THE INFLUENCE OF CITHOSAN CONCENTRATION VARIATION OF HYDOXYAPATITE SCAFFOLD – SPONGE ON CRYSTALINITY AND PORE SIZE Ravita Wahyu Prasasti, Hartatiek, Nasikhudin Jurusan FMIPA Universitas Negeri Malang Email:
[email protected]
Hydroxyapatite (HA) is one kind of bioceramics have chemical formula (CA10(P04)6(OH)2) are similar to the chemical structure of bone and hard tissues in mammals. One of a part HA developed is porous. Porous HA material that is implanted into the broken bone and serve to help stimulate the growth of bone tissue. The pores in the HA polymer made of solid polyurethane (sponge) which has an open structure and surface biocompatible. Mineral calcite likely as raw material for the manufacture of HA mineral calcite contains calcium was 98.7% with the potential to be used in the production of HA. Chitosan is a polymer that can be used as a control because it has specific properties of the pore, which is biocompatible, non-toxic, osteoconductive, biodegradable, and not karsiogenik. This research aims to synthesize porous HA using basic ingredients of Ca(OH)2 of the mineral calcite, H3PO4, sponge and chitosan by using sol-gel method. And for know about the influence of chitosan concentration variasi of hydroxyapatite scaffold-sponge on crystalinity and pore size. Crystallinity was characterized using XRD. Pore morphology obtained by SEM and then the comparison of the Ca/P by using EDX. Cluster compounds contained in the HA obtained from FTIR characterization.Variations in the concentration of chitosan used in this study was 0% (without chitosan), 2% and 3%. The results showed HA has an average value ratio Ca/P of 1.67 corresponding to the ratio of Ca/P models. The degree of crystallinity respectively obtained at 73.90% (pure HA), 73.08% (HA-sponge scaffold without chitosan), 72.65% (HA scaffold-sponge with 2% chitosan) and 65.77% (HAsponge scaffolds with 3% chitosan). As for the crystal size of 49.99 nm (pure HA), 54.37 nm (HA-sponge scaffold without chitosan), 54.98 nm (HA scaffoldsponge with 2% chitosan) and 40.44 nm (HA scaffold-sponge with 3% chitosan). The results obtained from XRD characterization showed that the increase in crystallinity of HA chitosan affects on each variation, as indicated by changes in the level of the peak. SEM morphology showed that the addition of chitosan can enlarge the pore size. On the results of SEM morphology, pore size successively acquired 1,325 lm (pure HA), 1,845 lm (HA-sponge scaffold without chitosan), 8,471 lm (HA scaffold-sponge with 2% chitosan) and 8,868 lm (HA scaffoldsponge with 3% chitosan). Keyword: hidroxyapatite, calcite , scaffold, crystalinity, pore size.
1
Kitosan merupakan mikromolekul biologi yang dapat diperoleh melalui proses deasetilasi dari kitin yang tersedia. Kitosan memiliki sifat osteokondusif, bioresorbable, dan tidak mengandung racun (Dewi, 2009). Kitosan dapat berperan sebagai media pengendali pori karena pori dapat terbentuk saat dilakukan sintering pada kitosan yang terjebak akan meninggalkan hidroksiapatit (Yustinus, 2011). Penelitian ini akan dilakukan sintesis hidroksiapatit scaffoldsponge dengan variasi massa kitosan dengan metode sol gel. hal ini dikarenakan metode sol gel ini memiliki beberapa keuntungan diantaranya kemurnian, kristalinitas, reaktivitas yang tinggi (Iis Sopyan, 2008). Selain kitosan yang dapat menimbulkan pori, akan ditambahkan bahan sponge sebagai media berpori yang diharapkan dapat memperbesar ukuran pori sehingga struktur yang terbentuk sesuai dengan teori yang ada, yakni semakin mudah untuk bisa diimplant ke jaringan tulang manusia METODE EKSPERIMEN
PENDAHULUAN Hidroksiapatit merupakan salah satu biokeramik yang dapat digunakan sebagai bahan subtitusi untuk tulang buatan (Nasim, 2010) yang memiliki rumus kimia Ca10(PO4)6(OH)2 Hidroksiapatit berpori telah digunakan dalam aplikasi medis termasuk regenerasi jaringan tulang. Material hidroksiapatit berpori yang dimasukkan ke dalam tulang yang patah berfungsi untuk membantu dan merangsang pertumbuhan jaringan tulang serta secara bertahidrokiapatit akan digantikan oleh jaringan tulang yang baru . (Kim et al., 2007).Keuntungan yang diperoleh dari hidroksiapatit scaffold adalah kondisi pori-pori yang baik untuk transport nutrisi, infiltrasi jaringan, dan vaskularisasi (Teixeira dalam Niken Pratiwi, 2011). Hingga tahun 2012, pemanfaatan batuan alam khusunya yang mengandung CaCO3 (calcite) masih kurang maksimal bila dibandingkan dengan jumlah penyebarannya yang tinggi di wilayah Jawa Timur khususnya daerah Druju, Kabupaten Malang. Sebagian besar orang hanya mengenal batuan calcite digunakan sebagai bahan bangunan, baku marmer, penghias rumah, dan atap. Berdasarkan data hasil pengujian yang telah dilakukan tahun 2011, kandungan batuan alam di daerah Druju Malang , didapat CaCO3 cukup besar yakni sekitar 97,33% ; MgCO 2.61%.
HA scaffold dengan penambahan kitosan disintesis dengan menggunakan metode sol gel. Batuan calcite digunakan sebagai bahan dasar pembuatan HA. Batuan calcite digerus hingga menjadi serbuk kemudian serbuk dikalsinasi pada suhu 1000oC selama 5 jam sehingga menghasilkan Ca(OH)2. Ca(OH)2 dilarutkan dalam ethanol 96%
2
kemudian dicampur dengan larutan H3PO4 80% dengan cara diteteskan ke dalam larutan Ca(OH)2. Setelah proses pencampuran selesai, larutan HA diaduk dengan kecepatan 300 rpm dengan suhu 37oC selama 30 menit. Setelah proses homogenisasi, HA diendapkan selama 24 jam di suhu ruang. Kemudian endapan HA diaduk pada suhu 60oC hingga menjadi gel. Setelah menjadi gel, HA dikeringkan pada suhu 110oC selama 24 jam dilanjutkan dikalsinasi pada suhu 1000oC selama 3 jam. Persamaan reaksi HA sebagai berikut.
variasi HA scaffold tanpa menggunakan kitosan, HA kering yang dilarutkan dengan aquades kemudian spons direndam hinhha terserap. Setelah itu dilakukan pengeringan pada suhu 110oC selama 24 jam yang dilanjutkan kalsinasi pada suhu 1100oC selama 4 jam. Struktur kristal sampel diuji dengan X-Ray Diffraction (XRD) tipe X’Pert PRO berupa gambar pola difraksi yang ditunjukkan oleh hubungan antara 2θ dan intensitas, hasil uji SEM (FEI tipe INSPECT-S50) dalam bentuk gambar morfologi partikel, dan uji EDX untuk mentukan perbandingan Ca/P. Dari data hasil uji XRD, pembentukan dan analisis fasa diidentifikasi menggunakan program HighScore Plus. Dilanjutkan dengan bantuan Software Microcal Origin Pro 8 untuk penampilan berbagai grafik. Kristalinitas dapat dihitung dengan cara membandingkan banyaknya kandungan Kristal dalam suatu material dengan luasan kurva amorf yang diperoleh dari plot grafik dengan menggunakan program FullProf. Kristal Ukuran Kristal dihitung menggunakan persamaan Scherrer. Kemudian ukuran pori diperoleh dari hasil fotografi SEM. Komposisi bahan di uji dengan EDX. Kristalinitas dapat dihitung dengan persamaan:
10 Ca(OH)2 + 6 H3PO4 Ca10(PO4)3(OH)2 + 18 H2O Setelah HA kering, HA siap untuk ditambahkan dengan spons dan kitosan. Kitosan dilarutkan dengan asam asetat yang diaduk dengan kecepatan 300 rpm pada suhu ruang selama 3 jam kemudian didiamkan selama 24 jam. HA yang dilarutkan dalam aquades kemudian dicampur larutan kitosan dengan cara penetesan buret. Setelah pencampuran selesai HA-kitosan diaduk dengan kecepatan 300 rpm pada suhu 37oC selama 4 jam. kemudian dipanaskan dengan pemanas air selama 60 menit pada suhu 50oC. selanjutnya diendapkan selama 24 jam pada suhu ruang. Endapan HA diaduk hingga menjadi gel, setelah itu spons direndam hingga gel terserap seluruhnya. Setelah gel terserap oleh spons, dilakukan pengeringan pada suhu 110oC selama 24 jam yang dilanjutkan kalsinasi pada suhu 1100oC selama 4 jam. Untuk
Ukuran partikel dapat ditentukan dengan memakai persamaan Scherrer :
3
Berikut hasil perhitungan kristalinitas dari berbagai variasi HA.
merupakan ukuran kristal , k merupakan konstanta yang nilainya 0,9, B0 merupakan lebar puncak pada setengah maksimum (Full Width Half Maksimum, FWHM) dan θ merupakan sudut difraksi. Nilai FWHM dicari dengan menggunakan software Microcal Origin Pro 8. HASIL DAN PEMBAHASAN Pola Difraksi Hasil Pengukuran Setelah dilakukan pencocokan hasil sintesis hidroksiapatit setiap variasi dengan data model yang menggunakan software HighScore Plus diperoleh perbandingan grafik yang ditunjukkan pada gambar 1
Kristalinitas HA Murni 73,90% HA SS 73,08% HA SS – 0.5 gr cts 72,65% HA SS – 0.5 gr cts 65,77% Tabel 1. Hasil Perhitungan Kristalinitas
Dari hasil perhitungan derajat kristalinitas terlihat bahwa semakin banyak massa kitosan yang ditambahkan semakin kecil kristalinitasnya. Hal ini disebabkan struktur kitosan lebih amorf dan sudah tersebar secara merata pada partikel HA (Robiatuh, 2009). Ukuran kristal dapat ditentukan dengan cara menghitung besarnya FWHM (Full Widht at Half Maximum) dari puncak bidang difraksi. Untuk menentukan FWHM dan sudut Bragg menggunakan software Origin8. Ukuran Kristal dapat dihitung dengan persamaan Scherrer.
merupakan konstanta yang nilainya , merupakan panjang gelombang sinar-X yang besarnya . Hasil perhitungan ukuran Kristal disajikan pada tabel 4.2
Gambar 1. Hasil XRD
Hasil XRD menunjukkan bahwa sintesis hidroksiapatit sesuai dengan data model. Pada variasi yang dilakukan, grafik XRD mengalami pergeseran puncak (ke arah kiri), hal ini d ikarenakan adanya penambahan porogen (spons dan kitosan). Melalui pola XRD dapat diketahui kristalinitas dengan cara memfitting dengan software FullProf dan Origin8 yang diperoleh grafik luas total, luas amorf dan luas background kemudian diperoleh luas kristalin.
Ukuran Kristal (nm) HA Murni 49.99 HA SS 54.37 HA SS – 0.5 gr cts 54.98 HA SS – 0.75 gr cts 40.44 Tabel 2. Hasil Perhitungan Ukuran Kristal
Hasil perhitungannya didapatkan ukuran kristal hidroksiapatit rentang 40-55 nm. Hasil ini menunjukkan besarnya ukuran kristal hidroksiapatit hasil sintesis pada penelitian ini besarnya sesuai dengan hidroksiapatit yang ada di dalam tulang
4
manusia yaitu sebesar 20-80 nm (Cunniffe, 2010). Morfologi SEM Perbandingan Ca/P dapat diketahui dengan karakterisasi EDX. Data hasil EDX berupa gambar puncak atom dan juga tabel yang berisi persen atom dari unsur yang ada pada sampel. Ca/P HA Murni 1.62 HA SS 1.67 HA SS – 0.5 gr cts 1.63 HA SS – 0.5 gr cts 1.64
c.
Tabel 3. Perbandingan Nilai Ca/P
Dari hasil EDX diatas, nilai perbandingan Ca/P hidroksiapatit hasil sintesis mendekati nilai perbandingan Ca/P standar yaitu sebesar 1,67. Jadi dapat disimpulkan bahwa sintesis hidroksiapatit dengan menggunakan metode sol gel cocok untuk mensintesis hidroksiapatit, karena dengan menggunakan metode ini perbandingan Ca/P sesuai dengan standar. Hasil Morfologi SEM HA seperti yang ditunjukkan pada gambar 2
d.
Gambar 2.
Hasil Morfologi SEM dengan perbesaran 5000 (a) HA Murni (b) HA SS (c) HA SS – 0.5 gr cts (d) HA SS – 0,75 gr cts Dari hasil morfologi SEM dapat dilihat bahwa sintesis hidroksiapatit menggunakan sol gel menghasilkan algomerasi yang cukup baik dan pori terlihat jelas. Berikut merupakan tabel ukuran pori yang diperoleh dari gambar 2 Rerata Ukuran Pori (µm)
a.
HA Murni HA SS HA SS – 0.5 gr cts HA SS – 0.75 gr cts
b
1.1155 1.1179 5.7215 6.795
Dengan menambahkan spons dan kitosan ukuran pori pada hasil 5
sintesis hidroksiapatit semakin bertambah. Hal ini dikarenakan semakin banyaknya kitosan yang terjebak di dalam partikel hidroksiapatit semakin besar kekosongan ruang (pori) yang ditinggalkan (Yustinus, 2011). SPEKTRA FTIR Gugus fungsi dari suatu senyawa tertentu ditunjukkan dengan adanya puncak spectrum absorpsi sampel pada suatu bilangan gelombang tertentu (Fajriyah, 2010).
OH-
PO43CO32C=C
d.
OH-
Di bawah ini merupakan spectra FTIR hasil sintesis hidroksiapatit yang dicocokkan denga spectra FTIR hasil sintesis sebelumnya. a. OHPO43-
v1 v2 v3 v4
CO32C=C
PO43-
OH
PO43CO32C=C
v1 v2 v3 v4
v1 v2 v3 v4
CO32C=C
HA SS – 0.75 gr cts 3700-3600 628.79 1050-950 1500-1400 2100-2000
Pada hasil spectra FTIR terlihat bahwa gugus-gugus penyususn senyawa HA tampak pada bilangan gelombang masing-masing. Hal ini menandakan bahwa sintesis HA dan HA berpori dengan variasi konsentrasi kitosan tidak mempengaruhi atau menghilangkan gugus fungsi yang terkandung dalam senyawa HA.
HA Murni 3600-3550 1100-850 603.72 553.57 1500-1450 2200-1950
b. -
v1 v2 v3 v4
HA SS – 0.5 gr cts 3700-3600 630.72 500-450 1100-850 600-550 1400-1350 2100-1950
KESIMPULAN
HA SS 3700-3500 632.66 500-400 1100-900 600-550 -
Sintesis hidroksiapatit berbahan dasar batuan calcite dengan metode sol gel berhasil dilakukan yang dibuktikan dengan pecocokan hasil XRD dengan model menghasilkan fasa hidroksiapatit 100% menggunakan software Highscore Plus. Hasil sintesis hidroksiapatit memiliki derajat kristalinitas sebesar 73.90% dan ukuran pori yang diperoleh sebesar 1.325 µm dengan ukuran kristal sebesar 49.99 nm dan nilai Ca/P 1.62.
c.
6
Hidroksiapatit scaffold dengan polyurethane padat (spons) sebagai pengendali pori telah berhasil dilakukan dengan metode sol gel. Hasil sintesis hidroksiapatit scaffoldsponge memiliki derajat kristalinitas 73.08% , ukuran pori sebesar 1.845 µm, berukuran 54,37 nm serta perbadingan Ca/P 1.67.
Pratiwi, N. 2011. Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Scaffold. Skripsi tidak diterbitkan. Bogor: IPB. Sepulveda, P., et al., In Vivo Evaluation of Hidroksiapatit Foams. Material Research, Vol 5, No. 3, 253-256, 2002, hal. 1 Sepulveda, P., et al., In Vivo Evaluation of Hidroksiapatit Foams. Material Research, Vol 5, No. 3, 253-256, 2002, hal. 1
Penambahan larutan kitosan pada hidroksiapatit dapat mempengaruhi kristalinitas yang telah dihitung, yakni 72.65% untuk konsentrasi 2% dan 65.77% untuk konsetrasi 3%. Dapat dilihat bahwa dengan menambahkan larutan kitosan pada hidroksiapatit maka derajat kristalinitas semakin menurun.
Toibah Abdurrahim and Iis Opyan. Recent Progress on the Development of Porrous Bioactive Calcium Phosphate for Biomedical Applications, Bentham Science Publishers Ltd. Recent Patents on Biomedical Engineering 2008, 1, 213-229.
DAFTAR RUJUKAN Cunnife, Grainne M. 2010. The Synthesis and characterization of nanophase hydroxyapatite using a novel dispersant-aided precipitation method. Journal of Biomedical Materials Research.
Yudyanto, dkk. 2013. Sintesis NanoHydroxyapatite Berbahan Dasar Batuan Alam Calcite Druju Kabupaten Malang Sebagai Biomaterial Fungsional Pengganti Tulang. Usulan Penelitian Hibah Bersaing. Malang: Universitas Negeri Malang.
Dewi, Setia Utami.2009.Pembuatan Komposit Kalsium FosfatKitosan Dengan Metode Sonikasi.IPB. Kim HS, Kim JT, Jung YJ. 2007. Preparation of Porous Chitosan/Fibroin-Hydroxyapatite Composite Matrix for Tissue Engineering. Macromolecular Research 15(1):65-73.
7
