SINTESIS HIDROKSIAPATIT BERPORI DARI CANGKANG TELUR AYAM DENGAN MATRIKS SELULOSA NATA DE COCO DAN NATRIUM ALGINAT
SUGANDI
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sintesis Hidroksiapatit Berpori dari Cangkang Telur Ayam dengan Matriks Selulosa Nata De Coco dan Natrium Alginat adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam daftar pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Juli 2014
Sugandi NIM G74100044
ABSTRAK SUGANDI. Sintesis Hidroksiapatit Berpori dari Cangkang Telur Ayam dengan Matriks Selulosa Nata De Coco dan Natrium Alginat. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan SETIA UTAMI DEWI. Pada penelitian ini telah dilakukan sintesis hidroksiapatit berpori dari cangkang telur ayam dengan matriks selulosa nata de coco dan Na-alginat. Metode yang digunakan untuk sintesis serbuk HAp adalah presipitasi wise drop, sedangkan untuk sintesis komposit HAp/selulosa dan HAp/alginat digunakan metode cellulose immersion dan phase separation. Produk yang dihasilkan adalah serbuk HAp, komposit HAp/alginat berbentuk scaffold, dan HAp/selulosa berbentuk lembaran. Pencirian menggunakan XRD menghasilkan pola difraksi yang mengindikasikan fasa HAp dengan derajat kristalinitas di atas 80% untuk serbuk HAp dan di atas 50% untuk komposit HAp/selulosa. Pencirian menggunakan FTIR menghasilkan spektra serapan gugus-gugus penyusun senyawa HAp dan senyawa komposit HAp/alginat. Hasil pemindaian menggunakan SEM menunjukkan bahwa komposit HAp/alginat memiliki struktur porositas yang cukup teratur dengan ukuran yang bervariasi mulai dari 93 μm hingga 182 μm. Analisis EDX menghasilkan spektrum kandungan unsur yang terdapat di dalam komposit. Rasio Ca/P berdasarkan persentase massa pada hasil analisis EDX untuk komposit HAp/alginat diperoleh sebesar 1.84 dan 1.86, sedangkan untuk HAp/selulosa diperoleh sebesar 1.43 dan 1.45. Komposit HAp/alginat memiliki rasio Ca/P lebih besar disebabkan karena pengaruh CaCl2 yang digunakan sebagai crosslink agent. Kata kunci: hidroksiapatit bepori, komposit, Na-alginat, selulosa nata de coco.
ABSTRACT SUGANDI. Synthesis of Porous Hydroxyapatite From Hen Eggshell with Nata De Coco Cellulose and Sodium Alginate Matrix. Supervised by KIAGUS DAHLAN dan SETIA UTAMI DEWI. This research has been done on the synthesis of porous hydroxyapatite from hen eggshells with nata de coco cellulose and Na-alginate matrix. The method used for synthesis of HAp powder is wise drop precipitation, whereas for synthesis of HAp/cellulose and HAp/alginate composites, cellulose immersion and phase separation method were used. The products are HAp powder, scaffold shaped HAp/alginate, and sheet shaped HAp/cellulose composites. XRD characterization results have shown a diffarction pattern that indicated HAp phase with degree of crystallinity more than 80% for HAp powder and more than 50% for composite of HAp/cellulose. FTIR characterization results have shown an absorption spectral clusters of constituent HAp compound and composite of HAp/algiate compound. Scan results using SEM showed that composite of HAp/alginate has porosity structure with enough regularity and size variation start from 93 μm until 182 μm. EDX analysis produced a spectrum of element which present in the composites. The Ca/P ratios based on mass percentage from EDX analysis of HAp/alginate composite are 1.84 and 1.86, while for HAp/cellulose composite are 1.43 and 1.45. The used of CaCl2 as corsslink agent were thought to be the factor that increase the Ca/P ratio in HAp/alginate composite. Keywords: porous hydroxyapatite, composite, Na-alginate, nata de coco cellulose.
SINTESIS HIDROKSIAPATIT BERPORI DARI CANGKANG TELUR AYAM DENGAN MATRIKS SELULOSA NATA DE COCO DAN NATRIUM ALGINAT
SUGANDI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Sintesis Hidroksiapatit Berpori dari Cangkang Telur Ayam dengan Matriks Selulosa Nata De Coco dan Natrium Alginat Nama : Sugandi NIM : G74100044
Disetujui oleh
Dr. Kiagus Dahlan Pembimbing I
Setia Utami Dewi, S.Si., M.Si. Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si. Ketua Departemen Fisika
Tanggal Lulus:
PRAKATA
ﺑﺴﻢﺍﷲﺍﻟﺮﺣﻤﻦﺍﻟﺮﺣﻴﻢ Syukur Alhamdulillah penulis ucapkan ke Hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul “Sintesis Hidroksiapatit Berpori dari Cangkang Telur Ayam dengan Matriks Selulosa Nata De Coco dan Natrium Alginat”. Penelitian ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor. Penulis menyadari bahwa penelitian ini tidak akan berjalan lancar, sekiranya tidak ada dorongan motivasi pihak lain. Sehingga dalam kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Ayahanda (alm.) dan Ibunda, adik-adik dan kakak-kakak yang selalu menjadi pengingat dan mengingatkan penulis untuk tetap bersemangat. 2. Bapak Kiagus Dahlan dan Ibu Setia Utami Dewi selaku pembimbing yang selalu memberikan bimbingan, masukan, dan saran-saran pada penulis selama penenelitian. 3. Bapak Sidikrubadi Pramudito selaku penguji yang telah memberikan motivasi, saran, dan kritiknya. 4. Bapak Tony Sumaryada selaku editor yang telah memberikan koreksi dan masukan dalam menyelesaikan karya ilmiah ini. 5. Seluruh dosen pengajar dan staff di Departemen Fisika FMIPA IPB atas pelayanannya selama studi. 6. Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia atas dukungannya pada penulis melalui program beasiswa Bidikmisi. 7. Helda Astika Siregar selaku rekan penelitian atas kebersamaannya dalam melangsungkan kegiatan penelitian hingga selesai. 8. Rekan-rekan penelitian biomaterial khususnya dan umumnya seluruh mahasiswa Fisika 46, 47, dan 48 atas kebersamaannya selama studi. 9. Pengurus DKM Nurul Falah atas kesediaannya memberikan tempat tinggal pada penulis. 10. Semua pihak yang belum disebutkan atas dukungannya pada penulis baik moril maupun materil. Akhir kata, penulis berharap semoga hasil penelitian ini dapat memberikan kontribusi dalam perkembangan ilmu pengetahuan, khususnya bidang biomaterial. Namun penulis juga menyadari bahwa hasil yang didapatkan masih perlu untuk disempurnakan.
Bogor, Juli 2014 Sugandi
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vii
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR LAMPIRAN
vii
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
2
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
METODE PENELITIAN
3
Bahan
3
Alat
3
Prosedur Penelitian
3
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil
5 5
Kalsinasi Cangkang Telur
5
Sintesis Serbuk Hidroksiapatit
6
Sintesis Hidroksiapatit Berpori dengan Matriks Na-alginat
6
Sintesis Hidroksiapatit Berpori dengan Matriks Selulosa
7
Pembahasan
8
Serbuk Hidroksiapatit
8
Komposit HAp/alginat
12
Komposit HAp/Selulosa
16
SIMPULAN DAN SARAN
19
Simpulan
19
Saran
20
DAFTAR PUSTAKA
20
LAMPIRAN
22
RIWAYAT HIDUP
32
DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5 6 7 8
Data hasil sintesis serbuk HAp Parameter kisi HAp dan persentase ketepatannya Ukuran kristalin dan derajat kristalinitas sampel HAp Puncak serapan dan persentase transmisi spektra FTIR sampel HAp Puncak serapan dan persentase transmisi spektrum FTIR Na-alginat Puncak serapan dan persentase transmisi spektra FTIR HAp/alginat Persentase massa unsur yang terkandung dalam komposit HAp/alginat Persentase massa unsur yang terkandung dalam komposit HAp/selulosa
6 9 10 11 12 14 16 19
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Scaffold komposit HAp/alginat Lembaran pelikel selulosa nata de coco dan komposit HAp/selulosa Pola difraksi XRD sampel HAp Spektra FTIR sampel HAp Spektrum FTIR Na-alginat Spektra FTIR komposit HAp/alginat Hasil SEM komposit HAp/alginat Pola difraksi XRD pelikel selulosa dan komposit HAp/selulosa Hasil SEM komposit HAp/selulosa
7 7 8 11 12 13 15 17 18
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5 6 7
Diagram alir pelaksanaan penelitian Bahan dan alat Data joint commite on powder diffraction standards (JCPDS) Menghitung parameter kisi dengan metode Cohen Menentukan luas fasa total dan luas fasa kistalin Gambar hasil scaning electron microscope (SEM) Spektrum analisis energy disversive x-ray (EDX)
22 23 24 25 27 29 31
PENDAHULUAN Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan bidang biomaterial tulang menunjukkan kemajuan yang sangat pesat dalam 30 tahun terakhir seiring dengan kemajuan di bidang teknologi. Pemicu utama perkembangan ini adalah jumlah kecelakaan yang menimbulkan kerusakan tulang setiap tahunnya masih cukup tinggi. Tulang merupakan bagian penopang tubuh yang tersusun atas sel, mineral, dan matriks.1 Secara alami, tulang memiliki kemampuan untuk mengalami proses remodeling, akan tetapi proses yang berlangsung cukup lama, sehingga pada berbagai kasus klinis sangat diperlukan transplantasi untuk merangsang proses remodeling yang lebih cepat.2 Rekontruksi jaringan tulang melalui transplantasi dapat ditempuh dengan menggunakan graft tulang yang berasal dari tulang manusia (allograft/autograft) atau tulang hewan (xenograft) dan bahan sintetik lainnya seperti polimer, material logam, komposit, dan biokeramik dengan struktur yang menyerupai jaringan tulang.3 Material untuk merangsang proses remodeling tulang yang paling populer adalah senyawa kalsium fosfat yang merupakan basis dari hidroksiapatit (HAp; Ca10(PO4)6(OH)2) dan tricalcium phosphate (TCP; Ca3(PO4)2). Komposisi kimia senyawa HAp memiliki kaitan yang erat dengan mineral tulang (calcium-deficient carbonated hydroxyapatite) yaitu memiliki rasio Ca/P sebesar 1.67.3 Selain itu, HAp merupakan material yang memiliki sifat bioaktif, biokompatibel, dan osteokonduktif, serta mampu berikatan langsung dengan jaringan tulang.1 Perbedaan utama antara HAp sintetik dengan mineral tulang terdapat pada derajat kristalinitas dan ukuran pori (kekosongan) yang menjadi pengaruh terhadap laju degradasi yang lebih rendah dibandingkan dengan mineral tulang.4 Ukuran pori makro yang berada dalam rentang 150 μm hingga 300 μm diperlukan untuk merangsang pertumbuhan sel tulang (sel osteoblas), sedangkan ukuran pori mikro diperlukan agar jaringan tulang dapat berinteraksi dengan protein.5 Hidroksiapatit yang dihasilkan dari suatu proses sintesis dapat berbentuk serbuk dan dapat pula berbentuk foam (matriks berpori). Saat ditransplantasi, HAp berpori memiliki ikatan yang kuat dengan jaringan tulang sehingga dapat mencegah pergeseran dan kehilangan implan yang sudah ditransplantasikan.6 Selain itu, pori HAp yang dibentuk dapat berfungsi sebagai media pertumbuhan sel osteoblas sehingga dapat mempercepat proses remodeling tulang.7 Pori-pori dalam HAp dapat dibentuk melalui berbagai metode dan bahan yang digunakan sebagai matriksnya. Metode yang pernah dilakukan diantaranya adalah metode replikasi polimer, gel casting (pembentukan gel), gas scaffolding (pembuatan scaffold dengan menggunakan gas), slip casting, fiber compacting (pemadatan serat), solid free form fabrication (pembentukan padatan bebas), dan freeze casting (pembekuan), sedangkan bahan matriks yang pernah digunakan diantaranya adalah polimer, keramik, logam, dan komposit-komposit lainnya.6 Pada penelitian ini telah dilakukan sintesis HAp berpori dari cangkang telur ayam dengan matriks selulosa nata de coco dan natrium alginat. Pemanfaatan cangkang telur ayam pada penelitian ini disebabkan karena cangkang telur ayam mengandung 94% senyawa kalsium karbonat (CaCO3), 1% magnesium karbonat (MgCO3), 1% kalsium fosfat (CaPO4), dan 4% bahan organik.8 Selain itu, data
2 Badan Pusat Statistik (2013) menyebutkan bahwa produksi telur ayam ras di Indonesia pada tahun 2012 adalah sebesar 1,139,946 ton, sehingga potensi limbah berupa cangkangnya diperkirakan adalah sebesar 113,994.6 ton.9 Oleh karena itu proses pengolahan limbah cangkang telur harus terus dikembangkan agar memberikan manfaat yang lebih berarti dalam kehidupan. Penggunaan selulosa nata de coco dan Na-alginat sebagai matriks pada sintesis HAp berpori pada penelitian ini karena keduanya adalah polimer alam. selulosa nata de coco merupakan polimer alam yang memiliki struktur dan sifat fisik yang unik serta kemurnian yang lebih tinggi dibandingkan dengan selulosa tanaman lain,10 sedangkan alginat merupakan salah satu senyawa yang banyak terkandung dalam jenis alga coklat (Phaeophyta) dan memiliki kemampuan untuk membentuk gel dan memiliki gugus karboksilat yang dapat terionisasi menjadi ion negatif dan bereaksi dengan ion-ion kalsium.11 Metode yang digunakan dalam sintesis komposit HAp/selulosa dan komposit HAp/alginat pada penelitian ini adalah metode cellulose immersion dan metode phase separation.12 Perumusan Masalah Berdasarkan uraian latar belakang dapat dirumuskan beberapa permasalahan sebagai berikut : 1. Bagaimana pengaruh matriks selulosa nata de coco dan Na-alginat terhadap pembentukan struktur porositas dan ukuran pori HAp? 2. Bagaimana pengaruh inkubasi dan pembekuan kering terhadap matriks selulosa nata de coco dan Na-alginat pada pembentukan HAp berpori? Tujuan Penelitian 1. Menyintesis HAp berpori dengan prekursor kalsium yang bersumber dari cangkang telur ayam dan prekursor fosfat dari diamonium hidrogen fosfat serta Na-alginat dan selulosa nata de coco sebagai matriksnya. 2. Mengidentifikasi karakter HAp berpori yang disebabkan oleh penggunaan selulosa nata de coco dan Na-alginat sebagai matriks. 3. Menghasilkan biokomposit HAp/alginat dan HAp/selulosa dengan struktur porositas dan ukuran pori yang sesuai dengan keperluan dalam merangsang remodeling tulang. Manfaat Penelitian Hasil yang diperoleh pada penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat bagi bidang medis sebagai material penunjang dalam aplikasi rekayasa jaringan serta bermanfaat bagi bidang-bidang pengembangan material yang berbasis selulosa nata de coco dan Na-alginat. Ruang Lingkup Penelitian Proses sintesis hidroksiapatit berpori dengan matriks selulosa nata de coco dan Na-alginat pada penelitian ini dilakukan dalam beberapa tahap yaitu kalsinasi
3 cangakang telur ayam, pemurnian pelikel selulosa nata de coco, pembuatan serbuk HAp dengan metode presipitasi wise drop, sintesis komposit HAp/alginat dan HAp/selulosa, Pencirian karakter sampel yang dihasilkan menggunakan XRD, FTIR dan SEM-EDX.
METODE PENELITIAN Bahan Bahan-bahan yang digunakan antara lain cangkang telur ayam, diamonium hydrogen phosphate (NH4)2HPO4, natrium alginat (C6H7O6Na), pelikel selulosa nata de coco, aquades, kalsium klorida (CaCl2), natrium hidroksida (NaOH), dan asam asetat (CH3COOH). Alat Alat-alat yang digunakan adalah neraca analitik, furnace, crussible, tabung Erlenmeyer, labu takar, selang suntik, corong, kertas saring, magnetic stirrer, multiwell plate 48-well, spatula, Freeze Dryer, X-ray diffractometer (XRD), fourier transform infrared spectrophotometrer (FTIR), dan scanning electron microscope – energy disversive x-ray (SEM-EDX). Prosedur Penelitian Kalsinasi Cangkang Telur Preparasi cangkang telur meliputi proses pengumpulan, pembersihan, pengeringan, dan kalsinasi. Proses pembersihan cangkang telur merupakan upaya menghilangkan kotoran-kotoran makro yang menempel pada cangkang dan melepaskan membran bagian dalamnya. Proses kalsianasi dilakukan pada suhu 1000 ºC selama 5 jam dengan laju kenaikan suhu 5 oC/menit. Sintesis Serbuk Hidroksiapatit Serbuk HAp disintesis dengan metode presipitasi wise drop yaitu proses pencampuran larutan prekursor fosfat ke dalam suspensi kalsium hidroksida (Ca(OH)2) secara perlahan.13 Kalsium oksida yang dihasilkan melalui proses kalsinasi cangkang telur ayam dibuat suspensi Ca(OH)2 dan (NH4)2HPO4 dilarutkan dengan aquades. Perbandingan molaritas antara Ca dan P dibuat sebesar 1,67. Larutan (NH4)2HPO4 diteteskan ke dalam suspensi Ca(OH)2 dengan laju 1 ml/menit sambil dilakukan stirring (pengadukan) menggunakan pemutar magnet dengan kecepatan 300 rpm hingga larutan (NH4)2HPO4 habis. Setelah larutan (NH4)2HPO4 tercampur seluruhnya, campuran tetap diaduk dengan kecepatan yang sama selama 60 menit kemudian campuran di-aging selama semalam. Endapan yang dihasilkan kemudian disaring menggunakan alat vakum, kemudian dikeringkan dengan suhu 110 oC selama 3 jam. Proses sintering dilakukan pada suhu 900 oC selama 5 jam dengan laju kenaikan suhu sebesar 5 o C/menit. Proses sintesis serbuk HAp pada penelitian ini dilakukan sebanyak tiga
4 kali pengulangan untuk melihat konsistensi hasil yang didapatkan. Serbuk HAp yang dihasilkan kemudian dilakukan pencirian menggunakan XRD dan FTIR. Sintesis Hidroksiapatit Berpori dengan Matriks Na-Alginat Sintesis HAp berpori dengan matriks Na-alginat (HAp/alginat) dilakukan dengan metode phase separation.4, 12 Tahap awal adalah membuat suspensi 1.40 gram serbuk HAp (70% dari komposit HAp/alginat) dalam 13 ml aquades dan diaduk menggunakan pemutar magnet dengan kecepatan 300 rpm selama 30 menit. Serbuk HAp yang digunakan merupakan hasil sintesis pada tahap sebelumnya. Serbuk Na-alginat sebanyak 0.60 gram (30% dari komposit HAp/alginat) dimasukan ke dalam suspensi HAp. Campuran antara suspensi HAp dan Na-alginat diaduk menggunakan pemutar magnet dengan kecepatan putar 300 rpm hingga tercampur sempurna. Larutan CaCl2 0,03 M sebanyak 2 ml ditambahkan ke dalam campuran HAp/alginat sebagai crosslink agent dan dilakukan pengadukan kembali hingga terbentuk gel. Gel HAp/alginat yang terbentuk kemudian dimasukan ke dalam multiwell plate 48-well dan didiamkan selama satu jam agar terjadi reaksi yang optimal. Proses quenching (Pembekuan) gel HAp/alginat dilakukan di dalam lemari pendingin selama 18 jam, kemudian dilanjutkan dengan proses pengeringan beku menggunakan freeze dryer. Komposit HAp/alginat yang dihasilkan kemudian dilakukan pencirian karakter menggunakan FTIR dan SEM. Sintesis Hidroksiapatit Berpori dengan Matriks Selulosa Sintesis HAp berpori dengan matriks selulosa nata de coco (HAp/selulosa) dilakukan dengan metode cellulose immersion, dimana pelikel selulosa nata de coco direndam dalam suspensi HAp. Tahapan yang dilakukan yaitu memurnikan pelikel selulosa nata de coco dan membuat suspensi HAp dalam aquades. Pelikel selulosa nata de coco yang diperoleh dari produk kemasan dimurnikan dengan cara direndam dalam aquades selama 2 hari dengan penggantian aquades setiap 5 jam. Perendaman selanjutnya dilakukan dalam larutan NaOH 1M selama 120 menit, kemudian dinetralkan dengan asam asetat 1M selama 120 menit. Pada tahap perendaman ini menghasilkan produk berupa garam yang terdeposit di dalam pelikel, sehingga untuk menghilangkan garam tersebut pelikel selulosa nata de coco direndam kembali dalam aquades hingga pH netral dan tidak berbau.14 Serbuk HAp yang dibuat suspensi merupakan hasil sintesis HAp dengan metode wise drop pada tahap sebelumnya. Serbuk HAp sebanyak 1 gram dibuat suspensi dalam aquades sebanyak 30 ml. Suspensi yang telah dibuat kemudian disonikasi sambil diaduk menggunakan pemutar magnet dengan kecepatan 150 rpm selama 30 menit. Pelikel selulosa nata de coco yang telah dimurnikan direndam dalam suspensi sambil dilakukan pengadukan menggunakan pemutar magnet dengan kecepatan 200 rpm selama 20 jam. Setelah mencapai 20 jam perendaman, pelikel diangkat dan diinkubasi untuk menghilangkan kadar airnya dengan suhu inkubator sebesar 50 oC. Komposit HAp/selulosa yang dihasilkan kemudian dilakukan pencirian menggunakan XRD dan SEM.
5 Pencirian Sampel Analisis Fasa (Pencirian Menggunakan XRD) Serbuk HAp dan komposit HAp/selulosa yang dihasilkan pada penelitian ini ditempatkan pada holder logam dan dicirikan pola difraksi sinar-x nya pada rentang 2θ 10 hingga 80 derajat. Pencirian ini dilakukan untuk mengidentifikasi fasa kristal yang terbentuk, menentukan parameter kisi dan ukuran kristal, serta menentukan derajat kristalinitas sampel. Hasil pencirian dicocokkan dengan data yang terdapat pada joint commite on powder diffraction standards (JCPDS). Spesifikasi alat XRD yang digunakan yaitu GBC EMMA N814. Analisis Gugus Fungsi (Pencirian Menggunakan FTIR) Serbuk HAp dan komposit HAp/alginat dicampur dengan KBr kemudian dibuat pellet. Selanjutnya pellet dimasukan ke dalam holder dan dilakukan pencirian menggunakan spektrometer FTIR untuk mengidentifikasi kandungan gugus fungsinya pada rentang bilangan gelombang 450 cm-1 hingga 4000 cm-1. Pencirian ini dilakukan untuk mengidentifikasi gugus fungsi senyawa yang terkandung di dalam sampel. Puncak serapan gugus fungsi yang teridentifikasi dibandingkan dengan puncak serapan tiap gugus fungsi senyawa pada literatur. Spesifikasi alat FTIR yang digunakan yaitu ABB MB3000. Analisis Morfologi (Pencirian Menggunakan SEM-EDX) Analisis morfologi sampel komposit HAp/alginat dan HAp/selulosa yang dihasilkan pada penelitian ini dilakukan dengan meggunakan scaning electron microscope - energy disversive x-ray (SEM-EDX). Pemindaian dilakukan dengan perbesaran 30x, 50x, 100x, 200x, 500x, 1000x, dan 2000x. Analisis ini dilakukan untuk mengetahui struktur porositas dan ukuran pori yang terbentuk serta persentase unsur yang terkandung di dalam sampel baik dalam komposit HAp/selulosa maupun HAp/alginat. Spesifikasi alat SEM-EDX yang digunakan yaitu JEOL JED-2300.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Kalsinasi Cangkang Telur Proses kalsinasi cangkang telur ayam merupakan tahap awal yang dilakukan pada penelitian ini. Hasil yang diperoleh pada tahap ini berupa serbuk putih dengan kandungan senyawa kalsium oksida (CaO). CaO yang dihasilkan adalah produk dari peluruhan CaCO3 yang merupakan senyawa yang terkandung paling besar di dalam cangkang telur ayam. Peluruhan tersebut terjadi karena proses pembakaran dengan suhu tinggi yang menyebabkan terlepasnya senyawa karbon. Reaksi peluruhan CaCO3 menjadi CaO karena pembakaran dapat diilustrasikan dalam bentuk persamaan reaksi berikut.13 CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
(1)
6 Efisiensi massa terbentuknya serbuk CaO pada proses ini adalah sebesar 53.55% dari jumlah massa cangkang telur ayam yang dikalsinasi. Efisiensi ini dihasilkan karena terurainya senyawa CaCO3 seperti ditunjukkan pada persamaan reaksi (1). Selain itu, senyawa MgCO3 dan CaPO4 serta bahan-bahan organik lainnya yang terkandung di dalam cangkang telur dalam jumlah kecil juga mengalami penguapan karena proses kalsinasi dengan suhu tinggi. Oleh karena itu, jumlah total pengurangan massa cangkang telur yang dikalsinasi mencapai 46.55 persen. Pemanfaatan cangkang telur ayam sebagai sumber kalsium dalam sintesis HAp berpori dengan matriks selulosa nata de coco dan Na-alginat pada penelitian ini, selain karena kandungan terbesarnya adalah CaCO3 juga karena hasil penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya yang menyatakan bahwa cangkang telur ayam merupakan sumber kalsium paling baik dalam sintesis HAp dibanding dengan sumber kalsium dari cangkang telur itik dan puyuh.13 Sintesis Serbuk Hidroksiapatit Hasil yang diperoleh pada penelitian ini berupa serbuk HAp yang disintesis dengan metode presipitasi wise drop. Pada penelitian ini telah dilakukan presipitasi sebanyak tiga pengulangan. Data yang diperoleh untuk masing-masing pengulangan dapat dilihat dalam Tabel 1. Berdasarkan persamaan reaksi yang terjadi antara suspensi Ca(OH)2 dan larutan (NH4)2HPO4 menghasilkan produk berupa senyawa Ca10(PO4)6(OH)2 dalam fasa padatan dan NH4OH serta H2O dalam fasa cairan. Oleh sebab itu, efisiensi massa rata-rata senyawa HAp yang dihasilkan dari ketiga sampel yang disintesis adalah sebesar 67.95%. Persamaan reaksi pembentukan senyawa HAp, secara kimia diilustrasikan pada persamaan reaksi berikut:2 10Ca(OH)2 + 6(NH4)2HPO4(s) + 2H2O(aq) Ca10(PO4)6(OH)2(s) + 12 NH4OH(aq) + 6H2O(aq)
(2)
Tabel 1 Data hasil sintesis serbuk HAp (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3 Massa (gram) CaO
(NH4)2HPO4
Massa HAp (gram)
(a)
2.83
3.97
4.70
69.12
(b)
2.83
3.97
4.61
67.81
(c)
2.83
3.97
4.55
66.92
Rata-rata
2.83
3.97
4.62
67.95
Sampel
Efisiensi massa (%)
Sintesis Hidroksiapatit Berpori dengan Matriks Na-Alginat Sintesis komposit HAp/Alginat dilakukan dengan metode phase separation yaitu memanfaatkan perubahan fase sampel untuk membentuk struktur porositas yang diinginkan. Komposit HAp/alginat dibuat dengan perbandingan 70/30 (b/b) sebagaimana zat penyusun tulang manusia yang terdiri atas 65% mineral apatit dan 33% matriksnya (komponen organik) serta 2% unsur pendukung lainnya.15
7 Pada penelitian ini diperoleh komposit HAp/alginat dengan bentuk scaffold sesuai cetakan (multiwell plate) yang digunakan. Serbuk HAp yang digunakan berperan sebagai filler dengan fungsi memperkuat komposit. Scaffold sampel komposit HAp/alginat yang diperoleh pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Scaffold komposit HAp/alginat Berdasarkan Gambar 1, bentuk cetakan yang digunakan sangat berpengaruh terhadap bentuk komposit yang dihasilkan, sehingga pemanfaatannya dapat dengan mudah disesuaikan dengan kebutuhan. Pori yang didapatkan merupakan akibat dari proses yang terjadi pada saat pengeringan beku. Gel HAp/alginat yang telah dibekukan kemudian dipertahankan temperaturnya di bawah titik beku dan tekanan dibuat vakum sehingga menyebabkan terjadinya proses sublimasi. Proses sublimasi inilah yang kemudian menyebabkan butiran es di dalam sampel menguap dan meninggalkan bekas berupa pori. Komposit HAp/alginat yang dihasilkan kemudian dilakukan pencirian karakter menggunakan spektrometer FTIR dan SEM-EDX. Pencirian karakter menggunakan FTIR dilakukan untuk mengidentifikasi perubahan gugus fungsi HAp dan Na-alginat, sedangkan pencirian menggunakan SEM-EDX dilakukan untuk melihat ukuran pori dan struktur porositas yang terbentuk serta persentase massa kandungan unsurnya. Sintesis Hidroksiapatit Berpori dengan Matriks Selulosa Proses sintesis HAp berpori dengan matriks selulosa nata de coco pada penelitian ini dilakukan dengan metode cellulose immersion yaitu perendaman pelikel selulosa nata de coco dalam suspensi HAp sambil dilakukan stirring. Tahap awal yang telah dilakukan menghasilkan pelikel selulosa nata de coco dengan pH netral dan tidak berbau. Hasil yang diperoleh pada tahap ini adalah komposit HAp/selulosa yang berbentuk lembaran tipis sebagaimana Gambar 2. Lembaran tipis yang dihasilkan merupakan pelikel selulosa nata de coco yang kadar airnya telah berkurang setelah proses inkubasi. Berdasarkan hasil penelitian sebelumnya dinyatakan bahwa kadar air rata-rata yang terkandung di dalam pelikel selulosa nata de coco adalah sebesar 98.52 + 0.04 persen.16
(b) (a) Gambar 2 Lembaran sampel yang dihasilkan: (a) pelikel selulosa nata de coco, (b) komposit HAp/selulosa
8
Pembahasan Serbuk Hidroksiapatit
(211)
Serbuk HAp hasil presipitasi wise drop pada penelitian ini dilakukan Pencirian karakter menggunakan XRD untuk mengidentifikasi fasa yang terbentuk, menentukan parameter kisi dan ukuran kristalin serta menentukan derajat kristalinitas sampel. Identifikasi fasa sampel dilakukan dengan membandingkan pola difraksinya dengan database JCPDS nomor 09-0432 tentang calcium phosphate hydroxide. Pola difraksi sinar-x yang mengindikasikan fasa HAp pada database JCPDS ditunjukkan oleh adanya puncak-puncak yang tinggi pada sudut 2θ 25.88o, 31.77o, 32.20o, 32.90o, dan 49.47o dengan struktur kristal berbentuk heksagonal yang memiliki ukuran parameter kisi a = b = 9.418 Å dan c = 6.884 Å. Hasil pencirian terhadap sampel yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan bahwa pola difraksi sinar-x yang terbentuk hampir sama dengan pola difraksi sinar-x untuk fasa HAp pada database JCPDS (Lampiran 3). Gambar 3 menunjukkan pola difraksi sinar-x untuk sampel HAp hasil sintesis.
(512) (432) (513) (522)
(520)
(420) (214) (502) (304) (511)
(322) (313)
(310) (311) (400) (203)
(212)
(301)
(102) (210)
(200) (111)
(100)
150
(202)
(002)
(112)
300
(222) (312) (213) (321) (402) (410) (004)
(300)
450
(a)
(211)
(512) (432) (513) (522)
(520)
(420) (214) (502) (304) (511)
(322) (313)
(222) (312) (213) (321) (410) (402) (004)
(310)
(311) (400) (203)
(212)
(102) (210)
(200) (111)
(101)
(100)
80
(202) (301)
(002)
160
(112)
(300)
240
(b)
0 (211)
400
(512) (432) (513) (522)
(520)
(420) (214) (502) (304) (511)
(322) (313)
(222) (312) (213) (321) (402) (410) (004)
(310) (311) (400) (203)
(212)
(202) (301)
(101)
(200) (111)
100
(102) (210)
(002)
200
(112)
(300)
300
(100)
Intensitas (cacahan)
0
(c)
0 5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
2θ (derajat) Gambar 3 Pola XRD pada HAp yang dihasilkan pada: (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3
80
85
9 Berdasarkan pola difraksi XRD pada Gambar 3, puncak intensitas difraksi sampel (a), (b), maupun (c) secara keseluruhan merupakan puncak intensitas fasa HAp. Pola difraksi sinar-x pada sampel (b) memiliki intensitas lebih rendah dibanding dengan intensitas Pola difraksi sinar-x pada dua sampel lainnya. Parameter kisi sampel HAp (a), (b), maupun (c) ditentukan berdasarkan metode Cohen untuk struktur kristal heksagonal (Lampiran 3). Hasil perhitungan parameter kisi sampel HAp pada penelitian ini disajikan dalam Tabel 2. Ukuran kristalin HAp ditentukan berdasarkan persamaan Scherrer yang diilustrasikan pada Persamaan (3) dan dihitung hanya pada bidang (300) yang merupakan salah satu bidang fasa kristal HAp dengan puncak intensitas yang cukup tinggi.4 Derajat kristalinitas (DK) HAp dihitung dengan membandingkan luas fasa kristalin (A FK) dengan luas fasa total (AFT) sebagaimana Persamaan (4).17 Luas fasa kristalin dan fasa total merupakan perkalian nilai full width half maximum (FWHM) dengan tinggi puncak fasa (height) yang diperoleh dari software powder-x. Luas fasa kristalin diperoleh dengan menghilangkan background pola XRD dan dikurangi background amorf sebagaimana ditunjukkan pada Lampiran 5. Ukuran kristalin dan derajat kristalinitas HAp yang dihasilkan ditunjukkan pada Tabel 3. Persamaan scherrer untuk menentukan ukuran kristalin :4 (3) Keterangan : D = ukuran kristalin (nm) λ = panjang gelombang sinar x (0.154 nm) β = FWHM (rad) θ = sudut difraksi (rad) Persamaan menentukan derajat kristalinitas :17 (4) Keterangan : DK = derajat kristalinitas AFK = luas fasa kristalin (FWHM x Height) AFT = luas fasa total (FWHM x Height) Tabel 2 Parameter kisi HAp dan ketepatan (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3 Parameter kisi
Ketepatan
Sampel a = b (Å)
c (Å)
a = b (%)
c (%)
(a)
9.44
6.93
99.82
99.37
(b)
9.37
6.85
99.54
99.53
(c)
9.43
6.88
99.89
99.97
10 Tabel 3 Ukuran kristalin dan derajat kristalinitas HAp (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3 Ukuran Kristalin (nm) Sampel Bidang 300
Derajat Kristalinitas (%)
(a)
38.86
92.57
(b)
23.46
84.81
(c)
34.77
90.41
Berdasarkan pola XRD pada Gambar 3 dan hasil perhitungan ukuran kristalin dan derajat kristalinitas pada Tabel 3, maka terdapat korelasi antara intensitas pola difraksi sinar-x dengan ukuran kristalin, yaitu semakin tinggi puncak intensitas pola difraksinya, maka ukuran kristalin pada bidang yang sama juga semakin besar. Begitu pula dengan derajat kristalinitas, semakin tinggi intensitas pola difraksi, maka derajat kristalinitasnya semakin tinggi. Hal ini membuktikan bahwa derajat kristalinitas berbanding lurus dengan puncak intensitas pola difraksi dan ukuran kristalinnya. Sebagaimana dijelaskan pada hasil penelitian sebelumnya yang menyatakan bahwa semakin besar ukuran kristalin, maka semakin tinggi derajat kristalinitas yang dihasilkan.4 Selain pencirian menggunakan XRD, serbuk HAp juga dilakukan pencirian menggunakan spektrometer FTIR untuk mengidentifikasi gugus fungsinya dengan meninjau serapan radiasi inframerah yang dilewatkan pada sampel. Penyerapan radiasi inframerah oleh sampel menyebabkan perubahan energi pada tingkattangkat vibrasi molekulnya. Dalam senyawa diatomik hanya terjadi satu jenis vibrasi yaitu vibrasi regangan (streching vibration), sedangkan dalam senyawa poliatomik memungkinkan terjadinya vibrasi regangan maupun vibrasi tekuk (bending vibration). Frekuensi radiasi inframerah yang diserap oleh gugus fungsi suatu senyawa dan dikonversi ke dalam energi vibrasinya yaitu berada dalam kisaran 10000 cm-1 hingga 100 cm-1.18 Spektra FTIR yang dihasilkan menunjukkan bahwa gugus fungsi senyawa sampel HAp T1, HAp T2, dan HAp T3 hanya tersusun atas gugus fosfat (-PO43-) dan gugus hidroksil (-OH-) yang merupakan gugus-gugus senyawa HAp. Gambar 4 menunjukkan spektra FTIR masing-masing sampel. Puncak serapan gugus PO43- dan OH- masing-masing sampel terdeteksi pada bilangan gelombang yang sama dengan tingkat penyerapan yang berbeda. Puncak serapan gugus PO43- terdeteksi pada bilangan gelombang 570.89 cm-1 dan 601.75 cm-1 untuk gugus vibrasi P-O, sedangkan vibrasi P=O terdeteksi pada bilangan gelombang 1041.48 cm-1. puncak serapan gugus OHterdeteksi pada bilangan gelombang 632.61 cm-1 dan 3571.90 cm-1. Hasil identifikasi gugus-gugus fungsi pada sampel ini menandakan kesesuaian dengan daerah serapan masing-masing gugus fungsi. Puncak serapan dan persentase transmisi masing-masing gugus fungsi yang teridentifikasi pada sampel HAp ditunjukkan pada Tabel 4.
11 100
(c)
80 60 40 20
Transmitansi (%)
0 100
(b)
80 60 40
Fosfat
20
hidroksil
0 100
(a)
80 60 40 20 0 460
960
1460
1960 2460 2960 Bilangan Gelombang (cm-1)
3460
3960
4460
Gambar 4 Spektra FTIR sampel HAp yang dihasilkan pada: (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3 Tabel 4 Puncak serapan dan persentase transmisi spektra FTIR HAp yang dihasilkan (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3 Sampel
Gugus Fosfat -1
Gugus Hidroksil
Puncak (cm )
%T
Puncak (cm-1)
%T
(a)
570.89; 601.75; 1041.48; 601.75
46.50; 52.01; 22.76 ; 52.01
632.61; 3571.90
56.72; 79.91
(b)
570.89; 601.75; 1041.48; 601.75
37.67; 44.25; 19.66 ; 44.25
632.61; 3571.90
48.06; 70.15
(c)
570.89; 601.75; 1041.48; 601.75
58.53; 62.19; 44.03 ; 62.19
632.61; 3571.90
65.20; 72.67
12 Komposit HAp/alginat Komposit HAp/alginat yang dihasilkan pada penelitian ini diidentifikasi gugus fungsi senyawanya menggunakan spektrometer FTIR. Proses identifikasi ini dilakukan untuk melihat perubahan serapan gugus fungsi senyawa HAp dan senyawa Na-alginat. Berdasarkan struktur kimianya, senyawa Na-alginat merupakan salah satu polimer alam dengan gugus R-O-R yang mengandung gugus karboksil (C-O), alkana (C-H), karbonil (C=O), isomer natrium (O-Na), dan gugus hidroksil.19 Spektra FTIR hasil identifikasi gugus fungsi senyawa Naalginat ditunjukkan pada Gambar 5. Puncak serapan gugus C-O terdeteksi pada bilangan gelombang 1110.92 cm-1, gugus C-H stretching teridentifikasi pada bilangan gelombang 2931.59 cm-1 dan bending teridentifikasi pada bilangan gelombang 817.76 cm-1, gugus C=O pada bilangan gelombang 1612.37 cm-1, gugus O-Na pada bilangan gelombang 1419.50 cm-1, dan gugus O-H pada bilangan gelombang 617.18 cm-1 dan 3502.47 cm-1. Puncak serapan dan persentase transmisi masing-masing gugus fungsi yang teridentifikasi pada sampel Na-alginat ditunjukkan pada Tabel 5.
Transmitansi (%)
100
C-O 80
O-Na C=O O-H
60
C-H
40 460
960
1460
1960
2460
2960
Bilangan gelombang
3460
3960
4460
(cm-1)
Gambar 5 Spektrum FTIR Na-alginat Tabel 5 Puncak serapan dan persentase transmisi spektrum FTIR Na-alginat Gugus
Puncak (cm-1)
%T
C–O .
1110.92
63.67
C=O .
1612.37
71.74
O–Na
1419.50
72.82
O–H .
3502.47 dan 617.18
68.84 dan 67.80
C–H .
2931.59 dan 817.76
78.82 dan 89.39
Spektra FTIR hasil pencirian terhadap komposit HAp/alginat menunjukkan bahwa gugus fungsi senyawa yang teridentifikasi bertambah banyak jumlahnya. Hal ini disebabkan karena terjadinya penggabungan antara gugus fungsi yang terkandung dalam senyawa HAp dengan gugus fungsi yang terkandung di dalam
13 senyawa Na-alginat, sehingga gugus molekul semakin kompleks. Gugus yang teridentifikasi oleh spektrometer FTIR ini meliputi gugus C-O, C-H, C=O, O-Na, O-H, P=O dan P-O. Spektra FTIR komposit HAp/alginat ditunjukkan pada Gambar 6, sedangkan puncak serapan dan persentase transmisi masing-masing gugus fungsi yang teridentifikasi ditunjukkan pada Tabel 6. 100
(c) 80 60
Transmitansi (%)
40 100
C-O O-Na
(b) 80
C=O O-H C-H
60
P=O P-O
40 100
(a)
80 60 40 460
960
1460
1960
2460
2960
3460
3960
-1
Bilangan gelombang (cm ) Gambar 6 Spektra FTIR komposit HAp/alginat yang dihasilkan pada: (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3
14 Tabel 6 Puncak serapan dan persentase transmisi spektra FTIR HAp/alginat yang dihasilkan pada: (a) sintesis ke-1, (b) sintesis ke-2, dan (c) sintesis ke-3 (a) Gugus
Puncak (cm-1)
%T
P=O .
1041.48
72.26
C–O .
1103.20
71.05
C–H .
2931.59
83.57
C=O .
1643.23
74.39
O–Na
1419.50
85.60
O–H .
632.61 dan 3448.47
75.19 dan 49.21
P–O .
570.89 dan 0601.75
73.72 dan 74.00
(b) dan (c) Gugus
Puncak (cm-1)
% T ( (b) ;(c) )
P=O .
1033.77
71.33 ; 69.87
C–O .
1103.20
70.97 ; 69.75
C–H .
2931.59
83.09 ; 83.88
C=O .
1643.23
73.68 ; 75.69
O–Na
1419.50
83.57 ; 82.73
O–H .
632.61 dan 3448.47
72.20 ; 73.69 dan 49.61 ; 56.96
P–O .
563.17 dan 0601.75
69.88 ; 70.55 dan 70.96 ; 72.03
Berdasarkan Tabel 6 di atas, Jika ditinjau kembali spektrum FTIR serbuk Na-alginat, maka pada serapan gugus fungsi senyawa komposit HAp/alginat terdapat satu gugus fungsi yang tidak teridentifikasi yaitu gugus vibrasi C-H. Pada sepektra FTIR Na-alginat gugus C-H teridentifikasi pada bilangan gelombang 2931.59 cm-1 dan 817.76 cm-1. Namun pada Gambar 6 serapan gugus C-H pada bilangan gelombang 817.76 cm-1 tidak teridentifikasi. Hal ini terjadi karena gugus O-H yang teridentifikasi pada bilangan gelombang 632.61 cm-1 menyebabkan pelebaran transmisi.19 Puncak persentase transmisi terletak pada bilangan gelombang 848.62 cm-1 hingga mencapai lebih dari 90%. Analisis morfologi komposit HAp/alginat dilakukan dengan menggunakan SEM-EDX. Pada penelitian ini, analisis morfologi difokuskan pada identifikasi ukuran pori dan struktur porositas serta persentase massa unsur yang terkandung di dalam komposit. Hasil pemindaian menunjukkan bahwa struktur porositas yang terlihat cukup teratur dengan ukuran pori yang hampir seragam, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 7. Berdasarkan Gambar 7 pada perbesaran 100x dimunculkan beberapa skala ukuran diameter pori yang terbentuk, rentang ukuran diameter pori yang terbentuk adalah antara 93 μm hingga 182 μm. Variasi ukuran diameter pori yang didapatkan tersebut sudah cukup memberikan ruang dan
15 menjadi media pertumbuhan sel osteoblas untuk mempercepat proses remodeling tulang. Namun ukuran pori yang terdapat pada komposit ini lebih kecil jika dibandingkan dengan hasil penelitian sebelumya. Hal ini disebabkan karena rasio massa HAp dan Na-alginat yang digunakan adalah sebesar 70% dan 30%, sedangkan pada penelitian sebelumya adalah 50% dan 50%. Sebagaimana dinyatakan dalam hasil penelitian sebelumnya bahwa semakin banyak jumlah HAp yang digunakan, maka ukuran pori yang dihasilkan semakin kecil.4
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 7 Hasil SEM komposit HAp/alginat pada: (a) Perbesaran 50x, (b) Perbesaran 100x, (c) Perbesaran 500x, dan (d) Perbesaran 1000x Hasil Analisis EDX menunjukkan bahwa komposit HAp/alginat mengandung beberapa unsur dengan persentase massa yang berbeda. Unsur-unsur yang terkandung di dalam komposit HAp/alginat terdiri atas karbon, oksigen, natrium, fosfor, belerang, klorin, dan kalsium. Sebaran unsur yang terkandung di dalam komposit hampir merata di seluruh bagian komposit, sebagaimana hasil analisis di dua daerah menunjukkan bahwa selisih persentase massa yang sangat kecil. Persentase massa unsur didominasi oleh unsur oksigen dengan kadar lebih dari 47 persen. Secara terperinci persentase massa unsur yang terkandung dalam komposit HAp/alginat ditunjukkan pada Tabel 7. Unsur belerang yang terkandung dalam komposit dengan kadar sebesar 3.18% merupakan unsur yang terkandung dalam senyawa Na-alginat.
16 Tabel 7 Persentase massa unsur yang terkandung dalam komposit HAp/alginat Unsur C O Na P S Cl Ca Total
HAp/alginat Daerah 1 011.21 047.87 008.51 008.33 003.18 001.07 019.84 100.00
Daerah 2 011.89 047.59 008.10 008.33 002.89 001.13 020.06 100.00
Berdasarkan persetase massa unsur yang terkandung dalam komposit pada Tabel 7, maka rasio molaritas Ca/P komposit dapat ditentukan berdasarkan perbandingan massa dengan massa relatif unsur, sebagaimana Persamaan (5) berikut :
(5) Keterangan :
= persentase massa unsur Ca berdasarkan analisis EDX = persentase massa unsur P berdasarkan analisis EDX = massa atom relatif unsur Ca (40.08 gram/mol) = massa atom relatif unsur P (30.97 gram/mol)
Berdasarkan Persamaan (5) di atas, rasio molaritas Ca/P komposit dihasilkan sebesar 1.84 dan 1.86. Hal ini menunjukkan bahwa rasio molaritas Ca/P komposit lebih besar dibandingkan dengan rasio molaritas Ca/P HAp pada tulang yang hanya sebesar 1.67. Peningkatan rasio molaritas Ca/P pada komposit yang dihasilkan merupakan akibat penggunaan CaCl2 sebagai crosslink agent, sehingga jumlah Ca yang terkandung dalam komposit bertambah banyak. Komposit HAp/selulosa Seperti halnya serbuk HAp, komposit HAp/selulosa yang dihasilkan pada penelitian ini dilakukan pencirian karakter menggunakan XRD bersamaan dengan pelikel selulosa nata de coco yang telah dimurnikan. Pola difraksi yang terbentuk mencirikan dua karakter material yang berbeda yaitu selulosa dan HAp, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 8. Pola difraksi sinar-x yang menunjukkan karakter selulosa nata de coco ditunjukkan oleh adanya puncak pada 2θ di sekitar 14 derajat dan 22 derajat, sedangkan karakter HAp ditunjukkan oleh adanya puncak yang tinggi pada rentang 2θ 31 derajat hingga 34 derajat. Berdasarkan hasil pencirian, pelikel selulosa nata de coco memiliki luas fasa kristalin sebesar 1.57 satuan luas dan luas fasa amorfnya sebesar 0.27 satuan luas, sehingga derajat kristalinitasnya diperoleh sebesar 85.49 persen. Hal ini menunjukkan bahwa derajat kristalinitas pelikel selulosa nata de coco cukup tinggi, sebagaimana dinyatakan oleh Farah Nurlidar (2012) dalam karyanya bahwa selulosa mikrobial (selulosa nata de coco) memiliki derajat polimerisasi, derajat kristalinitas dan kekuatan mekanik yang tinggi.16 Derajat kristalinitas komposit HAp/selulosa
17 berdasarkan pencirian menggunakan XRD dari dua sampel yang dihasilkan pada penelitian ini diperoleh masing-masing sebesar 64.19% dan 54.63% dengan luas fasa kristal masing-masing sebesar 0.77 dan 0.35 satuan luas, sedangkan luas fasa amorfnya masing-masing sebesar 0.43 dan 0.29 satuan luas. Pendepositan HAp ke dalam pelikel selulosa nata de coco pada penelitian ini telah menghasilkan material komposit yang memiliki derajat kristalinitas yang lebih rendah. Hal Ini mengindikasikan bahwa material yang dihasilkan memiliki keunggulan yaitu tingkat degradasinya lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena material yang memiliki derajat kristalinitas yang tinggi mengakibatkan tingkat degradasinya menjadi rendah, sehingga komposit HAp/selulosa yang dihasilkan pada penelitian ini lebih cepat terserap oleh tubuh ketika diimplankan. 90 60
Intensitas (cacahan)
30
(c)
0 120
Selulosa 90
HAp
60 30
(b)
0 400 300 200 100
(a)
0 5
15
25
35
45
55
65
75
2θ (derajat) Gambar 8 Pola difraksi XRD Pelikel selulosa nata de coco dan komposit HAp/selulosa: (a) Pelikel selulosa nata de coco, (b) komposit HAp/selulosa ke-1, dan (c) komposit HAp selulosa ke-2 Analisis morfologi juga dilakukan pada komposit HAp/selulosa sebagaimana dilakukan pada komposit HAp/alginat. Analisis ini juga dilakukan untuk mengetahui ukuran pori dan struktur porositasnya serta mengetahui unsurunsur yang terkandung di dalamnya. Berdasarkan pemindaian SEM, Struktur porositas komposit HAp/selulosa yang terbentuk tidak begitu jelas. Hal ini disebabkan karena bentuk komposit yang dihasilkan adalah lembaran, berbeda dengan bentuk komposit HAp/alginat yang berbentuk scaffold. Hasil pemindaian SEM pada HAp/selulosa ditunjukkan pada Gambar 9. Beberapa hasil pemindaian
85
18 yang ada, tidak satupun yang diberikan skala ukuran porinya. Hal ini disebabkan karena sulitnya menentukan parameter batas pori-pori yang terbentuk dalam sampel dengan bentuk lembaran. Pada hasil pemindaian dengan perbesaran 500x terlihat bahwa pada sampel terdapat pori dengan ukuran diperkirakan lebih kecil dari 10 μm. Posisi pori yang terlihat dari hasil pemindaian ditunjukkan oleh garis yang melingkar berwarna merah.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 9 Hasil SEM komposit HAp/selulosa pada: (a) Perbesaran 200x, (b) Perbesaran 500x, (c) Perbesaran 1000x, dan (d) Perbesaran 2000x Berdasarkan hasil Analisis EDX menunjukkan bahwa komposit HAp/selulosa tersusun atas unsur karbon, oksigen, fosfor, dan kalsium dengan sebaran yang cukup merata di seluruh bagiannya, sebagaimana hasil analisis di dua daerah menunjukkan bahwa selisih persentase massa yang sangat kecil. Seperti halnya komposit HAp/alginat, komposit ini juga didominasi kandungan unsurnya oleh oksigen dengan kadar massanya lebih dari 45%. Secara terperinci persentase massa unsur yang terkandung di dalam komposit HAp/selulosa ditunjukkan pada Tabel 8.
19 Tabel 8 Persentase massa unsur yang terkandung dalam komposit HAp/selulosa Unsur
HAp/selulosa 00Daerah 1
00Daerah 2
C
007.06
007.66
O
045.50
045.27
P
016.67
016.39
Ca
030.77
030.67
Total
100.00
100.00
Berdasarkan persetase massa unsur yang terkandung dalam komposit pada Tabel 8, maka rasio molaritas Ca/P komposit berdasarkan Persamaan (5) dihasilkan sebesar 1.43 dan 1.45. Hal ini menunjukkan bahwa rasio molaritas Ca/P komposit lebih kecil dibandingkan dengan rasio molaritas Ca/P HAp pada tulang yang besaranya adalah 1.67.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Berdasarkan hasil yang diperoleh pada penelitian ini, dapat disimpulkan bahwa proses sintesis HAp berpori dari cangkang telur ayam dengan matriks selulosa nata de coco dan Na-alginat telah berhasil. Pencirian menggunakan XRD pada serbuk HAp yang dihasilkan menunjukkan bahwa derajat kristalinitasnya cukup tinggi untuk setiap sampel serbuk HAp yaitu di atas 80%. Gugus fungsi senyawa yang teridentifikasi oleh spektrometer FTIR pada serbuk HAp terdiri atas gugus fosfat dan gugus hidroksil yang keduanya merupakan gugus fungsi senyawa HAp. Proses inkubasi pada pengeringan komposit HAp/selulosa menyebabkan komposit yang dihasilkan berbentuk lembaran, sedangkan proses pengeringan beku pada pengeringan komposit HAp/alginat menyebabkan komposit yang dihasilkan sesuai dengan bentuk cetakan yang digunakan. Pencirian menggunakan XRD pada komposit HAp/selulosa menunjukkan bahwa pendepositan HAp ke dalam pelikel selulosa nata de coco menyebabkan derajat kristalinitas komposit lebih rendah yaitu 64.19% dan 54.63%. Hal ini menunjukkan bahwa komposit HAp/selulosa memiliki tingkat degradasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan pelikel selulosa nata de coco dan serbuk HApnya saja yang masing-masing memiliki derajat kristalinitas di atas 80%. Hasil identifikasi gugus fungsi pada komposit HAp/alginat menunjukkan hampir seluruh gugus fungsi senyawa HAp dan senyawa Na-alginat teridentifikasi. Namun serapan gugus C-H pada bilangan gelombang 817.76 cm-1 tidak teridentifikasi. Berdasarkan hasil pemindaian menggunakan SEM, komposit HAp/alginat memiliki struktur porositas yang cukup teratur karena memiliki bentuk scaffold dengan ukuran pori yang berada pada rentang 93 μm hingga 182 μm, sedangkan ukuran pori yang terbentuk pada komposit HAp/selulosa diperkirakan lebih kecil
20 dari 10 μm dengan struktur porositas yang tidak begitu jelas. Hal ini disebabkan karena bentuk komposit HAp/selulosa yang dihasilkan adalah lembaran. Berdasarkan analisis EDX, rasio Ca/P komposit HAp/alginat diperoleh sebesar 1.84 dan 1.86, sedangkan rasio Ca/P komposit HAp/selulosa diperoleh sebesar 1.43 dan 1.45. Saran Pada penelitian selanjutnya disarankan untuk dilakukan uji degradasi agar diketahui tingkat peyerapan tubuh terhadap sampel komposit HAp/alginat dan HAp/selulosa yang diimplankan. Untuk memperoleh ukuran pori yang lebih besar dapat dilakukan penurunan nilai rasio HAp/alginat. Sedangkan untuk menghasilkan bentuk komposit HAp/selulosa dalam tiga dimensi (scaffold) dapat digunakan metode pengeringan beku, dimana pelikel selulosa nata de coco yang telah direndam dikeringkan melalui proses freeze drying.
DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
3.
4.
5.
6. 7. 8.
Kehoe S. 2008. Optimisation of Hydroxyapatite (HAp) for Orthopaedic Application via the Chemical Precipitation Technique [thesis]. School of Mechanical and Manufacturing Engineering Dublin City University. Muntamah. 2011. Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit dari Limbah Cangkang Kerang Darah (Anadara Granosa,Sp) [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Arifianto. 2006. Pengaruh Atmosfer dan Suhu Sintering Terhadap Komposisi Pelet Hidroksiapatit yang Dibuat dari Sintesa Kimia dengan Media Air dan SBF [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Indrani DJ. 2012. Komposit Hidroksiapatit Kalsinasi Suhu Rendah dengan Alginat Sargassum Duplicatum atau Sargassum Crassifolium sebagai Material Scaffold untuk Pertumbuhan Sel Punca Mesenkimal [disertasi]. Jakarta (ID): Universitas Indonesia. Palmero P, Lombardi M, Montanaro L, Tirillo J, Bartuli C, Valente T, Marcassoli P, Cabrini M. 2010. Development and Mechanical Characterization of Hydroxyapatite Micro/Macro-Porous Scaffolds by an Innovative Gel-Casting Process. J Ceramic Materials 62(3): 355-362. Pratiwi N. 2011. Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Scaffold [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Trianita VN. 2012. Sintesis Hidroksiapatit Berpori dengan Porogen Polivinil Alkohol dan Pati [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Wulandari EC, Murningsih W, Wahyuni HI. 2012. Deposisi Kalsium dan Phosphor pada Cangkang Telur Ayam Arab dengan Pemberian Berbagai Level Azolla Microphylla. Animal Agriculture Journal, Vol. 1. No. 1, 2012, hal. 507 – 520.
21 9. 10.
11.
12.
13. 14.
[BPS] Badan Pusat Statistik. 2013. Produksi Telur Ayam Ras Petelur Menurut Provinsi. Jakarta (ID): Badan Pusat Statistik. Lindu M, Puspitasari T, Ismi E. 2010. Sintesis dan Karakterisasi Selulosa Asetat dari Nata De Coco sebagai Bahan Baku Membran Ultrafiltrasi. J Sains Material Indonesia. 12(1):17-23. Kosman R. 2011. Pemurnian Natrium Alginat dari Sargassum duplicatum j.g. Agardh, Turbinaria decurrens (bory) dan Turbinaria ornata (turner) j. Argardh Asal Perairan Ternate, Maluku Utara. Majalah Farmasi dan Farmakologi.15:30-34. Lin HR, Yeh YJ (2004). Porous Alginate/ Hydroxyapatite Composite Scaffolds for Bone Tissue Engineering : Preparation, Characterization, and In Vitro Studies. J Biomed Mater Res Part B:nnApplBiomater 71B : 52-65 Anggraeni A. 2012. Metode Singgle Drop pada Pembuatan Hidroksiapatit Berbasis Cangkang Telur [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Windarti T, Astuti Y. 2006. Pengaruh Konsentrasi Ca2+ dan (PO4)3- pada Pembentukan Hidroksiapatit di dalam Matriks Selulosa Bakterial. JSKA. Vol. IX. No. 3-2006.
15. Hernawati. Mineral dan Homeostasis (Keseimbangan Ionik dan Tekanan Osmosis)[makalah]. Bandung (ID): Universitas Pendidikan Indonesia 16. Nurlidar F. 2012. Sintesis Komposit Selulosa Bakteri-Sitrat-Kitosan sebagai Matriks Pembentukan Hidroksiapatit [tesis]. Depok (ID): Universitas Indonesia. 17. Purnama EF, Nikmatin S, Langenati R. 2006. Pengaruh Suhu Reaksi terhadap Derajat Kristalinitas dan Komposisi Hidroksiapatit Dibuat dengan Media Air dan Cairan Tubuh Buatan (Synthetic Body Fluid). J Sains Material Indonesia, edisi khusus Oktober 2006, hal. 154-162. 18. Mudzakir A. Metode Spektoskopi Inframerah untuk Analisis Material [diktat]._http://file.upi.edu/Agus_Setiabudi/Bahan_Kuliah_Karakterisasi_Mat erial/Bab_5_Infrared_Spektroscopy_untuk_padatan.pdf. [diunduh pada 13 April 2014]. 19. Bintarti TW, Izak DR, Adi J. 2013. Sintesis dan Karakterisasi Bone Graft Berbasis Hidroksiapatit dan Alginat. Jurnal Fisika dan Terapannya Vol. 1, No. 2, April 2013.
22
LAMPIRAN Lampiran 1 Diagram Alir Pelaksanaan Penelitian Mulai
Persiapan alat dan bahan
Kalsinasi cangkang telur ayam
Sintesis serbuk HAp (wise drop)
Serbuk HAp Pencirian XRD, FTIR
Sintesis HAp/Alginat (phase separation)
Sintesis HAp/selulosa (cellulose immersion)
HAp berpori matriks alginat
HAp berpori matriks selulosa
Pencirian FTIR
Pencirian XRD
Analisis morfologi (SEM-EDX)
Analisis data Menyusun laporan
Selesai
23 Lampiran 2 Bahan dan Alat
(1)
(3)
(2)
(6)
(4)
(8)
(7)
(10)
(11)
(5)
(12)
(9)
(13)
Keterangan : (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)
Cangkang telur Kalsinasi dan sintering Presipitasi wise drop Proses penyaringan Hasil sintering Serbuk Na-alginat Gel HAp/alginat
(8) Pencetakan gel HAp/alginat (9) Scaffold HAp/alginat (10) Pemurnian pelikel selulosa nata de coco (11) Sonikasi dan stirring suspensi HAp (12) Perendaman pelikel selulosa nata de coco (13) Lembaran pelikel selulosa nata de coco dan komposit HAp/selulosa
24 Lampiran 3 Data Joint Commite on Powder Diffraction Standards (JCPDS) Hidroksiapatit (Ca5(PO4)3(OH))
25 Lampiran 4 Menghitungan Parameter Kisi dengan Metode Cohen Menentukan parameter kisi heksagonal untuk puncak banyak Jarak antar bidang, d : (
)
(A1)
Menurut Bragg :
atau
(A2)
Penggabungan persamaan (1) dan (2) menghasilkan : (
)
, atau
(A3)
Untuk memperoleh parameter kisi menggunakan hubungan, (
) (A4)
Akan diperoleh bentuk : (A5) Keterangan : ;
;
Nilai C, B, dan A dapat diperoleh dari 3 persamaan berikut : Σ α sin2θ = C Σ α2 + B Σ αγ + A Σ αδ Σ γ sin2θ = C Σ αγ + B Σ γ2 + A Σ γδ Σ δ sin2θ = C Σ αδ + B Σ γδ + A Σ δ2 Maka nilai parameter kisi a dan c diperoleh: √
√
√
Perhitungan parameter kisi sampel HAp hasil sintesis ke-1
153.47 = 14,214.00 C + 2,144.00 B + 4,326.82 A 045.36 = 02,144.00 C + 2,096.00 B + 1,297.79 A 054.81 = 04,326.82 C + 1,297.79 B + 1,574.26 A Dalam bentuk matriks Ax = B dituliskan sebagai berikut: (
)( )
(
)
(A6)
26 Menghitung determinan A, A1 dan A2 : )
|A| = (
|A1| = (
)
)
|A2| = ( Nilai C dan B diperoleh :
Nilai parameter kisi a dan c diperoleh : √
√
;
√ √
√
√
√
Perhitungan parameter kisi sampel HAp hasil sintesis ke-2 116.99 = 10,512.00 C + 1,876.00 B + 3,315.92 A 042.25 = 01,876.00 C + 2,046.00 B + 1,208.51 A 044.60 = 03,315.92 C + 1,208.51 B + 1,287.63 A Determinan A, A1, dan A2 :
Nilai C dan B diperoleh :
Nilai parameter kisi a dan c diperoleh : √
√
;
√ √
√
√
√
Perhitungan parameter kisi sampel HAp hasil sintesis ke-3
170.16 = 15,481.00 C + 2,569.00 B + 4,731.16 A 052.58 = 02,569.00 C + 2,367.00 B + 1,477.56 A 060.69 = 04,731.16 C + 1,477.56 B + 1,718.77 A Determinan A, A1, dan A2 :
Nilai C dan B diperoleh :
Nilai parameter kisi a dan c diperoleh : √
√
√ √
;
√
√
√
27 Lampiran 5 Menentukan Luas Fasa Total dan Luas Fasa Kistalin Contoh pada sampel HAp T1 1. Menentukan puncak fasa total (kristalin dan amorf) dengan menghilangkan Background
2. Fitting puncak fasa total
28 3. Menentukan puncak fasa kristalin dengan menghilangkan Background amorf (kurva warna biru)
4. Fitting puncak fasa kristalin
29 Lampiran 6 Gambar Hasil Pemindaian Scaning Electron Microscope 1. morfologi komposit HAp/alginat
Perbesaran 30x
Perbesaran 50x
Perbesaran 100x
Perbesaran 200x
Perbesaran 500x
Perbesaran 1000x
30
2. Morfologi komposit HAp/selulosa
Perbesaran 50x
Perbesaran 100x
Perbesaran 200x
Perbesaran 500x
Perbesaran 1000x
Perbesaran 2000x
31 Lampiran 7 Spektrum Analisis Enegy Disversive X-ray(EDX) 1. Spektrum EDX komposit HAp/alginat
2. Spektrum EDX komposit HAp/selulosa
32
RIWAYAT HIDUP Penulis bernama lengkap Sugandi yang lahir di Pandeglang pada tanggal 02 April 1992 dari pasangan Saria (alm.) dan Rukmah. Penulis merupakan anak ketiga dari lima bersaudara. Pada tahun 2004, penulis telah menyelesaikan sekolah dasar di SDN Cening 1 dan melanjutkan ke Madrasah Tsanawiyah Negeri (MTsN) Cening kemudian lulus pada tahun 2007. Pada tahun 2010 penulis telah menyelesaikan sekolah menengah atas di Madrasah Aliyah Mathla’ul Anwar Pusat (Almapus) Menes dan pada tahun yang sama penulis berhasil masuk ke Institut Pertanian Bogor pada Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) dan program beasiswa Bidikmisi angkatan pertama. Selama studi, penulis pernah mengikuti beberapa organisasi kemahasiswaan seperti Badan Kerohanian Islam Mahasiswa (BKIM) IPB sebagai anggota Departemen Syiar dan Opini pada tahun 2010-2011, pengurus Badan Pekerja Hubungan Kelembagaan Majelis Permusyawaratan Mahasiswa Keluarga Mahasiswa (MPM-KM) IPB dan bendahara Komisi III Dewan Perwakilan Mahasiswa (DPM) FMIPA IPB pada tahun 2011-2012. Pada tahun 2012-2013 penulis diamanatkan sebagai ketua Komisi V DPM FMIPA IPB. Selain itu, selama studi penulis juga aktif sebagai pengurus Dewan Kesejahteraan Mesjid (DKM) Nurul Falah. Pada tahun 2011 dan 2013, penulis berhasil memperoleh dana hibah Program Kreativitas Mahasiswa (PKM) bidang gagasan tertulis dan bidang penelitian.
