PELAPISAN SENYAWA APATIT PADA PERMUKAAN BAJA TAHAN KARAT 316L DENGAN METODE DEPOSISI ELEKTROFORESIS
HARI BOWO
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009
i
ABSTRAK HARI BOWO. Pelapisan Senyawa Apatit pada Permukaan Baja Tahan Karat 316L dengan Metode Deposisi Elektroforesis (EPD). Dibimbing oleh HENNY PURWANINGSIH and SULISTIOSO G. SUKARYO. Logam baja tahan karat atau stainless steel (SS) 316L merupakan logam yang sering digunakan sebagai penyambung atau pengganti tulang yang patah. Namun, logam ini masih memiliki biokompatibilitas yang rendah dalam tubuh makhluk hidup. Untuk meningkatkan biokampatibilitas SS 316L adalah melalui pelapisan dengan bahan yang memiliki biokampatibilitas yang tinggi, salah satu bahan hidroksiapatit (HAp). Pelapisan HAp pada permukaan SS 316L menggunakan metode deposisi elektroforesis (EPD). Proses EPD yang dilakukan menggunakan dua peubah, yaitu tegangan listrik dan waktu pelapisan. Hasil XRD menunjukkan bahwa SS 316L terlapisi oleh HAp. Hasil pengamatan fisis dengan menggunakan mikroskop optik menunjukkan bahwa pelapisan terbaik didapat pada tegangan 120 V selama 2 menit.
ABSTRACT
HARI BOWO. Electrophoretic Coating of Apatite Compouds on Stainless Steel 316L. Supervised by HENNY PURWANINGSIH and SULISTIOSO G. SUKARYO. Stainless steel (SS) 316L is a metal which is used to bone plate. However, this metal still has low biocompatibility in a human body. The metal is coated by HAp in order to increase its biocompatibility. HAp on SS 316L is coated by electrophoretic deposition (EPD) method. We used two variables in EPD process, such as voltage and coating time to obtain the best coating. The XRD difractogram showed that SS 316L has been coated by HAp. Physical observation used by microscope optics showed that the best coating is achieved on 120V during 2 minutes.
ii
PELAPISAN SENYAWA APATIT PADA PERMUKAAN BAJA TAHAN KARAT 316L DENGAN METODE DEPOSISI ELEKTROFORESIS
HARI BOWO
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2009 iii
Judul
: Pelapisan Senyawa Apatit pada Permukaan Stainless Steel (SS) 316L dengan Metode Deposisi Elektroforesis (EPD)
Nama : Hari Bowo NIM
: G44051004
Menyetujui:
Pembimbing I
Pembimbing II,
Henny Purwaningsih, S.Si, M.Si
Drs. Sulistioso G. Sukaryo, MT
NIP 197412012005012001
NIP 195708261988011002
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. Hasyim, DEA NIP 196103281986011002
Tanggal lulus:
iv
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas ridho, rahmat, dan karunia-Nya sehingga tugas akhir ini berhasil diselesaikan. Judul yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Maret 2009 ini ialah Pelapisan Senyawa Apatit pada Permukaan Logam Stainless Steel (SS) 316L dengan Metode Deposisi Elektroforesis (EPD). Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Henny Purwaningsih, S.Si, M.Si dan Bapak Drs. Sulistioso G. Sukaryo, MT selaku pembimbing atas bimbingan, dorongan semangat, dan ilmu yang diberikan kepada peneliti selama penelitian dan penyusunan tugas akhir ini. Terima kasih tak terhingga juga disampaikan kepada kedua orang tua (Ibu dan bapak), mba Lilis, adik-adikku Afni, Iman, Nisa, bule Sisri dan om Toto serta seluruh keluarga yang memberikan dorongan semangat, bantuan materi, kesabaran, dan kasih sayang kepada penulis. Terima kasih juga tak lupa penulis ucapkan kepada laboran kimia fisik dan biofisika atas segala fasilitas dan kemudahan yang telah diberikan. Saya juga mengucapkan terima kasih kepada sabahat-sahabatku di FORCES dan BEM KM yang senantiasa menyemangati penulis untuk segera menyelesaikan tugas akhir ini, yogie Santoso dan Paramitha messayu yang telah menjadi tim sekaligus keluarga yang senantiasa mendorong untuk tetap tegar dalam menghadapi masa-masa perkuliahan, dan teman-teman kimia 42, serta seluruh civitas departemen kimia seluruhnya terima kasih atas persahabatan. Semoga Allah senantiasa membalas kebaikan sahabat-sabahat semuanya. Semoga tugas akhir ini bermanfaat dan menjadi inspirasi bagi yang lain.
Bogor, Juni 2009
Hari Bowo
v
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Serang pada tanggal 12 April 1987 dari ayah Suwandi dan ibu Warasih. Penulis merupakan putra kedua dari lima bersaudara. Tahun 2005 penulis lulus dari SMU Negeri 1 Cilegon dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Penulis memilih Program Studi Kimia, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum mata kuliah Kimia Dasar I. selain mengikuti perkuliahan, penulis juga aktif dalam aktivitas organisasi, yaitu Forum For Scientific Studies (FORCES) dan BEM KM IPB.
vi
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR GAMBAR ..................................................................................................
v
DAFTAR LAMPIRAN ...............................................................................................
v
DAFTAR TABEL.......................................................................................................
v
PENDAHULUAN ......................................................................................................
1
Latar Belakang ..................................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA .............................................................................................
1
Hidroksiapatit .................................................................................................... Baja Tahan Karat 316L ..................................................................................... Deposisi Elektroforesis (EPD) ..........................................................................
1 2 3
BAHAN DAN METODE ...........................................................................................
4
Bahan dan Alat .................................................................................................. Metode ..............................................................................................................
4 4
HASIL DAN PEMBAHASAN...................................................................................
5
Sintesis HAp ..................................................................................................... Pelapisan HAp................................................................................................... Pencirian Material Awal dan Hasil EPD ...........................................................
5 6 7
SIMPULAN DAN SARAN ........................................................................................
10
Simpulan ........................................................................................................... Saran .............................................................................................................
10 10
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................
10
LAMPIRAN................................................................................................................
12
DAFTAR GAMBAR vii
Halaman 1
Struktur Unit Sel Kristal HAp ..............................................................................
2
2
Lempeng Baja Berkarbon Rendah .......................................................................
2
3
Aplikasi SS 316L .................................................................................................
3
4
Pergerakan Partikel Ke Arah Elektroda ...............................................................
3
5
Alat EPD
..........................................................................................................
5
6
Difraktogram XRD HAp Sintesik ........................................................................
6
7
Foto Mikroskop Optik Permukaan SS 316L ........................................................
7
8
Difraktogram XRD SS 316L ................................................................................
9
DAFTAR LAMPIRAN 1
Bagan Alir Penelitian ........................................................................................
12
2
Tabel Analisis Data XRD HAp Sintetik...............................................................
13
3
Data JCPDS HAp .................................................................................................
14
4
Data JCPDS OKF .................................................................................................
15
5
Foto Optik Hasil Pelapisan HAp pada SS 316L...................................................
16
6
Data JCPDS SS 316L ...........................................................................................
19
7
Tabel Analisis Data XRD SS 316L Hasil Pelapisan ............................................
20
DAFTAR TABEL
1
Jenis Senyawa Apatit Berdasarkan Nisbah Ca/P ................................................
2
2
Komposisi SS 316L ...........................................................................................
3
3
Pengamatan Pelapisan HAp pada permukaaan SS ..............................................
8
4
Puncak Difraktogram SS 316L Sebelum Pelapisan ............................................
8
viii
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Tingkat kecelakaan meningkat setiap tahunnya. Di antara kecelakaan tersebut tidak sedikit yang tergolong kecelakaan berat atau mengalami patah tulang. Kondisi ini menuntut dunia kedokteran mencari solusi akan masalah ini. Penanganan yang telah ada saat ini adalah dengan menggunakan logam-logam yang kuat, misalnya Al dan Fe untuk menggantikan tulang yang patah di dalam tubuh atau pen dalam istilah kedokteran. Namun, penanganan ini masih menimbulkan masalah, yaitu logam yang disimpan di dalam tubuh memiliki tingkat biokampatibilitas yang masih rendah sehingga menimbulkan rasa sakit dan memar pada daging di sekitar logam tersebut (Fatur 2008). Dengan kondisi ini, maka dibutuhkan suatu material yang dapat melapisi logam yang akan diimplankan dalam tubuh sehingga logam memiliki biokampatibilitas yang tinggi dengan tubuh makhluk hidup. Pendekatan yang dilakukan adalah penggunaan bahan yang telah ada dalam tubuh itu sendiri, yaitu senyawa penyusun jaringan tulang seperti senyawaan apatit. Saat ini telah ada tulang buatan yang mirip secara substansi dengan senyawa penyusun tulang asli, yaitu hidroksiapatit (HAp). Penelitian Stock et al. (2001) menyebutkan bahwa serbuk HAp telah berhasil melapisi permukaan logam Ti. Data ini juga didukung oleh penelitian yang dilakukan Javidi et al. (2008) yang telah berhasil melapisi logam baja tahan karat 316L dengan senyawa apatit yang berasal dari tulang asli. Terdapat kelemahan dari kedua penelitian yang dilakukan, yaitu 1) ketika menggunakan senyawa apatit yang berasal dari tulang asli, maka terdapat banyak matriks senyawa kimia yang masih bercampur dan jumlahnya yang terbatas, 2) penggunaan logam Ti sebagai logam target memiliki nilai ekonomi yang tinggi. Dari analisis ini, maka perlu dilakukan penelitian penempelan partikel HAp pada logam yang memiliki nilai ekonomi yang rendah tetapi tetap memiliki tingkat keamanan yang tinggi. Berbeda dengan Stock et al. (2001) dan Javidi et al. (2008), penelitian ini menggunakan HAp hasil sintetik pada permukaan SS 316L. HAp sintetik digunakan untuk mengurangi efek matriks campuran dan logam yang beracun sedangkan SS 316L digunakan karena memiliki nilai ekonomi yang lebih rendah dibandingkan dengan Ti.
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode deposisi elektroforesis (EPD) untuk melapisi permukaan logam dengan HAp yang berasal dari sumber Ca dan P. Selain metode EPD, ada beberapa metode pelapisan material dalam sistem koloid pada permukaan logam, di antaranya plasma spray, ablasi laser, elektrokristalisasi, sol-gel, dan biomimetik (Zhen-jun et al. 2006). Metode EPD memiliki beberapa kelebihan, yaitu biaya yang murah, pelapisan yang tipis dan merata, dan kekuatan pelapisan yang tinggi. Dengan alasan tersebut, metode EPD lebih relevan untuk dipilih dalam pelapisan HAp dalam penelitian ini. Dalam metode EPD, logam baja tahan karat yang akan menjadi target penempelan menjadi elektroda dalam EPD (Xiao et al. 2006) sedangkan Mondragon-Cortez et al. (2004) menyatakan bahwa sumber tegangan memiliki pengaruh pada proses elektrodeposisi yang berlangsung. Sumber tegangan tinggi akan lebih menguatkan partikel untuk meningkatkan efektivitas waktu elektrodeposisi. Pada penelitian ini akan dilakukan pelapisan logam baja tahan karat 316L dengan metode EPD. Penelitian ini bertujuan melapisi partikel HAp pada permukaan logam SS 316L dengan menggunakan metode deposisi elektroforesis. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan EPD sebagai metodenya, SS 316L sebagai logamnya, dan menggunakan trietanolamina (TEA) sebagai surfaktan yang mempertahankan HAp sebagai koloid dalam etanol. Logam yang telah terlapisi HAp diharapkan dapat meningkatkan biokompatibilitas dengan daging pada tubuh makhluk hidup. Dari penelitian ini diharapkan partikel HAp hasil sintetik dapat melapisi permukaan logam SS 316L dengan adanya bantuan senyawa pendispersi partikel HAp sebagai pembentuk sistem koloid, yaitu TEA.
TINJAUAN PUSTAKA Hidroksiapatit Hidroksiapatit (HAp) yang memiliki rumus molekul Ca10(PO4)6(OH)2 merupakan suatu bahan keramik yang memiliki kesamaan komposisi kimia dengan jaringan tulang asli (Javidi et al. 2008). HAp juga memiliki biokompatabilitas yang tinggi dengan jaringan tubuh manusia sehingga banyak digunakan dalam aplikasi kedokteran khususnya tulang dan gigi (Albaryak et al. 2008). Struktur unit sel HAp disajikan pada Gambar 1. Atom Ca
2
ditunjukkan oleh lingkaran hijau, atom O oleh lingkaran biru, dan atom P ditunjukkan oleh lingkaran merah.
bersumber dari sumber Ca dan P yang berbeda tidak hanya menghasilkan HAp tetapi juga senyawa-senyawa campurannya yang bergantung pada senyawa sumber Ca dan P tersebut (Shi 2004). Misalnya, sumber Ca yang berasal dari CaCl2.2H2O, akan memiliki kemungkinan menghasilkan apatit yang mengandung klorin. Baja Tahan Karat 316L
Gambar 1 Struktur unit sel kristal HAp (Hanson 2005). Material HAp dapat disintesis dengan menggabungkan sumber Ca dan P. Sintesis HAp dapat dilakukan dengan beberapa metode, yaitu metode basah dan metode kering. Metode basah menggunakan prinsip presipitasi dan sol-gel sedangkan metode kering menggunakan prinsip pencampuran 2 senyawa sumber Ca dan P pada suhu tinggi (Aoki 1991). Namun, menurut Aoki (1991) metode yang sering digunakan dalam mensintesis HAp adalah metode basah, yaitu dengan menggunakan metode presipitasi sebab metode ini menghasilkan HAp yang memiliki kemurnian yang cukup tinggi. Menurut metode ini, HAp disintesis dengan cara mentitrasi larutan yang mengandung Ca dengan larutan yang mengandung P. Nisbah Ca/P agar material HAp terbentuk adalah 1,67 (Prabakaran et al. 2005). Perbedaan nisbah Ca/P akan menimbulkan hasil sintesis senyawa yang berbeda (Aoki 1991). Tabel 1 menunjukkan jenis senyawa turunan apatit berdasarkan nisbah Ca/P
Baja tahan karat atau stainless steel (SS) merupakan logam Fe yang memiliki sifat ketahanan karat yang tinggi. Ketahanan karat yang tinggi pada SS karena adanya pembetukan oksida dengan logam kromium dalam paduannya, yaitu senyawa kromium oksida (Cr2O3). Senyawa ini kemudian membentuk lapisan film pada permukaan logam SS (Priyatomo 2005). Lapisan film ini yang menghalangi proses oksidasi besi sehingga proses pengkaratan dapat dihindari (Oberg et al. 1996). Lempeng baja dapat dilihat pada Gambar 2. Pada umumnya SS dibagi menjadi lima kategori berdasarkan paduan unsur kimianya (Priyatomo 2005). Lima katagori tersebut adalah SS martensitik, SS Ferritik, SS austenitik, SS dupleks, dan SS pengeras endapan. Perbedaan dari kelima kategori SS di atas adalah kombinasi senyawa paduannya yang terdapat pada SS.
Tabel 1 Jenis senyawa apatit berdasarkan nisbah Ca/P Nisbah Ca/P 2,00 1,67 1,50 1,33 1,00 0,70
Senyawa Tetrakalsium fosfat (TeCP) Hidroksiapatit (HAp) Trikalsium fosfat (TCP) Oktakalsium fosfat (OKF) Dikalsium fosfat (DCP) Heptakalsium fosfat (HCP)
Sumber: Aoki (1991) Sintesis apatit tidak hanya dipengaruhi oleh nisbah Ca/P tetapi juga sumber senyawa Ca dan senyawa P. Paduan Ca/P yang
Gambar 2 Lempeng baja berkarbon rendah (Oberg et al. 1996). Menurut Prabakaran et al. (2006), baja tahan karat tipe 316L atau lebih dikenal dengan SS 316L adalah baja dengan kandungan karbon paling rendah, yaitu 0,02% (Tabel 2). Unsur karbon harus sesedikit mungkin untuk menghindari pengikatan unsur air yang mengakibatkan proses korosi logam. Namun, keberadaan unsur karbon juga tetap dipertahankan untuk membuat paduan logam
