MATERIAL ( 14 Files )
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Karakteristik Hidroksiapatit Doping Silikon Si 0,5HA Hasil Reaksi
Keadaan Padat dan Potensinya sebagai Material Biomedis
HARTATIEK1*), YUDYANTO, RIRIN YULI WINDARI, SEPTI DWI RATNASARI, NURUL HIDAYAT
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang,
E-mail: hartatiek.fmipa@um.ac.id
*) PENULIS KORESPONDEN
TEL: 0341-552125
ABSTRAK: Hidroksiapatit merupakan biomaterial yang dalam beberapa dekade terakhir gencar
dikaji oleh para ahli karena sifatnya yang unggul untuk aplikasi medis, khususnya yang
berhubungan dengan ortopedi. Pada penelitian ini, hidroksiapatit doping silikon dalam bentuk
Si0,5HA disintesis melalui metode reaksi keadaan padat (solid state reaction) dengan waktu
penggerusan 30 jam dan 40 jam. Prekursor utama dalam penelitian ini adalah SiO2, Ca2P2O7,
dan CaCO3. Karakterisasi Si0,5HA dilakukan dengan XRD (X-ray diffraction), FTIR (Fourier
transform infrared spectroscopy), SEM-EDX (scanning electron microscopy and energy dispersive
x-ray spectroscopy), dan micro Vickers hardness. Lebih lanjut, uji bioresorbabilitas dan
bioaktivitas secara in vitro juga dilakukan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lama
penggerusan mempengaruhi struktur kristal dan ukuran partikel Si 0,5HA. Karakteristik
kekerasan Si0,5HA cenderung mengalami peningkatan akibat penambahan waktu penggerusan.
Berdasarkan uji bioresorbabilitas dan bioaktivitas, semua sampel bersifat bioresorbable dan
bioaktif yang berimplikasi pada potensi aplikasi Si0,5HA sebagai material biomedis.
Kata Kunci: Si0,5HA, reaksi keadaan padat, material biomedis.
PENDAHULUAN
Doping HA dengan ion-ion lain melalui modifikasi stoikiometri komposisi dan
kontrol terhadap kristalinitas, luas permukaan spesifik, dispersitas, dan morfologi
partikel meniscayakan perubahan pada karakteristik-karakteristik unggul material HA,
khususnya dari aspek fisikokimia: keterlarutannya dalam cairan biologis dan
prototipenya (Solonenko dan Golovonava, 2014). Oleh karena itu, bahwa doping Si pada
HA dalam sistem SiHA menjadi salah satu topik penelitian yang sampai detik ini
menjadi fokus banyak ahli dan peneliti adalah realita yang tidak mengherankan.
Banyak cara telah dikembangkan oleh para ilmuan untuk mensintesis SiHA.
Sebagai contoh, Byung dkk (2010) menggunakan metode reaksi keadaan padat dalam
mempreparasi Ca10(PO4)6-x (SiO4)x (OH)2-x dengan x = 0,25 dan 0,5 (0,7 dan 1,4%wt).
Sintesis SiHA dengan metode reaksi keadaan padat tersebut telah berhasil mensintesis
SiHA berfasa tunggal (yaitu merujuk hidroksiapatit). Akan tetapi, prekursor yang
digunakan adalah bahan komersial yang tentu saja tidak ekonomis dari asapek biaya
sintesis. Ditambah lagi, Marchat dkk (2013) juga berhasil mensintesis SiHA berfasa
tunggal dengan rentang doping 0 x 1 (0-3%wt Si). Namun demikian, kelemahan yang
sama juga termati dari sisi penggunaan bahan-bahan awal yang notabene komersial.
Alih-alih menggunakan prekursor (utama) yang komersial, makalah ini
memaparkan penggunaan sumber daya alam lokal untuk sintesis SiHA. Untuk
mendapatkan kalsium piroposfat (Ca2P2O7), mineral kalsit dari daerah Malang dipilih.
Dengan demikian, penelitian ini memanfaatkan deposit alam yang melimpah di
Indonesia sehingga meningkatkan nilai tambahnya. Senyawa CaCO3 adalah senyawa
yang banyak terkandung dalam batu gamping (kalsit). Di Jawa Timur, tepatnya di
daerah Druju Kabupaten Malang terdapat mineral kalsit yang ketersediaanya
melimpah.
Batu kapur CaCO3 hadir dalam tiga fasa berbeda, yaitu kalsit, vaterit dan aragonit
(Fujiwara dkk, 2010). Dari ketiga fasa kristalin tersebut, kalsit menjadi fasa paling
stabil secara termodinamika (Dompablo dkk, 2015) memiliki karakteristik-karakteristik
yang lebih baik sehingga banyak dimanfaatkan di berbagai bidang (Gopi dkk, 2013).
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-61
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Menurut hasil penelitian yang telah dilakukan 2013 silam, kandungan batuan alam
di daerah Druju Malang adalah 97,33% CaCO3 dan 2,61% dan MgCO3 (Yudyanto dkk,
2013): 97,33% adalah angka yang sangat fantastis untuk ukuran kandungan mineral
alam. Bahkan di lain kesempatan, Hidayat dkk (2015) juga mengeksplorasi keberadaan
batu kapur di satu daerah di Jawa Timur dan melaporkan bahwa kandungan Ca yang
terdeteksi setinggi 99,11%. informasi ini membuka lebar-lebar jendela penelitian dalam
upaya peningkatan nilai tambah mineral-mineral alam yang ada di Indonesia. Salah
satunya adalah penelitian yang fokus pada material biomedis SiHA berbasis kalsit
alam, sebagaimana yang dipaparkan dalam makalah ini.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dimulai dari pengolahan batu kapur yang dari daerah Druju Malang.
Batu kapur tersebut diancurkan dan digerus sampai tersaring melalui ayakan 200
mesh. Serbuk kemudian dikalsinasi 1000 C selama 5 jam untuk mendapatkan serbuk
CaO. Tahapan berikutnya adalah menyiapkan Ca2P2O7 dengan cara (1) melarutkan CaO
dengan aquades di atas pengaduk magnetik, (2) menambahkan H3PO4 pada suhu 30 C
selama 30 menit, dan (3) menyaring endapan hasil pelarutan dan memanaskan endapan
pada suhu 700 C selama 10 jam.
Bahan-bahan utama, CaCO3, Ca2P2O7, dan SiO2 disiapkan sesuai persamaan
stoikiometri yang telah diperhitungkan. Ketiga material tersebut kemudian digerus
selama 30 dan 40 jam. Serbuk hasil gerusan dibuat dalam bentuk tablet dan disinter
pada suhu 1100 C selama 20 jam untuk mendapatkan padatan SiHA.
Karakterisasi yang memadai dilakukan dilakukan adalah (1) uji kandungan unsur
material awal dengan XRF, (2) uji kandungan fasa dengan XRD beserta analisisnya
dengan metode Rietveld, (3) uji kekerasan Vickers, (4) uji morfologi permukaan sampel
dengan SEM, (5) uji gugus fungsi dengan FTIR, dan (6) uji bioaktivitas serta
bioresorbabilitas.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji awal melalui XRF menunjukkan bahwa kandungan Ca dari batu kapur yang
telah digerus mencapai 97,6%. Dari hasil gerusan batu kapur tersebut, proses
pembuatan Ca2P2O7 dilakukan dan data XRD-nya ditampilkan dalam Gambar 1.
Hasil identifikasi fasa dengan menggunakan teknik search-match menunjukkan
dengan sangat jelas bahwa sampel Ca2P2O7 hasil sintesis dengan metode reaksi keadaan
padat bersesuaian dengan pola XRD Ca2P2O7 dengan kode referensi (COD) 96-200-1133.
Hasil ini sangat penting untuk memastikan bahwa tahap selanjutnya (sintesis
hidroksiapatit doping Si) dapat dilakukan.
Gambar 1. Plot identifikasi puncak difraksi sampel Ca2P2O7 dengan Match!3.
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-62
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 2. Data XRD Si0,5HA dengan lama penggerusan 30 dan 40 jam.
Gambar 2 merepresentasikan data XRD sampel Si0,5HA dengan dua lama
penggerusan yang berbeda. Secara visual, Gambar 2 menyajikan dua data XRD yang
memiliki kesamaan pola dari aspek sekuensi 2-intensitas. Hal ini berarti bahwa
keduanya memiliki struktur kristal yang sama, kecuali parameter kisi yang berbeda.
Perbedaan parameter kisi tersebut dapat dilacak dari (sedikit) pergeseran posisi sudut
Bragg yang terdeteksi dari data XRD.
Hasil analisis menunjukkan bahwa struktur kristal dalam kedua data tersebut
mengikuti model hidroksiapatit dengan kode koleksi (PDF) 01-084-1998 dengan rumus
empiris Ca5H13P3 atau rumus kimia Ca10(PO4)6OH2. Hidroksiapatit yang dimaksud
memiliki sistem kristal heksagonal dan grup ruang P63/m. Tidak terdeteksinya puncak
SiO2 mengindikasikan bahwa Si telah masuk ke dalam situs Ha. Di samping itu,
samanya pola XRD dengan posisi sudut difraksi yang bergeser juga menguatkan
implikasi tersebut.
Analisis kristal secara lebih jauh digunakan untuk melacak parameter kisi dan
volume sel kristal. Ukuran kristal juga dihitung dengan menggunakan Pers. Scherrer
(Scherrer, 1918). Karena secara prinsip, persamaan Scherrer yang berbasis pada
pelebaran puncak difraksi dapat digunakan untuk memprediksi ukuran kristal,
sebagaimana telah dilakukan di artikel yang lain (Hidayat dkk, 2010).
Tabel 1 menunjukkan data kristalografi Si0,5HA setelah analisis CelRef (Laugier
dan Bochu, 2003). Sebagaimana dapat diprediksi dari pergeseran posisi sudut Bragg ke
nilai yang lebih kecil akibat kenaikan lama sintering (Gambar 1), yang berarti bahwa
terdapat kenaikan niai parameter kisi. Analisis CelRef membenarkan prediksi tersebut.
Ditambahnya lama sintering dari 30 jam ke 40 jam menyebabkan kenaikan parameter
kisi pada arah a = b sebesar 0,02 Å sehingga berimbas pada kenaikan volume sel kristal
dari 611,79 Å3 menjadi 623,57 Å3. Hasil ini sangat make sense, pemuaian pada sel
kristal dipicu oleh lamanya energi termal yang diberikan pada sistem. Ukuran kristal
juga meningkat dari 41,07 nm menjadi 47,73 nm.
Tabel 1. Data kristalografi Si0,5HA hasil sintesis dengan metode reaksi keadaan padat.
Parameter kristal
Waktu Penggerusan Si0,5HA (jam)
30
40
a( )
9,42
9,44
c( )
= ()
()
V ( 3)
Ca/P
6,89
90
120
611,79
1,80
6,89
90
120
613,57
1,80
Ukuran (nm)
ISBN 978-602-71729-1-9
41,07
47,73
FM-63
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 3. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 30 jam.
Gambar 4. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Gambar 5. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam setelah perendaman
selama 2 hari dalam SBF.
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-64
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 6. Data FTIR Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Tabel 2. Laju disolusi sampel Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Laju disolusi (%At/ hari)
0-2 hari
2,94
2-4 hari
3,47
4-6 hari
1,97
Rerata
2,79
Gambar 7. Kadar kalsium terlarut dalam Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Temuan menarik lainnya adalah berkurangnya pori secara drastis pada sampel
Si0,5HA dengan lama seintering 40 jam dibandingkan dengan 30 jam seperti yang
ditampilkan oleh foto SEM dalam Gambar 3 dan 4. Berkurangnya pori atau
meningkatnya densitas sampel akibat bertambahnya lama sintering tentu saja akan
menaikkan karakteristik mekanik sampel. Menguatkan data SEM tersebut, uji Vickers
menunjukkan bahwa sampel dengan lama penggerusan 30 jam dan 4 jam memiliki
kekerasan, secara berturut-turut, sebesar 41,3 HVN dan 77,0 HVN. Peningkatan nilai
kekerasan Vickers yang relatif drastis, hingga 86%.
Untuk juga memastikan ada ikatan Si dalam sampel yang telah dipreparasi, uji
FTIR dilakukan. Hasilnya teramati gugus fungsi hidroksil pada 630 cm-1, P-O
stretching pada 1097, 1050, dan 962 cm-1 ikatan Si-O pada 945 and 847 cm-1, dan
ikatan O-H di sekitar 3600 cm-1.
Lebih lanjut uji bioaktivitas dan bioresorbabilitas menunjukkan dengan sangat jelas
bahwa sampel Si0,5HA memiliki sifat bioaktif dan resorbable sebagaimana dapat dilihat
dalam Tabel 2 dan Gambar 5 dan 7. Laju disolusi rata-rata sample mencapai 2,79
%atom per hari, yang berarti bioaktif. Sementara kadar kalsium terlarut terus
meningkat dari hari ke-2, ke-3, hingga ke-6 dan mencapai angka sekitar 17%, yang
berarti bioresorbable. Data ini memberikan implikasi bahwa material Si0,5HA
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-65
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
merupakan material biomedis yang dapat diterapkan untuk keperluan implantasi
medis.
KESIMPULAN
Beberapa poin penting sebagai kesimpulan dari artikel ini adalah (1) bahan alam
Indonesia yang melimpah, seperti batu kapur, dapat digunakan sebagai bahan utama
sintesis material berbasis HA, (2) penambahan lama sintering menaikkan parameter
kisi, ukuran kristal serta karakter mekanik Si0,5HA, dan (3) Si0,5HA hasil sintesis
dengan metode reaksi keadaan padat bersifat bioaktif dan bioresorbable.
DAFTAR RUJUKAN
Byung-Dong, H., Jeong-Min, L., Dong-Song, P., Jong-Jin, C., Ryu, J., Woon-Ha, Y.,
Byoung-Kuk, L., Du-Si, S., Hyoun-Ee, Kim., 2010. Aerosol Deposition of SiliconSubstituted Hydroyapatite Coatings for Biomedical Applications. Thin Solid Films,
vol. 518, 2194-2199.
Dompablo, M.E.A., Fernández-Gonzálezb, M.A., Fernández-Díaz, L., 2015.
Computational Investigation of The Influence of Tetrahedral Oxoanions
(Sulphate, Selenate and Chromate) on The Stability of Calcium Carbonate
Polymorphs. RSC Adv., 5, 59845-59852.
Fujiwara, M., Shiokawa, K., Araki, M., Ashitaka, N., Morigaki, K., Kubota, T.,
Nakahara, Y., 2010. Encapsulation of Proteins into CaCO 3 by Phase Transition from
Vaterite to Calcite. Cryst. Growth Des., vol. 10(9), 4030-4037.
Gopi, S.P., Subramanian, S.K., Subramanian, V.K., Palanisamy, K., Palanisamy, K.,
2013. Aragonite calcite vaterite: A Temperature Influenced Sequential Polymorphic
Transformation of CaCO3 in The Presence of DTPA. Materials Research
Bulletin, 48(5), 1906 1912.
Hidayat, N., Taufiq, A., Diantoro, M., Nasikhudin, Fuad, A., Hidayat, A., 2010. Aplikasi
Kavitasi Akustik untuk Sintesis Nanomaterial Hetaerolite (ZnMn 2O4) serta
Karakteristik Geometri Kristalnya. Prosiding dalam Seminar Nasional Pendidikan
dan MIPA, Malang Indonesia.
Hidayat, N., Ramli, I., Sunaryono., Taufiq, A., Zainuri, M., Pratapa, S., 2015.
Gradualisme Struktur Kristal dan Sifat Mekanik Material Fungsional Kalsit-Mg/Al
Hasil Fabrikasi dengan Metode Infiltrasi. Prosiding dalam Seminar Nasional Fisika
dan Pembelajarannya 2015, FM19-24.
Laugier, J., Bochu, B., 2003. CELREF V3. Developed at the Laboratoire des Matériaux
et du Génie Physique, Ecole Nationale Supérieure de Physique de Grenoble (INPG).
http://www.inpg.fr/LMGP.
Marchat, D., Zymelka, M., Coelho, C., Gremillard, L., Pottuz, J., L., Babonneau, F.,
Esnouf, C., Chevalier, J., dan Bernache-Assollant, D., 2013. Accurate
Characterization Of Pure Silicon-Substituted Hydroxyapatite Powders Synthesized by
A New Precipitation Route. Acta Materialiam vol. 9(6), 6992-7004.
Scherrer, P., 1918. Bestimung der Grosse und der Inneren Struktur von Kolloidteilchen
Mittels Röntgenstrahlen, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften,
Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse, Vol. 2, 98-100.
Solonenko, A. P., Golovanova, O. A., 2014. Silicate-substituted Carbonated
Hydroyapatite Powders Preparation by Precipitation from Aqeous Solution. Russian
Journal of Inorganic Chemistry, vol. 59(11), 1228-1236.
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-66
Karakteristik Hidroksiapatit Doping Silikon Si 0,5HA Hasil Reaksi
Keadaan Padat dan Potensinya sebagai Material Biomedis
HARTATIEK1*), YUDYANTO, RIRIN YULI WINDARI, SEPTI DWI RATNASARI, NURUL HIDAYAT
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang. Jl. Semarang 5 Malang,
E-mail: hartatiek.fmipa@um.ac.id
*) PENULIS KORESPONDEN
TEL: 0341-552125
ABSTRAK: Hidroksiapatit merupakan biomaterial yang dalam beberapa dekade terakhir gencar
dikaji oleh para ahli karena sifatnya yang unggul untuk aplikasi medis, khususnya yang
berhubungan dengan ortopedi. Pada penelitian ini, hidroksiapatit doping silikon dalam bentuk
Si0,5HA disintesis melalui metode reaksi keadaan padat (solid state reaction) dengan waktu
penggerusan 30 jam dan 40 jam. Prekursor utama dalam penelitian ini adalah SiO2, Ca2P2O7,
dan CaCO3. Karakterisasi Si0,5HA dilakukan dengan XRD (X-ray diffraction), FTIR (Fourier
transform infrared spectroscopy), SEM-EDX (scanning electron microscopy and energy dispersive
x-ray spectroscopy), dan micro Vickers hardness. Lebih lanjut, uji bioresorbabilitas dan
bioaktivitas secara in vitro juga dilakukan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lama
penggerusan mempengaruhi struktur kristal dan ukuran partikel Si 0,5HA. Karakteristik
kekerasan Si0,5HA cenderung mengalami peningkatan akibat penambahan waktu penggerusan.
Berdasarkan uji bioresorbabilitas dan bioaktivitas, semua sampel bersifat bioresorbable dan
bioaktif yang berimplikasi pada potensi aplikasi Si0,5HA sebagai material biomedis.
Kata Kunci: Si0,5HA, reaksi keadaan padat, material biomedis.
PENDAHULUAN
Doping HA dengan ion-ion lain melalui modifikasi stoikiometri komposisi dan
kontrol terhadap kristalinitas, luas permukaan spesifik, dispersitas, dan morfologi
partikel meniscayakan perubahan pada karakteristik-karakteristik unggul material HA,
khususnya dari aspek fisikokimia: keterlarutannya dalam cairan biologis dan
prototipenya (Solonenko dan Golovonava, 2014). Oleh karena itu, bahwa doping Si pada
HA dalam sistem SiHA menjadi salah satu topik penelitian yang sampai detik ini
menjadi fokus banyak ahli dan peneliti adalah realita yang tidak mengherankan.
Banyak cara telah dikembangkan oleh para ilmuan untuk mensintesis SiHA.
Sebagai contoh, Byung dkk (2010) menggunakan metode reaksi keadaan padat dalam
mempreparasi Ca10(PO4)6-x (SiO4)x (OH)2-x dengan x = 0,25 dan 0,5 (0,7 dan 1,4%wt).
Sintesis SiHA dengan metode reaksi keadaan padat tersebut telah berhasil mensintesis
SiHA berfasa tunggal (yaitu merujuk hidroksiapatit). Akan tetapi, prekursor yang
digunakan adalah bahan komersial yang tentu saja tidak ekonomis dari asapek biaya
sintesis. Ditambah lagi, Marchat dkk (2013) juga berhasil mensintesis SiHA berfasa
tunggal dengan rentang doping 0 x 1 (0-3%wt Si). Namun demikian, kelemahan yang
sama juga termati dari sisi penggunaan bahan-bahan awal yang notabene komersial.
Alih-alih menggunakan prekursor (utama) yang komersial, makalah ini
memaparkan penggunaan sumber daya alam lokal untuk sintesis SiHA. Untuk
mendapatkan kalsium piroposfat (Ca2P2O7), mineral kalsit dari daerah Malang dipilih.
Dengan demikian, penelitian ini memanfaatkan deposit alam yang melimpah di
Indonesia sehingga meningkatkan nilai tambahnya. Senyawa CaCO3 adalah senyawa
yang banyak terkandung dalam batu gamping (kalsit). Di Jawa Timur, tepatnya di
daerah Druju Kabupaten Malang terdapat mineral kalsit yang ketersediaanya
melimpah.
Batu kapur CaCO3 hadir dalam tiga fasa berbeda, yaitu kalsit, vaterit dan aragonit
(Fujiwara dkk, 2010). Dari ketiga fasa kristalin tersebut, kalsit menjadi fasa paling
stabil secara termodinamika (Dompablo dkk, 2015) memiliki karakteristik-karakteristik
yang lebih baik sehingga banyak dimanfaatkan di berbagai bidang (Gopi dkk, 2013).
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-61
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Menurut hasil penelitian yang telah dilakukan 2013 silam, kandungan batuan alam
di daerah Druju Malang adalah 97,33% CaCO3 dan 2,61% dan MgCO3 (Yudyanto dkk,
2013): 97,33% adalah angka yang sangat fantastis untuk ukuran kandungan mineral
alam. Bahkan di lain kesempatan, Hidayat dkk (2015) juga mengeksplorasi keberadaan
batu kapur di satu daerah di Jawa Timur dan melaporkan bahwa kandungan Ca yang
terdeteksi setinggi 99,11%. informasi ini membuka lebar-lebar jendela penelitian dalam
upaya peningkatan nilai tambah mineral-mineral alam yang ada di Indonesia. Salah
satunya adalah penelitian yang fokus pada material biomedis SiHA berbasis kalsit
alam, sebagaimana yang dipaparkan dalam makalah ini.
METODE PENELITIAN
Penelitian ini dimulai dari pengolahan batu kapur yang dari daerah Druju Malang.
Batu kapur tersebut diancurkan dan digerus sampai tersaring melalui ayakan 200
mesh. Serbuk kemudian dikalsinasi 1000 C selama 5 jam untuk mendapatkan serbuk
CaO. Tahapan berikutnya adalah menyiapkan Ca2P2O7 dengan cara (1) melarutkan CaO
dengan aquades di atas pengaduk magnetik, (2) menambahkan H3PO4 pada suhu 30 C
selama 30 menit, dan (3) menyaring endapan hasil pelarutan dan memanaskan endapan
pada suhu 700 C selama 10 jam.
Bahan-bahan utama, CaCO3, Ca2P2O7, dan SiO2 disiapkan sesuai persamaan
stoikiometri yang telah diperhitungkan. Ketiga material tersebut kemudian digerus
selama 30 dan 40 jam. Serbuk hasil gerusan dibuat dalam bentuk tablet dan disinter
pada suhu 1100 C selama 20 jam untuk mendapatkan padatan SiHA.
Karakterisasi yang memadai dilakukan dilakukan adalah (1) uji kandungan unsur
material awal dengan XRF, (2) uji kandungan fasa dengan XRD beserta analisisnya
dengan metode Rietveld, (3) uji kekerasan Vickers, (4) uji morfologi permukaan sampel
dengan SEM, (5) uji gugus fungsi dengan FTIR, dan (6) uji bioaktivitas serta
bioresorbabilitas.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Uji awal melalui XRF menunjukkan bahwa kandungan Ca dari batu kapur yang
telah digerus mencapai 97,6%. Dari hasil gerusan batu kapur tersebut, proses
pembuatan Ca2P2O7 dilakukan dan data XRD-nya ditampilkan dalam Gambar 1.
Hasil identifikasi fasa dengan menggunakan teknik search-match menunjukkan
dengan sangat jelas bahwa sampel Ca2P2O7 hasil sintesis dengan metode reaksi keadaan
padat bersesuaian dengan pola XRD Ca2P2O7 dengan kode referensi (COD) 96-200-1133.
Hasil ini sangat penting untuk memastikan bahwa tahap selanjutnya (sintesis
hidroksiapatit doping Si) dapat dilakukan.
Gambar 1. Plot identifikasi puncak difraksi sampel Ca2P2O7 dengan Match!3.
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-62
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 2. Data XRD Si0,5HA dengan lama penggerusan 30 dan 40 jam.
Gambar 2 merepresentasikan data XRD sampel Si0,5HA dengan dua lama
penggerusan yang berbeda. Secara visual, Gambar 2 menyajikan dua data XRD yang
memiliki kesamaan pola dari aspek sekuensi 2-intensitas. Hal ini berarti bahwa
keduanya memiliki struktur kristal yang sama, kecuali parameter kisi yang berbeda.
Perbedaan parameter kisi tersebut dapat dilacak dari (sedikit) pergeseran posisi sudut
Bragg yang terdeteksi dari data XRD.
Hasil analisis menunjukkan bahwa struktur kristal dalam kedua data tersebut
mengikuti model hidroksiapatit dengan kode koleksi (PDF) 01-084-1998 dengan rumus
empiris Ca5H13P3 atau rumus kimia Ca10(PO4)6OH2. Hidroksiapatit yang dimaksud
memiliki sistem kristal heksagonal dan grup ruang P63/m. Tidak terdeteksinya puncak
SiO2 mengindikasikan bahwa Si telah masuk ke dalam situs Ha. Di samping itu,
samanya pola XRD dengan posisi sudut difraksi yang bergeser juga menguatkan
implikasi tersebut.
Analisis kristal secara lebih jauh digunakan untuk melacak parameter kisi dan
volume sel kristal. Ukuran kristal juga dihitung dengan menggunakan Pers. Scherrer
(Scherrer, 1918). Karena secara prinsip, persamaan Scherrer yang berbasis pada
pelebaran puncak difraksi dapat digunakan untuk memprediksi ukuran kristal,
sebagaimana telah dilakukan di artikel yang lain (Hidayat dkk, 2010).
Tabel 1 menunjukkan data kristalografi Si0,5HA setelah analisis CelRef (Laugier
dan Bochu, 2003). Sebagaimana dapat diprediksi dari pergeseran posisi sudut Bragg ke
nilai yang lebih kecil akibat kenaikan lama sintering (Gambar 1), yang berarti bahwa
terdapat kenaikan niai parameter kisi. Analisis CelRef membenarkan prediksi tersebut.
Ditambahnya lama sintering dari 30 jam ke 40 jam menyebabkan kenaikan parameter
kisi pada arah a = b sebesar 0,02 Å sehingga berimbas pada kenaikan volume sel kristal
dari 611,79 Å3 menjadi 623,57 Å3. Hasil ini sangat make sense, pemuaian pada sel
kristal dipicu oleh lamanya energi termal yang diberikan pada sistem. Ukuran kristal
juga meningkat dari 41,07 nm menjadi 47,73 nm.
Tabel 1. Data kristalografi Si0,5HA hasil sintesis dengan metode reaksi keadaan padat.
Parameter kristal
Waktu Penggerusan Si0,5HA (jam)
30
40
a( )
9,42
9,44
c( )
= ()
()
V ( 3)
Ca/P
6,89
90
120
611,79
1,80
6,89
90
120
613,57
1,80
Ukuran (nm)
ISBN 978-602-71729-1-9
41,07
47,73
FM-63
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 3. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 30 jam.
Gambar 4. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Gambar 5. Foto SEM Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam setelah perendaman
selama 2 hari dalam SBF.
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-64
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
Gambar 6. Data FTIR Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Tabel 2. Laju disolusi sampel Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Laju disolusi (%At/ hari)
0-2 hari
2,94
2-4 hari
3,47
4-6 hari
1,97
Rerata
2,79
Gambar 7. Kadar kalsium terlarut dalam Si0,5HA dengan lama penggerusan 40 jam.
Temuan menarik lainnya adalah berkurangnya pori secara drastis pada sampel
Si0,5HA dengan lama seintering 40 jam dibandingkan dengan 30 jam seperti yang
ditampilkan oleh foto SEM dalam Gambar 3 dan 4. Berkurangnya pori atau
meningkatnya densitas sampel akibat bertambahnya lama sintering tentu saja akan
menaikkan karakteristik mekanik sampel. Menguatkan data SEM tersebut, uji Vickers
menunjukkan bahwa sampel dengan lama penggerusan 30 jam dan 4 jam memiliki
kekerasan, secara berturut-turut, sebesar 41,3 HVN dan 77,0 HVN. Peningkatan nilai
kekerasan Vickers yang relatif drastis, hingga 86%.
Untuk juga memastikan ada ikatan Si dalam sampel yang telah dipreparasi, uji
FTIR dilakukan. Hasilnya teramati gugus fungsi hidroksil pada 630 cm-1, P-O
stretching pada 1097, 1050, dan 962 cm-1 ikatan Si-O pada 945 and 847 cm-1, dan
ikatan O-H di sekitar 3600 cm-1.
Lebih lanjut uji bioaktivitas dan bioresorbabilitas menunjukkan dengan sangat jelas
bahwa sampel Si0,5HA memiliki sifat bioaktif dan resorbable sebagaimana dapat dilihat
dalam Tabel 2 dan Gambar 5 dan 7. Laju disolusi rata-rata sample mencapai 2,79
%atom per hari, yang berarti bioaktif. Sementara kadar kalsium terlarut terus
meningkat dari hari ke-2, ke-3, hingga ke-6 dan mencapai angka sekitar 17%, yang
berarti bioresorbable. Data ini memberikan implikasi bahwa material Si0,5HA
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-65
SEMINAR NASIONAL JURUSAN FISIKA FMIPA UM 2015
merupakan material biomedis yang dapat diterapkan untuk keperluan implantasi
medis.
KESIMPULAN
Beberapa poin penting sebagai kesimpulan dari artikel ini adalah (1) bahan alam
Indonesia yang melimpah, seperti batu kapur, dapat digunakan sebagai bahan utama
sintesis material berbasis HA, (2) penambahan lama sintering menaikkan parameter
kisi, ukuran kristal serta karakter mekanik Si0,5HA, dan (3) Si0,5HA hasil sintesis
dengan metode reaksi keadaan padat bersifat bioaktif dan bioresorbable.
DAFTAR RUJUKAN
Byung-Dong, H., Jeong-Min, L., Dong-Song, P., Jong-Jin, C., Ryu, J., Woon-Ha, Y.,
Byoung-Kuk, L., Du-Si, S., Hyoun-Ee, Kim., 2010. Aerosol Deposition of SiliconSubstituted Hydroyapatite Coatings for Biomedical Applications. Thin Solid Films,
vol. 518, 2194-2199.
Dompablo, M.E.A., Fernández-Gonzálezb, M.A., Fernández-Díaz, L., 2015.
Computational Investigation of The Influence of Tetrahedral Oxoanions
(Sulphate, Selenate and Chromate) on The Stability of Calcium Carbonate
Polymorphs. RSC Adv., 5, 59845-59852.
Fujiwara, M., Shiokawa, K., Araki, M., Ashitaka, N., Morigaki, K., Kubota, T.,
Nakahara, Y., 2010. Encapsulation of Proteins into CaCO 3 by Phase Transition from
Vaterite to Calcite. Cryst. Growth Des., vol. 10(9), 4030-4037.
Gopi, S.P., Subramanian, S.K., Subramanian, V.K., Palanisamy, K., Palanisamy, K.,
2013. Aragonite calcite vaterite: A Temperature Influenced Sequential Polymorphic
Transformation of CaCO3 in The Presence of DTPA. Materials Research
Bulletin, 48(5), 1906 1912.
Hidayat, N., Taufiq, A., Diantoro, M., Nasikhudin, Fuad, A., Hidayat, A., 2010. Aplikasi
Kavitasi Akustik untuk Sintesis Nanomaterial Hetaerolite (ZnMn 2O4) serta
Karakteristik Geometri Kristalnya. Prosiding dalam Seminar Nasional Pendidikan
dan MIPA, Malang Indonesia.
Hidayat, N., Ramli, I., Sunaryono., Taufiq, A., Zainuri, M., Pratapa, S., 2015.
Gradualisme Struktur Kristal dan Sifat Mekanik Material Fungsional Kalsit-Mg/Al
Hasil Fabrikasi dengan Metode Infiltrasi. Prosiding dalam Seminar Nasional Fisika
dan Pembelajarannya 2015, FM19-24.
Laugier, J., Bochu, B., 2003. CELREF V3. Developed at the Laboratoire des Matériaux
et du Génie Physique, Ecole Nationale Supérieure de Physique de Grenoble (INPG).
http://www.inpg.fr/LMGP.
Marchat, D., Zymelka, M., Coelho, C., Gremillard, L., Pottuz, J., L., Babonneau, F.,
Esnouf, C., Chevalier, J., dan Bernache-Assollant, D., 2013. Accurate
Characterization Of Pure Silicon-Substituted Hydroxyapatite Powders Synthesized by
A New Precipitation Route. Acta Materialiam vol. 9(6), 6992-7004.
Scherrer, P., 1918. Bestimung der Grosse und der Inneren Struktur von Kolloidteilchen
Mittels Röntgenstrahlen, Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften,
Göttingen. Mathematisch-Physikalische Klasse, Vol. 2, 98-100.
Solonenko, A. P., Golovanova, O. A., 2014. Silicate-substituted Carbonated
Hydroyapatite Powders Preparation by Precipitation from Aqeous Solution. Russian
Journal of Inorganic Chemistry, vol. 59(11), 1228-1236.
ISBN 978-602-71729-1-9
FM-66