Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali
YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA
SEKOLAH PASCASARJANA DEPARTEMEN KIMIA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
2011
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis dengan judul Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali adalah karya saya dengan arahan komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang telah diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Juli 2011
Yustinus Purwamargapratala NIM.G45 1090321.
ABSTRAK YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA. Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali. Dibimbing oleh ZAINAL ALIM MAS’UD dan SUDARYANTO. Hidroksiapatit merupakan bahan biokeramik yang dapat dimanfaatkan untuk bahan implan pengganti tulang. Hidroksiapatit dapat disintesis dari kalsium hidroksida dan asam pospat. Porositas hidroksiapatit dapat dibentuk menggunakan porogen hidrogen peroksida (H 2 O 2 ), polivinil alkohol (PVA), etilin glikol (EG), atau polietilin glikol (PEG). Ukuran pori dapat dikendalikan dengan pengaturan konsentrasi porogen. Hasil karakterisasi menggunakan difraksi sinar-X (XRD) dan fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) menunjukkan bahwa penambahan porogen tidak mengubah struktur fasa hidroksiapatit, namun mengubah ukuran kristalit dan regangan kristalnya. Peningkatan konsentrasi porogen sampai 25% dapat meningkatkan regangan, ukuran kristalit, dan ukuran pori. Derajat kristalinitas pembentukan hidroksiapatit 0,75-0,83. Ukuran pori hidroksiapatit terbentuk 0,3-1,2 µm, pada konsentrasi yang sama, pori terbesar terbentuk pada penambahan porogen polietilin glikol. Hidroksiapatit hasil sintesis dengan penambahan dan tanpa penambahan porogen tidak mengandung logam berat timbal, kadmium, merkuri, dan arsen. Kata Kunci : Hidroksiapatit, Pori
ABSTRACT YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA. Synthesis and Characterization of Hydroxy-apatite with Controlled Pore. Under the direction of ZAINAL ALIM MAS'UD and SUDARYANTO. Hydroxyapatite bioceramics are materials that can be used for bone replacement implant materials. Porosity hydroxyapatite can be formed using porogen hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), polyvinyl alcohol (PVA), ethylene glycol (EG), or polyethylene glycol (PEG). The pore size can be controlled by setting the concentration of porogen. The results of the characterization using X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) showed that the addition of porogen phase does not change the structure of hydroxyapatite, but changing the crystallite size and crystal strain. Increasing the concentration of porogen to 25% can increase the strain, crystallite size, and pore size. The degree of crystallinity of hydroxyapatite formation 0.75-0.83. Hydroxyapatite formed from 0.3 to 1.2 µm pore size, the largest pore is formed on the addition of polyethylene glycol porogen. Hydroxyapatite synthesized by addition and without addition of porogen does not contain heavy metals lead, cadmium, mercury, and arsenic. Keywords : Hydroxyapatite, Pore
RINGKASAN YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA. Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali. Dibimbing oleh ZAINAL ALIM MAS’UD dan SUDARYANTO. Keramik hidroksiapatit dengan rumus kimia Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 dapat digunakan sebagai bahan substitusi untuk tulang buatan. Komposisi kimianya hampir serupa dengan mineral tulang dan gigi, sifat biokompatibilitas ke jaringan tulang sangat baik. Hal ini memenuhi persyaratan sebagai bahan untuk memperbaiki tulang dalam meningkatkan kristalinitas dan stabilitas kimia hidroksiapatit. Material hidroksiapatit telah diterapkan pada implan ortopedi atau gigi dalam bentuk blok, butiran atau lapisan, baik padat atau berpori, meskipun ada peluang resiko infeksi, stabilitas mekanik dan biologis, kompatibilitas, penyimpanan dan biaya. Kini penelitian dikembangkan untuk biokeramik hidroksiapatit dengan morfologi berpori. Hidroksiapatit berpori menghasilkan ikatan tulang yang kuat. Poripori memberikan tautan mekanik yang menyebabkan fiksasi kuat dari material, jaringan tulang tumbuh, dan meningkatkan kekuatan implan hidroksiapatit. Dimensi dan morfologi pori-pori merupakan faktor penting untuk osteointegration yang baik. Implan berpori diharapkan memiliki kesalingterkaitan (interkonektivitas) dari poripori untuk penetrasi sel osteoblas seperti kekasaran permukaan di dalam pori-pori. Hidroksiapatit dapat disintesis dengan metode hydrothermal, solid state reaction, presipitasi, dan solgel. Pada penelitian ini digunakan metode presipitasi dengan mereaksikan kalsium hidroksida dan asam fosfat, kemudian dilakukan pengaturan keasaman menggunakan ammonia. Pembentukan pori dilakukan dengan penambahan porogen hidrogen peroksida (H 2 O 2 ), polivinil alkohol (PVA), etilin glikol (EG), atau polietilin glikol (PEG) dengan konsentrasi penambahan porogen masing-masing 5, 10, 15, 20, 25 %. Kemudian dilakukan pemanasan secara bertahap 100, 300, 600, dan dan 900 oC masing-masing dilakukan selama 2 jam. Hasil analisis XRD memperlihatkan bahwa puncak utama pola difraksi sampel sesuai dengan standar hidroksiapatit JCPDF kode PDF # 011008 dan pola difraksi dari produk pabrikan Aldrich nomor katalog 574791, hal ini diperkuat dengan hasil analisis FTIR. Hasil karakterisasi sampel hasil sintering menggunakan difraksi sinar-X (XRD) dan fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) menunjukkan bahwa penambahan porogen tidak merubah struktur fasa hidroksiapatit, namun mengubah ukuran kristalit dan regangan kristalnya. Peningkatan konsentrasi porogen sampai 25% dapat meningkatkan regangan, ukuran kristalit, dan ukuran pori. Derajat kristalinitas pembentukan hidroksiapatit 0,75-0,83 dan ukuran pori hidroksiapatit terbentuk 0,3-1,2 µm. Pada konsentrasi yang sama, pori terbesar terbentuk pada penambahan porogen polietilin glikol. Hidroksiapatit hasil sintesis dengan penambahan dan tanpa penambahan porogen tidak mengandung logam berat timbal, kadmium, merkuri, dan arsen.
© Hak cipta milik IPB, tahun 2011 Hak cipta dilindungi undang-undang 1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumber a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan, atau makalah. b. Pengutipan tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB. 2. dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB.
Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali
YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Kimia
SEKOLAH PASCASARJANA DEPARTEMEN KIMIA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR
2011
Penguji Luar Komisi Pada Ujian Tesis : Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, M.T.
Judul Tesis Nama NRP
:Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali : Yustinus Purwamargapratala : G451090321
Disetujui Komisi Pembimbing
DR. Zainal Alim Mas’ud, DEA Ketua
DR. Sudaryanto, M.Eng Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi S2 Kimia
Dekan Sekolah Pascasarjana
Prof. Dr. Purwantiningsih, M.S.
Dr.Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr.
Tanggal Ujian : 27 Juli 2011
Tanggal Lulus :
PRAKATA Puji syukur kepada Tuhan Yang Mahaesa yang telah melimpahkan rahmatNya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Desember 2010 ialah pengembangan sintesis dan karakterisasi, dengan judul Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali. Penulis mengucapkan terima kasih kepada yang terhormat DR. Zainal Alim Mas’ud, DEA dan DR. Sudaryanto, M.Eng yang berkenan membimbing dalam penyusunan proposal dan pelaksanaan penelitian ini. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Bapak Antonius Sapto Rahardjo sekeluarga yang berkenan memberikan bantuan biaya pendidikan selama studi di Pascasarjana IPB; Ir.Iman Kuntoro selaku Kepala Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir dan Drs. Saeful Yusuf, M.T. selaku Kepala Bidang Karakterisasi dan Analisis Nuklir; DR. Ki Agus Dahlan, Drs. Sulistioso Giat Sukaryo, M.T., dan DR.Setyo Purwanto, M.Eng yang berkenan memberikan gagasan dan saran-saran yang bermanfaat dalam pelaksanaan penelitian ini; Ir.Th.Rina Mulyaningsih, M.Sc, Dra.Deswita, Yosef Sarwanto S.T, Alfian S.T., Maskur, S.T. yang telah banyak membantu dalam pelaksanaan penelitian, Ahmad Zakaria S.Pd, Dra. Fitri Amalia dan Ibu Rustinah yang selalu menyemangati dalam perjuangan ini. Ungkapan terima kasih juga ditujukan kepada kedua orang tuaku Bapak F.Karsidi dan Ibu S.Mujirah, istriku Sri Joharyani, S.Pd., anakku tercinta Kornelius Jonathan Albin dan Maria Griselda Benita atas segala doa dan perhatiannya, terima kasih juga kepada teman-teman sejawat di BKAN-PTBIN, PPG St.Ambrosius, dan semua yang telah berbagi semangat dan perhatian. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat di bidang ilmu pengetahuan bagi bangsa dan negara Republik Indonesia tercinta.
Bogor, Juli 2011
Yustinus Purwamargapratala
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Yogyakarta pada tanggal 8 April 1966 sebagai anak pertama dari pasangan Franxiscus a Paula Karsidi dan Stefani Mujirah. Pernah menyelesaikan pendidikan di SDN Gedong Kuning I Yogyakarta (1979), SMP Pangudiluhur Yogyakarta (1982), Sekolah Teknologi Menengah Atas Yoyakarta (1985). Setelah lulus dari Pendidikan Ahli Teknik Nuklir Yogyakarta, (1989-1992) melanjutkan di Fakultas Teknik Univeristas Indonesia Depok, tahun 1999-2001. Pada tahun 2009,
penulis diterima sebagai mahasiswa Program Studi Kimia Sekolah
Pascasarjana Istitut Pertanian Bogor. Penulis bekerja sebagai peneliti pada Bidang Karakterisasi dan Analisis Nuklir, Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional.
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL …………………………………………………………
i
DAFTAR GAMBAR………………………………………………………
ii
DAFTAR LAMPIRAN…………………………………………………….
iii
PENDAHULUAN…………………………………………………………
1
Latar Belakang ………………………………………………………..
1
Tujuan Penelitian……………………………………………………….
2
Hipotesis………………………………………………………………..
2
Manfaat Penelitian………………………………………………………
2
TINJAUAN PUSTAKA……………………………………………………
3
Aplikasi HA Berpori
3
Persyaratan Karakteristik Fisik HA Berpori untuk Tulang Pengganti
5
Pembentukan Hidroksiapatit Berpori …………………………………
6
METODE PENELITIAN………………………………………………….
8
Tempat dan Waktu Penelitian………………………………………….
8
Alat dan Bahan…………………………………………………………
8
Tara Kerja………………………………………………………………
8
HASIL DAN PEMBAHASAN…………………………………………… SIMPULAN ……………...………………………………………………..
11 27
DAFTAR PUSTAKA ……………………………………………………..
28
LAMPIRAN……………………………………………………………….
30
DAFTAR TABEL Halaman 1. Matriks kode sampel hidroksiapatit diporosi dan tidak diporosi dengan porogen ……………………………………………….
10
2. Nilai ambang batas kandungann logam berat tulang …………
22
DAFTAR GAMBAR Halaman
1.
Butiran hidroksiapatit …………………………………………
4
2.
Observasi SEM morfologi HA berpori dengan gradien porositas
6
3.
Diagram alir sintesa dan karakterisasi hidroksiapatit berpori
9
4.
Hidroksiapatit hasil sintesis tanpa dan dengan hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol
5
10
Morfologi scanning electron microscope (SEM) hidroksiapatit hasil sintesis……………………………………………………..
11
6
Penentuan ukuran pori metode Intecept Heyn……………………
12
7
Pengaruh jenis dan konsentrasi porogen terhadap ukuran pori.
13
8
Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit hasil sintesis dan Adrich 574791……………………………………………………………
9
Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit dengan penambahan polivil alkohol …………………………………………………………..
10
15
Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit dengan penambahan etilin glikol ……………………………………………………………
12
15
Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit dengan penambahan hydrogen peroksida …………………………………………….
11
14
16
Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit dengan penambahan polietilin glikol………………………………………………….
16
13
Kurva hubungan β cos θ.λ−1 dan sin θ.λ−1 ..................................
18
14
Pengaruh jenis dan kosentrasi porogen terhadap ukuran kristalit
19
hidroksiapatit…………………………………………………….. 15
Pengaruh jenis dan kosentrasi porogen terhadap regangan hidroksiapatit…………………………………………………….
16
Pengaruh regangan terhadap ukuran kristalit hidroksiapatit pada
19
penambahan porogen ………………………………………….. 17
20
Pengaruh konsentrasi terhadap kristalinitas hidroksiapatit pada penambahan porogen …………………………………………..
21
18
Spektrum FTIR hidroksiapatit …………………………..………….
22
19
Spektrum FTIR hidroksiapatit hasil sintesis dengan penambahan
23
porogen sebelum sintering……………………………………… 20
Spektrum FTIR hidroksiapatit hasil sintesis dengan penambahan
23
porogen setelah sintering………………………………………. 21
Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah hidrogen peroksida. …………………………………………………………….
22
Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah polivinil alkohol
23
24
25
25
Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah etilin glikol …………………………………………………………...
26
Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah
26
polietilin glikol ………………………………………………… 25
Peralatan Proses Sintesis dan Karakterisasi ……………………
30
26
Observasi morfologi SEM dengan penambahan polivinil alkohol
31
27
Observasi morfologi SEM hidroksiapatit dengan penambahan etilin glikol ………………………………………………
28
Observasi morfologi SEM hidroksiapatit dengan penambahan polietilin glikol ………………………………………………
29
30
32
33
Observasi morfologo SEM hidroksiapatit dengan penambahan hidrogen peroksida ………………………………………………
34
Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit PDF # 011008 JCPDS
35
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1
Peralatan Proses Sintesis dan Karakterisasi ……………………
30
2
Observasi morfologi SEM dengan penambahan polivinil alkohol
31
3
Observasi morfologi SEM hidroksiapatit dengan penambahan etilin glikol ………………………………………………
4
Observasi morfologi SEM hidroksiapatit dengan penambahan polietilin glikol ………………………………………………
5
6
32
33
Observasi morfologo SEM hidroksiapatit dengan penambahan hidrogen peroksida ………………………………………………
34
Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit PDF # 011008 JCPDS
35
PENDAHULUAN
Latar Belakang Keramik hidroksiapatit dapat digunakan sebagai bahan substitusi untuk tulang buatan (Nasim, 2010). Komposisi kimianya hampir serupa dengan mineral tulang dan gigi, sifat biokompatibilitas ke jaringan tulang sangat baik. Hal ini memenuhi persyaratan sebagai bahan untuk memperbaiki tulang (Jeffrey et al. 2010) dalam meningkatkan kristalinitas dan stabilitas kimia hidroksiapatit (Gabriela, 2001). Material hidroksiapatit telah diterapkan pada implan ortopedi atau gigi dalam bentuk blok, butiran atau lapisan, baik padat atau berpori, meskipun ada peluang resiko infeksi, stabilitas mekanik dan biologis, kompatibilitas, penyimpanan dan biaya. Kini penelitian dikembangkan untuk biokeramik hidroksiapatit dengan morfologi berpori. Hidroksiapatit berpori menghasilkan ikatan tulang yang kuat. Pori-pori memberikan tautan mekanik yang menyebabkan fiksasi kuat dari material, jaringan tulang tumbuh, dan meningkatkan kekuatan implan hidroksiapatit. Dimensi dan morfologi pori-pori merupakan faktor penting untuk osteointegration yang baik (Toibah dan Iis, 2008). Implan berpori diharapkan memiliki kesalingterkaitan (interkonektivitas) dari poripori untuk penetrasi sel osteoblas seperti kekasaran permukaan di dalam pori-pori. Pori yang lebih besar akan mengurangi kekuatan mekanis implan maka biasanya implan hidroksiapatit berpori tidak dapat untuk beban berat dan digunakan hanya untuk mengisi cacat tulang kecil. Dengan demikian diperlukan pengendalian ukuran pori sehingga didapatkan hidroksiapatit dengan ukuran pori dan kekuatan mekanis sesuai dengan kebutuhan. Karakteristik fisik yang diperoleh dalam pengembangan keramik berpori untuk pengganti tulang dan gigi tergantung pada volume pori dari biomaterial, serta rata-rata ukuran pori dan interkoneksi. Hidroksiapatit hasil sintesis diharapkan mempunyai tingkat kemurnian setinggi mungkin dengan kandungan logam berat seperti timbal, cadmium, merkuri, dan arsen dipersyaratkan tidak melebihi ambang batas.
Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk sintesis hidroksiapatit berpori dengan pori terkendali yang terkarakterisasi, dengan menggunakan porogen berupa hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, dan polietilin glikol.
Hipotesis Hidroksiapatit berpori dapat disintesis melalui reaksi kalsium hidroksida dan asam fosfat pada pH 10 dengan penambahan zat porogen dan perlakuan panas sampai 900 oC, pori yang terbentuk dapat dikendalikan dengan pengaturan konsentrasi porogen. Zat porogen yang digunakan adalah hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, dan polietilin glikol. Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat diketahui hubungan antara jenis dan konsentrasi porogen yang digunakan dalam pembentukan hidroksiapatit berpori serta karakteristiknya. Diharapkan dapat memberi informasi penting berkaitan dengan penggunaan hidroksiapatit berpori khususnya di bidang kesehatan, farmakologi, dan biologi.
TINJAUAN PUSTAKA
Aplikasi Hidroksiapatit Berpori Hidroksiapatit berpori digunakan untuk loading sel (Javier et al. 2010), pelepas obat (drug releasing agents) (Ruixue et al. 2008), analisis kromatografi (Ferraz et al. 2006), jaringan keras scaffolds (Hassna et al. 2003), dan berbagai produk sel terapi seperti hormon, enzim, vaksin, dan asam nukleat yang dapat meningkatkan teknologi diagnosis dan pengobatan penyakit manusia, serta pemeliharaan dan penumbuhan sel mamalia secara in vitro. Keramik hidroksiapatit berpori sangat berguna dalam sistem pengiriman obat, pelepasan obat yang lambat, lokal, dan berkelanjutan untuk berbagai pengobatan penyakit. Keramik hidroksiapatit berpori dapat mengontrol sistem pengiriman obat tulang karena sifat fisikokimia dan sifat biologinya (Lakshmi dan Cato 2005). Kebutuhan kapsul keramik diperlukan untuk mengendalikan pelepasan obat pada penyakit kronis atau pada tindakan bedah lokal. (Thibaud et al. 2006). Fluks suatu zat di lapisan berpori dipengaruhi kelarutan fisiologis dalam cairan tubuh dan atau ikatan kimia yang dibentuk oleh molekul dengan dinding poripori (Werner et al. 2008). Beberapa penelitian telah dilakukan dengan berbagai jenis kalsium fosfat berpori untuk pengiriman obat. Telah pula dilakukan penelitian hidroksiapatit berpori dengan derajat porositas bimodal (60% dan 40%) sebagai bahan pengiriman obat untuk obat-obatan anti inflamasi (Lee et al. 2010). Bahan lain dengan porositas bimodal telah digunakan untuk bahan pengiriman terkontrol anti-radang, hidrokortison asetat (Tsuyoshi et al. 2007). Telah dikembangkan pula butiran hidroksiapatit berpori dan butiran hidroksiapatit berfluor yang diaplikasikan untuk sistem pengiriman obat tulang. Juga diketahui bahwa penggabungan ion fluoride ke dalam struktur hidroksiapatit dapat merangsang proliferasi sel tulang dan meningkatkan deposisi mineral baru dalam tulang cancellous. hidroksiapatit berfluor juga menunjukkan integrasi yang baik di jaringan tulang dan waktu resorpsi lebih lama daripada kalsium fosfat konvensional. Pada aplikasi biomedis lebih disukai
hidroksiapatit berbentuk bulat untuk menghilangkan reaksi peradangan pada jaringan halus tubuh.
Gambar 1. Butiran hidroksiapatit (Toibah dan Iis. et al. 2007). Penelitian mengenai sistem pengiriman obat tulang mengembangkan penggunaan keramik kalsium fosfat berpori yang terikat dengan antibiotik melalui matriks polimer yang dapat dibiodegradasi. Penggunaan polimer biodegradabel berguna untuk memperoleh bahan pengiriman dan pelepasan obat tulang terkontrol. Banyak jenis polimer biodegradable yang telah digunakan untuk tujuan ini misalnya gelatin, albumin, dan polylactic glycol acid (PLGA). Hidroksiapatit berpori telah lama digunakan untuk pengganti tulang buatan. Tujuan utama dari teknik jaringan adalah perbaikan, regenerasi, dan rekonstruksi dari jaringan yang hilang, rusak atau degeneratif jaringan. Meskipun jaringan tulang mempunyai kemampuan regenerasi sendiri yang sangat baik, namun proses penyembuhan tulang akan sulit untuk cacat tulang yang besar maka perlu melalui pencangkokan. Dengan demikian sangat penting untuk menyesuaikan sifat osteokonduktif pori keramik dengan osteoinduktif atau sifat osteogenik dari sel-sel tulang hidup. Tingkat degradasi implan hampir sama dengan kecepatan pembentukan jaringan, oleh karena itu aspek penting dalam pengembangan tulang dan bahan organ pengganti adalah pembuatan matriks pendukung atau scaffold, morfologi, struktur mikro
dan
makroskopik
biokompatibilitas, biodegradasi.
termasuk
osteokonduktivitas,
ukuran kekuatan
pori,
interkonektivitas
mekanik,
dan
pori,
kemampuan
Hasil analisis histologis osteokonduksi in vivo hidroksiapatit berpori menunjukkan bahwa dalam waktu enam minggu setelah implantasi tulang terjadi pertumbuhan dalam seluruh bagian hidroksiapatit berpori dan diikuti dengan peningkatan kekuatan tekan hidroksiapatit berpori. Penelitian menunjukkan bahwa formasi tulang awal dalam pori dapat dilihat setelah dua minggu implantasi, dan bahkan pada delapan minggu setelah implantasi volume tulang membesar terdeteksi di daerah tengah implan. Kombinasi hidroksiapatit berpori dan sel batang mesenchymal berpeluang untuk pengganti cangkok tulang yang sesuai karena sifat mekanis dan kemampuan merangsang pembentukan tulang yang baik.
Persyaratan Karakteristik Fisik Hidroksiapatit Berpori untuk Tulang Pengganti Pengembangan bahan pengganti tulang berpori ditujukan untuk meniru struktur mikro dan berpori dari mineral tulang hidup (Yarlagadda et al. 2005). Keramik makrobioaktif dan mikropori mempunyai luas permukaan yang besar dan memberi kontak osteogenesis yang sesuai. Hal ini untuk mencegah gangguan formasi jaringan ikat yang akan menghambat stabilitas jangka panjang dari implan. Karakteristik fisik hidroksiapatit berpori meliputi tingkat porositas, distribusi ukuran pori, morfologi dan orientasi pori, dan pengaruh interkonektivitas penetrasi pori tulang dalam implan (Nasim et al. 2010). Karakteristik pori sangat penting dalam tulang karena memiliki korelasi dengan derajat
pertumbuhan tulang, terutama
porositas, distribusi ukuran pori, morfologi dan orientasi pori, serta tingkat interkonektivitas pori. Pori interkonektivitas memungkinkan sirkulasi dan pertukaran cairan tubuh, difusi ion, pasokan gizi, penetrasi sel osteoblas, dan vaskularisasi. Selain hidroksiapatit berpori konvensional, telah dikembangkan pula keramik berpori dengan distribusi ukuran pori bimodal (Toibah dan Iis 2008] atau bahkan keramik berpori dengan gradien porositas untuk merangsang struktur bimodal dari tulang alami (Young et al. 2010).
Gambar 2. Observasi SEM morfologi hidroksiapatit berpori dengan gradien porositas (Toibah dan Iis 2007). Pembentukan Hidroksiapatit Berpori Terdapat beberapa metode yang dapat digunakan untuk pembentukan hidroksiapatit berpori , antara lain sebagai berikut : 1. Pembentukan struktur berpori menggunakan partikel volatile yang dapat membentuk pori ketika terjadi pembakaran selama sintering 2. Pembentukan struktur berpori melalui pencampuran dengan porogens yang larut dalam air dengan bubuk hidroksiapatit tanpa proses sintering 3. Konversi kerangka karang laut dan tulang alami 4. Teknik keramik berbusa 5. Metode polimer sponge Reaksi pembentukan hidroksiapatit yang melibatkan reaksi antara asam (H 3 PO 4 ) dan basa (Ca(OH) 2 ) antara lain sebagai berikut : 10Ca(OH) 2 + 6H 3 PO 4
Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 18H 2 O
Berbagai jenis pereaksi dapat digunakan untuk membuat pori misalnya parafin, naftalena, karbon, pati, tepung, atau polimer sintetik yang dicampur dengan serbuk hidroksiapatit atau suspensinya. Pori dapat terbentuk ketika dilakukan sintering, partikel porogen yang terjebak akan meninggalkan hidroksiapatit sehingga membentuk pori.
Cara ini memungkinkan pengendalian langsung terhadap
karakteristik pori dari fraksi, ukuran, morfologi, dan distribusi sesuai dengan zat
porogen yang digunakan. Keramik berpori yang diperoleh dengan metode ini biasanya berukuran pori diameter 0,1-5000 µm (Toibah dan Iis 2008). Pada penelitian ini akan digunakan metode pembentukan struktur berpori hidroksiapatit menggunakan partikel volatile. Komponen pembentuk hidroksiapatit berupa kalsium hidroksida dan asam fosfat, direaksikan pada suhu dan pH tertentu. Endapan hidroksiapatit yang terbentuk kemudian ditambah zat porogen, pembentuk pori, dengan konsentrasi dan jenis yang divariasi. Porogen yang digunakan adalah hidrogen peroksida, polivinil alcohol, etilin glikol, dan polietilin glikol. Dengan perlakuan pemanasan bertahap 100, 300, 600, dan 900 oC diharapkan terbentuk hidroksiapatit berpori dengan ukuran pori yang bervariasi secara karakteristik untuk jenis dan konsentrasi porogen tertentu.
METODE PENELITIAN
Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian ini dilakukan di Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir BATAN. Waktu pelaksanaan penelitian berlangsung dari bulan Desember 2010 - Mei 2011. Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain : alat-alat gelas, pengaduk dan pemanas magnet, oven, furnace, hydraulic press, difraktometer sinar-X (XRD) Philips PW 1710, scanning electromicroscope (SEM) Philips 515., analisis aktivasi neutron (AAN), fourier transform infra red (FTIR) Jasco 410. Bahan-bahan yang digunakan antara lain asam fosfat, kalsium oksida, ammonia, hidrogen peroksida (H 2 O 2 ) 25 %, polivinil alkohol 72000 (PVA), etilin glikol (EG), polietilin glikol (PEG) 400. Tata Kerja Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Berpori Sebanyak 500 ml asam fosfat 0,3 M direaksikan dengan 500 ml kalsium hidroksida 0,5 M dengan pengaduk dan pemanas magnet pada suhu 60 oC selama 2 jam. Campuran ditambah ammonia 25 % secara bertetes-tetes dengan titrator sampai pH 10, sambil diaduk dan dipanaskan. Disiapkan juga larutan A (porogen hidrogen peroksida 25 %), larutan B (polivinil alkohol 25 %), larutan C (etilin glikol 25 %), dan larutan D (polietilin glikol 25 %). Campuran yang dihasilkan didiamkan selama 24 jam pada suhu kamar kemudian didekantasi. Suspensi yang dihasilkan ditambah dengan larutan porogen sehingga didapatkan suspensi dengan komposisi 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, dan 25 % volume A, demikian pula untuk porogen B, C, dan D. Pencampuran dilakukan dengan pengaduk pemanas magnet pada suhu 60 oC selama 2 jam. Dilakukan pengeringan pada suhu 100 oC, pirolisis 300 oC, dan kalsinasi 600 oC masing-masing selama 2 jam. Serbuk kering yang dihasilkan ditimbang masing-masing 3 gr dan dikompaksi dengan diameter 2 cm. Pelet yang dihasilkan disintering dengan furnace 900 oC
selama 2 jam. Hasil sintering dikarakterisasi dengan difraktometer sinar-X (XRD), scanning electromicroscope (SEM), fourier transform infra red (FTIR), analisis aktivasi neutron (AAN).
Sintesis hidroksiapatit berpori dilakukan sesuai diagram alir Gambar 3 sebagai berikut :
Asam Phosphat 0,3 M
Kalsium Hidroksida 0,5 M
Pengadukan
Amonia 25 %
Presipitasi Dekantasi
Porogen : PVA, EG, H2O2, PEG
Pencampuran
Pengeringan
100 oC 2 jam
Pirolisis
300 oC 2 jam
Kalsinasi
600 oC 2 jam
Kompaksi Sintering
900 oC 2 jam
Hidroksiapatit Berpori
Gambar 3. Diagram alir sintesis dan karakterisasi hidroksiapatit berpori.
Gambar 4. Hidroksiapatit hasil sintesis tidak menggunakan dan menggunakan porogen hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol. Matrik kode sampel hasil sintesis hidroksiapatit diporosi dan tidak diporosi ditunjukkan pada Table 1. Tabel 1. Matriks kode sampel hidroksiapatit diporosi dan tidak diporosi dengan porogen. Porogen
Konsentrasi Porogen (%) v/v 0
5
10
15
20
25
Hidrogen Peroksida
HS
H5
H10
H15
H20
H25
Polivinil Alkohol
HS
A5
A10
A15
A20
A25
Etilin Glikol
HS
EG5
EG10
EG15
EG20
EG25
Polietilin Glikol
HS
PEG5
PEG10
PEG15
PEG20
PEG25
Keterangan : Sampel dengan kode H15 berarti hidroksiapatit hasil sintesis dari suspensi hidroksiapatit ditambah dengan larutan A (hidrogen peroksida 25 %) sehingga didapatkan konsentrasi larutan A = 15 % v/v, HS adalah kode untuk hidroksiapatit yang tidak ditambah porogen.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Analisis Morfologi Analisis
struktur
mikro
dilakukan
dengan
menggunakan
Scanning
Electromicroscope (SEM) Philips 515 dengan perbesaran 10000 kali. Gambar 5. menunjukkan morfologi hidroksiapatit hasil sintesis. Terlihat bahwa bentuk partikel, ukuran butir, ukuran pori, dan distribusinya tidak homogen. Dalam aplikasinya sebagai pengganti tulang keadaan tersebut tidak menguntungkan dalam pertimbangan modifikasi pembentukan tulang pengganti dan kekuatan mekaniknya (Toibah A dan Iis S 2008). Untuk itu perlu dilakukan pengontrolan agar didapatkan bentuk partikel, ukuran butir, ukuran pori, dan distribusinya yang homogen.
Pori
Gambar 5. Morfologi scanning electron microscope (SEM) hidroksiapatit hasil sintesis. Morfologi hidroksiapatit dengan penambahan porogen hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol dengan konsentrasi yang divariasi 5, 10, 15, 20, dan 25 % (lampiran 1) teramati bahwa distribusi dan ukuran pori adalah homogen dan terdapat interkoneksi. Pori terbentuk akibat adanya kekosongan ruang karena peregangan dan pelepasan partikel porogen dari jebakan partikel hidroksiapatit akibat pemanasan. Sedangkan interkoneksi pori terbentuk dari proses pelepasan partikel porogen menuju ke permukaan material atau menuju pori yang lain. Ukuran
pori dapat diketahui dengan menghitung diameter pori menggunakan metode Intercept Heyn. Ukuran pori dihitung dengan rumus : ………………………………….1
………………………………..2 n = jumlah pori dalam lingkaran A = luas lingkaran G = ukuran pori
Gambar 6. Penentuan ukuran pori metode Intecept Heyn Hasil hitung menggunakan persamaan Hyen terhadap hidroksiapatit dengan penambahan porogen hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol dengan konsentrasi yang divariasi 5, 10, 15, 20, dan 25 % ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7. Pengaruh jenis dan konsentrasi porogen terhadap ukuran pori. a. HAP+H
b. HAP+PVA
c. HAP+EG
d. HAP+PEG
Gambar 7. menunjukkan bahwa penambahan porogen dapat meningkatkan ukuran pori hidroksiapatit. Hidroksiapatit tanpa penambahan porogen berukuran rerata 0,2 µm, dan akan meningkat sampai 1,15 µm pada penambahan porogen sampai konsentrasi 25%. Porogen polietilen glikol akan menghasilkan ukuran pori terbesar yaitu sampai 1,15 µm, dibandingkan etilin glikol 0,9 µm, polivinil alcohol 0,55 µm, dan hidrogen peroksida 0,5 µm, untuk konsentrasi yang sama. Hal ini terjadi karena polietilin glikol mempunyai massa molekul yang besar dari pada etilin glikol dan hidrogen peroksida. Namun demikian, meskipun polivinil alkohol bermassa molekul yang besar tetapi mempunyai titik nyala yang lebih rendah yaitu 79,44 oC dibandingkan polietilin glikol 287 oC, sehingga ketika proses pemanasan mengalami penyusutan ukuran pori yang lebih besar. Akibatnya ukuran pori yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan ukuran pori hidroksiapatit dengan penambahan porogen polietilin glikol.. Untuk mengetahui stuktur mikro dari hidroksiapatit hasil sintesis tanpa penambahan porogen dan dengan penambahan porogen maka dilakukan analisis fasa menggunakan difraksi sinar-X, disamping itu dapat ditentukan juga fasa lain yang terbentuk atau fasa kontaminan dari hidroksiapatit.
Analisis struktur mikro menggunakan difraksi sinar-X dilakukan terhadap hidroksiapatit produk Aldrich nomor katalog 574791, sampel hasil sintesis tanpa penambahan porogen dan dengan penambahan porogen hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol dengan variasi konsentrasi. Data hasil pengukuran dibandingkan dengan data base JCPDS (Joint Committee on Powder Difraction Standards), dengan kode PDF # 011008 (lampiran 3). Lampiran 3. menunjukkan puncak-puncak difraksi sinar-X hidroksiapatit dari PDF #011008 dengan puncak tertinggi pada 2θ : 32,054o; 25,879o; 49.496o; 46,788o; 53,546o; 39,672o; 72,030o; dan 64.177o.
Gambar 8. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit a. Hasil sintesis. b. Aldrich nomor katalog 574791 Gambar
8
menunjukkan
bahwa
hidroksiapatit
hasil
sintesis,
yang
diidentifikasi berdasarkan kedudukan puncak 2θ, mempunyai pola difraksi yang sama dengan hidroksiapatit produksi Aldrich dan sesuai pula dengan pola difraksi rujukan JCPDS (Joint Committee on Powder Difraction Standards) yaitu PDF #0110088. Hal ini menegaskan bahwa hidroksiapatit dapat berhasil disintesis menggunakan metode ini. Namun demikian masih terdapat fasa lain yaitu CaCO 3 ,
meskipun dalam intensitas kecil, yang terbentuk karena adanya kalsium yang belum bereaksi membentuk hidroksiapatit. Pada Gambar 9-12 diperlihatkan pola difraksi sinar-X dari hidroksiapatit menggunakan porogen hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol dengan variasi konsentrasi porogen.
f e d c b a
Gambar 9. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit a. tanpa dan penambahan polivil alkohol b. 5 %, c. 10 %, d. 15 %, e. 20 %, f. 25 %
f e d c b a
Gambar 10. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit a. tanpa dan penambahan hidrogen peroksida b. 5%, c. 10%, d. 15%, e. 20%, f. 25%
f e d c b a
Gambar 11. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit. a. tanpa dan penambahan etilin glikol : b. 5 %, c. 10 %, d. 15 %, e. 20 %, f. 25 %
f e d c b a
Gambar 12 Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit. a. tanpa dan polietilin glikol : b. 5%, c. 10%, d. 15%, e. 20%, f. 25%
Pola difraksi sinar-X pada Gambar 9-12 menunjukkan bahwa struktur kristal hidroksiapatit hasil sintesis dengan penambahan dan tanpa penambahan porogen mempunyai pola difraksi yang sama. Hal ini terjadi pada hidroksiapatit dengan penambahan porogen hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol. Masing-masing porogen mempunyai titik didih sebesar 152 oC (hidrogen peroksida);
228 oC (polivinil alkohol); 197,6 oC (etilin glikol); dan 200 oC (polietilin glikol). Pada proses pemanasan sampai 100 oC diharapkan terjadi pelepasan air pelarut, pada suhu 300 oC terjadi penguapan porogen namun demikian kemungkinan masih terjebak diantara partikel hidroksiapatit, sehingga pada pemanasan 600 oC molekul-molekul tersebut dapat terlepas dari penjebakan molekul hidroksiapatit, pelepasan ini mengakibatkan timbulnya pori antar partikel
hidroksiapatit. Proses sintering yang dilakukan pada suhu 900
o
C terjadi
pembentukan fasa hidroksiapatit. Dengan demikian pada saat dilakukan pemanasan sampai suhu sintering semua porogen terlepas dari hidroksiapatit, sehingga tidak mengandung porogen lagi.
Pola difraksi sinar-X pada Gambar 9 menunjukkan bahwa hidroksiapatit hasil sintesis dengan penambahan porogen polivinil alkohol (PVA) mempunyai pola difraksi yang sama dengan hidroksiapatit tanpa porogen, namun demikian terjadi pergeseran puncak-puncak difraksi dengan pola pergeseran yang sama ke arah kiri (sudut difraksi menjadi lebih kecil). Fenomena ini terjadi pula pada penggunaan porogen etilin glikol, hydrogen peroksida, dan polietilin glikol, Gambar 10-12. Pergeseran ini terjadi akibat adanya regangan kisi kristal hidroksiapatit sehingga jarak antar kisi semakin membesar. Regangan kisi dapat disebabkan adanya intertisi porogen pada struktur hidroksiapatit, yang karena pemanasan maka membentuk pori sehingga jarak kisi membesar (meregang). Pergeseran puncak semakin membesar pada penambahan konsentrasi porogen polivinil alkohol sampai 25 %, hal ini berkaitan dengan persamaan Bragg Angels : β cos θ.λ−1 = 2 η sin θ.λ−1 + 0,94 D-1 β = lebar puncak difraksi pada FWHM (radian) θ = sudut Bragg (derajat) λ = panjang gelombang sinar-X = 1,5406 Å D= ukuran kristalit (Å) η = regangan kisi
Dengan membuat kurva hubungan β cos θ.λ−1 versus sin θ.λ−1 (Gambar 13.) maka dapat ditentukan nilai regangan kisi (η) dan ukuran kristalit (D) berdasarkan nilai intersep dan konstanta.
η = 0.9631/2 D = 0,94/0,1408
Gambar 13. Kurva hubungan β cos θ.λ−1 dan sin θ.λ−1
Nilai regangan kisi dan ukuran kristalit ditunjukkan pada Gambar 14-15. Gambar 14-15. memperlihatkan bahwa kenaikan konsentrasi porogen dapat meningkatkan ukuran kristalit dan regangan kisi. Untuk konsentrasi porogen yang sama, hidroksiapatit dengan penambahan porogen etilin glikol mempunyai ukuran kristalit paling kecil sedangkan dengan penambahan polietilin glikol mempunyai ukuran terbesar. Demikian pula regangan hidroksiapatit dengan porogen polivinil alkohol adalah terkecil dan dengan polietilin glikol mempunyai regangan terbesar. Hal ini menunjukkan bahwa porogen dengan molekul yang lebih besar akan menghasilkan volume intertisi yang lebih besar pula, akibatnya regangan dan ukuran kristalit yang dihasilkan juga lebih besar. Perbesaran ukuran kristalit dipengaruhi oleh perbesaran regangan hidroksiapatit, semakin besar regangan maka semakin besar pula ukuran kristalit. seperti diperlihatkan pada Gambar 16.
d
c b a
Gambar 14. Pengaruh jenis dan kosentrasi porogen terhadap ukuran kristalit hidroksiapatit : a. etilin glikol b. hidrogen peroksida c. polivinil alkohol d. polietilin glikol
d
c b a
Gambar 15. Pengaruh jenis dan kosentrasi porogen terhadap regangan hidroksiapatit a. etilin glikol b. hidrogen peroksida c. polivinil alkohol d. polietilin glikol
Gambar 16. Pengaruh regangan terhadap ukuran kristalit hidroksiapatit pada penambahan porogen. Kristalinitas menunjukkan besarnya fraksi fasa dalam suatu bahan, hal ini menunjukkan tingkat keteraturan fasa dalam bahan. Derajad kristalinitas dihitung dengan membandingkan luas fraksi suatu fasa terhadap jumlah fasa lain dan amorf dalam bahan. Gambar 17 menunjukkan bahwa penambahan porogen sampai 25 % akan menurunkan kristalinitas hidroksiapatit. Hal ini
terjadi pada penggunaan semua
porogen. Namun demikian pada penambahan porogen hidrogen peroksida akan menghasilkann kristalinitas yang paling tinggi dibandingkan kristalinitas yang dihasilkan pada penambahan porogen lain untuk konsentrasi yang sama, sedangkan penambahan etilin glikol menghasilkan kristalinitas paling kecil sampai 20%. Hal ini terjadi karena gugus OH- dari hidrogen peroksida mempromosikan pembentukan struktur kristal hidroksiapatit (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 sehingga lebih mudah terbentuk. Sedangkan porogen polivinil alkohol, etilin glikol, dan polietilin glikol cenderung
menghalangi
pembentukan
kristal
hidroksiapatit,
akibatnya
fraksi
kristal
hidroksiapatit terbentuk pun akan sedikit.
Gambar 17. Pengaruh konsentrasi terhadap kristalinitas hidroksiapatit pada penambahan porogen.
Analisis Struktur Molekul Analisis struktur molekul dilakukan dengan menggunakan fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Spektrum FTIR hidroksiapatit produk Aldrich nomor katalog 574791 sebagai standar ditunjukkan pada Gambar 18. Pita serapan PO 4 3ditunjukkan dengan bilangan gelombang 584 cm-1, 1038 cm-1, 1045 cm-1, dan 1057 cm-1, pita serapan gugus hidroksil OH- bilangan gelombang 1639 cm-1, 1641 cm-1, dan 1643 cm-1. Sedangkan adanya gugus fungsi karakteristik OH- diperlihatkan oleh adanya bilangan gelombang 3426,89 cm-1. Spektrum ini digunakan sebagai acuan dalam karakterisasi hidroksiapatit
hasil sintesis dan hidroksiapatit
dengan
penambahan hidrogen peroksida (H 2 O 2 ), polivinil alkohol (PVA), etilin glikol (EG), dan polietilin glikol (PEG).
Gambar 18 Spektrum FTIR hidroksiapatit.
Pada Gambar 18 terlihat bahwa puncak-puncak spektrum hidroksiapatit hasil sintesis bersesuaian dengan puncak-puncak spektrum karakteristik hidroksiapatit produk Aldrich (komersial) hal ini ditandai dengan puncak pada bilangan gelombang 1000-1100 cm-1 yang merupakan puncak PO4-3 dan puncak dengan bilangan 32003600 cm-1. Pada bilangan gelombang 2360 terlihat adanya puncak latar ikatan C==C yang berasal dari puncak latar CO 2 . Hal ini menunjukkan bahwa hasil uji FTIR mendukung hasil uji XRD bahwa hidroksiapatit hasil sintesis sesuai dengan standar hidroksiapatit produk Aldrich nomor katalog 574791. Gambar 19 b. menunjukkan spektrum FTIR dari campuran hidroksiapatit dan hidrogen peroksida tidak menghasilkan penambahan gugus fungsi yang lain dari penyusun hidroksiapatit. Puncak karakteristik PO 4 -3 pada bilangan gelombang 1050 cm-1 dan puncak OH- terlihat pada bilangan gelombang 3400 cm-1. Sedangkan pada Gambar 19 c. hidroksiapatit yang ditambah polivinil alkohol terlihat adanya gugus vinil CH==CH 2 pada bilangan gelombang 1650 cm-1 yang diperkuat 1450 cm-1 dan 950 cm-1.
Gambar 19. Spektrum FTIR sebelum sintering hidroksiapatit dengan porogen Sedangkan gambar 19 d. dan 19 e. menunjukkan gugus fungsi etil (-CH 2 --1
-1
CH 3 ) dengan bilangan gelombang 1450 cm , 1370 cm dan 870 cm
-1
terlihat pada
spektrum hidroksiapatit yang ditambah etilin glikol atau pun polietilin glikol. Hal ini menunjukkan bahwa sebelum dilakukan sintering maka campuran tersebut membentuk komposit yang masih menunjukkan gugus fungsi masing-masing.
Gambar 20. Spektrum FTIR setelah sintering hasil sintesis hidroksiapatit dengan penambahan porogen
Gambar 20. menunjukkan spektrum FTIR setelah sintering dari hidroksiapatit dengan penambahan porogen, mempunyai spektrum yang sama dengan spektrum FTIR dari hidroksiapatit hasil sintesis, tidak terjadi penambahan puncak. Hal ini terjadi karena pada proses sintering semua porogen mengalami penyubliman dari fasa padat ke gas, sehingga tidak ada porogen yang tertinggal dalam hidroksiapatit. Penyubliman ini meninggalkan ruang berupa pori. Puncak karakteristik PO 4 -3 pada bilangan gelombang 1050 cm-1 dan puncak OH- terlihat pada bilangan gelombang 3400 cm-1. Untuk digunakan sebagai bahan implantasi maka hidroksiapati harus bebas dari logam kandungan berat berbahaya atau dengan kandungan logam berat berbahaya tidak melebihi nilai ambang batas.
Analisis Unsur Kelumit Analisis unsur kelumit dilakukan dengan menggunakan analisis aktivasi neutron bertujuan untuk mengamati kemungkinan adanya kontaminan unsur racun (toxic) dalam hidroksiapatit. Unsur-unsur yang dimaksud antara lain berupa logam berat arsen (As), merkuri (Hg), kadmium (Cd), timbal (Pb). Ambang batas konsentrasi unsur-unsur tersebut dalam bagian tubuh manusia mengacu pada tabel 2.
Tabel 2. Nilai ambang batas kandungann logam berat tulang No
Logam Berat
Ambang Batas (ppm)
1
Pb
4
2
Cd
25
3
Hg
4
4
As
2
Hasil analisis menggunakan aktivasi neutron, seperti diperlihatkan pada Gambar 21-24, menunjukkan bahwa kandungan unsur yang terdeteksi pada hidroksiapatit hasil sintesis tanpa porogen dan dengan porogen adalah sama. Unsurunsur yang terkandung tersebut adalah kalsium (Ca), kobalt (Co), skandium (Sc), lantanum (La), brom (Br), dan natrium (Na).
Gambar 21. Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah hidrogen peroksida.
Gambar 22. Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah polivinil alkohol
Gambar 23. Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah etilin glikol.
Gambar 24. Jenis dan konsentrasi unsur dalam hidroksiapatit ditambah polietilin glikol. Gambar 21-24 menunjukkan bahwa hasil sintering hidroksiapatit dengan penambahan porogen hidrogen peroksida, polivinil alkohol, etilin glikol, atau polietilin glikol tidak mengandung kontaminan logam berat arsen (As), merkuri (Hg), kadmium (Cd), dan timbal (Pb). Ca merupakan unsure utama pada hidroksiapatit, sedangkan P, O, dan H tidak terdeteksi dengan metode analisis aktivasi neutron. Sedangkan kandungan kontaminan Na, Br, La, Sc, dan Co berasal dari bahan dasar sintesis hidroksiapatit yaitu asam fosfat. Kandungan kontaminan tersebut 10-1–101.8 mg/Kg merupakan nilai yang kecil dan jenis unsurnya pun non toxic. Dengan demikian hidroksiapatit hasil sintesis melalui metode ini dapat diaplikasikan sebagai bahan pengganti tulang atau pun gigi.
SIMPULAN Hidroksiapatit dapat disintesis dari kalsium hidroksida dan asam fosfat. Porositas hidroksiapatit dapat dibentuk dan dikendalikan menggunakan porogen hidrogen peroksida (H 2 O 2 ), polivinil alkohol (PVA), etilin glikol (EG), atau polietilin glikol (PEG). Ukuran pori dapat dikendalikan dengan pengaturan konsentrasi porogen. Hasil karakterisasi menggunakan difraksi sinar-X (XRD) dan fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) menunjukkan bahwa penambahan porogen tidak merubah struktur fasa hidroksiapatit, namun mengubah ukuran kristalit dan regangan kristalnya.
Peningkatan
konsentrasi porogen sampai 25%
dapat
meningkatkan regangan, ukuran kristalit, dan ukuran pori. Derajad kristalinitas pembentukan hidroksiapatit 0,75-0,83. Ukuran pori yang hidroksiapatit terbentuk 0,3-1,2 µm, pada konsentrasi yang sama, pori terbesar terbentuk pada penambahan porogen polietilin glikol. Hidroksiapatit hasil sintesis dengan penambahan dan tanpa penambahan porogen tidak mengandung logam berat timbal, kadmium, merkuri, dan arsen.
DAFTAR PUSTAKA
Ferraz M.P., Mateus A.Y., Sousa J.C., Monteiro F.J., Nanohydroxyapatite Microspheres as Delivery System for Antibiotics: Release Kinetics, Antimicrobial Activity, and Interaction With Osteoblasts, Wiley Inter Science, DOI: 10.1002/jbm.a.31151 Gabriela Vald´es-Ram´ırez, Didier Fournier, Maria Teresa Ram´ırez-Silva, J.-L. Marty, Sensitive Amperometric Biosensor for Dichlorovos Quantification: Application to Detection of Residues On Apple Skin, Talanta 74 (2008) 741–746 Hassna R.R. Ramay, M. Zhang, Biphasic Calcium Phosphate Nanocomposite Porous Scaffolds for Load-Bearing Bone Tissue Engineering, Biomaterials 25 (2004) 5171–5180 Javier Enrione1, Fernando Osorio, Daniel López, Caroline Weinstein-Oppenheimer, Miguel A. Fuentes, Ricardo Ceriani, Donald I. Brown, Fernando Albornoz, Elizabeth Sánchez, Patricio Villalobos, Rodrigo A. Somoza, Manuel E. Young, Cristian A. Acevedo, Characterization of a Gelatin/Chitosan/Hyaluronan Scaffold-Polymer, Electronic Journal of Biotechnology, DOI: 10.2225/vol13issue5. Jeff rey M Gimble, Farshid Guilak and Bruce A Bunnell, Clinical and Preclinical Translation of Cell-Based Therapies Using Adipose Tissue-Derived Cells, Stem Cell Research & Therapy 2010, 1:19 Lakshmi S. Nair, Cato T. Laurencin, Polymers as Biomaterials for Tissue Engineering and Controlled Drug Delivery, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005 DOI 10.1007/b137240 Nasim Annabi, M.S., Jason W. Nichol, Ph.D., Xia Zhong, M.S., Chengdong Ji, M.B.E., Rafal Adam Mickiewicz, Polymer-Calcium Phosphate Composites for Use As An Injectable Bone Substitute, American Journal of Biochemistry and Biotechnology 2006 2(2): 41-48, Ruixue Sun, Yupeng Lu, Kezheng Chen, Preparation and Characterization of Hollow Hydroxyapatite Microspheres by Spray Drying Method, Materials Science and Engineering C 29 (2009) 1088–1092 Thibaud Coradin, Michel Boissière and Jacques Livage, Sol-gel Chemistry in Medicinal Science, Bentham Science Publishers Ltd.Current Medicinal Chemistry, 2006, 13, 000-000 1
Toibah Abdurrahim and Iis Sopyan, Recent Progress on the Development of Porous Bioactive Calcium Phosphate for Biomedical Applications, Bentham Science Publishers Ltd. Recent Patents on Biomedical Engineering 2008, 1, 213-229 Tsuyoshi Kimura, Seiichi Funamoto and Akio Kishida, Scientifically Speaking Gene Transfection on Tissue Engineered Bone Decellurized by Ultra-High Hydrostatic Pressurization, Controlled Release Society Newsletter, 2007 Vol. 24 Number 2 Werner Kordel, Hans Egli, and Michael Klein, Transport of Pesticides via Macropores, International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) Technical Report and The Environment Division, Pure Appl. Chem., 2008. Vol. 80, No. 1, pp. 105–160, Yarlagadda, Prasad K. and Chandrasekharan, Margam and Shyan, John Yong Ming, Recent Advances and Current Developments in Tissue Scaffolding, Bio-Medical Materials and Engineering 15(3):pp. 159-177. Young-Mi Soona, Kwan-Ha Shin a, Young-Hag Koh, Jong-Hoon Lee, Won-Young Choi, Hyoun-Ee Kimb, Fabrication and Compressive Strength of Porous Hydroxyapatite Scaffolds With A Functionally Ggraded Core/Shell Structure, Journal of the European Ceramic Society 31 (2011) 13–18
LAMPIRAN Lampiran 1
Difraksi Sinar-X (XRD)
Analisis Aktivasi Neutron (AAN)
Scanning Electromicroscope (SEM)
Furnace
Gambar 25. Peralatan Proses Sintesis dan Karakterisasi
Lampiran 2
a
b
c
d
e Gambar 26. Observasi morfologi scanning electron microscope hidroksiapatit dengan penambahan polivinil alkohol a. 5 %, b. 10 %, c. 15 %, d. 20 %, dan e. 25 %.
a
b
c
d
e Gambar 27. Observasi morfologi scanning electron microscope hidroksiapatit dengan penambahan etilin glikol a. 5 %, b. 10 %, c. 15 %, d. 20 %, dan e. 25 %.
a
b
c
d
e Gambar 28. Observasi morfologi scanning electron microscope hidroksiapatit dengan penambahan polietilin glikol a. 5 %, b. 10 %, c. 15 %, d. 20 %, dan e. 25 %.
Gambar
a
b
c
d
e 29. Observasi morfologi scanning electron microscope hidroksiapatit dengan penambahan hidrogen peroksida a. 5 %, b. 10 %, c. 15 %, d. 20 %, dan e. 25 %.
Lampiran 3
Gambar 30. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit PDF # 011008 JCPDS.
