PENGARUH KONSENTRASI DOPING Si TERHADAP KEKERASAN (HARDNESS) DAN POROSITAS HIDROKSIAPATIT (SiHA) YANG DISINTESIS DENGAN METODE SOLID STATE REACTION Septi Dwi Ratnasari1), Hartatiek 2), Yudyanto3) 1, 2,3) Jurusan Fisika FMIPA UM, Jl. Semarang no. 5 Malang. Alamat e-mail :(1)
[email protected], (2)
[email protected], (3)
[email protected] Abstrack Has done research about the influence of Concentration Doping Si on Hardness and Porosity of Hydroxyapatite (SiHA) were synthesized with Solid State Reaction Method. It is used to identify the factors that influence the mechanical properties (hardness) of SiHA-based natural calcite deposit material and its influence on porosity of SiHA results synthesis. The quality of porous ceramic materials to SiHA relies heavily on all of the properties and characteristics of the powder synthesis results, one of which is porosity. Research has been done on the porosity of the SiHA relies on concentration doping Si. Previous research also mentions that the porosity of a porous ceramic material as SiHA must be between 23-70% range. Differences in concentrations of Si doping during the process of synthesis will provide great porosity different SiHA. In the study carried out by The doping concentration variation x = 0.6, 0.7 and 0.8, in addition to encouraging results obtained regarding the influence of porosity on the nature of the hardness of SiHA also carried out characterization of powder XRD test done SiHA, SEM, FTIR, and also conducted a test with a vickers hardness. The results showed that more and more doping concentration given the increasing hardness of SiHA also. Hardness test results obtained that the more a given concentration of Si doping will reduce the porosity of the SiHA. Keywords : SiHA, Concentration Doping Si, hardness, dan Porosity.
1. Pendahuluan Fraktur atau patah tulang adalah terputusnya kontinuitas tulang atau tulang rawan umumnya di karenakan rudapaksa (Mansjoer, 2008). Kasus patah tulang di Indonesia akhir-akhir ini meningkat, menurut data dari Sistem Informasi Rumah Sakit (SIRS) 2010, kasus patah tulang mengalami peningkatan setiap tahun sejak 2007. Pada tahun 2007 ada 22.815 insiden patah tulang, pada tahun 2008 menjadi 36.947, dan pada tahun 2009 menjadi 42.280 dan pada tahun 2010 ada 43.003 kasus. Oleh karena itu insiden patah tulang ini perlu mendapat perhatian khusus. Biomaterial merupakan zat non-obat yang cocok untuk dimasukkan dalam sistem untuk menambah atau mengganti fungsi jaringan tubuh atau organ (Jayaswal et al, 2010). Hidroksiapatit [Ca10(PO4)6(OH)2, HA] adalah biomaterial yang paling populer untuk aplikasi medis karena kemiripan komposisi kimianya dengan tulang alami (Xiao et al, 2009). HA merupakan senyawa dengan struktur kristal yang tidak stabil. Substitusi di subkisi kation
(CaI dan CaII) dan anion (PO43-dan ОН-) memungkinkan untuk dilakukan terhadap senyawa ini. Setengah dari semua unsur-unsur dalam sistem periodik dapat didopingkan ke dalam komposisi senyawa ini. Doping HA dengan zat-zat penting dengan mengubah stoikiometri komposisi, kristalinitas, muatan permukaan, dispersity, dan morfologi partikel memungkinkan untuk bervariasi karakteristik fisikokimia, khususnya, kelarutan dalam cairan biologis dan prototipenya (Solonenko dan Golovonava, 2014). Studi awal yang dilakukan oleh Gibson et al, 1999 menunjukkan bahwa penggabungan silikon ke dalam kisi HA meningkatkan bioaktivitas dan perubahan struktural, seperti distorsi kisi HA yaitu, sumbu a menurun dan sumbu c meningkat dengan meningkatnya penambahan silikat. Selain itu, diamati bahwa penambahan Si selama sintesis HA mengarah ke perbaikan perilaku bioaktif HA (Jokic et al, 2011). Penelitian sebelumnya oleh Byung et al (2010), dalam sintesis SiHA menggunakan metode reaksi solid-state variasi yang dipilih untuk doping Si adalah 0; 0,7; dan 1,4 % wt.
1
Byung menyebutkan bahwa penambahan silikon ke dalam HA hingga 1,4% wt Si yang disintesis dengan reaksi solid-state tidak berpengaruh pada komposisi fase HA dan hanya ada satu fase yang terbentuk, tidak ada fase sekunder, seperti trikalsium fosfat (TCP) atau CaO yang terdeteksi. Sedangkan penelitian oleh Marchat et al (2013) tetang sintesis SiHA dengan metode presipitasi, mengatakan bahwa SiHA dengan rentang doping 0≤x≤1 (0-3% wt Si) menghasilkan senyawa dengan fase tunggal SiHA tanpa adanya fase sekunder ataupun fase amorf. Oleh karena itu, penelitian ini menggunakan rumusan doping Ca10(PO4)6-x (SiO4)x(OH)2-x dengan x = 0; 0,6; 0,7; dan 0,8 (0; 1,7; 2,0; dan 2,3% wt Si) dengan pertimbangan melanjutkan variasi doping Si yang ditambahkan dalam penelitian sebelumnya oleh Byung et al dan sesuai dengan pernyataan Marchat et al bahwa doping yang diberikan tidak lebih dari x = 1 agar menghasilkan senyawa dengan fase tunggal. Hal lain yang membedakan penelitian ini dengan penelitian sebelumnya adalah pada penelitian Byung et al bahan awal yang digunakan untuk sintesis SiHA adalah kalsium piroposfat (Ca2P2O7) yang dihasilkan dari pemanasan CaHPO4 pada suhu 700oC selama 10 jam dimana CaHPO4 yang digunakan adalah CaHPO4 komersil dari Korea. Sedangkan dalam penelitian ini bahan awal yang digunakan untuk sintesis SiHA adalah dari batuan calcite alam dari Druju Malang yang dicampurkan dengan H3PO4 sehingga menghasilkan CaHPO4. Proses selanjutnya sama untuk menghasilkan Ca2P2O7 dengan memanaskan CaHPO4 pada suhu 700oC selama 10 jam. Hal lain yang membedakan adalah CaCO3 yang digunakan dalam penelitian Byung et al adalah CaCO3 komersil dari Osaka, Jepang, sedangkan CaCO3 yang digunakan dalam penelitian ini adalah batuan calcite alam dari Druju Malang. Penelitian ini memanfaatkan deposit alam yang melimpah di Indonesia sehingga menghasilkan HA dengan harga yang murah dibandingkan HA yang ada dipasaran. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode solid-state, karena metode ini biayanya relatif lebih murah, lebih mudah untuk dikontrol, serta memiliki kemurnian dan kristalinitas yang baik.
II. Kajian Teori Hidroksiapatit [Ca10(PO4)6(OH)2] adalah biomaterial yang paling populer di antara seluruh golongan kalsium fosfat dan telah banyak digunakan untuk aplikasi biomedis dalam berbagai bentuk seperti material bulk, butiran dan pelapis (W. Suchanek, M. Yoshimura, J. Mater. Res., 1998). Salah satu perbedaan hidroksiapatit dengan anggota apatit lainnya yaitu nilai Ca/P, untuk hidroksiapatit memiliki nilai Ca/P 1,67. Silika adalah senyawa anorganik yang mengandung silikon dan oksigen. Bentuk silikon dioksida (SiO2) merupakan komponen utama pasir, granit, kuarsa, dan jenis-jenis batuan, lempung, dan permata di kerak bumi. Banyak peneitian yang dilakukan untuk mendoping silikon (Si) ke dalam jaringan kristal HA (Davidenko et al., 2009). Berdasarkan hasil penelitian dari Qiu et al (2013) SiO44- ditujukan untuk menggantikan PO43- dalam lattice SiHA. Porsi kelompok hidroksil akan hilang untuk menyeimbangkan muatan di dalam molekul sehingga menimbulkan kekosongan pada posisi kelompok hidroksil.
Gambar 2.3 Perbandingan cell lattice antara pure HA dan SiHA (Qiu et al., 2013) Metode yang digunakan dalam peelitian ini adalah metode Solid State Reaction.Metode ini adalah metode yang paling sederhana dan konvensional dalam material processing. Metode ini dipakai karena biayanya relatif lebih murah, lebih mudah untuk dikontrol, serta memiliki kemurnian dan kristalinitas yang baik. Tahapan sintesis dengan metode ini adalah dengan penggerusan, kalsinasi pada suhu sekitar 1100oC, kompaksi dan sintering pada suhu di atas 1000oC. Ukuran butir setelah penggerusan sangat dipengaruhi oleh lama waktu 2
penggerusan. Semakin lama waktu penggerusan maka ukuran butir relatif lebih kecil. III. Metode Penelitian Tahap Persiapan Gambar 2 Pola XRD SiHA dengan x = 0.6
Semua bahan yang dibutuhkan dalam penelitian dipersiapkan. Ukuran serbuk dari bahan baku penelitian seperti batuan calcite diusahakan homogen, dengan cara diayak dengan ayakan mesh #200 terlebih dahulu. Kalsinasi pada suhu 1000 0C selama 5 jam dilakukan untuk menghilangkan kadar CO2 dari serbuk batuan calcite, sehingga diperoleh serbuk Ca(OH)2 sebagai sumber kalsium pada sintesis nano-HAp.
Gambar 3 Pola XRD SiHA dengan x = 0.7
Tahap Pembuatan Kalsium diperoleh dari serbuk batuan calcite yang telah dikalsinasi. Fosfat yang digunakan diperoleh dari calcium pyrophosphate [Ca2P2O7] dengan SiO2 sebagai pendoping. Mula-mula serbuk Ca(OH)2 direaksikan dengan H3PO4 6M untuk membentuk CaHPO4. Kemudian CaHPO4 dipanaskan pada suhu 700oC selama 10 jam. Langkah selanjutnya CaCO3 direaksikan dengan Ca2P2O7 dan SiO2 digerus selama 20 jam, variasi untuk masingmasing doping Si adalah x = 0.6, 0.7, dan 0.8. Tahap Karakterisasi Karakterisasi untuk parameter kisi, struktur kristal, dan kristalinitas menggunakan uji XRD. Sedangkan morfologi dan rasio Ca/P ditentukan melalui uji SEM-EDX. Untuk analisis gugus fungsi dilakukan dengan uji FTIR. Untuk pengujian kekerasan (hardness) dilakukan dengan alat vickes hardness dengan mengukur dalamnya indentasi. IV. Hasil Penelitian
Gambar 4 Pola XRD SiHA dengan x = 0.8
Berdasarkan gambar 3 dan 4 dapat terlihat bahwa SiHA telah berhasil disintesis. Sedangkan untuk gambar 2terdapat pengotor 7.4% yaitu CaCO3, hal tersebut terjadi karena dalam penggerusannya campuran tidak homogen dan campuran belum bereaksi secara sempurna. Pola XRD tersebut telah dicocokkan dengan pola standard dari software match dengan kode 96-900-2214. Selain menunjukkan keberhasilan sintesis SiHA pola XRD juga digunakan sebagai penentu ukuran butir dan derajat kristalinitas. Ukuran butir dihitung dengan persamaan scherrer dan menunjukkan bahwa ukuran butir untuk SiHA dengan x = 0.6, 0.7 dan 0.8 adalah 34.8, 40.0, dan 40.8 nm. Sedangkan derajat kristalinitas dihitung memalui persamaan
Data Hasil Uji XRD pada SiHA Adanya perbedaan konsentrasi doping Si yang diberikan memberikan pola difraksi yang berbeda. Dari pengujian XRD pada variasi konsentrasi doping Si, diperoleh pola difraksi sebagai berikut.
Kristalinitas (%) = (Luas Kristalin/Luas total)*100 Berdasr hasil perhitungan didapatkan bahwa SiHA dengan x = 0.6, 0.7, dan 0.8 memiliki derajat kritalinitas sebesar 29.4, 21.7, dan 20.3%.
3
Data Hasil Uji SEM-EDX
Gambar 5 Hasil Uji SEM SiHA dengan x = 0.6
Gambar 6 Hasil Uji SEM SiHA dengan x = 0.7
porositas SiHA juga meningkat dengan bertambahnya konsentrasi SiHA, walaupun ketika x = 0.8 sempat turun tapi penurunannya tidak di bawah porositas x = 0.6. Hal ini berkaitan dengan pertumbuhan butir yang terjadi saat proses sintering dan juga karena adana Si yang didopingkan ke dalam struktur HA. Pertumbuhan butir akan mereduksi porositas pada sampel. Sedangkan kaitan kekerasan bahan terhadap konsentrasi doping Si berkaitan dengan bahan yang didopingkan, dalam penelitian ini bahan yang didopingkan adalah Si, dimana Si memiliki kekerasan yang lebih besar dari HA, yaitu 6 mohs, sedangkan HA 5 mohs. Sehingga dapat disimpulkan bahwa ketika Si dimasukkan ke dalam struktur HA maka kekerasan HA akan meningkat. V.
Kesimpulan
Berdasarkan analisis dan pembahasan yang telah dilakukan pada bagian sebelumnya, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: Gambar 7 Hasil Uji SEM SiHA dengan x = 0.8
Data di atas menunjukkan bahwa SiHA dengan konsentrasi doping Si semakin meningkat porositasnya turun. Data pada uji SEM-EDX juga menunjukkan SiHA memiliki rasio Ca/P bervariasi mulai dari 1.8, 2.03, dan 2.19. Rasio Ca/P naik seiring naiknya konsentrasi doping Si yang diberikan. Pada Gambar 8 berikut ditunjukkan hubungan antara naiknya sifat kekerasan pada SiHA, seperti yang terlihat pada gambar 8 berikut :
1. Bertambahnya konsentrasi doping Si yang diberikan memberikan pengaruh terhadap nilai kekerasan (Hardness) hasil sintesis SiHA. Semakin banyak konsentrasi doping Si yang diberikan maka semakin besar pula nilai kekerasan dari SiHA. 2. Bertambahnya konsentrasi doping Si juga memberikan pengaruh pada porositas SiHA hasil sintesis. Semakin banyak konsentrasi doping Si yang diberikan maka akan semakin tertutup porositasnya VII. Referensi Charles, T., P., Kenneth, J., K., dan Joshua, R., L. 2013. Silicon: A Review of Its Potential Role in the Prevention and Treatment of Postmenopausal Osteoporosis. International Journal of Endocrinology. G. Boivin. 2007. The Hydroxyapatite Crystal: A Closer Look. Medicographia. Vol 29, No.2. 127-132.
Gambar Grafik Sifat Kekerasan dan porositas SiHA
Berdasarkan grafik hubungan tersebut terlihat bahwa semakin banyak konsentrasi doping Si yang diberikan pada sampel semakin besar nilai kekerasan yang dimiliki. untuk Nilai
Marchat, D., Zymelka, M., Coelho, C., Gremillard, L., Pottuz, J., L., Babonneau, F., Esnouf, C., Chevalier, J., dan Bernache-Assollant, D. 2013. Accurate Characterization Of Pure SiliconSubstituted Hydroxyapatite Powders Synthesized by A New Precipitation
4
Route. HAL Archives-Ouvertes. Vol. 9. No. 6. 6992-7004. Nayak, K., Amit. 2010. Hydroxyapatite Synthesis Methodologies: An Overview. International Journal of ChemTech Research. Vol.2, No.2. 903-907. Nurmawati, Melly. 2007. Analisis Derajat Kristalinitas, Ukuran Kristal dan Bentuk Partikel Mineral Tulang Manusia Berdasarkan Variasi Umur dan Jenis Tulang. Skripsi. Bogor: Institut Pertanian Bogor. Poinern, G., E., J., Brundavanam, R., H., Le, X., T., dan Fawcett, D. 2012. The Mechanical Properties of a Porous
Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering. Vol. 2. No. 6. 278-286. R. Snyders, D. Music, D. Sigumonrong, dan B. Schelenberger. 2007. Experimental and Ab Initio Study Of The Mechanical Properties Of Hydroxyapatite. Applied Physics Letters : Germany. Yeong, K., C., B., Wang, J., dan Ng, S., J. 2001. Mechanochemical Synthesis Of Nanocrystalline Hydroxyapatite From CaO And CaHPO4. Elsevier Science Ltd. 22. 2705-2712.
5
