposit hidroksiapatit dibiarkan selama 1 hari sampai material benar-benar kering. 14. Setelah spesimen sudah kering, rapikan dan bersihkan spesimen tersebut menggunakan amplas sampai semua sisi permukaan spesimen menjadi rata dan bersih. 15. Jika langkah-langkah pembuatan komposit diatas telah selesai dilakukan spesimen uji kekerasan dan uji tekan untuk mendapatkan nilai kekuatan mekanik spesimen tersebut. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Uji kekerasan
Grafik
1. Kekerasan shore rata-rata vs waktu kalsinasi
Gambar. 6 Grafik perbandingan kekerasan shore rata-rata terhadap waktu kalsinasi. Pada grafik.1 ditas dapat dilihat bahwa perbedaan variasi waktu kalsinasi berpengaruh terhadap tingkat kekerasannya, kekerasan shore rata-rata yang tertinggi terdapat pada waktu kalsinasi selama 6 jam, dan kekerasan shore ratarata yang terendah terdapat pada waktu kalsinasi 1 jam, ini disebabkan karena apabila serbuk hidroksiapatit yang dipanaskan pada temperatur 600 0C – 1000 0C akan meningkatkan kristalinitas yang dan mempengaruhi sifat mekanik dari material tersebut, dari grafik di atas dapat disimpulkan bahwa semakin lama kalsninasinya maka tingkat kekerasannya akan semakin tinggi, sebaliknya semakin sebentar waktu kalsinasinya maka tingkat kekerasannya akan semakin rendah. Dari pembahasan tersebut dapat dinyatakan bahwa spesimen dengan waktu kalsinasi 6 jam lebih getas dari pada spesimen dengan waktu kalsinasi 3
jam dan 1 jam, dan spesimen dengan kalsinasi 1 jam lebih ulet dibandingkan dengan spesimen dengan waktu kalsinasi 3 jam dan 6 jam. b. Uji tekan Tabel. 2 Data hasil analisa pengujian tekan
Waktu Spesimen Jam A 1.1 1 Jam A 1.2 A 1.3 A 2.1 2 Jam A 2.2 A 2.3 A 3.1 3 Jam A 3.2 A 3.3
δ mm 0,5 0,42 0,12 0,45 0,20 0,30 0,33 0,19 0,26
mm 0,34
0,31
0,26
ɛ % 5,26 4,42 1,26 4,73 2,10 3,15 3,47 2 2,73
ɛ % 3,64
3,32
2,73
σ 62,14 57,09 58,64 58,64 89,65 70,625 59,25 90,05 71,35
59,29
72,99
73,55
2. Defleksi rata-rata vs waktu kalsinasi
Gambar. 6 Grafik perbandingan nilai defleksi rata-rata terhadap waktu kalsinasi.
Pada grafik diatas terlihat kecendrungan nilai defleksi semakin menurun diakibatkan oleh lamanya waktu kalsinasi, hali ini menyebabkan material semakin getas dan meningkatkan kekuatan tekan material tersebut, hal ini disebabkan temperatur pemanasan menghilangkan lemak-lemak dan protein pada serbuk tulang sapi namun meningkatkan kristalinitas dari hidroksiapatit
yang
berpengaruh pada kekuatan tekan biokomposit. 3. Regangan rata-rata vs waktu kalsinasi
Gambar.7 Grafik perbandingan nilai regangan rata-rata terhadap waktu kalsinasi Pada grafik diatas terlihat kecendrungan nilai regangan semakin menurun diakibatkan oleh lamanya waktu kalsinasi, jika dibandingkan dengan grafik. 2 maka regangan berbanding lurus dengan defleksi, hali ini menyebabkan material semakin getas dan meningkatkan kekuatan tekan material tersebut, hal ini disebabkan temperatur pemanasan menghilangkan lemak-lemak dan protein pada serbuk tulang sapi namun meningkatkan kristalinitas dari hidroksiapatit yang berpengaruh pada kekuatan tekan biokomposit.
4. Tegangan rata-rata vs waktu kalsinasi
Gambar. 8 Grafik perbandingan tegangan rata-rata terhadap waktu kalsinasi Pada grafik diatas terlihat kecendrungan nilai defleksi semakin meningkat diakibatkan oleh lamanya waktu kalsinasi, jika dibandingkan dengan grafik. 1, 2 dan . 3 maka tegangan berbanding lurus dengan kekerasan dan berbanding terbalik dengan nilai defleksi dan nilai regangannya, hali ini menyebabkan material semakin getas dan meningkatkan kekuatan tekan material tersebut pada waktu
pemanasan
6
jam,
hal
ini
disebabkan
temperatur
pemanasan
menghilangkan lemak-lemak dan protein pada serbuk tulang sapi namun meningkatkan kristalinitas dari hidroksiapatit yang berpengaruh pada kekuatan tekan biokomposit.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan penilitian yang meliputi pengujian kekerasan, uji tekan dan analisa terhadap sifat mekanis biokomposit hidroksiapatit tulang sapi dengan variasi waktu kalsinasi, maka dapat di ambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Dari hasil pengujian kekerasan yang diperoleh dari jenis biokomposit hidroksiapatit dengan variasi waktu kalsinasi 1 jam, 3 jam dan 6 jam, sehingga di dapatkan nilai kekerasan rata-rata tertinggi pada spesimen dengan waktu kalsinasi selama 6 jam yaitu sebesar 37,99 SHN, sedangkan nilai kekerasan rata-rata terendah terdapat pada spesimen dengan waktu kalsinasi selama 1 jam yaitu sebesar 35,77 SHN. 2. Dari hasil pengujian tekan yang diperoleh dari jenis biokomposit hidroksiapati dengan variasi waktu kalsinasi 1jam, 3 jam dan 6 jam, sehingga diperoleh nilai rata-rata defleksi tertinggi pada spesimen dengan waktu kalsinasi selama 1 jam yaitu sebesar 0,34 mm, sedangkan nilai rata-rata defleksi terendah terdapat pada spesimen dengan waktu kalsinasi selama 6 jam dengan nilai 0,26 mm. Maka kekuatan tekan tertinggi berada pada waktu kalsinasi 6 jam.
DAFTAR PUSTAKA
Rachmania P, Aida. 2012. Preparasi Hidroksiapatit Dari Tulang Sapi Dengan Metode Kombinasi Ultrasonik Dan Spray Drying. Jakarta.
Poumarat, G. S. P. Comparisson of Mechanical Properties of Human, Bovinebone and a new processed bone xenograft. Biomaterials, 14 April 1993. D. B. Miracle, dan S.L. Donaldson. (2001):ASM Handbook Volume 21: Composite,ASM international. Ooi, C.Y., Hamdi, M., Ramesh., S. (2007) Properties of hydroxsyapatite produced by annealing of bvin bone. Ceramics international. 33,1171-1177. Sontang, M., (2000) Optimasi Hydroxyapatite Dalam Tulang Sapi Melalui Proses Sintering. Tesis, Universitas Indonesia. Suchanek, W dan Yoshimura, M., (1998). Processing and properties of hydroxyapatite-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants, Journal of Materials Research. Barakat, N.A.M., Khil, M.S., Sheikh, F.A., Omran, A.M., Kim, H.Y. (2009). Extraction of pure natural hydroxcapatite from the bovine bone bio waste by three different methods. Material Technology.209,3408-3415. Oner, M., Yetiz., E. Ae., E Uisal., U. (2011). Ibuproven realese from porous hidroxiyapatite tablets. Ceramics international. 33, 1171-1177. Yang, P., Quan, Z., Li, C., Kang, X., Lian, H., Lin, J. (2008) Bioaktive, luminescent and mesoporous europium-doped hydroxyapatite as a drug carier. Biomaterial. 29, 4341-4347. Zhou, H., Lee, J. (2011). Nanoscale hydroxyapatite particles for bone tissue enginering. Acta biomaterial. 7, 2769-2781.
Kweh S.W.K, Khor, K.A., Ceang, P. (1999). The production and caracterization of hidroxiapatite powder. J. Material procesing tecnology. 89-90, 373-377.
