SINTESIS DAN KARAKTERISASI KOMPOSIT HIDROKSIAPATIT DARI TULANG SOTONG (Sepia sp.)- KITOSAN UNTUK KANDIDAT APLIKASI BONE FILLER Repository - UNAIR REPOSITORY

  SINTESIS DAN KARAKTERISASI KOMPOSIT HIDROKSIAPATIT DARI TULANG SOTONG (Sepia sp.)-KITOSAN UNTUK KANDIDAT APLIKASI BONE FILLER SKRIPSI

ISTIFARAH PROGRAM STUDI S1 TEKNOBIOMEDIK DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2012

  ii

  SINTESIS DAN KARAKTERISASI KOMPOSIT HIDROKSIAPATIT DARI TULANG SOTONG (Sepia sp.)-KITOSAN UNTUK KANDIDAT APLIKASI BONE FILLER SKRIPSI Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Bidang Teknobiomedik Pada Fakultas Sains Dan Teknologi Universitas Airlangga Oleh :

  ISTIFARAH NIM.080810023 Tanggal Lulus : 6 Agustus 2012 Disetujui oleh : Pembimbing I Pembimbing II Ir. Aminatun, M.Si NIP. 19681028 199303 2 003 Dr. Prihartini Widiyanti, drg, M.Kes. NIP. 19750222 200912 2 001

  LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI Judul : Sintesis dan Karakterisasi Komposit Hidroksiapatit dari Tulang Sotong (Sepia Sp.) – Kitosan Untuk

Kandidat Aplikasi Bone Filler

Penyusun : Istifarah

  NIM : 080810023 Pembimbing I : Ir. Aminatun, M.Si. Pembimbing II : Dr. Prihartini Widiyanti, drg., M.Kes. Tanggal seminar : 6 Agustus 2012 Disetujui Oleh : Pembimbing I Pembimbing II Ir. Aminatun, M.Si. Dr. Prihartini Widiyanti, drg., M.Kes. NIP. 19681028 199303 2 003 NIP. 19750222 200912 2 001 Mengetahui, Ketua Departemen Fisika Ketua Program Studi S1 Teknobiomedik Fakultas Sains dan Teknologi Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Universitas Airlangga Drs. Siswanto, M.Si. Dr. Retna Apsari, M.Si. NIP. 19640305 198903 1 003 NIP. 19680626 199303 2 003

  iii

PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI

  Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan harus seijin penyusun dan harus menyebutkan sumbernya sesuai dengan kebiasaan ilmiah.

  Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga

  iv Istifarah, 2012, Sintesis dan Karakterisasi Komposit Hidroksiapatit dari

  Tulang Sotong (Sepia Sp.)-Kitosan Untuk Kandidat Aplikasi Bone Filler,

  SKRIPSI, dibawah bimbingan Ir. Aminatun, M.Si dan Dr. Prihartini Widiyanti, drg, M.Kes. Program Studi Teknobiomedik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga.

  ABSTRAK

  Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui potensi hidroksiapatit (HA) dari tulang sotong (Sepia sp.) dan komposit HA-kitosan untuk aplikasi bone filler. Hidroksiapatit diperoleh dengan reaksi hidrotermal antara 1M aragonit (CaCO

  3 ) o

  4

  2

  4

  dari lamellae tulang sotong dan 0,6M NH H PO dengan suhu 200 C dan variasi durasi 12, 24 dan 36 jam. Kemudian dilakukan sintering dengan suhu 1000°C selama 1 jam. Sampel dengan kandungan HA tertinggi dijadikan matriks untuk mensintesis komposit, dengan kitosan sebagai serat/filler. Sintesis komposit HA- kitosan dilakukan dengan metode pencampuran sederhana dengan variasi kitosan dari 20 hingga 35%. Uji XRD, kekuatan tekan, kekerasan dan MTT assay dilakukan untuk menentukan sampel terbaik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa diperoleh 100% CaCO

  3 dari tulang sotong dan berhasil diproses menjadi

  100% HA amorf. Proses sintering mengakibatkan perubahan prosentase HA dengan derajat kristalinitas yang jauh lebih baik. Kandungan HA tertinggi diperoleh pada durasi hidrotermal 36 jam setelah disintering, yaitu 94%. Sampel terbaik diperoleh pada komposit dengan kitosan 20% yang mengindikasikan terjadinya penyatuan secara sempurna antara HA dan kitosan, dengan kekuatan tekan sebesar (5,241 ± 0,063) MPa dan kekerasan sebesar (8,800 ±0,200) VHN. Penambahan kitosan meningkatkan viabilitas sel dari 87,00% menjadi 97,11%. Komposit HA dari tulang sotong-kitosan berpotensi untuk aplikasi bone filler pada tulang cancellous.

  Kata kunci : Hidroksiapatit, Tulang sotong, Sepia sp., Hidrotermal, Komposit

  HA-kitosan, XRD, Kekuatan tekan, Kekerasan, MTT assay, Bone filler. v Istifarah, 2012, Synthesis and Characterization of Hydroxyapatite from

  Cuttlefish Bone (Sepia Sp.)-Chitosan Composite as Bone Filler Application Candidate, Thesis, under guidance of Ir. Aminatun, M.Si and Dr. Prihartini

  Widiyanti, drg, M.Kes. Biomedical Engineering, Physics Department, Faculty of Science and Technology, Airlangga University.

  ABSTRACT

  This study aimed to find out the potential of hydroxyapatite (HA) that was synthesized from cuttlefish (Sepia sp.) bone as well as HA-chitosan composite for bone filler applications. Hydroxyapatite was obtained by hydrothermal reaction

  3

  between 1M aragonite (CaCO ) from cuttlefish bone lamellae and 0.6 M

  o

  4

  2

4 NH H PO at 200 C and variations in the duration of 12, 24 and 36 hours.

  Followed by a sintering process with a temperature of 1000°C for 1 hour. Sample with the highest content of HA was used as the matrix to synthesize the composite with chitosan as the fiber/filler. Synthesis of HA-chitosan composite was conducted by a simple mixing method with variations of chitosan from 20 to 35%.

  XRD, compressive strength and hardness test as well as MTT assay were performed to determine the best sample of all. The results showed that 100% CaCO3 was obtained from cuttlefish bone and was successfully processed into 100% amorphous HA. Sintering process resulted in changes in the percentage of HA with much better degree of crystallinity. The highest HA content was obtained in the hydrothermal duration of 36 hours after sintering, of which was 94%. The best sample was obtained from the composite containing 20% chitosan which indicates perfect mixing between HA and chitosan, with a compressive strength of (5.241 ± 0.063) MPa and hardness of (8.800 ± 0.200) VHN. The addition of chitosan was found to increase the cell viability from 87.00% to 97.11%. HA-chitosan composite from cuttlefish bone has a potential for bone filler applications to cancellous bone.

  Keywords : Hydroxyapatite, Cuttlefish bone, Sepia sp., Hydrothermal, HA-

  chitosan composite, XRD, Compressive strength, Hardness, MTT assay, Bone filler. vi

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat, karunia, dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi yang berjudul “Sintesis dan Karakterisasi Komposit Hidroksiapatit dari Tulang

  Sotong (Sepia Sp.)-Kitosan Untuk Kandidat Aplikasi Bone Filler”. Skripsi ini

  ditulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T.) bidang Teknobiomedik pada Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga.

  Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih atas segala bantuan yang diberikan oleh berbagai pihak sehingga penulisan skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik.

  Penulis menyadari bahwa dalam penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran yang bersifat membangun sangat penulis harapkan. Penulis berharap semoga skripsi ini dapat memberikan manfaat bagi semua pihak yang membaca.

  Surabaya, Agustus 2012 Penulis, Istifarah vii

UCAPAN TERIMA KASIH

  Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat, karunia, dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini dengan baik.

  Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini tak lepas dari bantuan dan dukungan dari banyak pihak. Penulis menyampaikan terimakasih kepada :

  1. Kedua orang tua tercinta, Papa Moh. Munir dan Mama Yuniawati Candra; adik-adik tercinta, Sayyidul Kurniadi, Azizah, Syafira Maulina, dan Chairin Nashir; seluruh keluarga besarku; serta Ardian Mas Suhendra yang selalu mendoakan, memberi kasih sayang, motivasi, semangat dan perhatian setiap saat.

  2. Ibu Ir. Aminatun, M.Si. dan Ibu Dr. Prihartini Widiyanti, drg., M.Kes. selaku dosen pembimbing I dan II yang senantiasa mencurahkan segenap ilmu, waktu, dan tenaga untuk memberikan bimbingan, arahan, masukan yang sangat berharga.

  3. Bapak Drs. Siswanto, M.Si., dan Ibu Ir. Puspa Erawati selaku dosen penguji I dan II atas segala saran dan masukan untuk perbaikan penulisan skripsi ini.

  4. Ibu Retna Apsari, M.Si. selaku Ketua Program Studi S1 Teknobiomedik, Bapak Adri Supardi, M.Sc. selaku dosen wali, serta dosen-dosen Program Studi S1 Teknobiomedik yang telah memberikan dukungan dan semangat selama penulisan skripsi ini. viii

  5. Teman-teman Teknobiomedik 2008, khususnya biomaterial lovers, Windi Aprilyanti Putri, Aditya Iman Rizky, Miranda Zawazi Ichsan, Ary Andini, Agnes Krisanti Widyaning, Gilang Daril Umami, Arindha Reni Pramesti, Perwitasari Fitrah Lazzari Ramadhan, Nurul Istiqomah, Tri Wahyuni Bintarti, Wida Dinar Tri Meylani yang selalu memberikan dukungan dan semangat selama perkuliahan.

  6. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. ix

  DAFTAR ISI

  Halaman

  

LEMBAR JUDUL………………………………………….…………… i

LEMBAR PESETUJUAN………….……………………….…………. ii

LEMBAR PENGESAHAN …………………………………………….. iii

PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI ………….…………………… iv

ABSTRAK ………….……………………….……………………….….. v

ABSTRACT ……….……………………….……………………….…... vi

KATA PENGANTAR ………………………………………………….. vii

UCAPAN TERIMA KASIH………………………………………........ viii

DAFTAR ISI …………………………………………………………….. x

DAFTAR TABEL……………………………………………………….. xiii

DAFTAR GAMBAR …………………………………………………… xiv

  

BAB I PENDAHULUAN ………………………………………………. 1

  1.1 Latar Belakang ………………………………………………….. 1

  1.2 Rumusan Masalah ………………………………………………... 5

  1.3 Batasan Masalah ………………………………………………..... 5

  1.4 Tujuan Penelitian ………………………………………………… 5

  1.5 Manfaat Penelitian ……………………………………………….. 6

  

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ……………………………………….. 7

  2.1 Tulang ……………………………………………………………. 7

  2.1.1 Komposisi Tulang ………………………………………… 7

  2.1.2 Sel Tulang ………………………………………………… 8

  2.1.3 Sifat Fisis dan Mekanik Tulang……………………………. 8

  2.2 Kandungan Tulang Sotong ………………………………………. 11

  2.3 Hidroksiapatit ………………………………………………….... 12

  2.4 Kitosan …………………………………………………………... 16

  2.5 Komposit Hidroksiapatit-Kitosan ……………………………………. 18

  2.6 X-Ray Diffraction ……………………………………………….. 20 x

  2.7 Analisis Sifat Mekanik ………………………………………….. 22

  2.7.1 Kekuatan Tekan (Compressive Strength) ………………… 22

  2.7.2 Kekerasan (Vickers Hardness) …………………………… 23

  2.8 MTT Assay ….….….….….….….….….….….….….….….….… 24

  

BAB III METODE PENELITIAN …………………………………….. 27

  3.1 Waktu dan Tempat Penelitian …………………………………..... 27

  3.2 Bahan dan Alat Penelitian ……………………………………….. 27

  3.2.1 Bahan penelitian ………………………………………….. 27

  3.2.2 Alat penelitian …………………………………………..... 28

  3.3 Prosedur penelitian ………………………………………………. 28

  3

  3.3.1 Ekstraksi CaCO dari Tulang Sotong (Sepia sp.) ………... 29

  3.3.2 Persiapan Bahan ……………………………………….…. 30

  3.3.3 Sintesis Hidroksiapatit dengan Metode Hidrotermal …….. 30

  3.3.4 Sintesis Komposit HA-Kitosan …………………..………. 31

  3.4 Karakterisasi Sampel …………………………………………….. 33

  3.4.1 Uji XRD ………………………………………………….. 33

  3.4.2 Uji Sifat Mekanik ………………………………………… 33

  3.4.2.1 Uji Kekuatan Tekan (Compressive Strength) …….. 33

  3.4.2.2 Uji Kekerasan (Vickers Hardness) ……………..… 34

  3.4.3 Uji Viabilitas Sel …………………………………………. 34

  3.5 Analisis Data ……………………………………………………. . 35

  

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ……………………………….. 36

  4.1 Uji X-Ray Diffraction (XRD) …………………………………… . 36

  3

  4.1.1 Kandungan CaCO pada Tulang Sotong ………………… 36

  4.1.2 Hidroksiapatit dari Proses Hidrotermal ……………..…… 37

  4.1.3 Hidroksiapatit Setelah Disintering …………………..…… 39

  4.1.4 Komposit HA-Kitosan …………………………………… 43

  4.2 Uji Sifat Mekanik Komposit HA-Kitosan ……………………….. 44

  4.2.1 Uji Kekuatan Tekan (Compresive Strength) ……………… 45 xi

  4.2.2 Uji Kekerasan (Hardness) ………………………………… 47

  4.3 Uji MTT Assay…………………………………………………… 48

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ……………………………….. 53 DAFTAR PUSTAKA ………………………………………………….. 55 LAMPIRAN

  xii xiii

  DAFTAR TABEL

  No. Judul Tabel Halaman

  2.1 Karakteristik Biomekanik Tulang Sehat (Ficai et al., 2011)........ 10

  2.2 Kandungan Tulang Sotong ….….….….….….….….….….….... 12

  2.3 Sifat Mekanik Polikristal Hidroksiapatit (Park et al., 2007) .….. 13

  3.1 Variasi Komposisi Komposit ….….…….….…….….….….…... 32

  4.1 Kandungan Sampel Setelah Disintering ….….…….….…….…. 42

  4.2 Hasil Uji Sifat Mekanik ….….…….….…….….….….…….….. 45

  4.3 Hasil Uji MTT Assay….….…….….…….….….….…….……... 49

  xiv

  4.3 Spektrum XRD Sampel B ….…….…….…….…….…….……. 38

  4.13 Grafik viabilitas sel ….…….…….…….……….…….…….….. 49

  4.12 Grafik kekerasan sampel ….…….…….…….……….…….…... 47

  4.11 Grafik kekuatan tekan sampel ….…….…….…….…….……... 45

  4.10 Spektrum XRD komposit (Sampel F1) .…….…….…….……... 43

  4.9 Sampel setelah disintering ….…….…….…….…….…….……. 42

  4.8 Spektrum XRD Sampel F….…….…….…….…….…….……... 41

  4.7 Spektrum XRD Sampel E ….…….…….…….…….…….…….. 41

  4.6 Spektrum XRD Sampel D ….…….…….…….…….…….……. 40

  4.5 Hidroksiapatit sebelum sintering ….…….…….…….…….…… 39

  4.4 Spektrum XRD Sampel C….…….…….…….…….…….…….. 38

  4.2 Spektrum XRD Sampel A….…….…….…….…….…….……. 38

  DAFTAR GAMBAR

  4.1 Spektrum XRD bubuk lamellae tulang sotong (Sepia sp.) ….… 37

  3.1 Skema pelaksanaan penelitian ….….….….….….….….….…... 29

  2.8 Skema uji vickers hardness ….….….….….….….….….….….. 24

  2.7 Skema uji compressive strength ….….….….….….….….…..... 23

  2.6 Difraksi sinar-X ….….….….….….….….….….….….….….… 21

  2.5 Spektrum XRD kitosan (Dewi, 2009) …...….….….….….….... 17

  2.4 Struktur kitosan (Zilberman, 2011) ….….….….….….….….… 17

  2.3 Tulang sotong ….….….….….….….….….….….….….….…... 11

  2.2 Sotong (cuttlefish) ….….….….….….….….….….….….….…. 11

  2.1 Tulang kortikal dan trabekular ….….….….….….….….….…. 9

  No. Judul Gambar Halaman

  4.14 Penampakan sel dari mikroskop .…….……….…….…….….... 51

DAFTAR LAMPIRAN

  xv

  No. Judul Lampiran Halaman

  1 Hasil Uji XRD Kandungan Tulang Sotong (Sepia sp.)

  2 Hasil Uji XRD Hidroksiapatit dari Proses Hidrotermal

  3 Hasil Uji XRD Hidroksiapatit Setelah Disintering

  4 Hasil Uji XRD Komposit F1

  5 Kekuatan Tekan (Compressive Strength)

  6 Kekerasan (Hardness)

  7 Hasil Uji MTT Assay

  Ku persembahkan Tinta dan kertas ini untuk Papa dan Mama tercinta Yang darahnya mengalir dalam tubuh ini Untuk bisikan do’a dalam setiap sujudmu

Untuk hadirmu dalam setiap bangkit dan jatuhku

_{membangun kesempatan untuk berhasil Karena di dalam mencoba itulah kita menemukan dan belajar Tugas kita adalah untuk mencoba} Tugas kita bukanlah untuk berhasil (Mario Teguh)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Terganggunya kesehatan dan fungsi organ dapat mengakibatkan penurunan kualitas hidup manusia. Penanganan kerusakan fungsi pada beberapa organ dilakukan dengan implantasi biomaterial. Biomaterial yang paling banyak digunakan adalah untuk keperluan substitusi tulang, yaitu sebesar 46% dari total keseluruhan aplikasi di bidang medis (Dewi, 2009). Berdasarkan data di Asia, Indonesia adalah negara dengan jumlah penderita patah tulang tertinggi.

  Diantaranya, ada sebanyak 300 – 400 kasus operasi bedah tulang per bulan di RS. Dr. Soetomo Surabaya (Gunawarman dkk, 2010). Setiap tahun kebutuhan substitusi tulang terus bertambah. Hal tersebut disebabkan meningkatnya kecelakaan yang mengakibatkan patah tulang, penyakit bawaan dan non-bawaan (Ficai et al., 2011).

  Kerusakan tulang merupakan masalah kesehatan yang serius karena tulang merupakan penyokong fungsi tubuh. Dengan demikian, penggunaan material yang tepat untuk penanganan kerusakan tulang merupakan faktor keberhasilkan implantasi tulang. Material substitusi tulang yang ideal harus non-toksik, biokompatibel dengan semua jaringan di sekitarnya, osteokonduktif, mempertahankan sifat mekanik (Yildirim, 2004).

  Klasifikasi material substitusi tulang meliputi autograft (penggantian satu bagian tubuh dengan bagian tubuh lainnya dalam satu individu), allograft

  1

  (penggantian tulang manusia dengan tulang yang berasal dari manusia lain), xenograft (penggantian tulang manusia dengan tulang yang berasal dari hewan).

  Setiap material tersebut memiliki kekurangan dan kelebihan sebagai material untuk memperbaiki tulang. Kelemahan autograft adalah sering menyebabkan komplikasi dalam penyembuhan luka, operasi tambahan, nyeri pada donor dan pasokan tulang tidak memadai untuk mengisi gap. Sedangkan allograft dan

  xenograft terkait dengan reaksi infeksi, inflamasi, dan penolakan. Teknik allograft

  yang menggunakan tulang mayat, memiliki masalah dalam reaksi imunogenik dan resiko penyakit menular (AIDS dan hepatitis). Xenograft juga membawa resiko penyakit menular antar spesies (Wahl dan Czernuszka, 2006 dan Venkatesan et

  al., 2010). Keterbatasan tersebut memicu perkembangan riset di bidang

  biomaterial, yaitu dengan melakukan berbagai modifikasi pembuatan biomaterial sintetik. Dengan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol.

  Hidroksiapatit (HA) telah dipelajari selama bertahun-tahun dan digunakan secara luas untuk pembuatan implan karena kesamaannya dengan fase mineral tulang dan terbukti biokompatibel dengan tulang dan gigi manusia (Ivankovic, 2010 dan Earl, 2006). Hidroksiapatit dengan rumus kimia Ca

  10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 adalah

  komponen anorganik utama dari jaringan keras tulang dan menyumbang 60-70% dari fase mineral dalam tulang manusia. Hidroksiapatit mampu menjalani ikatan osteogenesis dan relatif tidak larut in vivo. Banyak penelitian telah menunjukkan bahwa HA tidak menunjukkan toksisitas, respon peradangan, respon pirogenetik (menimbulkan demam). Selain itu, pembentukan jaringan fibrosa antara implan dan tulang sangat baik, dan memiliki kemampuan menjalin ikatan langsung dengan tulang host. Hidroksiapatit menunjukkan sifat bioaktif dan osteokonduktif yang sangat bermanfaat dalam proses mineralisasi tulang.

  Hidroksiapatit yang disintesis dari bahan alam memiliki osteokonduktivitas yang lebih baik dibandingkan dengan dari bahan sintetik (Saraswathy, dalam Dewi, 2008). Bahan alam yang dapat digunakan untuk sintesis HA adalah tulang sotong. Tulang sotong (Sepia sp.) merupakan residu budidaya perikanan yang biasanya dimanfaatkan sebagai pakan burung dan kura- kura sebagai asupan kalsium. Dengan harganya yang terjangkau, 85% kalsium

  3

  karbonat (CaCO ) yang terkandung dalam tulang sotong dapat dimanfaatkan sebagai sumber kalsium dalam sintesis HA yang ekonomis dan dapat dijangkau oleh masyarakat luas.

  Scaffolds HA dari tulang sotong pertama kali disintesis pada tahun 2005

  oleh Rocha et al. dengan metode hidrotermal pada suhu 200ºC. Hasil uji scaffolds tersebut menunjukkan stabilitas termal yang tinggi. Selain itu, hasil uji in vitro bioaktivitas pada SBF dan biokompatibilitas dengan osteoblas, menunjukkan

  scaffolds HA dari tulang sotong cocok untuk aplikasi implan atau rekayasa jaringan.

  Dalam pengaplikasiannya, biokeramik seperti HA dan trikalsium fosfat (TKF) bersifat rapuh. Oleh karena itu, kalsium fosfat digunakan pada area dengan

  tensile stress yang relatif rendah, seperti pengisi tulang dan gigi, atau pelapis pada perangkat implan (Wahl dan Czernuszka, 2006). Padahal, tulang yang sering mengalami patah di antaranya adalah tibia dan fibula (Ficai et al., 2011) yang menopang berat tubuh ketika seseorang berdiri. Dengan demikian, kekuatan mekanik juga turut memegang peran penting. Untuk menyempurnakan sifat mekanik HA dapat dilakukan modifikasi dengan menambahkan polimer sebagai serat/filler.

  Kitosan adalah salah satu polimer alami yang berpotensi untuk digunakan sebagai serat/filler dalam pembuatan komposit. Kitosan memiliki karakter bioresorbabel, biokompatibel, non-toksik, non-antigenik, biofungsional dan osteokonduktif. Karakter osteokonduktif yang dimiliki kitosan dapat mempercepat pertumbuhan osteoblas pada komposit HA-kitosan sehingga dapat mempercepat pembentukan mineral tulang.

  Pramanik et al. (2009) mensintesis nano-komposit HA-kitosan dengan cara pelarutan sederhana berdasarkan metode kimia. Variasi HA yang dilakukan dari 10% hingga 60%. Hasil penelitian menunjukkan sifat mekanik komposit meningkat secara signifikan seiring dengan pertambahan jumlah HA. Nano- komposit yang dihasilkan juga bersifat sitokompatibel, osteokompatibel, dan osteogenik, sehingga dapat digunakan untuk aplikasi bone tissue engineering.

  Namun, sekitar 70% penyusun tulang manusia merupakan senyawa kalsium fosfat, sehingga pada penelitian ini akan dilakukan sintesis komposit HA dari tulang sotong (Sepia sp.)-kitosan dengan variasi HA : kitosan = (80 : 20), (75 : 25), (70 : 30), (65 : 35). Komposit diharapkan memiliki sifat mekanik yang baik untuk tujuan aplikasi bone filler. Selain itu, diharapkan penambahan kitosan dapat meningkatkan osteokonduktifitas HA, sehingga dapat mempercepat pembentukan mineral tulang.

  1.2 Rumusan Masalah

  1. Bagaimana sifat mikro HA yang disintesis dari tulang sotong dan komposit HA-kitosan?

  2. Pada komposisi komposit berapakah diperoleh sifat mekanik terbaik untuk tujuan aplikasi bone filler?

  3. Bagaimana pengaruh penambahan kitosan terhadap viabilitas sel?

  1.3 Batasan Masalah

  Dalam penelitian ini, HA disintesis dari tulang sotong dengan metode hidrotermal pada suhu 200ºC selama 12, 24, dan 36 jam. HA yang dihasilkan, kemudian digunakan untuk sintesis komposit HA-kitosan dengan variasi HA : kitosan = (80 : 20), (75 : 25), (70 : 30), (65 : 35). Sifat mikro HA dan komposit HA-kitosan dapat diketahui dengan melakukan karakterisasi XRD. Untuk mengetahui komposisi komposit terbaik, dilakukan uji kekuatan tekan dan kekerasan. Sedangkan untuk mengetahui pengaruh penambahan kitosan terhadap viabilitas sel dilakukan uji MTT assay.

  1.4 Tujuan Penelitian

  1. Mengetahui sifat mikro HA yang disintesis dari tulang sotong dan komposit HA-kitosan dari hasil uji XRD.

  2. Mengetahui komposisi komposit HA-kitosan dengan sifat mekanik terbaik untuk aplikasi bone filler.

  3. Mengetahui pengaruh penambahan kitosan terhadap viabilitas sel.

1.5 Manfaat Penelitian

  1. Memberikan dasar teori tentang sifat mikro, mekanik dan biologis dari komposit HA-kitosan.

  2. Membuat kandidat bone filler dari komposit HA-kitosan dengan sifat mikro, mekanik dan biologis terbaik ke arah aplikasi di bidang ortopedi.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tulang Tulang merupakan jaringan kuat pembentuk kerangka tubuh manusia.

  Tulang 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 hematopoietik yaitu sebagai tempat berlangsungnya proses pembentukan dan perkembangan sel darah (Leeson et al., dalam Dewi, 2009). Dengan demikian, penggunaan material yang tepat merupakan faktor keberhasilan implantasi tulang.

2.1.1 Komposisi Tulang Tulang manusia tersusun dari komponen organik dan inorganik.

  Komponen organik pada tulang sekitar 30% yang sebagian besarnya adalah kolagen (protein). Bahan organik lain seperti polisakarida dan lemak terdapat dalam jumlah yang kecil. Komponen anorganik yaitu mineral tulang yang sebagian besar terdiri dari senyawa kalsium fosfat sekitar 70% (Prabakan, dalam Zulti 2008). Kalsium fosfat yang utama dikenal sebagai hidroksiapatit (HA) dengan rumus kimia Ca (PO ) (OH) . Ion magnesium, natrium, kalium dan

  10

  4

  6

  2

  7 karbon ditemukan di antara mineral tulang. Karbonat juga terdapat pada tulang. Kombinasi yang demikian memberikan fungsi mekanik yang dibutuhkan oleh tulang untuk penyangga tubuh dan pendukung gerakan, karena HA yang tumbuh berada di dekat setiap segmen serat kolagen yang terikat kuat untuk menjaga kekuatan tulang (Guyton et al., dalam Prasetyanti, 2008).

  2.1.2 Sel Tulang

  Sel dalam tulang yang terutama berhubungan dengan pembentukan dan resorpsi tulang :

  1. Osteoblas adalah sel yang menyintesis unsur organik tulang. Sel ini bertanggung jawab untuk pembentukan tulang-tulang baru selama pertumbuhan, perbaikan dan membentuk kembali tulang.

  2. Osteosit adalah sel matang yang mengisi lakuna dalam matriks.

  3. Osteoklas adalah sel yang bertanggung jawab untuk menghancurkan dan membentuk kembali tulang.

  2.1.3 Sifat Fisis dan Mekanik Tulang

  Porositas dan kerapatan tulang bervariasi bergantung pada lokasi dalam tubuh dan pembebanan di daerah tersebut. Kerapatan menentukan kekuatan dan kekakuan tulang yang tumbuh berkembang untuk menahan beban yang ada (Smallman, dalam Rismawati, 2008).

  Berdasarkan porositasnya, tulang dapat diklasifikasikan menjadi tulang kortikal (kompak) dan tulang cancellous (berongga). Kedua jenis jaringan tulang tersebut memiliki komposisi yang sama. Jumlah tulang kortikal dan tulang

  cancellous relatif bervariasi bergantung pada jenis tulang dan bagian yang berbeda dari tulang yang sama.

  1. Tulang kortikal (kompak) adalah jaringan yang tersusun rapat dan terutama ditemukan sebagai lapisan di atas jaringan tulang cancellous. Tulang kortikal terletak di bagian eksternal tulang panjang. Porositasnya bergantung pada saluran mikroskopik (kanalikuli) yang mengandung pembuluh darah, yang berhubungan dengan saluran havers.

  2. Tulang cancellous disebut juga tulang bersepon, atau tulang trabekular.

  Struktur tulang cancellous menyerupai kisi yang terdiri dari batang tulang tipis atau trabekular yang menutupi ruang sumsum. Tulang cancellous terletak di bagian internal tulang kortikal.

  Pada dasarnya, keseluruhan tulang dan sebagian besar tubuh terdiri dari bagian eksternal tulang kortikal sebesar 80% dari total kerangka dan bagian internal tulang cancellous yang seperti spons, sebesar 20% dari total kerangka (Kofron, dalam Zilberman, 2011).

Gambar 2.1 Tulang kortikal dan trabekular

   Tulang kortikal memiliki porositas ≤ 30%. Sebagai contoh, porositas tulang kortikal pada femur orang dewasa dapat bervariasi, yaitu sekitar 5% untuk usia 20 tahun ke atas, dan 30% pada usia 80 tahun. Sedangkan porositas tulang

  cancellous dapat bervariasi dari 70% pada femoral neck dan sekitar 95% pada tulang belakang (Keaveny et al., 2004).

  3 Umumnya, densitas rata-rata tulang kortikal sekitar 1,85 g/cm , dan tidak

  jauh berbeda di berbagai lokasi anatomi dan spesies. Sebaliknya, densitas rata-rata

  3

  tulang cancellous sangat bergantung pada lokasi anatomi. Sekitar 0,10 g/cm

  3

  3

  untuk tulang belakang, sekitar 0,30 g/cm untuk tibia, dan sekitar 0,60 g/cm untuk bagian yang menahan beban dari femur proksimal. Setelah kematangan kerangka (sekitar usia 25 sampai 30 tahun), densitas tulang cancellous menurun mengikuti penuaan dengan tingkat sekitar 6% per dekade (Keaveny et al., 2004).

  Sedangkan tensile strength tulang kortikal sebesar 45-175 MPa, dan tulang cancellous sebesar 7,4 MPa (Oktay, dalam Rismawati, 2008).

  Kekerasan (vickers hardness) rata-rata tulang kortikal adalah 0,396 GPa

  2

  atau 40,4kgf/mm , sedangkan tulang cancellous adalah 0,345 GPa atau 35,2

  2 kgf/mm (Pramanik et al., 2005).

Tabel 2.1 Karakteristik Biomekanik Tulang Sehat (Ficai et al., 2011)

  Tulang Tulang kortikal cancellous

  Modulus Young’s (Tensile) Modulus (GPa) 7-30 0.05-0.5

Compressive strength (MPa) 100-230 2-12

Flexural Strength (MPa) 50-150 10-20

  1/2 Fracture toughness (MPa m ) 2-12

  0.1 Strain to failure 1-3 5-7

  3 Apparent density (g/cm ) 1.8-2.0 0.1-1.0

  2

  

3

Surface area/volume ratio (mm /mm )

  2.5

  20

2.2 Kandungan Tulang Sotong

  Sotong atau cuttlefish adalah binatang yang hidup di perairan dangkal, kurang dari 200 meter. Berikut klasifikasi ilmiah sotong menurut Linnaeus, 1758 .

   Genus : Sepia Species : Sepia sp.

Gambar 2.2 Sotong (cuttlefish)Gambar 2.3 Tulang sotong

  Komponen utama dari tulang sotong adalah kalsium karbonat (CaCO

  3 )

  sebanyak 85%. Komponen utama berikutnya adalah bahan organik (8,9%) yang kemungkinan besar adalah karbohidrat. Isi nitrogen dari 8.300 mg/kg menunjukkan bahwa sekitar 20% dari bahan organik merupakan protein. 1,4% dari material larut asam adalah silikat (pasir). Tidak ada logam berat beracun tertentu yang terdeteksi.

Tabel 2.2 Kandungan Tulang Sotong

  An Analysis of a Sample of Cuttlebone Acid insolubles 1.4% Moisture content 2.3% Organic content 8.9% Calcium 85% Calcium Carbonate Magnesium 0.42% Magnesium Carbonate Potassium 63 mg/kg Total Kjeldahl Nitrogen 8,300 mg/kg Total Phosphate 20 mg/kg Heavy Metals (mg/kg = parts per million) Zinc 167 Iron 101 Cobalt 19 Copper 11 Manganese 8 The following heavy metals were not detected above the detection limit of 1 mg/kg: arsenic, cadmium, chromium, lead, mercury, molybdenum, nickel, silver and tin.

  Sumber

2.3 Hidroksiapatit

  Hidroksiapatit (HA) adalah komponen anorganik utama dari jaringan keras tulang dan menyumbang 60-70% dari fase mineral dalam tulang manusia. Rumus

  10

  4

  6

  2 kimia HA adalah Ca (PO ) (OH) yang memiliki rasio Ca : P adalah 1,67.

  Struktur HA adalah heksagonal. Dimensi parameter kisi HA pada tulang adalah

  o o

  nilai a = b = 9,419 Å dan c = 6,880 Å dan sudut α = β = 90 dan γ =120 (Shi, dalam Dewi, 2009).

Tabel 2.3. Sifat Mekanik Polikristal Hidroksiapatit (Park et al., 2007)

  Properties Values Elastic modulus

  40-117 GPa

  Compressive strength 294 MPa Bending strength 147 Mpa Hardness (vickers) 3,43 Gpa Poisson's ratio

  0.27

  3 Density

  3,16 g/cm Hidroksiapatit telah dipelajari selama bertahun-tahun dan digunakan secara luas untuk pembuatan implan karena kesamaannya dengan fase mineral tulang dan terbukti bersifat biokompatibel dengan tulang dan gigi manusia (Ivankovic et al., 2010 dan Earl et al., 2006). Hidroksiapatit mampu menjalani ikatan osteogenesis dan relatif tidak larut in vivo. Banyak penelitian telah menunjukkan bahwa HA tidak menunjukkan toksisitas, respon peradangan, respon pirogenetik. Selain itu, pembentukan jaringan fibrosa antara implan dan tulang sangat baik, memiliki kemampuan menjalin ikatan langsung dengan tulang

  host, serta bioaktif dan osteokonduktif (Hui et al., 2010). Sifat bioaktif dan

  osteokonduktif dapat merangsang sel tulang di sekitar material implan untuk berinfiltrasi sehingga dapat mempercepat proses mineralisasi tulang baru (Hin, dalam Dewi, 2009).

  Sintesis HA telah banyak dilakukan oleh para peneliti. Berbagai metode dan prekursor sudah ditemukan untuk menghasilkan HA. Metode yang dapat dilakukan yaitu metode hidrotermal, metode basah melalui presipitasi, dan metode kering dengan perlakuan temperatur tinggi.

  3

  2

  2 Earl et al. (2006) melakukan sintesis HA dari Ca(NO ) .4H O dan

  (NH

  4 )

  2 HPO 4 dengan metode hidrotermal. Metode hidrotermal dilakukan dengan memberikan perlakuan panas dan tekanan pada proses sintesis HA. Temperatur yang digunakan yaitu 200°C dengan variasi waktu pada 24, 48, dan 72 jam. Hasil eksperimen dianalisis dengan XRD. Spektrum XRD menunjukkan pada waktu

  4 perlakuan 48 dan 72 jam terbentuk fase HA namun terdapat monetit (CaHPO ).

  Fase tunggal HA terbentuk pada waktu perlakuan 24 jam.

  Sumber prekursor untuk menghasilkan HA juga dapat diperoleh dari bahan alam. Bahan alam yang mulai dikembangkan yaitu koral, kerang, cangkang telur dan tulang sotong. Penggunaan bahan tersebut sebagai sumber kalsium. Sebagian besar kandungan yang terdapat pada bahan tersebut adalah kalsium

  3

  karbonat (CaCO ). Penelitian in vivo menunjukkan HA dari bahan alam memiliki osteokonduktif yang lebih baik dibandingkan dengan dari bahan sintetik (Saraswathy, dalam Dewi, 2008).

  Scaffolds HA dari tulang sotong pertama kali disintesis pada tahun 2005

  3

  4

  2

  4

  oleh Rocha et al. CaCO dari tulang sotong (Sepia officinalis) dan (NH ) HPO direaksikan dengan metode hidrotermal menggunakan autoklaf (teflon lined

  stainless steel) yang kemudian dimasukkan ke dalam furnace elektrik. Temperatur

  hidrotermal sebesar 200ºC (tingkat pemanasan dan pendinginan 5°C/menit) dengan variasi waktu 1-24 jam. Hasil uji XRD menunjukkan scaffolds HA terbaik diperoleh pada waktu 24 jam, sedangkan pada waktu perlakuan 9 jam masih

  3

  ditemukan CaCO . Scaffolds HA yang dihasilkan juga menunjukkan stabilitas termal yang tinggi pada sintering hingga 1350°C. Selain itu, hasil uji in vitro bioaktivitas pada SBF dan biokompatibilitas dengan osteoblas, menunjukkan

  scaffolds HA dari tulang sotong cocok untuk aplikasi implan atau rekayasa jaringan.