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: 10.1002jbm.a.31151
Gabriela Vald´es-R am´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 GelatinChitosanHyaluronan Scaffold-Polymer, Electronic Journal of Biotechnology, DOI: 10.2225vol13-
issue5.
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 10.1007b137240 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 22: 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 153: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 CoreShell Structure, Journal of the European Ceramic Society
31 2011 13–18
LAMPIRAN
Lampiran 1
Difraksi Sinar-X XRD Scanning Electromicroscope SEM
Analisis Aktivasi Neutron AAN 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 .
a b
c d
e Gambar 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.
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
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 pori-
pori 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
o
C, 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 pori-
pori 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 termasuk ukuran pori, interkonektivitas pori, biokompatibilitas, osteokonduktivitas, kekuatan mekanik, dan kemampuan
biodegradasi.
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
3. proses sintering
Konversi kerangka karang laut dan tulang 4.
alami Teknik keramik
5. berbusa
Metode polimer Reaksi pembentukan hidroksiapatit yang melibatkan reaksi antara asam H
sponge
3
PO
4
dan basa CaOH
2
10CaOH antara lain sebagai berikut :
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
o
C 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
Tata Kerja
25 , polivinil alkohol 72000 PVA, etilin glikol EG, polietilin glikol PEG 400.
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
o
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 C 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 .
o
C selama 2 jam. Dilakukan pengeringan pada suhu 100
o
C, pirolisis 300
o
C, dan kalsinasi 600
o
Serbuk kering yang dihasilkan ditimbang masing-masing 3 gr dan dikompaksi dengan diameter 2 cm. Pelet yang dihasilkan disintering dengan furnace 900
C masing-masing selama 2 jam.
o
C
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.
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
Amonia 25
Porogen : PVA, EG, H
2
O
2,
PEG
100
o
C 2 jam
600
o
C 2 jam
900
o
C 2 jam 300
o
C 2 jam
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 :
Gambar 3. Diagram alir sintesis dan karakterisasi hidroksiapatit berpori. Asam Phosphat 0,3 M
Pengadukan
Presipitasi
Pencampuran
Pirolisis Dekantasi
Pengeringan
Kalsinasi Kalsium Hidroksida 0,5 M
Sintering Kompaksi
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 vv
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 vv, HS adalah kode untuk hidroksiapatit
yang tidak ditambah porogen.
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
o
C dibandingkan polietilin glikol 287
o
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.
C, 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..
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 2
θ : 32,054
o
; 25,879
o
; 49.496
o
; 46,788
o
; 53,546
o
; 39,672
o
; 72,030
o
; dan 64.177
o
.
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 2 θ, 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.
Gambar 9. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit a. tanpa dan penambahan polivil alkohol b. 5 , c. 10 , d. 15 , e. 20 , f. 25
Gambar 10. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit a. tanpa dan penambahan hidrogen peroksida b. 5, c. 10, d. 15, e. 20, f. 25
e f
a b
c d
e f
a b
c d
Gambar 11. Pola difraksi sinar-X hidroksiapatit. a. tanpa dan penambahan etilin glikol : b. 5 , c. 10 , d. 15 , e. 20 , f. 25
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
o
a
C hidrogen peroksida;
b c
d e
f
a b
c d
e f
228
o
C polivinil alkohol; 197,6
o
C etilin glikol; dan 200
o
C polietilin glikol. Pada proses pemanasan sampai 100
o
C diharapkan terjadi pelepasan air pelarut, pada suhu 300
o
C terjadi penguapan porogen namun demikian kemungkinan masih terjebak diantara partikel
hidroksiapatit, sehingga pada pemanasan 600
o
C 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
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.
C terjadi pembentukan fasa hidroksiapatit. Dengan demikian pada saat dilakukan pemanasan sampai
suhu sintering semua porogen terlepas dari hidroksiapatit, sehingga tidak mengandung porogen lagi.
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 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
-1
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.
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.
η = 0.96312 D = 0,940,1408
Gambar 14. Pengaruh jenis dan kosentrasi porogen terhadap ukuran kristalit hidroksiapatit : a. etilin glikol b. hidrogen peroksida c. polivinil
alkohol d. polietilin glikol
Gambar 15. Pengaruh jenis dan kosentrasi porogen terhadap regangan hidroksiapatit a. etilin glikol b. hidrogen peroksida c. polivinil alkohol d. polietilin
glikol d
c b
a
d
c b
a
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 3-
ditunjukkan 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.
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 3200- 3600 cm
-1
. Pada bilangan gelombang 2360 terlihat adanya puncak latar ikatan C==C yang berasal dari puncak latar CO
2
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 . Hal ini menunjukkan bahwa hasil uji FTIR
mendukung hasil uji XRD bahwa hidroksiapatit hasil sintesis sesuai dengan standar hidroksiapatit produk Aldrich nomor katalog 574791.
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 18 Spektrum FTIR hidroksiapatit.
Sedangkan gambar 19 d. dan 19 e. menunjukkan gugus fungsi etil -CH
2
-- CH
3
dengan bilangan gelombang 1450 cm
-1
, 1370 cm
-1
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 19. Spektrum FTIR sebelum sintering hidroksiapatit dengan 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. Unsur- unsur 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
–10
1.8
mgKg 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.
Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit Dengan Pori Terkendali
YUSTINUS PURWAMARGAPRATALA
SEKOLAH PASCASARJANA DEPARTEMEN KIMIA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
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: 10.1002jbm.a.31151
Gabriela Vald´es-R am´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 GelatinChitosanHyaluronan Scaffold-Polymer, Electronic Journal of Biotechnology, DOI: 10.2225vol13-
issue5.
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
