SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANO HYDROXYAPATITE TERSUBSTITUSI ION PERAK (Ag+) DITINJAU DARI SIFAT BIOKOMPATIBEL DAN MORFOLOGINYA NURUL MUTOWI’AH*), HARTATIEK, SUNARYONO , YUDYANTO
JURUSAN FISIKA UNIVERSITAS NEGERI MALANG. JL. SEMARANG 5 MALANG *)E-mail:
[email protected], *) PENULIS KORESPONDEN TEL: 08123317251
ABSTRAK: Tujuan penelitian ini untuk mengetahui karakteristik powder hydroxyapatite dari calcite Druju Malang yang berkaitan dengan kemurnian fase, parameter kisi, dan morfologi. Struktur kristal hydroxyapatite dan hydroxyapatite tersubstitusi ion perak diperoleh dari hasil analisis data XRD menggunakan software Rietica. Hasil penelitian (1) Telah berhasil disintesis partikel hydroxyapatite dengan metode presipitasi yang berfase tunggal, dengan ukuran butir 13,5 nm, dan parameter kisi a=b= 9,456 Å, c= 6,884 Å. (2) Hydroxyapatite yang disintesis melalui teknik presipitasi memiliki sifat biokompatibel. Kata Kunci: Hydroxyapatite, Perak (Ag+).
PENDAHULUAN Media kontras mulai menarik perhatian sejak 1896, segera setelah diperkenalkan pertama kalinya X-rays oleh Roentgen. Saat itu dipakai sodium iodida dengan komponen lainnya sebagai media kontras ( Ningrum et al, 2009). Kajian akhir-akhir ini dilakukan untuk menggabungkan berbagai mode pencitraan dengan mengembangkan agen kontras tunggal berbasis polimer, liposom dan nanopartikel anorganik seperti hydroxyapatite (HA) (Anusha et al, 2010). HAp, Ca10(PO4)6(OH)2 diketahui sebagai biomaterial unsur pokok tulang dan gigi manusia. Berdasarkan sifat fleksibilitas dan stabilitas yang tinggi dari struktur apatit partikel nano Hydroxyapatite (nHAp), bilangan impuritas ion dapat disubstitusi pada lapisan apatitnya (Zhu dkk, 2006). Substitusi ion Ag+ pada struktur kristal HA dapat digunakan sebagai agen kontras pada pencitraan bimodal CT-MRI ( Madhumathi et al, 2014). Meskipun perak dalam bentuk koloid telah digunakan sebagai agen kontras radiografik sejak tahun 1905, pemakainnya tidak dilanjutkan karena sifat toksisitasnya yang tinggi (Yu et al, 1999). Akan tetapi, penelitian akhir-akhir ini menunjukkan bahwa sifat toksisitas pada perak dapat diatasi dengan mensubstitusi sejumlah kecil ion Ag+ pada struktur kristal HA berdasarkan sifat biokompatibilitasnya (Rameshbabu et al, 2007). Oleh karena itu, perlu adanya penelitian lebih lanjut dengan mensubstitusi sejumlah kecil ion Ag+ dengan berbagai variasi konsentrasi agar diketahui konsentrasi optimum perak yang dapat disubstitusikan pada hydroxyapatite agar sifat biokompatibilitas tidak hilang. METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut:Menyiapkan bahan baku, bahan baku pembuatan partikel nano hydroxyapatite adalah batuan calcite Druju Malang. Bahan baku digerus lalu dikalsinasi, kemudian dilakukan uji XRF dan XRD untuk menganalisis komposisi kimia beserta konsentrasi unsur-unsur yang terkandung. Mensintesis nano hydroxyapatite melalui metode presipitasi. Nano hydroxyapatite yang diperoleh dikarakterisasi menggunakan XRD. Substitusi ion Ag+ pada nano hydroxyapatite melalui metode co-presipitasi. Nano hydroyapatite tersubstitusi ion Ag+ dikarakterisasi menggunakan XRD.Uji biokompatibilitas nano hydroxyapatite dan nano hydroxyapatite tersubstitusi ion Ag+ secara in vivo pada tikus ISBN 978-602-71279-1-9
FM-27
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 Wistar (Rattus norvegicus) dengan metode organ terpisah dalam organ bath. Uji tingkat kekontrasan nano hydroxyapatite dan nano hydroxyapatite tersubstitusi ion Ag+ menggunakan EDAX. Menyiapkan batuan calcite (CaCO3) dari Druju Malang, batuan calcite digerus/ditumbuk untuk menghasilkan powder. Kemudian powder di kalsinasi untuk mendapatkan Ca(OH)2 kemudian disaring dengan menggunakan ayakan mesh 200. Pencampuran Ca(OH)2 dengan HNO3 diaduk menggunakan magnetik stirer dengan kecepatan 700 rpm pada suhu 300C selama 30 menit untuk membentuk Ca(NO)3 .2H2O dalam bentuk larutan. Bahan Ca(NO)32H2O yang telah diperoleh pada proses tahap I direaksikan dengan (NH4)2HPO4 dan NH4OH. Pada proses pencampuran dilakukan pengadukan menggunakan magnetic stirrer selama 2 jam dengan kecepatan 700 rpm. Selama pengadukan diteteskan (NH4)2HPO4 ke dalam campuran setetes demi setetes sambil dipanaskan pada suhu 300 C. Pengontrolan pH larutan dilakukan dengan menambahkan NH4OH agar diperoleh suasana basa (pH 9-10), yang diukur dengan menggunakan kertas pH. Larutan selanjutnya diendapkan (precipitation) selama 24 jam. Presipitat dicuci dengan DI water dan disaring menggunakan kertas saring halus, kemudian dikeringkan pada suhu 10000C selama 24 jam, yang bertujuan menghilangkan kadar H2O. NanoHA siap diuji karakteristik; kemurnian fase. Substitusi ion Ag+ pada nano hydroxyapatite dilakukan melalui metode copresipitasi. Pencampuran Ca(OH)2 dengan HNO3 diaduk menggunakan magnetic stirer dengan kecepatan 700 rpm pada suhu 300C selama 30 menit untuk membentuk Ca(NO)3 .2H2O dalam bentuk larutan. Padatan (NH4)2HPO4 dilarutkan dalam DI water dan distirring selama 30 menit dengan kecepatan 700 rpm, selama proses reaksi berlangsung ditetesi dengan NH4OH untuk menjaga pH 10.Mencampurkan Ca(NO)32H2O dan AgNO3 menggunakan magnetic stirer selama 30 menit pada suhu 1000C dengan kecepatan 700 rpm. Larutan [Ca + Ag] tersebut ditetesi larutan (NH4)2HPO4 dan NH4OH. Larutan didiamkan selama 30 menit, kemudian dicuci menggunakan DI water sebanyak 5 kali, dan setiap pencucian didiamkan selama 30 menit. Larutan yang telah dicuci disaring menggunakan kertas saring halus, kemudian dikeringkan selama 72 jam. Sampel siap diuji karakteristik: komposisi fase, kemurnian fase, serta rasio Ca/P. HASIL DAN PEMBAHASAN Struktur Kristal HA dan Ag0,24HA Berdasarkan hasil karakterisasi XRD yang ditunjukkan pada Gambar 1, pola difraksi HA dan AgxHA dianalisis menggunakan software Rietica berbasis metode Rietveld. Hasil analisis data ditunjukkan dalam Tabel 1. Sebagian besar hasil analisis penghalusan yang dilakukan pada masing-masing sampel dapat dinyatakan diterima karena telah sesuai dengan nilai parameter kecocokan (FoM), yaitu nilai GoF (Good of Fitness) < 4% serta plot selisih antara pola terhitung dan terukur memiliki fluktuasi yang relatif kecil. Hal ini sesuai dengan pernyataan Kisi (1994) bahwa pencocokan (fitting) dengan metode Rietveld bisa dinyatakan selesai dengan mengikuti dua kriteria utama yaitu, plot selisih antara pola terhitung dan pola terukur memiliki fluktuasi yang relatif kecil yang hanya dapat diamati secara visual, tidak dapat dikuantifikasi dan nilai GoF kurang dari 4%.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-28
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016
0 90
HA
Ag
Ag 2 theta 30
60
Gambar 1. Pola Difraksi HA dan Ag0,24HA Tabel 1. Hasil Analisis Struktur Kristal Sampel HA dan Ag0,24HA x (% atom) a=b (Å )
0 9,456
0,24 9,453
c (Å) V (Å3) GoF (%) Rwp Rp Rexp
6,884 531,9 1,35 26,93 20,32 23,14
6,869 531,5 1,48 27,91 21,28 22,95
Berdasarkan hasil analisis struktur kristal dalam Tabel 1., teramati bahwa nilai parameter kisi (yang meliputi konstanta kisi a, b, dan c) serta volume kristal mengalami sedikit perubahan. Dengan nilai a=b c; = =900; =1200 menunjukkan bahwa HA hasil sintesis memiliki struktur kristal heksagonal. Nadir, S. et al. (1996) menyatakan secara umum telah diketahui bahwa HA nonstoikiometrik memiliki struktur kristal heksagonal dengan grup ruang P63/m dan parameter kisi a=b= 9.422 nm; c= 6.880 nm, sedangkan HA stoikiometrik memiliki struktur kristal monoklinik P21/b. Sifat ini dikarenakan adanya keteraturan antara baris ion OH- untuk membentuk OH-OH-OHOH- yang membuat sumbu-b berlipat dan memberikan parameter kisi a= 9.421 nm; b=2a; c= 6.8814 nm dan =1200 . Namun HA stoikiometrik juga mungkin muncul dengan struktur kristal heksagonal dengan syarat ion OH- tidak teratur. Biasanya hanya proses preparasi dengan suhu akhir tinggilah yang dapat menghasilkan HA dengan struktur kristal monoklinik. Secara umum preparasi HA akan menghasilkan struktur kristal heksagonal karena beberapa ion OH- hilang dan digantikan oleh H2O atau ion-ion pengotor yang menyebabkan keteraturan terganggu. Biokompatibilitas HA dan Ag0,24HA Berdasarkan hasil pengujian in vivo sampel HA dan HA tersubstitusi ion perak menggunakan organ bath dengan metode organ terpisah, pola kontraksi ileum tikus Wistar sebelum dan setelah pemberian sampel yang diamati menggunakan software LabScribe2 seperti pada Gambar 2. menunjukkan pola grafik yang berbeda. ISBN 978-602-71279-1-9
FM-29
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 0 . 0 0 2 4
H A
b
a
Gambar 2. Hasil Uji Biokompatibilitas menggunakan Ileum Tikus Wistar (a) Rekam mati (b) Rekam normal (c) HA (d) Ag0,24HA. Tabel 2. Tegangan Puncak dan Tegangan Efektif Ileum Tikus Wistar Sampel
V puncak (volt)
V efektif (volt)
Rekam mati
0
0
Rekam normal
0.0042
0.0029694
Ag0HA
0.0018
0.0012726
Ag0,0024HA
0.001
0.000707
Pola grafik pada tiap sampel yang berbeda, menunjukkan seberapa biokompatibel sampel tersebut terhadap ileum tikus wistar. Pola grafik yang dapat teramati adalah besarnya tegangan yang dihasilkan sebelum dan setelah pemberian sampel. Besarnya tegangan efektif yang dihasilkan sebanding dengan transfer laju energi yang dihasilkan sesuai dengan persamaan (1). . (1) dimana P adalah transfer laju energi (watt), Vef adalah tegangan efektif (volt) dan adalah tetapan fasa. Tegangan efektif pada pola grafik kontraksi ileum tikus wistar dapat diperoleh menggunakan persamaan (4.2). . (2) Dimana Vp adalah tegangan puncak (volt) yang diperoleh dari rata-rata tegangan puncak pada setiap sampel. Tabel 3 menunjukkan besarnya tegangan puncak dan tegangan efektif dari ileum tikus wistar pada keadaan normal dan keadaan setelah diberi sampel HA dan Ag0,24HA. Berdasarkan Tabel 2, teramati bahwa tegangan efektif yang dihasilkan dari pola grafik sebesar 0,0029694 volt, ketika ileum tikus diberi perlakuan dengan memasukkan sampel HA terjadi penurunan tegangan efektif menjadi 0.0012726 volt. Penurunan tegangan efektif ini menyebabkan penurunan transfer laju energi sesuai dengan dengan persamaan (1), laju transfer energi memberi informasi bahwa kontraksi ileum yang terjadi mengalami penurunan. Dengan kata lain, laju transfer energi memberi informasi tentang kuat lemahnya kontraksi ileum tikus yang terjadi. Akan tetapi sampel HA dan ISBN 978-602-71279-1-9
FM-30
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 Ag0,24HA masih menunjukkan sifat biokompatibel jika dibandingkan dengan tegangan efektif pada saat ileum tikus wistar dalam keadaan mati. Morfologi HA dan Ag0,24HA Morfologi sampel hasil uji SEM pada Gambar 3,sampel dengan variasi konsentrasi perak dilihat pada bagian permukaannya. Hasil pencitraan morfologi SEM pada setiap konsentrasi memiliki perbedaan morfologi. Morfologi sampel dengan konsentrasi substitusi ion perak semakin tinggi menujukkan bentuk grain sampel yang berbeda. Semakin tinggi konsentrasi perak yang disubstitusikan maka semakin lonjong bentuk grain yang dihasilkan. Hal ini sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh Rameshbabu, dkk (2007) yang menyatakan bahwa semakin tinggi konsentrasi ion perak yang disubstitusikan pada hydroxyaptite maka ukuran grain pada sampel akan berubah semakin lonjong.
c
d
Gambar 3. Hasil Uji SEM (a) HA (b) Ag0,24HA
KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dan analisis yang telah dilakukan ,telah berhasil disintesis partikel Hydroxyapatite dengan metode presipitasi yang berfase tunggal, dengan ukuran butir 13,5 nm, dan parameter kisi a=b= 9,456 Å, c= 6,884 Å. Hydroxyapatite yang disintesis melalui teknik presipitasi memiliki sifat biokompatibel. Substitusi ion Ag+ pada nano hydroxyapatite dapat mengubah bentuk butir pada morfologi nano hydroxyapatite menjadi semakin lonjong (berbentuk rods). UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih ditujukan kepada Dra. Hartatiek, M.Si, Dr. Sunaryono, M.Si dan Drs. Yudyanto, M.Si selaku dosen pembimbing yang telah memberikan ilmu kepada penulis selama proses penulisan artikel ini. Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Wisnu Adi Putranto, S.Si selaku laboran Laboratorium Nanomaterial Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang yang telah membantu proses sintesis Hydroxyapatite. Zulaicha, S.Si selaku pendamping pengujian SEM di Laboratorium Sentral Universitas Negeri Malang. DAFTAR RUJUKAN Abdullah, M., Khairurijal, 2008. Review: Karakterisasi Nanomaterial. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, Vol. 2. No.1 Anusha A, Deepthy M, Shantikumar N, Manzoor, 2010. Molecular Receptor Targeted Hydroxyapatite Nanocrystal Based Multi-Modal Contrast Agent. Biomaterial 31 pp. 2606-2616.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-31
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2016 Artawijaya, I.G.N.A. 2009. Evaluasi Media Kontras Intravascular pada Ibu Menyusui,(Online),(https://ajunkdoank.wordpress.com/tag/media-kontras/), diakses 25 Mei 2016. Choi, D. dkk. 2007. Mechano-Chemical Synthesis and Characterization of NanoStructured -TCP Powder. Material Science and Engineering: C, Vol 27, 377-381. Kisi, E.H. 1994. Rietveld Analysis of Powder Diffraction Patterns. Material Forum, 18, 135-153. Liu, J. dkk. 2003. The Influnce of pH and Temperature on The Morphology of Hydroxyapatite Synthesized by Hydrotermal Method. Journal of Ceramic International, Vol. 29, 629-633 Madhumathi K, Sampath Kumar TS, Mohammed Sanjeed T, Sabik Muhammed, Sahal Nazrudeen, Sharanya D. 2014. Silver and Gadolinium Co-substitued Hydroxyapatite Nanoparticles as Bimodal Contrast Agent for Medical Imaging. Bioceramics Development and applications.4:1. Nadir, S. dkk. 1996. Synthese par neutralisation d’une Hydroxyapatite Pure a Partir de L’acide Orthophosphorique Technique et de al Calcite. Phosporus Sulfur and Silicon, Vol 112, 33-40 Ningrum, N.R, Yuniadi Y. 2009. Contrast Induced Nephropathy. J Kardiologi Indones, 30:71-9. Rameshbabu N, Sampath Kumar TS, Prabhakar TG, Sastry VS, Murthy KV et al. 2007. Antibacterial Nanosized Silver Substitued Hydroxyapatite: Synthesis and Characterization. J Biomed Mater Res A, 80:581-591. Singh, Brajendra., Dubey, A.K., Kumar, S, et al. 2011. In Vitro Biocompatibility and Antimicrobial Activity of Wet Chemically Prepared Ca10−Xagx(PO4)6(OH)2 (0.0 ≤ X ≤ 0.5) Hydroxyapatites, 31 (7): 1320-1329. Abstrak diperoleh dari Material scince and Engineering:C, 2011, 10, Abstract No. 10.1016/j.msec. Taufik A, Bahtiar S, Sunaryono, dkk. 2010. Kajian Struktur Kristal dan Dielektrisitas Magnetite Berbasis Pasir Besi Doping Zn2+ Hasil Sintesis Metode Kopresipitasi. Jurnal Sains Materi Indonesia, (Online), 13(2): 153-156, (http://www.researchgate.net), diakses 20 Mei 2016. Vincenzini. P. (Ed.). 1986. Disajikan pada Proceeding of The International Symposium on Bioceramic (BIOTEC), Milan, Italy Vol. 39. Dalam Elsevier (Online), diakses 10 Mei 2016. Yu SB, Alan DW. 1999. Metal Based X-ray Contrast Media. Chem Rev, 99:2353-2377. Zhu K, Yanagisawa K, Shimanouchi R, Onda A, Kajiyoshi K. 2006. Preferential Occupancy of Metal Ions in The Hydroxyapatite Solid Solutions Synthesized by Hydrothermal Method. J eur Ceram Soc, 26:509-13.
ISBN 978-602-71279-1-9
FM-32
