Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM FOSFATKITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
2
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Komposit Kalsium
Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi adalah 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 tesis ini.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
G751070041
3
ABSTRACT
SETIA UTAMI DEWI. Synthesizes of Calcium Phosphate-Chitosan Composite
by Sonication Method. Under direction of KIAGUS DAHLAN and DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Formation of biomaterial composite consisting of organic matrix and
inorganic mineral has been studied. The inorganic minerals used hydroxyapatite
and hydroxyapatite and carbonated apatite compound that was result reaction of
calcium from calcinations of chicken eggshell at 1000oC and phosphor in the form
of diammonium hydrogen phosphates. Whereas the organic matrix was a
commercial chitosan originated from shrimp shell. To produce the composite,
both of apatite was mixed with chitosan using sonication method. The result
samples were further dried at 50°C. Used calcium phosphate is hysroxyapatite as
stable crystal and carbonated apatite as resorbable crystal. That calcium phosphate
results from optimation process. Percentages of chitosan and calcium phosphate
that used are 20:80 and 30:70. Another was studied influence percentages of
hydroxyapatite and hydroxyapatite-carbonated apatite compound. Characteristics
of the samples were performed using X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy.
Identification phase from XRD profile shown there are not change calcium
phosphate compound phase. Added chitosan influences to crystalline degree
where an increase of chitosan tends to decrease crystalline the composite.
Chitosan presenting was shown by N-H and C-H bands transmittance from FTIR
spectrum. The SEM micrograph also showed granules of apatite carbonate and
rod of hydroxyapatite. Increase of chitosan tends to increase of composite density.
Keywords: composite, apatite carbonate, hydroxyapatite, chitosan.
4
RINGKASAN
SETIA UTAMI DEWI. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan
Metode Sonikasi. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Tinginya kasus kerusakan tulang dalam medis sering terjadi sebagai akibat
fraktur yang penanganannya memerlukan pembedahan dan grafting
(pencangkokan) dengan menggunakan biomaterial. Pemenuhan kebutuhan
biomaterial tulang di Indonesia masih menggunakan material import. Adapun
yang telah dikembangkan di tanah air adalah biomaterial yang berasal dari tulang
manusia ataupun tulang sapi yang disebut allograft pada umumnya hanya terdiri
dari komponen mineral saja serta mempunyai kelemahan, yakni karakternya tidak
pasti, tidak konstan dan perbedaan imunitas yang dapat menyebabkan terjadinya
karsinogenik. Dalam perkembangannya untuk mengatasi persoalan tersebut
dilakukan pembuatan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui
secara pasti sehingga lebih biokompatibel dibanding dengan biomaterial
allograftt.
Biomaterial sintetik yang telah berhasil diproduksi oleh negara lain
memiliki harga yang tinggi. Oleh karena itu perlu dikembangkan produksi
biomaterial di tanah air. Kelimpahan bahan alam yang sangat tinggi dapat
dikembangkan sebagai raw material dalam membuat biomaterial. Kelimpahan
kalsit (CaCO3) dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium dalam sintesis kalsium
fosfat yang merupakan komponen mineral tulang. Kalsit dapat diperoleh dari
koral, kerang dan marin alga bahkan cangkang telur yang dianggap sebagai
limbah dapat dimanfaatkan karena mengandung 94-97% CaCO3. Dalam
pengembagan biomaterial tulang tidak hanya komponen mineral saja namun perlu
dimodifikasi dalam bentuk komposit antara komponen mineral dan matriks
organik karena mendekati komponen alamiah tulang yang terdiri dari mineral
apatit dan kolagen sebagai matriks organik.
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan.
Pembuatan komposit ini menggunakan sumber kalsium dari hasil kalsinasi
cangkang telur ayam dan kitosan dari kulit udang. Dua jenis senyawa kalsium
fosfat yang digunakan untuk pembuatan komposit yaitu, hidroksiapatit (HA)
sebagai kristal stabil dan campuran HA-apatit karbonat (AK) sebagai kristal yang
lebih mudah diserap oleh cairan tubuh. Keberadaan HA sebagai kristal stabil
bertujuan untuk memberikan sifat mekanik yang tinggi sedangkan AK dapat
mempercepat penyerapan komposit yang dapat memberikan kesempatan sel untuk
berinfiltrasi dalam komposit sehingga dapat mempercepat proses remodellling
tulang. Kitosan digunakan sebagai matriks untuk mengurangi sifat brittle. Selain
itu kitosan memiliki sifat osteokonduktif, bioresorbable, biokompatible dan tidak
mengandung racun.
Senyawa kalsium fosfat diperoleh dengan mempresipitasi prekursor kalsium
dari hasil kalsinasi cangkang telur dan diamonium hidrogen fosfat ((NH4)2HPO4)
dengan perbandingan konsentrasi kalsium dan fosfor 1,67. Hidroksiapatit
diperoleh dari hasil sintering presipitat kering pada temperatur 900oC sedangkan
campuran HA-AK diperoleh dari presipitat kering tanpa sintering. Pembuatan
5
komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan menggunakan metode sonikasi.
Untuk memperoleh komposisi komposit yang tepat dilakukan variasi
perbandingan kalsium fosfat (HA dan campuran HA-AK) dengan kitosan yaitu
(80:20)% dan (70:30)%. Kalsium fosfat yang digunakan juga dilakukan variasi
perbandingan HA dan campuran HA-AK. Sampel komposit yang dihasilkan
dianalisis dengan menggunakan difraksi sinar-X, spektroskopi Fourier Transform
Infrared (FTIR) dan Scanning Electron Microscopy (SEM).
Pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan metode
sonikasi memberikan keseragaman morfologi komposit. Pengaruh kitosan diamati
pada sampel HA dan campuran HA-AK yang ditambahkan dengan 20 dan 30%
kitosan. Penambahan kitosan dianalisis dari pola difraksi memperlihatkan tidak
terjadi perubahan fase namun dapat menurunkan ukuran kristal. Selain itu
penambahan kitosan dapat memberikan sifat ulet dilihat dari bentuk pellet yang
dihasilkan. Keberadaan komponen kitosan yang terlihat dari spektra FTIR
menunjukkan pengaruh kitosan 20% tidak signifikan dibandingkan dengan
kitosan 30%. Komposit dengan kitosan 20% cukup baik untuk dikembangkan
sebagai biomaterial substitusi tulang. Pengaruh penambahan jumlah campuran
HA-AK pada komposit dapat pula menurunkan derajat kristalin dan ukuran
kristal. Semakin tinggi perbandingan campuran HA-AK untuk kedua penambahan
kitosan menunjukkan bahwa ukuran kristal menurun. Morfologi komposit yang
dihasilkan dalam bentuk padat dapat memberikan kekuatan mekanik yang lebih
tinggi.
Hasil analisis semua data diketahui yang komposit dengan komposisi 64%
HA+16% campuran HA-AK+20% kitosan merupakan komposit yang optimum.
Penggunaan komposit ini berpeluang dikembangkan sebagai biomaterial
implantasi pada bagian tulang yang dapat menerima beban berat.
6
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang
wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
7
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM FOSFATKITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Biofisika
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
8
Judul Tesis
Nama
NIM
: Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode
Sonikasi
: Setia Utami Dewi
: G751070041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Kiagus Dahlan
Ketua
Prof. Dr. Djarwani Soeharso Soejoko
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biofisika
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Akhiruddin Maddu
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal Ujian : 07 Agustus 2009
Tanggal Lulus : 19 Agustus 2009
9
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Akhiruddin Maddu
10
PRAKATA
Alhamdulillahirobbil’alamin, puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas
rahmat, anugrah dan kasih sayang-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah
ini sebagai syarat untuk menyelesaikan Program Magister Sains pada Program
Studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana IPB. Tema yang dipilih dalam penelitian
yang dilaksanakan sejak Agustus 2008 ialah biomaterial substitusi tulang, dengan
judul Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi.
Pemilihan tema ini bertujuan sebagai upaya pengembangan bidang biomaterial
tulang di Indonesia.
Penyusunan penulisan karya ilmiah ini dapat diselesaikan karena dukungan
dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih
kepada Dr. Kiagus Dahlan dan Prof. Dr. Djarwani S. Soejoko sebagai dosen
pembimbing atas bimbingan, pengarahan dan nasehat serta kepada kedua orang
tua dan keluarga besar atas segala dukungan dan doa. Ungkapan terima kasih yang
mendalam Penulis ucapkan kepada Mas Chairudin yang telah memberikan segala
motivasi, doa dan bantuannya selama menempuh pendidikan ini. Penghargaan
Penulis sampaikan kepada Dr. Irzaman dan Ibu Yessie Widya Sari, M.Si yang
selalu memberikan semangat dan inspirasi. Kepada Bapak Didik, Bapak Dadang,
Bapak Gustan Pari, Bapak Saptadi serta seluruh staf Balai Penelitian dan
Pengembangan Hasil Hutan Bogor, Staf Biofarmaka IPB dan Bapak Wawan serta
Bapak Wikanda, Penulis menghaturkan terima kasih yang telah membantu dalam
pengambilan data. Kepada rekan-rekan S2 biofisika Penulis mengucapkan terima
kasih atas bantuan, semangat dan keceriaan selama menempuh pendidikan
Magister ini. Penulis pula sampaikan terima kasih kepada teman-teman
seperjuangan di Laboratorium Biofisika atas keceriaan dan kebersamaan selama
penelitian.
Semoga hasil penulisan ini dapat menjadi wacana yang memberikan
wawasan yang bermanfaat bagi semua pihak. Penulis mengharapkan kritik dan
saran untuk kesempurnaan penulisan karya selanjutnya. Terima kasih.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM FOSFATKITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
2
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Komposit Kalsium
Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi adalah 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 tesis ini.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
G751070041
3
ABSTRACT
SETIA UTAMI DEWI. Synthesizes of Calcium Phosphate-Chitosan Composite
by Sonication Method. Under direction of KIAGUS DAHLAN and DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Formation of biomaterial composite consisting of organic matrix and
inorganic mineral has been studied. The inorganic minerals used hydroxyapatite
and hydroxyapatite and carbonated apatite compound that was result reaction of
calcium from calcinations of chicken eggshell at 1000oC and phosphor in the form
of diammonium hydrogen phosphates. Whereas the organic matrix was a
commercial chitosan originated from shrimp shell. To produce the composite,
both of apatite was mixed with chitosan using sonication method. The result
samples were further dried at 50°C. Used calcium phosphate is hysroxyapatite as
stable crystal and carbonated apatite as resorbable crystal. That calcium phosphate
results from optimation process. Percentages of chitosan and calcium phosphate
that used are 20:80 and 30:70. Another was studied influence percentages of
hydroxyapatite and hydroxyapatite-carbonated apatite compound. Characteristics
of the samples were performed using X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy.
Identification phase from XRD profile shown there are not change calcium
phosphate compound phase. Added chitosan influences to crystalline degree
where an increase of chitosan tends to decrease crystalline the composite.
Chitosan presenting was shown by N-H and C-H bands transmittance from FTIR
spectrum. The SEM micrograph also showed granules of apatite carbonate and
rod of hydroxyapatite. Increase of chitosan tends to increase of composite density.
Keywords: composite, apatite carbonate, hydroxyapatite, chitosan.
4
RINGKASAN
SETIA UTAMI DEWI. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan
Metode Sonikasi. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Tinginya kasus kerusakan tulang dalam medis sering terjadi sebagai akibat
fraktur yang penanganannya memerlukan pembedahan dan grafting
(pencangkokan) dengan menggunakan biomaterial. Pemenuhan kebutuhan
biomaterial tulang di Indonesia masih menggunakan material import. Adapun
yang telah dikembangkan di tanah air adalah biomaterial yang berasal dari tulang
manusia ataupun tulang sapi yang disebut allograft pada umumnya hanya terdiri
dari komponen mineral saja serta mempunyai kelemahan, yakni karakternya tidak
pasti, tidak konstan dan perbedaan imunitas yang dapat menyebabkan terjadinya
karsinogenik. Dalam perkembangannya untuk mengatasi persoalan tersebut
dilakukan pembuatan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui
secara pasti sehingga lebih biokompatibel dibanding dengan biomaterial
allograftt.
Biomaterial sintetik yang telah berhasil diproduksi oleh negara lain
memiliki harga yang tinggi. Oleh karena itu perlu dikembangkan produksi
biomaterial di tanah air. Kelimpahan bahan alam yang sangat tinggi dapat
dikembangkan sebagai raw material dalam membuat biomaterial. Kelimpahan
kalsit (CaCO3) dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium dalam sintesis kalsium
fosfat yang merupakan komponen mineral tulang. Kalsit dapat diperoleh dari
koral, kerang dan marin alga bahkan cangkang telur yang dianggap sebagai
limbah dapat dimanfaatkan karena mengandung 94-97% CaCO3. Dalam
pengembagan biomaterial tulang tidak hanya komponen mineral saja namun perlu
dimodifikasi dalam bentuk komposit antara komponen mineral dan matriks
organik karena mendekati komponen alamiah tulang yang terdiri dari mineral
apatit dan kolagen sebagai matriks organik.
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan.
Pembuatan komposit ini menggunakan sumber kalsium dari hasil kalsinasi
cangkang telur ayam dan kitosan dari kulit udang. Dua jenis senyawa kalsium
fosfat yang digunakan untuk pembuatan komposit yaitu, hidroksiapatit (HA)
sebagai kristal stabil dan campuran HA-apatit karbonat (AK) sebagai kristal yang
lebih mudah diserap oleh cairan tubuh. Keberadaan HA sebagai kristal stabil
bertujuan untuk memberikan sifat mekanik yang tinggi sedangkan AK dapat
mempercepat penyerapan komposit yang dapat memberikan kesempatan sel untuk
berinfiltrasi dalam komposit sehingga dapat mempercepat proses remodellling
tulang. Kitosan digunakan sebagai matriks untuk mengurangi sifat brittle. Selain
itu kitosan memiliki sifat osteokonduktif, bioresorbable, biokompatible dan tidak
mengandung racun.
Senyawa kalsium fosfat diperoleh dengan mempresipitasi prekursor kalsium
dari hasil kalsinasi cangkang telur dan diamonium hidrogen fosfat ((NH4)2HPO4)
dengan perbandingan konsentrasi kalsium dan fosfor 1,67. Hidroksiapatit
diperoleh dari hasil sintering presipitat kering pada temperatur 900oC sedangkan
campuran HA-AK diperoleh dari presipitat kering tanpa sintering. Pembuatan
5
komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan menggunakan metode sonikasi.
Untuk memperoleh komposisi komposit yang tepat dilakukan variasi
perbandingan kalsium fosfat (HA dan campuran HA-AK) dengan kitosan yaitu
(80:20)% dan (70:30)%. Kalsium fosfat yang digunakan juga dilakukan variasi
perbandingan HA dan campuran HA-AK. Sampel komposit yang dihasilkan
dianalisis dengan menggunakan difraksi sinar-X, spektroskopi Fourier Transform
Infrared (FTIR) dan Scanning Electron Microscopy (SEM).
Pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan metode
sonikasi memberikan keseragaman morfologi komposit. Pengaruh kitosan diamati
pada sampel HA dan campuran HA-AK yang ditambahkan dengan 20 dan 30%
kitosan. Penambahan kitosan dianalisis dari pola difraksi memperlihatkan tidak
terjadi perubahan fase namun dapat menurunkan ukuran kristal. Selain itu
penambahan kitosan dapat memberikan sifat ulet dilihat dari bentuk pellet yang
dihasilkan. Keberadaan komponen kitosan yang terlihat dari spektra FTIR
menunjukkan pengaruh kitosan 20% tidak signifikan dibandingkan dengan
kitosan 30%. Komposit dengan kitosan 20% cukup baik untuk dikembangkan
sebagai biomaterial substitusi tulang. Pengaruh penambahan jumlah campuran
HA-AK pada komposit dapat pula menurunkan derajat kristalin dan ukuran
kristal. Semakin tinggi perbandingan campuran HA-AK untuk kedua penambahan
kitosan menunjukkan bahwa ukuran kristal menurun. Morfologi komposit yang
dihasilkan dalam bentuk padat dapat memberikan kekuatan mekanik yang lebih
tinggi.
Hasil analisis semua data diketahui yang komposit dengan komposisi 64%
HA+16% campuran HA-AK+20% kitosan merupakan komposit yang optimum.
Penggunaan komposit ini berpeluang dikembangkan sebagai biomaterial
implantasi pada bagian tulang yang dapat menerima beban berat.
6
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang
wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
7
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM FOSFATKITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Biofisika
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
8
Judul Tesis
Nama
NIM
: Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode
Sonikasi
: Setia Utami Dewi
: G751070041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Kiagus Dahlan
Ketua
Prof. Dr. Djarwani Soeharso Soejoko
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biofisika
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Akhiruddin Maddu
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal Ujian : 07 Agustus 2009
Tanggal Lulus : 19 Agustus 2009
9
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Akhiruddin Maddu
10
PRAKATA
Alhamdulillahirobbil’alamin, puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas
rahmat, anugrah dan kasih sayang-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah
ini sebagai syarat untuk menyelesaikan Program Magister Sains pada Program
Studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana IPB. Tema yang dipilih dalam penelitian
yang dilaksanakan sejak Agustus 2008 ialah biomaterial substitusi tulang, dengan
judul Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi.
Pemilihan tema ini bertujuan sebagai upaya pengembangan bidang biomaterial
tulang di Indonesia.
Penyusunan penulisan karya ilmiah ini dapat diselesaikan karena dukungan
dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih
kepada Dr. Kiagus Dahlan dan Prof. Dr. Djarwani S. Soejoko sebagai dosen
pembimbing atas bimbingan, pengarahan dan nasehat serta kepada kedua orang
tua dan keluarga besar atas segala dukungan dan doa. Ungkapan terima kasih yang
mendalam Penulis ucapkan kepada Mas Chairudin yang telah memberikan segala
motivasi, doa dan bantuannya selama menempuh pendidikan ini. Penghargaan
Penulis sampaikan kepada Dr. Irzaman dan Ibu Yessie Widya Sari, M.Si yang
selalu memberikan semangat dan inspirasi. Kepada Bapak Didik, Bapak Dadang,
Bapak Gustan Pari, Bapak Saptadi serta seluruh staf Balai Penelitian dan
Pengembangan Hasil Hutan Bogor, Staf Biofarmaka IPB dan Bapak Wawan serta
Bapak Wikanda, Penulis menghaturkan terima kasih yang telah membantu dalam
pengambilan data. Kepada rekan-rekan S2 biofisika Penulis mengucapkan terima
kasih atas bantuan, semangat dan keceriaan selama menempuh pendidikan
Magister ini. Penulis pula sampaikan terima kasih kepada teman-teman
seperjuangan di Laboratorium Biofisika atas keceriaan dan kebersamaan selama
penelitian.
Semoga hasil penulisan ini dapat menjadi wacana yang memberikan
wawasan yang bermanfaat bagi semua pihak. Penulis mengharapkan kritik dan
saran untuk kesempurnaan penulisan karya selanjutnya. Terima kasih.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
11
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kuningan-Jawa Barat pada tanggal 14 Januari 1985.
Penulis merupakan putri bungsu dari pasangan Bapak Salim dan Ibu Karwiti.
Penulis menyelesaikan Program Sarjana di Departemen Fisika, FMIPA-IPB
pada tahun 2007. Pada tahun yang sama Penulis melanjutkan pendidikan Program
Magister di Sekolah Pascasarjana IPB dengan Program Studi Biofisika. Beasiswa
pendidikan Pascasarjana diperoleh dari Program Beasiswa Unggulan Diknas
tahun 2007.
Selama mengikuti perkuliahan Program Magister, Penulis menjadi Research
Assistant di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika, FMIPA-IPB. Penulis juga
tergabung dalam redaktur penerbitan Jurnal Biofisika dan sebagai asisten
praktikum mahasiswa Program Sarjana.
12
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL .......................................................................................... xii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xiii
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. xv
PENDAHULUAN .......................................................................................... 1
Latar Belakang .......................................................................................... 1
Perumusan Masalah .................................................................................. 2
Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3
Manfaat Penelitian .................................................................................... 3
Ruang Lingkup Penelitian ......................................................................... 3
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................. 4
Tulang ....................................................................................................... 4
Struktur Tulang ......................................................................................... 4
Komposisi Tulang ..................................................................................... 6
Kalsium Fosfat .......................................................................................... 9
Hidroksiapatit (HAP) ............................................................................... 11
Apatit karbonat (AK) ................................................................................ 15
Trikalsium Fosfat (TKF) .......................................................................... 16
Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan ........................................................... 18
Kitosan ..................................................................................................... 18
Sintesis dan Karakterisasi Komposit kalsium fosfat-kitosan ................... 19
METODOLOGI PENELITIAN ..................................................................... 22
Bahan dan Alat ......................................................................................... 22
Metode ..................................................................................................... 22
Tahap Pertama: Sintesis Kalsium Fosfat................................................. 23
1. Kalsinasi cangkang telur .................................................................... 23
2. Sintesis kalsium fosfat........................................................................ 24
3. Uji kelarutan dlam Simulated Body Fluid (SBF)............................... 26
Tahap Kedua: Pembuatan dan Karakterisasi Komposit
Kalsium Fosfat-Kitosan ........................................................................... 28
1. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan .................................. 28
2. Karakterisasi Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan............................... 29
HASIL PENELITIAN.................................................................................... 30
PEMBAHASAN ............................................................................................ 53
SIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 64
Simpulan .................................................................................................. 64
Saran ......................................................................................................... 65
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 66
LAMPIRAN ................................................................................................... 70
13
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Kandungan unsur mineral dalam tulang ................................................... 7
2 Jenis-jenis senyawa kalsium fosfat .......................................................... 10
3 Parameter kisi untuk sampel hasil penelitian Saraswaty dkk................... 21
4 Variasi konsentrasi Ca dan P pada pembuatan HA .................................. 25
5 Variasi termperatur dan waktu pada sintesis TKF ................................... 26
6 Volume larutan ionik untuk pembuatan SBF ........................................... 26
7 Komposisi ionik dalam SBF .................................................................... 27
8 Variasi komposisi sintesis komposit ........................................................ 28
9 Efisiensi kalsinasi cangkang telur pada temperatur 1000oC selama
5 jam ......................................................................................................... 30
10 Effisiensi penggunaan senyawa kalsium dari cangkang telur dan
(NH2)HPO4 pada sintesis HA .................................................................... 32
11 Ukuran parameter kisi sampel HA ........................................................... 33
12 Ukuran kristal pada bidang h k l (0 0 2) dan (3 0 0) untuk sampel HA ... 34
13 Efisiensi penggunaan senyawa kalsium dari hasil kalsinasi cangkang
telur dan (NH4)2HPO4 pada sintesis TKF ................................................ 37
14 Kelarutan sampel kalsium fosfat dalam SBF ........................................... 38
15 Massa komposit kalisum fosfat-kitosan ................................................... 40
14
DAFTAR GAMBAR
Halaman
16 Struktur tulang padat dan tulang jala ........................................................ 5
17 Bentuk tulang panjang (a) dan pipih (b) ................................................... 6
18 Spektra FTIR untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun ............ 8
19 Pola difraksi sinar-X untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun. 8
20 Struktur unit sel hidroksiapatit ................................................................. 11
21 Pola difraksi sinar-X HA hasil kalsinasi pada berbagai temperatur
(hasil penelitian Deepak dkk) .................................................................. 12
22 Pola difraksi sinar-X HA dengan metode hidrotermal pada temperatur
200oC pada berbagai waktu 24 jam (a), 48 jam (b) dan 72 jam (c)
(hasil penelitian Earl dkk) ........................................................................ 13
23 Pola difraksi sinar-X untuk HA yang menggunakan cangkang telur
(hasil penelitian prabakaran) .................................................................... 14
24 Spektra FTIR untuk apatit karbonat sintetik Tipe A (a) dan Tipe B (b)
(hasil penelitian Sonju Clasen dkk) ......................................................... 15
25 Pola difraksi sinar-X hasil sintesis apatit karbonat (hasil penelitian Sari
dkk) .......................................................................................................... 16
26 Pola difraksi sinar-X TKF pada berbagai temperatur (hasil penelitian
Wang dkk) ................................................................................................ 17
27 Struktur monomer kitosan ........................................................................ 19
28 Pola difraksi sinar-X pada kitosan ........................................................... 19
29 Difraksi sinar-X untuk DGB (a), HA (b) dan komposit DBG-kitosangelatin (c) (hasil penelitian Saraswaty dkk) ............................................. 20
30 Mikrograf SEM Kitosan (a) dan Komposit kitosan-HA (b) (hasil
penelitian Yamaguchi dkk). ..................................................................... 21
31 Proses kalisinasi cangkang telur............................................................... 23
32 Skema tahap-tahap presipitasi .................................................................. 24
33 Pengujian kelarutan kalsium fosfat dalam SBF ....................................... 27
34 Proses sonikasi komposit kalsium fosfat-kitosan..................................... 29
35 Pola difraksi sinar-X hasil kalsinasi cangkang telur pada temperatur
1000 oC selama 5 jam............................................................................... 31
36 Pola difraksi sinar-X sampel HA dengan perbandingan Ca:P
(0,30:0,18) M H3 (a) dan (0,50:0,30) M. H5 (b) ..................................... 33
37 Pola difraksi sinar-X sampel apatit karbonat (a) dan HA (b)................... 35
15
38 Spektra FTIR untuk sampel Hidroksiapatit (HA) (a) dan Apatit
Karbonat (AK) (b) .................................................................................... 36
39 Pola difraksi sinar-X untuk sampel TKF sintering 1000oC selama 5
jam(a) dan sintering 1300oC selama 5 jam (b) ........................................ 37
40 Pola difraksi sinar-X kitosan .................................................................... 39
41 Spektra FTIR kitosan ............................................................................... 39
42 Pola difraksi sinar-X untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan
perbandingan HA dan kitosan (80:20)% (a) dan (70:30)% (c) ................ 41
43 Grafik ukuran kristal pada HA dan AK terhadap pengaruh kitosan ........ 42
44 Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan HA dan kitosan (100:0)% (a), (80:20)% (b), (70:30)%
(c) dan (0:100)% (d) ................................................................................ 42
45 Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan campuran HA-AK dan kitosan (100:0)% (a), (80:20)%
(b), (70:30)% (c) dan (0:100)% (d) .......................................................... 44
46 Pola difraksi sinar-X komposit kalsium fosfat kitosan 20% dengan
berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK (80:0)% (a),
(64:16)% (b), (56:24)% (c) dan (0:80)% (d) ........................................... 45
47 Pola difraksi sinar-X komposit kalsium fosfat kitosan 30% dengan
berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK (70:0)% (a),
(56:14)% (b), (49:21)% (c) dan (0:70)% (d) ........................................... 46
48 Grafik ukuran kristal bidang (3 0 0 ) komposit kalisum fosfat-kitosan
dengan berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK .................... 47
49 Grafik ukuran kristal bidang (0 0 2) komposit kalisum fosfat-kitosan
dengan berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK .................... 47
50 Spektra FTIR komposit kalsium fosfat kitosan 20% dengan berbagai
perbandingan HA dan campuran HA-AK (80:0)% (a), (64:16)% (b),
(56:24)% (c) dan (0:80)% (d)................................................................... 48
51 Spektra FTIR komposit kalsium fosfat kitosan 30% dengan berbagai
perbandingan HA dan campuran HA-AK (70:0)% (a), (56:14)% (b),
(49:214)% (c) dan (0:70)% (d) ................................................................ 49
52 Mikrograf kitosan (a) Hidroksiapatit (HA) (b) dan campuran HA-AK
(c). ............................................................................................................ 50
53 Mikrograf komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan HA, campuran HA dan AK dan kitosan (64:16:20)% (a),
(56:24:20)% (b) dan (0:80:20)% (c) ....................................................... 51
16
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Diagram alir penelitian ......................................................................... 70
2
Perhitungan massa komponen pada sintesis kalsium fosfat ................. 72
3
Massa komponen dan hasil pembuatan komposit ................................ 73
4
Pola difraksi sinar-X untuk sampel Hidroksiapatit (HA) hasil
sintering pada temperatur 900oC selama 5 jam .................................... 74
5
Perhitungan parameter kisi untuk sampel Hidroksiapatit (HA) ........... 78
6
Perhitungan ukuran kristal untuk sampel Hidroksiapatit (HA)............ 93
7
Pola difraksi sinar-X untuk sampel Trikalsium fosfat (TKF) .............. 94
8
Pola difraksi sinar-X untuk sampel campuran hidroksiapatit (HA)
dan apatit karbonat (AK)...................................................................... 97
9
Perhitungan parameter kisi dan ukuran kistal sampel campuran
hidroksiapatit (HA) dan apatit karbonat (AK) ..................................... 98
10
Massa hasil uji kelarutan dalam Simulated Body Fluid (SBF) ........... 100
11
Pola difraksi sinar-X untuk komposit kalsium fosfat-kitosan ............. 102
12
Perhitungan parameter kisi sampel komposit kalsium fosfat-kitosan .. 110
13
Perhitungan ukuran kristal untuk komposit kalsium fosfat-kitosan .... 122
14
Spektra FTIR untuk kalsium fosfat ..................................................... 123
15
Spektrum FTIR kitosan ....................................................................... 124
16
Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan ........................ 125
17
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penurunan kualitas hidup manusia erat kaitannya dengan kesehatan organ
tubuh. Terganggunya fungsi organ dapat disebabkan oleh penyakit dan
kecelakaan. Penanganan kerusakan fungsi pada beberapa organ dilakukan dengan
implantasi biomaterial. Contohnya adalah kerusakan katup jantung, pembuluh
darah, lensa kontak, tulang dan gigi. Biomaterial yang paling banyak digunakan
ialah untuk keperluan substitusi tulang sebesar 46% dari total keseluruhan.
Penderita kerusakan tulang meningkat setiap tahunnya1. Fraktur merupakan
salah satu penyakit tulang yang sering ditemui. Selain fraktur, kerusakan tulang
lainnya ialah osteoporosis. Studi di dunia menyatakan bahwa satu di antara tiga
wanita di atas usia 50 tahun dan satu di antara lima pria di atas 50 tahun menderita
osteoporosis2.
Penanganan yang tepat pada kerusakan tulang sangat penting karena tulang
berperan sebagai penyokong fungsi tubuh, maka penggunaan material yang tepat
merupakan faktor keberhasilkan implantasi tulang. Material substitusi tulang yang
digunakan harus bersifat dapat diterima oleh tubuh (biokompatible), tidak korosif,
disain yang tepat dan dapat berintegrasi dengan cepat3.
Pada bidang medis telah dilakukan rekonstruksi tulang dengan berbagai
jenis biomaterial. Berdasarkan sumber material, biomaterial dikelompokkan
menjadi empat jenis. Biomaterial yang berasal dari tulang manusia disebut
allograft. Penggunaan bahan ini mempunyai kelemahan dapat terjadi infeksi jika
tulang donor tidak sehat. Xenograft yaitu implantasi bagian tubuh dari spesies
yang berbeda. Kelemahan dari biomaterial ini yaitu memiliki perbedaan karakter
mineral tulang. Autograft yaitu substitusi tulang dari bagian tulang yang lain yang
dimiliki oleh pasien yang sama. Hal ini akan memberikan beban tambahan pada
pasien3. Untuk mengatasi keterbatasan-keterbatasan material tersebut dilakukan
berbagai modifikasi pembuatan biomaterial sintetik. Dengan biomaterial sintetik
diharapkan karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol.
18
Biomaterial sintetik yang tepat yaitu biomaterial yang mendekati sifat
alamiah tulang. Struktur tulang merupakan komposit alami antara substansi
anorganik dan susbtansi organik. Substansi organik meliputi matriks organik, sel
osteoblas, osteosit, dan osteoklas. Sel-sel tersebut memegang peranan dalam
pertumbuhan mineral tulang3. Substansi anorganik adalah mineral yang
memberikan sifat mekanik yang kuat. Kalsium fosfat merupakan komponen
dominan terdapat dalam mineral tulang. Kalsium fosfat dalam tulang membentuk
senyawa apatit4. Senyawa apatit tulang terdiri dari fase amorf dan kristal5.
Hidroksiapatit (HA) merupakan kristal kalsium fosfat yang umum
digunakan untuk implantasi dibidang biomedis karena memiliki sifat bioaktif dan
osteokonduktif yang sangat bermanfaat dalam proses mineralisasi tulang4. Namun
HA memiliki keterbatasan yaitu bersifat keras dan brittle. Untuk mengurangi sifat
ini perlu dilakukan modifikasi dengan menambahkan polimer sebagai matriks.
Biomaterial dengan menggabungkan dua komponen senyawa kalsium fosfat dan
polimer disebut komposit. Komposit sangat berpotensi untuk digunakan sebagai
biomaterial substitusi tulang.
Komposit substitusi tulang dengan menggunakan bahan alam dapat
dilakukan dengan menggunakan bahan yang dapat dijadikan prekursor pembentuk
senyawa kalsium fosfat. Bahan alam yang berpeluang digunakan yaitu limbah
cangkang telur dan kulit udang. Kandungan kalsium yang tinggi pada cangkang
telur dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium pada sintesis kalsium fosfat. Kulit
udang terdiri dari struktur kitin yang dapat diekstrak menjadi biopolimer kitosan.
Kitosan
bersifat
biokompatibel,
bioderadabel,
oseokonduktif
dan
dapat
mengurangi sifat britle senyawa kalsium fosfat sehingga dapat dimanfaatkan
sebagai matriks pada sintesis komposit kalsium fosfat-kitosan sebagai biomaterial
substitusi tulang. Komposit dengan menggunakan bahan alam diharapkan dapat
meningkatkan biokompatibilitas saat diaplikasikan.
Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit substitusi tulang
menggunakan bahan alam. Bahan alam yang digunakan adalah cangkang telur
sebagai donor kalsium pada senyawa kalsium fosfat dan kitosan dari kulit udang
19
sebagai matriks organik. Pendekatan terhadap struktur tulang dalam tubuh
dilakukan dengan sintesis senyawa kalsium fosfat dalam dua fasa, yaitu fasa
kristal dan amorf. Komposit disintesis dengan mengkombinasikan pencampuran
kalsium fosfat kristal dan amorf dengan kitosan. Pengamatan yang dilakukan yaitu
pengaruh penambahan jumlah kitosan dan variasi bobot fase kristal dan amorf
dalam sintesis komposit. Pengujian karakteristik yang diamati yaitu struktur dan
morfologi komposit.
Tujuan Penelitian
1. Dapat menyintesis komposit kalsium fosfat-kitosan dari cangkang telur
sebagai material substitusi tulang
2. Dapat memahami pengaruh penambahan kitosan pada komposit substitusi
tulang
3. Dapat memperoleh komposisi komposit yang tepat untuk aplikasi implantasi
tulang
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan mampu memberikan prototype komposit substitusi
tulang berbasis bahan alam yaitu cangkang telur dan kitosan. Prototype ini
diharapkan mampu menjaring para medis khususnya bidang ortopodik sehingga
dapat dimanfaatkan sebagai bahan implantasi tulang. Lebih jauh lagi, dari segi
harga, diharapkan pula biomaterial tulang yang dihasilkan dapat terjangkau oleh
masyarakat luas.
Ruang Lingkup Penelitian
Kajian yang akan dilakukan yaitu rekayasa sintesis komposit dari limbah
cangkang telur ayam dan kitosan sehingga memiliki nilai tambah sebagai sumber
kalsium untuk sintesis senyawa kalsium fosfat dan pemanfaatan kitosan sebagai
matriks organik. Komposit yang diperoleh akan dimanfaatkan sebagai implantasi
tulang. Pemanfaatan limbah cangkang telur dan kulit udang diharapkan mampu
menekan biaya produksi sehingga diharapkan keluaran penelitian ini mampu
20
menyelesaikan permasalahan masyarakat dalam hal penyediaan bahan implan
tulang yang terjangkau oleh berbagai aspek masyarakat.
TINJAUAN PUSTAKA
Tulang
Tulang merupakan jaringan kuat pembentuk kerangka tubuh manusia.
Tulang sebagai pembentuk kerangka manusia memiliki empat fungsi utama yaitu
fungsi mekanik, protektif, metabolik dan hemopetik. Fungsi mekanik yaitu
sebagai penyokong tubuh dan tempat melekatnya jaringan otot untuk pergerakan.
Fungsi protektif yaitu sebagai pelindung berbagai alat vital dalam tubuh dan
sumsum tulang. Fungsi metabolik yaitu sebagai cadangan dan tempat
metabolisme berbagai mineral yang penting seperti kalsium dan fosfat. Fungsi
hemopetik yaitu sebagai tempat berlangsungnya proses pembentukan dan
perkembanagan sel darah6. Karena perbedaan fungsi tersebut, tulang memilki
struktur dan komposisi yang berbeda.
Struktur Tulang
Kompleksitas dalam tulang mengakibatkan klasifikasi tulang dilakukan
dalam berbagai cara. Secara radiologis tulang dibedakan menjadi dua yaitu tulang
padat atau compact dan tulang jala atau cancellous6. Jumlah tulang jala dalam
tubuh relatif lebih banyak dibandingkan dengan tulang padat. Struktur tulang
secara radiologis ditunjukan oleh Gambar 1.
Unit struktur dari tulang padat dewasa adalah sistem harvesian atau osteon
dengan diameter 100-300 m. Sistem harvesian memiliki sebuah kanal harvesian
yang dikelilingi oleh lamela yang tersusun secara konsentrik. Kanal harvesian
memiliki paling sedikit satu pembuluh darah kapiler yang menyediakan nutrien
bagi osteosit untuk remodelling tulang. Lamela pada sistem harvesian memiliki
rongga-rongga yang disebut lakuna. Setiap lakuna berisi sel yang bernama
osteosit. Semua lakuna pada sistem harvesian dihubungkan oleh kanal-kanal kecil
yang disebut kanalikuli. Osteosit pada tulang jala terletak pada lakuna yang saling
21
dihubungkan dengan kanalikuli seperti pada tulang padat tetapi lamela pada
tulang jala tidak tersusun secara konsentrik7.
Gambar 1 Struktur tulang padat dan tulang jala7.
Berdasarkan anatomi, tulang memiliki berbagai bentuk dan ukuran untuk
memenuhi kebutuhan tubuh, tulang dibedakan menjadi empat macam, yaitu tulang
panjang, tulang pendek, tulang pipih, dan tulang tak sama bentuk. Tulang panjang
merupakan tulang dengan ukuran yang panjang yang dibentuk oleh bagian
epiphyses dan diaphyses (Gambar 2a). Diaphyses terdapat pada bagian tengah
yang didalamnya terdapat medullar cavity sebagai tempat sumsum tulang.
Epiphyses terdiri dari tulang jala yang terbungkus oleh lapisan tulang padat
terdapat pada ujung tulang panjang. Pada anak-anak tulang panjang berisi sumsum
merah. Setelah dewasa, sumsum ini diganti menjadi sumsum kuning. Tulang
pendek berupa jala yang dipenuhi dengan ruang-ruang. Strukturnya hampir sama
dengan tulang panjang namun tidak memiliki medullar cavity. Tulang pipih
merupakan tulang berbentuk pipih, tipis dan melengkung. Tulang pipih terbentuk
dari dua lapisan tulang padat yang diantara keduanya terdapat tulang jala. Tulang
pipih seperti tampak pada Gambar 2b. Tulang ini berfungsi sebagai tempat
melekatnya otot-otot dan melindungi organ-organ yang ada di dalamnya. Tulang
tak sama bentuk merupakan tulang yang tidak memiliki kesesuaian dengan bentuk
yang sebelumnya. Tulang ini memiliki fungsi sebagai tempat melekatnya otot7.
22
(a)
(b)
Gambar 2 Bentuk tulang panjang (a) dan pipih (b) 7.
Komposisi Tulang
Komposisi utama jaringan tulang jumlahnya bergantung pada spesies, umur,
jenis kelamin, jenis tulang dan posisi tulang. Komposisi tulang secara umum
terdiri dari 60% material anorganik, 30% organik dan 15% air3. Material
anorganik merupakan mineral tulang yang mengandung cukup kalsium yaitu
dalam bentuk kalsium fosfat karbonat atau disebut apatit karbonat dan mineralmineral lain. Mineral-mineral lain yaitu magnesium (Mg), flouride (F) dan klor
(Cl), natrium (Na) dan kalium (K)8. Kehadiran mineral-mineral tersebut
menjadikan kalsium fosfat dalam tulang mempunyai sifat yang kompleks, seperti
dapat hadir dalam berbagai fase dan adanya impuritas. Apatit karbonat atau
dahlite [(Ca, Na, Mg)5(HPO4, PO4 , CO3 )3(OH, CO3)]4. Senyawa kalsium fosfat
dalam tulang disebut juga sebagai apatit biologi. Kandungan senyawa mineral
tulang manusia secara umum terdapat pada Tabel 1.
Fase apatit yang stabil yaitu hidroksiapatit (HA) dengan rumus kimia
Ca10(PO4)6(OH)2. Kehadiran karbonat (CO32-) dalam tubuh dapat mensubstitusi
formula HA dengan menempati dua posisi. Karbonat menggantikan posisi
hidroksil (OH-) disebut apatit karbonat tipe A dan menggantikan posisi fosfat
(PO4)3- disebut apatit karbonat tipe B10,11,12.
23
Tabel 1 Kandungan unsur mineral dalam tulang9
Unsur
Kandungan (% berat)
Ca
34,00
P
15,00
Mg
0,50
Na
0,80
K
0,20
C
1,60
Cl
0,20
F
0,08
Zat sisa
47,62
Untuk mengetahui karakteristik apatit biologi tulang dilakukan penelitian
dengan menggunakan hewan uji. Tahun 1998, Baig dkk melakukan pengujian
karakter tulang dengan mineral tulang tikus. Karakter tulang tikus menunjukkan
bahwa mineralnya mengandung banyak karbonat. Semakin bertambah usia tikus
kelarutan apatit menurun karena karena kristalinitas meningkat13. Solehan (2001)
mengamati kehadiran karbonat dalam mineral tulang tikus yang berumur 1-6
bulan
diteliti
dengan
menggunakan
difraksi
sinar-X.
Hasil
penelitian
menunjukkan bahwa kandungan mineral dalam bentuk apatit karbonat meningkat
dengan kenaikan umur. Selanjutnya disamping konsentrasi mineral, kristalinitas
apatit karbonat dalam tulang tikus juga meningkat dengan kenaikan umur14.
Penelitian yang lebih komprehensif juga telah dilakukan oleh Sari YW dkk (2005)
untuk mengetahui pertumbuhan senyawa kalsium fosfat dalam tulang tikus yang
berumur dalam rentang 1-8 bulan15,16. Hasil penelitian menunjukkan bahwa
senyawa kalsium fosfat dalam tulang tikus hadir dalam bentuk amorf dan kristalin
ukuran kecil dengan morfologi berbentuk kepingan.
Selain menggunakan tulang hewan, penelitian dengan menggunakan tulang
manusia dilakukan oleh Nurizati dkk (2006), menunjukkan bahwa mineral tulang
dalam bentuk senyawa campuran senyawa apatit karbonat dan HA. Data ini
ditunjukkan pada hasil spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) dan
24
difraksi sinar X (Gambar 3 dan Gambar 4)17. Puncak untuk karbonat pita ν 3
menujukkan kehadiran senyawa apatit karbonat tipe B begitu juga dengan ν 2.
Hasil tersebut didukung dengan data difraksi sinar-X yang menujukkan puncak
tertinggi merupakan puncak apatit karbonat tipe B. Hasil analisis komposisi
mineral tulang manusia menunjukkan kehadiran unsur-unsur lain yaitu Na, Mg
dan K. Kehadiran ion asing selain karbonat menyebabkan adanya inhibitor bagi
apatit biologi. Inhibitor tersebut mengakibatkan apatit biologi yang hadir dalam
tulang mempunyai kristalinitas rendah dan nonstoikiometri. Sebagian ion asing
masuk ke dalam kisi kristal apatit, dan sebagian lain ada yang hanya diadsorpsi.
Hal ini menyebabkan tulang terdiri dari fase kristal dan amorf.
ν
ν
T
ν
3
2
CO3
PO4
1
CO3
ν
OH
ν
3
4
PO4
PO4
Bilangan Gelombang (cm-1)
Gambar 3 Spektra FTIR untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun.
25
Gambar 4 Pola difraksi sinar-X untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37
Tahun.
Dalam penelitian kalsifikasi tulang diketahui bahwa proses pertumbuhan
dan pendewasaan tulang berkaitan erat dengan konversi fase amorf kalsium fosfat
menjadi kristal apatit. Proses transformasi tersebut akan terbentuk kristal non
apatit sebagai fase antara yang mendahului pembentukan kristal apatit18. Fase
antara yaitu dikalsium fosfat dihidrat (DKFD), oktakalsium fosfat (OKF) dan
trikalsium fosfat (TKF). Hal ini ditunjukkan bahwa semakin bertambah usia
kristalnitas semakin tinggi. Hidroksiapatit merupakan kristal apatit yang paling
stabil.
Hidroksiapatit (HA) adalah yang mengandung hidroksida, anggota dari
kelompok mineral dalam tulang yang memiliki rasio Ca/P dicirikan sebesar 1,67.
Struktur HA adalah heksagonal. Dimensi parameter kisi HA pada tulang adalah
nilai a = b = 9,419 Å dan c = 6,880 Å dan sudut α =
= 90o dan
=120o 19.
Komponen organik tulang terdiri dari sel dan matriks. Sel-sel yang terdapat
pada tulang adalah osteoblas, osteoklas dan osteosit. Osteoblas merupakan sel
yang membantu pertumbuhan tulang. Osteoklas merupakan sel penyerapan tulang
sedangkan osteosit untuk mempertahankan mineral tulang. Penyusun matriks
alami tulang adalah kolagen. Kolagen merupakan protein yang keras pembentuk
struktur jaringan konektif tulang. Terdapat 13 jenis kolagen dari tipe I sampai
XIII. Kolagen tipe I yaitu tipe kolagen yang terdapat pada tulang. Melalui
pengamatan dengan mikroskop elektron, kolagen merupakan polimer dalam
bentuk fibril. Kolagen berfungsi sebagai media tumbuh senyawa mineral yang
membantu sel-sel pembentuk tulang melakukan mineralisasi. Dimana kristal
mineral tulang berada di dalam dan di antara fibril kolagen. Kristal apatit karbonat
bergabung sepanjang fibril kolagen dan penggabungan tersebut menjadikan tulang
dalam bentuk komposit yang kuat dan keras20.
Kalsium fosfat
Komponen utama mineral tulang adalah senyawa kalsium fosfat.
Pendekatan yang dilakukan untuk memperoleh material substitusi tulang yang
tepat dengan menggunakan modifikasi senyawa kalsium fosfat. Senyawa kalsium
26
fosfat sintetik diperoleh dengan mencampurkan prekursor kalisum dan fosfat
dengan berbagai metode.
Ka
SETIA UTAMI DEWI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
2
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Komposit Kalsium
Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi adalah 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 tesis ini.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
G751070041
3
ABSTRACT
SETIA UTAMI DEWI. Synthesizes of Calcium Phosphate-Chitosan Composite
by Sonication Method. Under direction of KIAGUS DAHLAN and DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Formation of biomaterial composite consisting of organic matrix and
inorganic mineral has been studied. The inorganic minerals used hydroxyapatite
and hydroxyapatite and carbonated apatite compound that was result reaction of
calcium from calcinations of chicken eggshell at 1000oC and phosphor in the form
of diammonium hydrogen phosphates. Whereas the organic matrix was a
commercial chitosan originated from shrimp shell. To produce the composite,
both of apatite was mixed with chitosan using sonication method. The result
samples were further dried at 50°C. Used calcium phosphate is hysroxyapatite as
stable crystal and carbonated apatite as resorbable crystal. That calcium phosphate
results from optimation process. Percentages of chitosan and calcium phosphate
that used are 20:80 and 30:70. Another was studied influence percentages of
hydroxyapatite and hydroxyapatite-carbonated apatite compound. Characteristics
of the samples were performed using X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy.
Identification phase from XRD profile shown there are not change calcium
phosphate compound phase. Added chitosan influences to crystalline degree
where an increase of chitosan tends to decrease crystalline the composite.
Chitosan presenting was shown by N-H and C-H bands transmittance from FTIR
spectrum. The SEM micrograph also showed granules of apatite carbonate and
rod of hydroxyapatite. Increase of chitosan tends to increase of composite density.
Keywords: composite, apatite carbonate, hydroxyapatite, chitosan.
4
RINGKASAN
SETIA UTAMI DEWI. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan
Metode Sonikasi. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Tinginya kasus kerusakan tulang dalam medis sering terjadi sebagai akibat
fraktur yang penanganannya memerlukan pembedahan dan grafting
(pencangkokan) dengan menggunakan biomaterial. Pemenuhan kebutuhan
biomaterial tulang di Indonesia masih menggunakan material import. Adapun
yang telah dikembangkan di tanah air adalah biomaterial yang berasal dari tulang
manusia ataupun tulang sapi yang disebut allograft pada umumnya hanya terdiri
dari komponen mineral saja serta mempunyai kelemahan, yakni karakternya tidak
pasti, tidak konstan dan perbedaan imunitas yang dapat menyebabkan terjadinya
karsinogenik. Dalam perkembangannya untuk mengatasi persoalan tersebut
dilakukan pembuatan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui
secara pasti sehingga lebih biokompatibel dibanding dengan biomaterial
allograftt.
Biomaterial sintetik yang telah berhasil diproduksi oleh negara lain
memiliki harga yang tinggi. Oleh karena itu perlu dikembangkan produksi
biomaterial di tanah air. Kelimpahan bahan alam yang sangat tinggi dapat
dikembangkan sebagai raw material dalam membuat biomaterial. Kelimpahan
kalsit (CaCO3) dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium dalam sintesis kalsium
fosfat yang merupakan komponen mineral tulang. Kalsit dapat diperoleh dari
koral, kerang dan marin alga bahkan cangkang telur yang dianggap sebagai
limbah dapat dimanfaatkan karena mengandung 94-97% CaCO3. Dalam
pengembagan biomaterial tulang tidak hanya komponen mineral saja namun perlu
dimodifikasi dalam bentuk komposit antara komponen mineral dan matriks
organik karena mendekati komponen alamiah tulang yang terdiri dari mineral
apatit dan kolagen sebagai matriks organik.
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan.
Pembuatan komposit ini menggunakan sumber kalsium dari hasil kalsinasi
cangkang telur ayam dan kitosan dari kulit udang. Dua jenis senyawa kalsium
fosfat yang digunakan untuk pembuatan komposit yaitu, hidroksiapatit (HA)
sebagai kristal stabil dan campuran HA-apatit karbonat (AK) sebagai kristal yang
lebih mudah diserap oleh cairan tubuh. Keberadaan HA sebagai kristal stabil
bertujuan untuk memberikan sifat mekanik yang tinggi sedangkan AK dapat
mempercepat penyerapan komposit yang dapat memberikan kesempatan sel untuk
berinfiltrasi dalam komposit sehingga dapat mempercepat proses remodellling
tulang. Kitosan digunakan sebagai matriks untuk mengurangi sifat brittle. Selain
itu kitosan memiliki sifat osteokonduktif, bioresorbable, biokompatible dan tidak
mengandung racun.
Senyawa kalsium fosfat diperoleh dengan mempresipitasi prekursor kalsium
dari hasil kalsinasi cangkang telur dan diamonium hidrogen fosfat ((NH4)2HPO4)
dengan perbandingan konsentrasi kalsium dan fosfor 1,67. Hidroksiapatit
diperoleh dari hasil sintering presipitat kering pada temperatur 900oC sedangkan
campuran HA-AK diperoleh dari presipitat kering tanpa sintering. Pembuatan
5
komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan menggunakan metode sonikasi.
Untuk memperoleh komposisi komposit yang tepat dilakukan variasi
perbandingan kalsium fosfat (HA dan campuran HA-AK) dengan kitosan yaitu
(80:20)% dan (70:30)%. Kalsium fosfat yang digunakan juga dilakukan variasi
perbandingan HA dan campuran HA-AK. Sampel komposit yang dihasilkan
dianalisis dengan menggunakan difraksi sinar-X, spektroskopi Fourier Transform
Infrared (FTIR) dan Scanning Electron Microscopy (SEM).
Pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan metode
sonikasi memberikan keseragaman morfologi komposit. Pengaruh kitosan diamati
pada sampel HA dan campuran HA-AK yang ditambahkan dengan 20 dan 30%
kitosan. Penambahan kitosan dianalisis dari pola difraksi memperlihatkan tidak
terjadi perubahan fase namun dapat menurunkan ukuran kristal. Selain itu
penambahan kitosan dapat memberikan sifat ulet dilihat dari bentuk pellet yang
dihasilkan. Keberadaan komponen kitosan yang terlihat dari spektra FTIR
menunjukkan pengaruh kitosan 20% tidak signifikan dibandingkan dengan
kitosan 30%. Komposit dengan kitosan 20% cukup baik untuk dikembangkan
sebagai biomaterial substitusi tulang. Pengaruh penambahan jumlah campuran
HA-AK pada komposit dapat pula menurunkan derajat kristalin dan ukuran
kristal. Semakin tinggi perbandingan campuran HA-AK untuk kedua penambahan
kitosan menunjukkan bahwa ukuran kristal menurun. Morfologi komposit yang
dihasilkan dalam bentuk padat dapat memberikan kekuatan mekanik yang lebih
tinggi.
Hasil analisis semua data diketahui yang komposit dengan komposisi 64%
HA+16% campuran HA-AK+20% kitosan merupakan komposit yang optimum.
Penggunaan komposit ini berpeluang dikembangkan sebagai biomaterial
implantasi pada bagian tulang yang dapat menerima beban berat.
6
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang
wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
7
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM FOSFATKITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Biofisika
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
8
Judul Tesis
Nama
NIM
: Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode
Sonikasi
: Setia Utami Dewi
: G751070041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Kiagus Dahlan
Ketua
Prof. Dr. Djarwani Soeharso Soejoko
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biofisika
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Akhiruddin Maddu
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal Ujian : 07 Agustus 2009
Tanggal Lulus : 19 Agustus 2009
9
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Akhiruddin Maddu
10
PRAKATA
Alhamdulillahirobbil’alamin, puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas
rahmat, anugrah dan kasih sayang-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah
ini sebagai syarat untuk menyelesaikan Program Magister Sains pada Program
Studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana IPB. Tema yang dipilih dalam penelitian
yang dilaksanakan sejak Agustus 2008 ialah biomaterial substitusi tulang, dengan
judul Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi.
Pemilihan tema ini bertujuan sebagai upaya pengembangan bidang biomaterial
tulang di Indonesia.
Penyusunan penulisan karya ilmiah ini dapat diselesaikan karena dukungan
dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih
kepada Dr. Kiagus Dahlan dan Prof. Dr. Djarwani S. Soejoko sebagai dosen
pembimbing atas bimbingan, pengarahan dan nasehat serta kepada kedua orang
tua dan keluarga besar atas segala dukungan dan doa. Ungkapan terima kasih yang
mendalam Penulis ucapkan kepada Mas Chairudin yang telah memberikan segala
motivasi, doa dan bantuannya selama menempuh pendidikan ini. Penghargaan
Penulis sampaikan kepada Dr. Irzaman dan Ibu Yessie Widya Sari, M.Si yang
selalu memberikan semangat dan inspirasi. Kepada Bapak Didik, Bapak Dadang,
Bapak Gustan Pari, Bapak Saptadi serta seluruh staf Balai Penelitian dan
Pengembangan Hasil Hutan Bogor, Staf Biofarmaka IPB dan Bapak Wawan serta
Bapak Wikanda, Penulis menghaturkan terima kasih yang telah membantu dalam
pengambilan data. Kepada rekan-rekan S2 biofisika Penulis mengucapkan terima
kasih atas bantuan, semangat dan keceriaan selama menempuh pendidikan
Magister ini. Penulis pula sampaikan terima kasih kepada teman-teman
seperjuangan di Laboratorium Biofisika atas keceriaan dan kebersamaan selama
penelitian.
Semoga hasil penulisan ini dapat menjadi wacana yang memberikan
wawasan yang bermanfaat bagi semua pihak. Penulis mengharapkan kritik dan
saran untuk kesempurnaan penulisan karya selanjutnya. Terima kasih.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM FOSFATKITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
2
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Pembuatan Komposit Kalsium
Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi adalah 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 tesis ini.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
G751070041
3
ABSTRACT
SETIA UTAMI DEWI. Synthesizes of Calcium Phosphate-Chitosan Composite
by Sonication Method. Under direction of KIAGUS DAHLAN and DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Formation of biomaterial composite consisting of organic matrix and
inorganic mineral has been studied. The inorganic minerals used hydroxyapatite
and hydroxyapatite and carbonated apatite compound that was result reaction of
calcium from calcinations of chicken eggshell at 1000oC and phosphor in the form
of diammonium hydrogen phosphates. Whereas the organic matrix was a
commercial chitosan originated from shrimp shell. To produce the composite,
both of apatite was mixed with chitosan using sonication method. The result
samples were further dried at 50°C. Used calcium phosphate is hysroxyapatite as
stable crystal and carbonated apatite as resorbable crystal. That calcium phosphate
results from optimation process. Percentages of chitosan and calcium phosphate
that used are 20:80 and 30:70. Another was studied influence percentages of
hydroxyapatite and hydroxyapatite-carbonated apatite compound. Characteristics
of the samples were performed using X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron
Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy.
Identification phase from XRD profile shown there are not change calcium
phosphate compound phase. Added chitosan influences to crystalline degree
where an increase of chitosan tends to decrease crystalline the composite.
Chitosan presenting was shown by N-H and C-H bands transmittance from FTIR
spectrum. The SEM micrograph also showed granules of apatite carbonate and
rod of hydroxyapatite. Increase of chitosan tends to increase of composite density.
Keywords: composite, apatite carbonate, hydroxyapatite, chitosan.
4
RINGKASAN
SETIA UTAMI DEWI. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan
Metode Sonikasi. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan DJARWANI
SOEHARSO SOEJOKO.
Tinginya kasus kerusakan tulang dalam medis sering terjadi sebagai akibat
fraktur yang penanganannya memerlukan pembedahan dan grafting
(pencangkokan) dengan menggunakan biomaterial. Pemenuhan kebutuhan
biomaterial tulang di Indonesia masih menggunakan material import. Adapun
yang telah dikembangkan di tanah air adalah biomaterial yang berasal dari tulang
manusia ataupun tulang sapi yang disebut allograft pada umumnya hanya terdiri
dari komponen mineral saja serta mempunyai kelemahan, yakni karakternya tidak
pasti, tidak konstan dan perbedaan imunitas yang dapat menyebabkan terjadinya
karsinogenik. Dalam perkembangannya untuk mengatasi persoalan tersebut
dilakukan pembuatan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui
secara pasti sehingga lebih biokompatibel dibanding dengan biomaterial
allograftt.
Biomaterial sintetik yang telah berhasil diproduksi oleh negara lain
memiliki harga yang tinggi. Oleh karena itu perlu dikembangkan produksi
biomaterial di tanah air. Kelimpahan bahan alam yang sangat tinggi dapat
dikembangkan sebagai raw material dalam membuat biomaterial. Kelimpahan
kalsit (CaCO3) dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium dalam sintesis kalsium
fosfat yang merupakan komponen mineral tulang. Kalsit dapat diperoleh dari
koral, kerang dan marin alga bahkan cangkang telur yang dianggap sebagai
limbah dapat dimanfaatkan karena mengandung 94-97% CaCO3. Dalam
pengembagan biomaterial tulang tidak hanya komponen mineral saja namun perlu
dimodifikasi dalam bentuk komposit antara komponen mineral dan matriks
organik karena mendekati komponen alamiah tulang yang terdiri dari mineral
apatit dan kolagen sebagai matriks organik.
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan.
Pembuatan komposit ini menggunakan sumber kalsium dari hasil kalsinasi
cangkang telur ayam dan kitosan dari kulit udang. Dua jenis senyawa kalsium
fosfat yang digunakan untuk pembuatan komposit yaitu, hidroksiapatit (HA)
sebagai kristal stabil dan campuran HA-apatit karbonat (AK) sebagai kristal yang
lebih mudah diserap oleh cairan tubuh. Keberadaan HA sebagai kristal stabil
bertujuan untuk memberikan sifat mekanik yang tinggi sedangkan AK dapat
mempercepat penyerapan komposit yang dapat memberikan kesempatan sel untuk
berinfiltrasi dalam komposit sehingga dapat mempercepat proses remodellling
tulang. Kitosan digunakan sebagai matriks untuk mengurangi sifat brittle. Selain
itu kitosan memiliki sifat osteokonduktif, bioresorbable, biokompatible dan tidak
mengandung racun.
Senyawa kalsium fosfat diperoleh dengan mempresipitasi prekursor kalsium
dari hasil kalsinasi cangkang telur dan diamonium hidrogen fosfat ((NH4)2HPO4)
dengan perbandingan konsentrasi kalsium dan fosfor 1,67. Hidroksiapatit
diperoleh dari hasil sintering presipitat kering pada temperatur 900oC sedangkan
campuran HA-AK diperoleh dari presipitat kering tanpa sintering. Pembuatan
5
komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan menggunakan metode sonikasi.
Untuk memperoleh komposisi komposit yang tepat dilakukan variasi
perbandingan kalsium fosfat (HA dan campuran HA-AK) dengan kitosan yaitu
(80:20)% dan (70:30)%. Kalsium fosfat yang digunakan juga dilakukan variasi
perbandingan HA dan campuran HA-AK. Sampel komposit yang dihasilkan
dianalisis dengan menggunakan difraksi sinar-X, spektroskopi Fourier Transform
Infrared (FTIR) dan Scanning Electron Microscopy (SEM).
Pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dilakukan dengan metode
sonikasi memberikan keseragaman morfologi komposit. Pengaruh kitosan diamati
pada sampel HA dan campuran HA-AK yang ditambahkan dengan 20 dan 30%
kitosan. Penambahan kitosan dianalisis dari pola difraksi memperlihatkan tidak
terjadi perubahan fase namun dapat menurunkan ukuran kristal. Selain itu
penambahan kitosan dapat memberikan sifat ulet dilihat dari bentuk pellet yang
dihasilkan. Keberadaan komponen kitosan yang terlihat dari spektra FTIR
menunjukkan pengaruh kitosan 20% tidak signifikan dibandingkan dengan
kitosan 30%. Komposit dengan kitosan 20% cukup baik untuk dikembangkan
sebagai biomaterial substitusi tulang. Pengaruh penambahan jumlah campuran
HA-AK pada komposit dapat pula menurunkan derajat kristalin dan ukuran
kristal. Semakin tinggi perbandingan campuran HA-AK untuk kedua penambahan
kitosan menunjukkan bahwa ukuran kristal menurun. Morfologi komposit yang
dihasilkan dalam bentuk padat dapat memberikan kekuatan mekanik yang lebih
tinggi.
Hasil analisis semua data diketahui yang komposit dengan komposisi 64%
HA+16% campuran HA-AK+20% kitosan merupakan komposit yang optimum.
Penggunaan komposit ini berpeluang dikembangkan sebagai biomaterial
implantasi pada bagian tulang yang dapat menerima beban berat.
6
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2009
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,
penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang
wajar IPB.
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB.
7
PEMBUATAN KOMPOSIT KALSIUM FOSFATKITOSAN DENGAN METODE SONIKASI
SETIA UTAMI DEWI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Biofisika
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2009
8
Judul Tesis
Nama
NIM
: Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode
Sonikasi
: Setia Utami Dewi
: G751070041
Disetujui
Komisi Pembimbing
Dr. Kiagus Dahlan
Ketua
Prof. Dr. Djarwani Soeharso Soejoko
Anggota
Diketahui
Ketua Program Studi Biofisika
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Akhiruddin Maddu
Prof. Dr. Ir. Khairil A. Notodiputro, MS
Tanggal Ujian : 07 Agustus 2009
Tanggal Lulus : 19 Agustus 2009
9
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Dr. Akhiruddin Maddu
10
PRAKATA
Alhamdulillahirobbil’alamin, puji dan syukur kehadirat Allah SWT atas
rahmat, anugrah dan kasih sayang-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah
ini sebagai syarat untuk menyelesaikan Program Magister Sains pada Program
Studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana IPB. Tema yang dipilih dalam penelitian
yang dilaksanakan sejak Agustus 2008 ialah biomaterial substitusi tulang, dengan
judul Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan dengan Metode Sonikasi.
Pemilihan tema ini bertujuan sebagai upaya pengembangan bidang biomaterial
tulang di Indonesia.
Penyusunan penulisan karya ilmiah ini dapat diselesaikan karena dukungan
dan bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih
kepada Dr. Kiagus Dahlan dan Prof. Dr. Djarwani S. Soejoko sebagai dosen
pembimbing atas bimbingan, pengarahan dan nasehat serta kepada kedua orang
tua dan keluarga besar atas segala dukungan dan doa. Ungkapan terima kasih yang
mendalam Penulis ucapkan kepada Mas Chairudin yang telah memberikan segala
motivasi, doa dan bantuannya selama menempuh pendidikan ini. Penghargaan
Penulis sampaikan kepada Dr. Irzaman dan Ibu Yessie Widya Sari, M.Si yang
selalu memberikan semangat dan inspirasi. Kepada Bapak Didik, Bapak Dadang,
Bapak Gustan Pari, Bapak Saptadi serta seluruh staf Balai Penelitian dan
Pengembangan Hasil Hutan Bogor, Staf Biofarmaka IPB dan Bapak Wawan serta
Bapak Wikanda, Penulis menghaturkan terima kasih yang telah membantu dalam
pengambilan data. Kepada rekan-rekan S2 biofisika Penulis mengucapkan terima
kasih atas bantuan, semangat dan keceriaan selama menempuh pendidikan
Magister ini. Penulis pula sampaikan terima kasih kepada teman-teman
seperjuangan di Laboratorium Biofisika atas keceriaan dan kebersamaan selama
penelitian.
Semoga hasil penulisan ini dapat menjadi wacana yang memberikan
wawasan yang bermanfaat bagi semua pihak. Penulis mengharapkan kritik dan
saran untuk kesempurnaan penulisan karya selanjutnya. Terima kasih.
Bogor, Agustus 2009
Setia Utami Dewi
11
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kuningan-Jawa Barat pada tanggal 14 Januari 1985.
Penulis merupakan putri bungsu dari pasangan Bapak Salim dan Ibu Karwiti.
Penulis menyelesaikan Program Sarjana di Departemen Fisika, FMIPA-IPB
pada tahun 2007. Pada tahun yang sama Penulis melanjutkan pendidikan Program
Magister di Sekolah Pascasarjana IPB dengan Program Studi Biofisika. Beasiswa
pendidikan Pascasarjana diperoleh dari Program Beasiswa Unggulan Diknas
tahun 2007.
Selama mengikuti perkuliahan Program Magister, Penulis menjadi Research
Assistant di Laboratorium Biofisika Departemen Fisika, FMIPA-IPB. Penulis juga
tergabung dalam redaktur penerbitan Jurnal Biofisika dan sebagai asisten
praktikum mahasiswa Program Sarjana.
12
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL .......................................................................................... xii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xiii
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. xv
PENDAHULUAN .......................................................................................... 1
Latar Belakang .......................................................................................... 1
Perumusan Masalah .................................................................................. 2
Tujuan Penelitian ...................................................................................... 3
Manfaat Penelitian .................................................................................... 3
Ruang Lingkup Penelitian ......................................................................... 3
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................. 4
Tulang ....................................................................................................... 4
Struktur Tulang ......................................................................................... 4
Komposisi Tulang ..................................................................................... 6
Kalsium Fosfat .......................................................................................... 9
Hidroksiapatit (HAP) ............................................................................... 11
Apatit karbonat (AK) ................................................................................ 15
Trikalsium Fosfat (TKF) .......................................................................... 16
Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan ........................................................... 18
Kitosan ..................................................................................................... 18
Sintesis dan Karakterisasi Komposit kalsium fosfat-kitosan ................... 19
METODOLOGI PENELITIAN ..................................................................... 22
Bahan dan Alat ......................................................................................... 22
Metode ..................................................................................................... 22
Tahap Pertama: Sintesis Kalsium Fosfat................................................. 23
1. Kalsinasi cangkang telur .................................................................... 23
2. Sintesis kalsium fosfat........................................................................ 24
3. Uji kelarutan dlam Simulated Body Fluid (SBF)............................... 26
Tahap Kedua: Pembuatan dan Karakterisasi Komposit
Kalsium Fosfat-Kitosan ........................................................................... 28
1. Pembuatan Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan .................................. 28
2. Karakterisasi Komposit Kalsium Fosfat-Kitosan............................... 29
HASIL PENELITIAN.................................................................................... 30
PEMBAHASAN ............................................................................................ 53
SIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 64
Simpulan .................................................................................................. 64
Saran ......................................................................................................... 65
DAFTAR PUSTAKA .................................................................................... 66
LAMPIRAN ................................................................................................... 70
13
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Kandungan unsur mineral dalam tulang ................................................... 7
2 Jenis-jenis senyawa kalsium fosfat .......................................................... 10
3 Parameter kisi untuk sampel hasil penelitian Saraswaty dkk................... 21
4 Variasi konsentrasi Ca dan P pada pembuatan HA .................................. 25
5 Variasi termperatur dan waktu pada sintesis TKF ................................... 26
6 Volume larutan ionik untuk pembuatan SBF ........................................... 26
7 Komposisi ionik dalam SBF .................................................................... 27
8 Variasi komposisi sintesis komposit ........................................................ 28
9 Efisiensi kalsinasi cangkang telur pada temperatur 1000oC selama
5 jam ......................................................................................................... 30
10 Effisiensi penggunaan senyawa kalsium dari cangkang telur dan
(NH2)HPO4 pada sintesis HA .................................................................... 32
11 Ukuran parameter kisi sampel HA ........................................................... 33
12 Ukuran kristal pada bidang h k l (0 0 2) dan (3 0 0) untuk sampel HA ... 34
13 Efisiensi penggunaan senyawa kalsium dari hasil kalsinasi cangkang
telur dan (NH4)2HPO4 pada sintesis TKF ................................................ 37
14 Kelarutan sampel kalsium fosfat dalam SBF ........................................... 38
15 Massa komposit kalisum fosfat-kitosan ................................................... 40
14
DAFTAR GAMBAR
Halaman
16 Struktur tulang padat dan tulang jala ........................................................ 5
17 Bentuk tulang panjang (a) dan pipih (b) ................................................... 6
18 Spektra FTIR untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun ............ 8
19 Pola difraksi sinar-X untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun. 8
20 Struktur unit sel hidroksiapatit ................................................................. 11
21 Pola difraksi sinar-X HA hasil kalsinasi pada berbagai temperatur
(hasil penelitian Deepak dkk) .................................................................. 12
22 Pola difraksi sinar-X HA dengan metode hidrotermal pada temperatur
200oC pada berbagai waktu 24 jam (a), 48 jam (b) dan 72 jam (c)
(hasil penelitian Earl dkk) ........................................................................ 13
23 Pola difraksi sinar-X untuk HA yang menggunakan cangkang telur
(hasil penelitian prabakaran) .................................................................... 14
24 Spektra FTIR untuk apatit karbonat sintetik Tipe A (a) dan Tipe B (b)
(hasil penelitian Sonju Clasen dkk) ......................................................... 15
25 Pola difraksi sinar-X hasil sintesis apatit karbonat (hasil penelitian Sari
dkk) .......................................................................................................... 16
26 Pola difraksi sinar-X TKF pada berbagai temperatur (hasil penelitian
Wang dkk) ................................................................................................ 17
27 Struktur monomer kitosan ........................................................................ 19
28 Pola difraksi sinar-X pada kitosan ........................................................... 19
29 Difraksi sinar-X untuk DGB (a), HA (b) dan komposit DBG-kitosangelatin (c) (hasil penelitian Saraswaty dkk) ............................................. 20
30 Mikrograf SEM Kitosan (a) dan Komposit kitosan-HA (b) (hasil
penelitian Yamaguchi dkk). ..................................................................... 21
31 Proses kalisinasi cangkang telur............................................................... 23
32 Skema tahap-tahap presipitasi .................................................................. 24
33 Pengujian kelarutan kalsium fosfat dalam SBF ....................................... 27
34 Proses sonikasi komposit kalsium fosfat-kitosan..................................... 29
35 Pola difraksi sinar-X hasil kalsinasi cangkang telur pada temperatur
1000 oC selama 5 jam............................................................................... 31
36 Pola difraksi sinar-X sampel HA dengan perbandingan Ca:P
(0,30:0,18) M H3 (a) dan (0,50:0,30) M. H5 (b) ..................................... 33
37 Pola difraksi sinar-X sampel apatit karbonat (a) dan HA (b)................... 35
15
38 Spektra FTIR untuk sampel Hidroksiapatit (HA) (a) dan Apatit
Karbonat (AK) (b) .................................................................................... 36
39 Pola difraksi sinar-X untuk sampel TKF sintering 1000oC selama 5
jam(a) dan sintering 1300oC selama 5 jam (b) ........................................ 37
40 Pola difraksi sinar-X kitosan .................................................................... 39
41 Spektra FTIR kitosan ............................................................................... 39
42 Pola difraksi sinar-X untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan
perbandingan HA dan kitosan (80:20)% (a) dan (70:30)% (c) ................ 41
43 Grafik ukuran kristal pada HA dan AK terhadap pengaruh kitosan ........ 42
44 Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan HA dan kitosan (100:0)% (a), (80:20)% (b), (70:30)%
(c) dan (0:100)% (d) ................................................................................ 42
45 Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan campuran HA-AK dan kitosan (100:0)% (a), (80:20)%
(b), (70:30)% (c) dan (0:100)% (d) .......................................................... 44
46 Pola difraksi sinar-X komposit kalsium fosfat kitosan 20% dengan
berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK (80:0)% (a),
(64:16)% (b), (56:24)% (c) dan (0:80)% (d) ........................................... 45
47 Pola difraksi sinar-X komposit kalsium fosfat kitosan 30% dengan
berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK (70:0)% (a),
(56:14)% (b), (49:21)% (c) dan (0:70)% (d) ........................................... 46
48 Grafik ukuran kristal bidang (3 0 0 ) komposit kalisum fosfat-kitosan
dengan berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK .................... 47
49 Grafik ukuran kristal bidang (0 0 2) komposit kalisum fosfat-kitosan
dengan berbagai perbandingan HA dan campuran HA-AK .................... 47
50 Spektra FTIR komposit kalsium fosfat kitosan 20% dengan berbagai
perbandingan HA dan campuran HA-AK (80:0)% (a), (64:16)% (b),
(56:24)% (c) dan (0:80)% (d)................................................................... 48
51 Spektra FTIR komposit kalsium fosfat kitosan 30% dengan berbagai
perbandingan HA dan campuran HA-AK (70:0)% (a), (56:14)% (b),
(49:214)% (c) dan (0:70)% (d) ................................................................ 49
52 Mikrograf kitosan (a) Hidroksiapatit (HA) (b) dan campuran HA-AK
(c). ............................................................................................................ 50
53 Mikrograf komposit kalsium fosfat-kitosan dengan variasi
perbandingan HA, campuran HA dan AK dan kitosan (64:16:20)% (a),
(56:24:20)% (b) dan (0:80:20)% (c) ....................................................... 51
16
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Diagram alir penelitian ......................................................................... 70
2
Perhitungan massa komponen pada sintesis kalsium fosfat ................. 72
3
Massa komponen dan hasil pembuatan komposit ................................ 73
4
Pola difraksi sinar-X untuk sampel Hidroksiapatit (HA) hasil
sintering pada temperatur 900oC selama 5 jam .................................... 74
5
Perhitungan parameter kisi untuk sampel Hidroksiapatit (HA) ........... 78
6
Perhitungan ukuran kristal untuk sampel Hidroksiapatit (HA)............ 93
7
Pola difraksi sinar-X untuk sampel Trikalsium fosfat (TKF) .............. 94
8
Pola difraksi sinar-X untuk sampel campuran hidroksiapatit (HA)
dan apatit karbonat (AK)...................................................................... 97
9
Perhitungan parameter kisi dan ukuran kistal sampel campuran
hidroksiapatit (HA) dan apatit karbonat (AK) ..................................... 98
10
Massa hasil uji kelarutan dalam Simulated Body Fluid (SBF) ........... 100
11
Pola difraksi sinar-X untuk komposit kalsium fosfat-kitosan ............. 102
12
Perhitungan parameter kisi sampel komposit kalsium fosfat-kitosan .. 110
13
Perhitungan ukuran kristal untuk komposit kalsium fosfat-kitosan .... 122
14
Spektra FTIR untuk kalsium fosfat ..................................................... 123
15
Spektrum FTIR kitosan ....................................................................... 124
16
Spektra FTIR untuk komposit kalsium fosfat-kitosan ........................ 125
17
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Penurunan kualitas hidup manusia erat kaitannya dengan kesehatan organ
tubuh. Terganggunya fungsi organ dapat disebabkan oleh penyakit dan
kecelakaan. Penanganan kerusakan fungsi pada beberapa organ dilakukan dengan
implantasi biomaterial. Contohnya adalah kerusakan katup jantung, pembuluh
darah, lensa kontak, tulang dan gigi. Biomaterial yang paling banyak digunakan
ialah untuk keperluan substitusi tulang sebesar 46% dari total keseluruhan.
Penderita kerusakan tulang meningkat setiap tahunnya1. Fraktur merupakan
salah satu penyakit tulang yang sering ditemui. Selain fraktur, kerusakan tulang
lainnya ialah osteoporosis. Studi di dunia menyatakan bahwa satu di antara tiga
wanita di atas usia 50 tahun dan satu di antara lima pria di atas 50 tahun menderita
osteoporosis2.
Penanganan yang tepat pada kerusakan tulang sangat penting karena tulang
berperan sebagai penyokong fungsi tubuh, maka penggunaan material yang tepat
merupakan faktor keberhasilkan implantasi tulang. Material substitusi tulang yang
digunakan harus bersifat dapat diterima oleh tubuh (biokompatible), tidak korosif,
disain yang tepat dan dapat berintegrasi dengan cepat3.
Pada bidang medis telah dilakukan rekonstruksi tulang dengan berbagai
jenis biomaterial. Berdasarkan sumber material, biomaterial dikelompokkan
menjadi empat jenis. Biomaterial yang berasal dari tulang manusia disebut
allograft. Penggunaan bahan ini mempunyai kelemahan dapat terjadi infeksi jika
tulang donor tidak sehat. Xenograft yaitu implantasi bagian tubuh dari spesies
yang berbeda. Kelemahan dari biomaterial ini yaitu memiliki perbedaan karakter
mineral tulang. Autograft yaitu substitusi tulang dari bagian tulang yang lain yang
dimiliki oleh pasien yang sama. Hal ini akan memberikan beban tambahan pada
pasien3. Untuk mengatasi keterbatasan-keterbatasan material tersebut dilakukan
berbagai modifikasi pembuatan biomaterial sintetik. Dengan biomaterial sintetik
diharapkan karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol.
18
Biomaterial sintetik yang tepat yaitu biomaterial yang mendekati sifat
alamiah tulang. Struktur tulang merupakan komposit alami antara substansi
anorganik dan susbtansi organik. Substansi organik meliputi matriks organik, sel
osteoblas, osteosit, dan osteoklas. Sel-sel tersebut memegang peranan dalam
pertumbuhan mineral tulang3. Substansi anorganik adalah mineral yang
memberikan sifat mekanik yang kuat. Kalsium fosfat merupakan komponen
dominan terdapat dalam mineral tulang. Kalsium fosfat dalam tulang membentuk
senyawa apatit4. Senyawa apatit tulang terdiri dari fase amorf dan kristal5.
Hidroksiapatit (HA) merupakan kristal kalsium fosfat yang umum
digunakan untuk implantasi dibidang biomedis karena memiliki sifat bioaktif dan
osteokonduktif yang sangat bermanfaat dalam proses mineralisasi tulang4. Namun
HA memiliki keterbatasan yaitu bersifat keras dan brittle. Untuk mengurangi sifat
ini perlu dilakukan modifikasi dengan menambahkan polimer sebagai matriks.
Biomaterial dengan menggabungkan dua komponen senyawa kalsium fosfat dan
polimer disebut komposit. Komposit sangat berpotensi untuk digunakan sebagai
biomaterial substitusi tulang.
Komposit substitusi tulang dengan menggunakan bahan alam dapat
dilakukan dengan menggunakan bahan yang dapat dijadikan prekursor pembentuk
senyawa kalsium fosfat. Bahan alam yang berpeluang digunakan yaitu limbah
cangkang telur dan kulit udang. Kandungan kalsium yang tinggi pada cangkang
telur dapat dimanfaatkan sebagai donor kalsium pada sintesis kalsium fosfat. Kulit
udang terdiri dari struktur kitin yang dapat diekstrak menjadi biopolimer kitosan.
Kitosan
bersifat
biokompatibel,
bioderadabel,
oseokonduktif
dan
dapat
mengurangi sifat britle senyawa kalsium fosfat sehingga dapat dimanfaatkan
sebagai matriks pada sintesis komposit kalsium fosfat-kitosan sebagai biomaterial
substitusi tulang. Komposit dengan menggunakan bahan alam diharapkan dapat
meningkatkan biokompatibilitas saat diaplikasikan.
Perumusan Masalah
Dalam penelitian ini dilakukan pembuatan komposit substitusi tulang
menggunakan bahan alam. Bahan alam yang digunakan adalah cangkang telur
sebagai donor kalsium pada senyawa kalsium fosfat dan kitosan dari kulit udang
19
sebagai matriks organik. Pendekatan terhadap struktur tulang dalam tubuh
dilakukan dengan sintesis senyawa kalsium fosfat dalam dua fasa, yaitu fasa
kristal dan amorf. Komposit disintesis dengan mengkombinasikan pencampuran
kalsium fosfat kristal dan amorf dengan kitosan. Pengamatan yang dilakukan yaitu
pengaruh penambahan jumlah kitosan dan variasi bobot fase kristal dan amorf
dalam sintesis komposit. Pengujian karakteristik yang diamati yaitu struktur dan
morfologi komposit.
Tujuan Penelitian
1. Dapat menyintesis komposit kalsium fosfat-kitosan dari cangkang telur
sebagai material substitusi tulang
2. Dapat memahami pengaruh penambahan kitosan pada komposit substitusi
tulang
3. Dapat memperoleh komposisi komposit yang tepat untuk aplikasi implantasi
tulang
Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan mampu memberikan prototype komposit substitusi
tulang berbasis bahan alam yaitu cangkang telur dan kitosan. Prototype ini
diharapkan mampu menjaring para medis khususnya bidang ortopodik sehingga
dapat dimanfaatkan sebagai bahan implantasi tulang. Lebih jauh lagi, dari segi
harga, diharapkan pula biomaterial tulang yang dihasilkan dapat terjangkau oleh
masyarakat luas.
Ruang Lingkup Penelitian
Kajian yang akan dilakukan yaitu rekayasa sintesis komposit dari limbah
cangkang telur ayam dan kitosan sehingga memiliki nilai tambah sebagai sumber
kalsium untuk sintesis senyawa kalsium fosfat dan pemanfaatan kitosan sebagai
matriks organik. Komposit yang diperoleh akan dimanfaatkan sebagai implantasi
tulang. Pemanfaatan limbah cangkang telur dan kulit udang diharapkan mampu
menekan biaya produksi sehingga diharapkan keluaran penelitian ini mampu
20
menyelesaikan permasalahan masyarakat dalam hal penyediaan bahan implan
tulang yang terjangkau oleh berbagai aspek masyarakat.
TINJAUAN PUSTAKA
Tulang
Tulang merupakan jaringan kuat pembentuk kerangka tubuh manusia.
Tulang sebagai pembentuk kerangka manusia memiliki empat fungsi utama yaitu
fungsi mekanik, protektif, metabolik dan hemopetik. Fungsi mekanik yaitu
sebagai penyokong tubuh dan tempat melekatnya jaringan otot untuk pergerakan.
Fungsi protektif yaitu sebagai pelindung berbagai alat vital dalam tubuh dan
sumsum tulang. Fungsi metabolik yaitu sebagai cadangan dan tempat
metabolisme berbagai mineral yang penting seperti kalsium dan fosfat. Fungsi
hemopetik yaitu sebagai tempat berlangsungnya proses pembentukan dan
perkembanagan sel darah6. Karena perbedaan fungsi tersebut, tulang memilki
struktur dan komposisi yang berbeda.
Struktur Tulang
Kompleksitas dalam tulang mengakibatkan klasifikasi tulang dilakukan
dalam berbagai cara. Secara radiologis tulang dibedakan menjadi dua yaitu tulang
padat atau compact dan tulang jala atau cancellous6. Jumlah tulang jala dalam
tubuh relatif lebih banyak dibandingkan dengan tulang padat. Struktur tulang
secara radiologis ditunjukan oleh Gambar 1.
Unit struktur dari tulang padat dewasa adalah sistem harvesian atau osteon
dengan diameter 100-300 m. Sistem harvesian memiliki sebuah kanal harvesian
yang dikelilingi oleh lamela yang tersusun secara konsentrik. Kanal harvesian
memiliki paling sedikit satu pembuluh darah kapiler yang menyediakan nutrien
bagi osteosit untuk remodelling tulang. Lamela pada sistem harvesian memiliki
rongga-rongga yang disebut lakuna. Setiap lakuna berisi sel yang bernama
osteosit. Semua lakuna pada sistem harvesian dihubungkan oleh kanal-kanal kecil
yang disebut kanalikuli. Osteosit pada tulang jala terletak pada lakuna yang saling
21
dihubungkan dengan kanalikuli seperti pada tulang padat tetapi lamela pada
tulang jala tidak tersusun secara konsentrik7.
Gambar 1 Struktur tulang padat dan tulang jala7.
Berdasarkan anatomi, tulang memiliki berbagai bentuk dan ukuran untuk
memenuhi kebutuhan tubuh, tulang dibedakan menjadi empat macam, yaitu tulang
panjang, tulang pendek, tulang pipih, dan tulang tak sama bentuk. Tulang panjang
merupakan tulang dengan ukuran yang panjang yang dibentuk oleh bagian
epiphyses dan diaphyses (Gambar 2a). Diaphyses terdapat pada bagian tengah
yang didalamnya terdapat medullar cavity sebagai tempat sumsum tulang.
Epiphyses terdiri dari tulang jala yang terbungkus oleh lapisan tulang padat
terdapat pada ujung tulang panjang. Pada anak-anak tulang panjang berisi sumsum
merah. Setelah dewasa, sumsum ini diganti menjadi sumsum kuning. Tulang
pendek berupa jala yang dipenuhi dengan ruang-ruang. Strukturnya hampir sama
dengan tulang panjang namun tidak memiliki medullar cavity. Tulang pipih
merupakan tulang berbentuk pipih, tipis dan melengkung. Tulang pipih terbentuk
dari dua lapisan tulang padat yang diantara keduanya terdapat tulang jala. Tulang
pipih seperti tampak pada Gambar 2b. Tulang ini berfungsi sebagai tempat
melekatnya otot-otot dan melindungi organ-organ yang ada di dalamnya. Tulang
tak sama bentuk merupakan tulang yang tidak memiliki kesesuaian dengan bentuk
yang sebelumnya. Tulang ini memiliki fungsi sebagai tempat melekatnya otot7.
22
(a)
(b)
Gambar 2 Bentuk tulang panjang (a) dan pipih (b) 7.
Komposisi Tulang
Komposisi utama jaringan tulang jumlahnya bergantung pada spesies, umur,
jenis kelamin, jenis tulang dan posisi tulang. Komposisi tulang secara umum
terdiri dari 60% material anorganik, 30% organik dan 15% air3. Material
anorganik merupakan mineral tulang yang mengandung cukup kalsium yaitu
dalam bentuk kalsium fosfat karbonat atau disebut apatit karbonat dan mineralmineral lain. Mineral-mineral lain yaitu magnesium (Mg), flouride (F) dan klor
(Cl), natrium (Na) dan kalium (K)8. Kehadiran mineral-mineral tersebut
menjadikan kalsium fosfat dalam tulang mempunyai sifat yang kompleks, seperti
dapat hadir dalam berbagai fase dan adanya impuritas. Apatit karbonat atau
dahlite [(Ca, Na, Mg)5(HPO4, PO4 , CO3 )3(OH, CO3)]4. Senyawa kalsium fosfat
dalam tulang disebut juga sebagai apatit biologi. Kandungan senyawa mineral
tulang manusia secara umum terdapat pada Tabel 1.
Fase apatit yang stabil yaitu hidroksiapatit (HA) dengan rumus kimia
Ca10(PO4)6(OH)2. Kehadiran karbonat (CO32-) dalam tubuh dapat mensubstitusi
formula HA dengan menempati dua posisi. Karbonat menggantikan posisi
hidroksil (OH-) disebut apatit karbonat tipe A dan menggantikan posisi fosfat
(PO4)3- disebut apatit karbonat tipe B10,11,12.
23
Tabel 1 Kandungan unsur mineral dalam tulang9
Unsur
Kandungan (% berat)
Ca
34,00
P
15,00
Mg
0,50
Na
0,80
K
0,20
C
1,60
Cl
0,20
F
0,08
Zat sisa
47,62
Untuk mengetahui karakteristik apatit biologi tulang dilakukan penelitian
dengan menggunakan hewan uji. Tahun 1998, Baig dkk melakukan pengujian
karakter tulang dengan mineral tulang tikus. Karakter tulang tikus menunjukkan
bahwa mineralnya mengandung banyak karbonat. Semakin bertambah usia tikus
kelarutan apatit menurun karena karena kristalinitas meningkat13. Solehan (2001)
mengamati kehadiran karbonat dalam mineral tulang tikus yang berumur 1-6
bulan
diteliti
dengan
menggunakan
difraksi
sinar-X.
Hasil
penelitian
menunjukkan bahwa kandungan mineral dalam bentuk apatit karbonat meningkat
dengan kenaikan umur. Selanjutnya disamping konsentrasi mineral, kristalinitas
apatit karbonat dalam tulang tikus juga meningkat dengan kenaikan umur14.
Penelitian yang lebih komprehensif juga telah dilakukan oleh Sari YW dkk (2005)
untuk mengetahui pertumbuhan senyawa kalsium fosfat dalam tulang tikus yang
berumur dalam rentang 1-8 bulan15,16. Hasil penelitian menunjukkan bahwa
senyawa kalsium fosfat dalam tulang tikus hadir dalam bentuk amorf dan kristalin
ukuran kecil dengan morfologi berbentuk kepingan.
Selain menggunakan tulang hewan, penelitian dengan menggunakan tulang
manusia dilakukan oleh Nurizati dkk (2006), menunjukkan bahwa mineral tulang
dalam bentuk senyawa campuran senyawa apatit karbonat dan HA. Data ini
ditunjukkan pada hasil spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) dan
24
difraksi sinar X (Gambar 3 dan Gambar 4)17. Puncak untuk karbonat pita ν 3
menujukkan kehadiran senyawa apatit karbonat tipe B begitu juga dengan ν 2.
Hasil tersebut didukung dengan data difraksi sinar-X yang menujukkan puncak
tertinggi merupakan puncak apatit karbonat tipe B. Hasil analisis komposisi
mineral tulang manusia menunjukkan kehadiran unsur-unsur lain yaitu Na, Mg
dan K. Kehadiran ion asing selain karbonat menyebabkan adanya inhibitor bagi
apatit biologi. Inhibitor tersebut mengakibatkan apatit biologi yang hadir dalam
tulang mempunyai kristalinitas rendah dan nonstoikiometri. Sebagian ion asing
masuk ke dalam kisi kristal apatit, dan sebagian lain ada yang hanya diadsorpsi.
Hal ini menyebabkan tulang terdiri dari fase kristal dan amorf.
ν
ν
T
ν
3
2
CO3
PO4
1
CO3
ν
OH
ν
3
4
PO4
PO4
Bilangan Gelombang (cm-1)
Gambar 3 Spektra FTIR untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37 Tahun.
25
Gambar 4 Pola difraksi sinar-X untuk mineral tulang tibia laki-laki usia 37
Tahun.
Dalam penelitian kalsifikasi tulang diketahui bahwa proses pertumbuhan
dan pendewasaan tulang berkaitan erat dengan konversi fase amorf kalsium fosfat
menjadi kristal apatit. Proses transformasi tersebut akan terbentuk kristal non
apatit sebagai fase antara yang mendahului pembentukan kristal apatit18. Fase
antara yaitu dikalsium fosfat dihidrat (DKFD), oktakalsium fosfat (OKF) dan
trikalsium fosfat (TKF). Hal ini ditunjukkan bahwa semakin bertambah usia
kristalnitas semakin tinggi. Hidroksiapatit merupakan kristal apatit yang paling
stabil.
Hidroksiapatit (HA) adalah yang mengandung hidroksida, anggota dari
kelompok mineral dalam tulang yang memiliki rasio Ca/P dicirikan sebesar 1,67.
Struktur HA adalah heksagonal. Dimensi parameter kisi HA pada tulang adalah
nilai a = b = 9,419 Å dan c = 6,880 Å dan sudut α =
= 90o dan
=120o 19.
Komponen organik tulang terdiri dari sel dan matriks. Sel-sel yang terdapat
pada tulang adalah osteoblas, osteoklas dan osteosit. Osteoblas merupakan sel
yang membantu pertumbuhan tulang. Osteoklas merupakan sel penyerapan tulang
sedangkan osteosit untuk mempertahankan mineral tulang. Penyusun matriks
alami tulang adalah kolagen. Kolagen merupakan protein yang keras pembentuk
struktur jaringan konektif tulang. Terdapat 13 jenis kolagen dari tipe I sampai
XIII. Kolagen tipe I yaitu tipe kolagen yang terdapat pada tulang. Melalui
pengamatan dengan mikroskop elektron, kolagen merupakan polimer dalam
bentuk fibril. Kolagen berfungsi sebagai media tumbuh senyawa mineral yang
membantu sel-sel pembentuk tulang melakukan mineralisasi. Dimana kristal
mineral tulang berada di dalam dan di antara fibril kolagen. Kristal apatit karbonat
bergabung sepanjang fibril kolagen dan penggabungan tersebut menjadikan tulang
dalam bentuk komposit yang kuat dan keras20.
Kalsium fosfat
Komponen utama mineral tulang adalah senyawa kalsium fosfat.
Pendekatan yang dilakukan untuk memperoleh material substitusi tulang yang
tepat dengan menggunakan modifikasi senyawa kalsium fosfat. Senyawa kalsium
26
fosfat sintetik diperoleh dengan mencampurkan prekursor kalisum dan fosfat
dengan berbagai metode.
Ka