SINTESIS DAN KARAKTERISASI BIOKOMPATIBILITAS Si:Ca10(PO4)6(OH)2 DENGAN METODE HIDROTERMAL UNTUK APLIKASI BONE FILLER Repository - UNAIR REPOSITORY

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

SINTESIS DAN KARAKTERISASI BIOKOMPATIBILITAS Si:Ca (PO ) (OH) DENGAN METODE HIDROTERMAL UNTUK

  10

  4

  6

2 APLIKASI BONE FILLER SKRIPSI GILANG DARIL UMAMI PROGRAM STUDI S-1 TEKNOBIOMEDIK DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA SURABAYA 2012

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

SINTESIS DAN KARAKTERISASI BIOKOMPATIBILITAS Si:Ca (PO ) (OH) DENGAN METODE HIDROTERMAL UNTUK

  10

  4

  6

2 APLIKASI BONE FILLER SKRIPSI Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Bidang Teknobiomedik Pada Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Oleh : GILANG DARIL UMAMI NIM : 080810009 Tanggal Lulus : 14 September 2012 Disetujui oleh: Pembimbing I, Pembimbing II, Ir. Aminatun, M.Si Dr. Dwi Winarni, M.Si NIP. 19681028 199303 2 003 NIP. 19651107 198903 2 001

  ii iii

  LEMBAR PENGESAHAN NASKAH SKRIPSI Judul : Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas Si:Ca 10 (PO

4 )

6 (OH)

  2 Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone Filler Penyusun : Gilang Daril Umami NIM : 080810009 Pembimbing I : Ir. Aminatun, M.Si Pembimbing II : Dr. Dwi Winarni, M.Si Tanggal seminar : 14 September 2012 Disetujui oleh : Mengetahui: Pembimbing I Ir. Aminatun, M.Si NIP. 19681028 199303 2 003 Pembimbing II Dr. Dwi Winarni, M.Si NIP. 19651107 198903 2 001 Ketua Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Drs. Siswanto, M.Si NIP. 19640305 198903 1 003 Ketua Program Studi S1 Teknobiomedik Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Dr. Retna Apsari, M.Si NIP. 19680626 199303 2 003

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI

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

  Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga.

  iv

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

KATA PENGANTAR

  Puji syukur ke hadirat Allah SWT yang senantiasa memberikan hidayah, inayah, dan rahmat-Nya sehingga penyusun dapat menyelesaikan naskah skripsi yang berjudul “Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas

  Si:Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH)

2 Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone

  Filler ”. Tidak lupa semoga segala rahmat selalu terlimpahkan pada junjungan

  kita, Nabi Muhammad SAW yang telah membimbing umat ini dari zaman jahiliyah menuju zaman pencerahan.

  Naskah skripsi ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan. Pada kesempatan ini, penyusun menyampaikan terima kasih yang sebesar- besarnya kepada:

  1. Ayah, ibu, my little bro and little sis yang selalu mendukung dan mendoakan.

  2. Ketua Departemen Fisika, Bapak Drs. Siswanto, M.Si, yang telah memberikan informasi tentang penyusunan naskah skripsi ini.

  3. Ketua Program Studi S1 Teknobiomedik, Ibu Dr. Retna Apsari, M.Si, yang telah memberikan informasi tentang penyusunan naskah skripsi ini.

  4. Ibu Ir. Aminatun, M.Si selaku pembimbing I yang selalu memberikan masukan dan meluangkan waktu bagi penyusun untuk berkonsultasi.

  5. Ibu Dr.Dwi Winarni, M.Si selaku pembimbing II yang selalu memberikan masukan dan meluangkan waktu bagi penyusun untuk berkonsultasi.

  6. Bapak Drs. Jan Ady, S.Si, M.Si dan Bapak Drs. Tri Anggono Prijo selaku dosen penguji atas kritik saran dan bantuannya dalam penyelesaian skripsi ini. v

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  7. Seluruh bapak dan ibu dosen FST UNAIR yang telah member dan membekali kami dengan ilmu dan moral.

  8. Mas Budi (Lab. ITS), Mbak Iis dan Ibu Har (Material ITS), Mbak Diah (UBAYA), Mbak Rosi dan Mbak Putri (PUSVETMA) yang telah melancarkan peminjaman alat sintesis sampel dan pengujian sampel.

  9. Seluruh angkatan 2008 Teknobiomedik, Biomatlovers (Fara, Agnes, Adit, Miranda, Windy, Ary, Yuyun, Arindha, Wida, Wita, Nurul) yang menemani dan bersama berjuang dalam dan luar lab, teman-teman instrumentasi medis yang telah bersama selama ini, Riska dan Ima (let’s sing along), temen-temen LapanC, teman-teman Universitas Negeri Malang (Popy, Titis, Choir).

  10. Staf dan karyawan FSAINTEK UNAIR, serta semua pihak yang telah membantu penyusun selama proses penyusunan naskah skripsi ini.

  Penyusun menyadari bahwa naskah skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk perbaikan naskah skripsi ini.

  Surabaya, 14 September 2012 Penyusun

  Gilang Daril Umami vi

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

Umami, Gilang Daril, 2012, Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas Si:Ca (PO ) (OH) Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone Filler.

  10

  4

  6

2 Skripsi di bawah bimbingan Ir. Aminatun, M.Si, Departemen Fisika dan Dr. Dwi Winarni, M.Si, Departemen Biologi, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya ABSTRAK

  Telah dilakukan sintesis hidroksiapatit dan silikon-hidroksapatit kandidat

  bone filler dengan metode hidrotermal. Prosedur penelitian dilakukan dengan

  mencampurkan kalsium nitrat tetrahidrat yang dilarutkan dalam aquades dan di tambah NH Kemudian, ammonium trifosfat juga dilarutkan dalam aquades dan

  3.

  ditambah NH Kedua larutan ini dicampur untuk kemudian di stirrer selama 30 3. menit. Untuk sampel Si-HA, ditambahkan TEOS terlebih dahulu sebelum di stirrer. Penambahan TEOS dengan variasi berat sebesar 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8.

  o o

  Tahap selanjutnya adalah proses hidrotermal 200

  C, dicuci, dikeringkan 100 C

  o

  dan sintering 800

  C. Berdasarkan uji mikroskopik (XRD) ditunjukkan terbentuknya hidroksiapatit dan trikalsium fosfat pada semua sampel, tidak terbentuk puncak baru setelah penambahan silikon. Hasil FTIR hidroksiapatit

  3- 2-

  terdeteksi adanya gugus fosfat (PO ), gugus karbonat (CO ) dan gugus

  4

  3

• hidroksil (OH ). Hasil FTIR silikon-hidroksiapatit pada sampel IV, sampel
• 1

  memiliki variasi Si sebesar 0,6 %berat, terdeteksi gugus fungsi pada 812,849 cm diindikasi sebagai vibrasi Si-O. Hasil uji MTT menunjukkan sel hidup pada semua sampel. Sampel silikon-hidroksiapatit pada variasi 0,2% berat Si memiliki sel hidup paling banyak sebesar 95,85473% menunjukkan sampel II lebih bioaktif dari sampel yang lain.

  Kata kunci : Silikon-hidroksiapatit, metode hidrotermal, sintering, bone filler,

  bioaktif

  vii

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

Umami, Gilang Daril, 2012, Synthesis and Biocompatibility Characteristic of Si:Ca (PO ) (OH) with Hydrothermal Method for Bone Filler Aplication.

  10

  4

  6

  2 Final project was under guidance of Ir. Aminatun, M.Si, Department of Physics and Dr. Dwi Winarni, M.Si, Department of Biology, Faculty of Science and Technology, Airlangga University, Surabaya ABSTRACT

  In this study, hydroxyapatite and silicon-hidroksapatit for bone filler candidate has been done by hydrothermal method. Procedure of the research done by mixing calcium nitrate tetrahydrate was dissolved in distilled water and added NH . Then, ammonium triphosphate was also dissolved in distilled water and

  3

  added NH3. The two solutions are mixed for later stirrer for 30 minutes. For Si- HA samples, added TEOS before in stirrer. The addition of TEOS to the weight variation of 0; 0.2; 0.4; 0.6; 0.8. The next stage is the process of hydrothermal

  o o o

  200

  C, washed, dried 100 C and 800 C sintering. Based on microscopic assay (XRD) indicated the formation of hydroxyapatite and tricalcium phosphate in all samples, no new peaks formed after the addition of silicon. FTIR results of

  3- 2-

  hydroxyapatite detected phosphate (PO ), group carbonate (CO ) and hydroxyl

  4

  3

• groups (OH ). FTIR results of silicon-hydroxyapatite on sample IV, which h
• 1

  variety of samples of 0.6 wt% Si, detected functional groups at 812.849 cm is indicated as Si-O vibrations. The results of MTT assay showed live cells in all samples. Samples of silicon-hydroxyapatite on a variation of 0.2% by weight Si has the maximum amount of live cells showed samples II 95.85473% more bioactive than other samples.

  Keywords : Silicon-hydroxyapatite, hydrothermal method, sintering, bone

  filler, bioactive

  viii

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL ............................................................................................. i LEMBAR PERNYATAAN .................................................................................. ii LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................. iii LEMBAR PEDOMAN PENGGUNAAN SKRIPSI ............................................. iv KATA PENGANTAR .......................................................................................... v ABSTRAK ............................................................................................................ vii ABSTRACT ........................................................................................................ viii DAFTAR ISI ......................................................................................................... ix DAFTAR TABEL............................................................................................... .. xi DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xii DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... xiv

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

  1.1 Latar belakang .................................................................................................. 1

  1.2 Rumusan masalah ............................................................................................. 4

  1.3 Batasan masalah.............................................................................. ................. 5

  1.4 Tujuan penelitian .............................................................................................. 5

  1.5 Manfaat penelitian ............................................................................................ 5

  BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 6

  2.1 Tulang…………. ............................................................................................. 6

  2.1.1 Komposisi tulang .................................................................................... 6

  2.1.2 RGD (arginin-glisin-asam aspartat) ........................................................ 8

  2.1.3 Tipe sel tulang ........................................................................................ 9

  2.1.4 Pertumbuhan dan perbaikan tulang ........................................................ 11

  2.2 Bone graft .................................................................................................. 14

  2.3 Biomaterial .................................................................................................. 15

  2.2.1 Hidroksiapatit . ....................................................................................... 16

  2.4 Silikon ……..... ................................................................................................ 17

  2.5 Hidrotermal .................................................................................................. 18

  2.6 Sintering .................................................................................................. 19

  ix

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  2.7 Silikon-hidroksiapatit ....................................................................................... 21

  2.8 X-Ray Diffraction (XRD) ................................................................................ 23

  2.8 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) .............................................. 25

  2.9 MTT assay ….. ................................................................................................. 26

  BAB III METODE PENELITIAN........................................................................ 29

  3.1 Waktu dan tempat penelitian ............................................................................ 29

  3.2 Bahan dan peralatan penelitian ........................................................................ 29

  3.2.1 Bahan penelitian ..................................................................................... 29

  3.2.2 Alat penelitian ......................................................................................... 30

  3.3 Prosedur penelitian ........................................................................................... 30

  3.3.1 Persiapan sampel .................................................................................... 31

  3.3.2 Pembuatan sampel .................................................................................. 31

  3.3.3 Sintesis hidroksiapatit dan silikon-hidroksiapatit ................................... 32

  3.3.4 Karakterisasi sampel ............................................................................... 32\

  3.3.4.1 Uji XRD ..................................................................................... 32

  3.3.4.2 Uji FTIR ..................................................................................... 33

  3.3.4.3 MTT assay.................................................................................. 34

  3.3.4.3.1. Persiapan Kultur Sel ................................................. 34

  3.3.4.3.2. Uji MTT pada Kultur Sel .......................................... 35

  3.4 Analisis data .................................................................................................. 35

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

  4.1 Hasil ………. .................................................................................................. 36

  4.1.1 Hasil uji XRD ......................................................................................... 36

  4.1.2 Hasil uji FTIR ......................................................................................... 41

  4.1.3 Hasil uji MTT assay ............................................................................... 45

  4.2 Pembahasan .................................................................................................. 46

  BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 50

  5.1 Kesimpulan .................................................................................................. 50

  5.2 Saran .................................................................................................. 50

  DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 52 LAMPIRAN x

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

DAFTAR TABEL

  Nomor Judul Tabel Halaman

  2.1 Kandungan unsur anorganik pada tulang ........................................................ 8

  2.2 Sifat fisis dan mekanik polikristal hidroksiapatit ............................................ 16

  3.1 Variasi komposisi Si-HA ................................................................................ 32

  4.1 Persen intensitas HA dan TCP dalam tiap sampel .......................................... 40

  4.2 Parameter kisi dari HA dan Si-HA ................................................................. 41

  4.3 Puncak spektra sampel I sampai V.................................................................. 45

  4.4 Persentase sel fibroblas dengan MTT assay ................................................... 45 xi

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

DAFTAR GAMBAR

  Nomor Judul Gambar Halaman

  2.1 Gabungan skematik dan mikrografi dari struktur hirearki dari tulang ............ 7

  2.2 Transmisi electron mikrograf dari tulang ........................................................ 9

  2.3 Sketsa osteoblas .............................................................................................. 10

  2.4 Mikrograf elektron dari osteosit, menunjukkan retikulum endoplasma (rER) yang besar dan Golgi ............................................................................ 10

  2.5 Gambar sketsa dari osteoklas meresordsi tulang, a – adesi dan sitodeferensiasi; b – sekresi dan resorpsi ........................................................ 11

  2.6 Proses dari osifikasi endokondral.................................................................... 12 2.7 a. Bentuk kontak antar partikel serbuk, b. Pembentukan awal batas butir, c. Pembesaran batas butir tahap pertengahan dan pengecilan pori, d. Bentuk batas butir pada akhir sintering .............................................. 20

  2.8 Skema dari difraksi sinar X ............................................................................. 23

  2.9 Sinar X didifraksikan oleh lapisan atom dari material kristal ......................... 24

  2.10 Skema dari FTIR ............................................................................................. 26

  2.11 MTT assay plate .............................................................................................. 28

  3.1 Diagram alir penelitian .................................................................................... 30

  3.2 Bahan dasar pembuatan HA dan Si-HA. a – kalsium nitrat tetrahidrat, b – ammonium fosfat, c – TEOS .................................................................... 31

  3.3 Alat Xpert-Pro PANalytical ............................................................................ 33

  3.4 Alat FTIR Bruker Tensor 27 ........................................................................... 33

  3.5 Pellet dari campuran sampel dan KBr ............................................................ 34

  4.1 Grafik search match XRD sampel HA sebelum sintering .............................. 37

  4.2 Grafik search match XRD sampel I (HA) ...................................................... 37

  4.3 Grafik search match XRD sampel II (0,2%Si – HA) ..................................... 38

  4.4 Grafik search match XRD sampel III (0,4%Si - HA) ..................................... 38

  4.5 Grafik search match XRD sampel IV (0,6% Si – HA) ................................... 39

  4.6 Grafik search match XRD sampel V (0,8%Si – HA) ..................................... 39

  4.7 Perbandingan grafik XRD sampel I sampai V ................................................ 40 xii

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  4.8 Grafik FTIR sampel I (HA) ............................................................................ 42

  4.9 Grafik FTIR sampel II (0,2%Si – HA)............................................................ 42

  4.10 Grafik FTIR sampel III (0,4%Si – HA) .......................................................... 43

  4.11 Grafik FTIR sampel IV (0,6%Si – HA) .......................................................... 43

  4.12 Grafik FTIR sampel V (0,8%Si – HA) ........................................................... 44

  4.13 Grafik variasi pesentase Si terhadap viabilitas sel .......................................... 46

  4.14 Skema struktur heksagonal HA ....................................................................... 47 xiii

  xiv

  Nomor Judul Lampiran Lampiran 1

  ICDD Trikalsium Fosfat Lampiran 2

  ICDD Hidroksiapatit Lampiran 3 Data hasil XRD sampel HA sebelum sintering Lampiran 4 Data hasil XRD sampel I (HA) Lampiran 5 Data hasil XRD sampel II (0,2% Si - HA) Lampiran 6 Data hasil XRD sampel III (0,4% Si - HA) Lampiran 7 Data hasil XRD sampel IV (0,6% Si - HA) Lampiran 8 Data hasil XRD sampel V (0,8% Si - HA) Lampiran 9 Data hasil FTIR sampel I (HA) Lampiran 10 Data hasil FTIR sampel II (0,2% Si - HA) Lampiran 11 Data hasil FTIR sampel III (0,4% Si - HA) Lampiran 12 Data hasil FTIR sampel IV (0,6% Si - HA) Lampiran 13 Data hasil FTIR sampel V (0,8% Si - HA) Lampiran 14 Hasil dan perhitungan uji MTT Lampiran 15 Langkah-langkah refinement dengan program PCW

  (Powder Cell for Windows)

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

DAFTAR LAMPIRAN

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

“Menjaga amanah dan berkata jujur dapat mendatangkan rezeki, sedangkan khianat dan berkata bohong dapat mendatangkan kefakiran dan kemunafikan”

• Mutiara hadits Imam Kazhim a.s.-

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

  Tingkat kecelakaan transportasi dan frekuensi bencana alam di Indonesia, dalam kurun waktu sepuluh tahun terakhir terbilang cukup tinggi. Kecelakaan transportasi dan kecelakaan tersebut dapat menjadi salah satu penyebab terjadinya patah tulang. Jumlah kasus operasi patah tulang di RS Sanglah di Denpasar, pada bulan Januari, mencapai 24 orang. Jumlah tersebut hanya pasien yang masuk di IRD. Tiap satu kamar operasi di Instalasi Bedah Sentral (IBS), rata-rata pasien patah tulang tiap hari mencapai 2-3 pasien (Bali post, 2011).

  Melihat cukup banyaknya kasus operasi patah tulang, diperlukan penanganan yang tepat pada kasus patah tulang atau kerusakan tulang. Hal ini merupakan pekerjaan yang serius sehingga membutuhkan material yang tepat untuk implan tulang, mengingat tulang memiliki fungsi yang penting sebagai penyokong tubuh.

  Material yang digunakan haruslah biokompatibel, tidak beracun dan berintegrasi dengan cepat. Dengan kata lain, material ini haruslah menyerupai sifat dari tulang asli.

  Salah satu cara penanganan patah tulang atau kerusakan tulang itu adalah dengan menggunakan bone graft. Bone graft mempunyai fungsi mekanik dan biologi dikarenakan dapat membantu atau mengisi lubang (void filler) dan meningkatkan

  1 Skripsi Gilang Daril Umami Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas

  

Si:Ca10(PO4)6(OH)2 Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone Filler

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  2

  regenerasi tulang di tempat implantasi. Bone graft yang bagus harus memiliki beberapa karakteristik, antara lain: memiliki kemampuan untuk membentuk tulang, permukaannya harus dapat menstimulasi sel tulang untuk berdifferensiasi, mempunyai permukaan yang bioaktif sehingga jaringan tulang dapat beregenerasi.

  Dengan kata lain, material tersebut harus osteogenic, osteoinductive dan

  osteoconductive. Bonegraft dapat dibedakan menurut asalnya, autograft jika jaringan

  tersebut diperoleh dari pasien itu sendiri, allograft jika jaringan tersebut diperoleh dari donor lain tetapi masih satu spesies, xenograft jika jaringan tersebut diperoleh dari donor lain dan berbeda spesies atau bone graft sintetis (alloplastic) (Botelho, 2005). Salah satu contoh dari bone graft sintetis (alloplastic) adalah bone filler, yaitu material implan osteokonduktif yang digunakan untuk mengisi rongga dan celah, contoh rongga di tulang kaki, tulang belakang atau panggul, yang menganggu stabilitas struktur tulang. Biasanya, rongga ini didapat dari cacat saat pembedahan atau cedera traumatis ke tulang.

  Biokeramik menjadi salah satu jenis dari bone graft sintetis yang diminati. Hal ini dikarenakan biokeramik dapat digunakan untuk mengisi ruang, sebagai coating atau sebagai komposit. Biokeramik dapat dibagi berdasarkan reaksi biologis yang dimiliki, yaitu inert, bioaktif dan resorbable. Hidroksiapatit termasuk biokeramik yang bersifat bioaktif (Botelho, 2005).

  \ Hidroksiapatit (HA) memiliki rumus kimia Ca (PO ) (OH) , adalah

  10

  4

  6

  2

  biokeramik yang sering digunakan dalam kedokteran gigi dan bedah ortopedi. Lebih

  Skripsi Gilang Daril Umami Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas

  

Si:Ca10(PO4)6(OH)2 Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone Filler

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  3

  dari dua dekade, banyak usaha yang telah dilakukan untuk membuat hidroksiapatit untuk aplikasi jaringan tulang karena biokompatibilitas dan bioaktivitasnya yang bagus (Kothapalli dalam Bang, 2009).

  Silikon (Si) berperan dalam perkembangan tulang dan kerangka. Peran dari silikon dalam sistem kerangka pertama kali ditulis oleh Carlisle yang menemukan bahwa osteosit tulang tibia dari tikus dan mencit mengandung silikon sebanyak 0.5% berat (Coe, 2008). Silikon dalam tulang manusia terdapat sekitar ≤ 1% berat dan termasuk elemen trace level. Meskipun jumlah silikon ini kecil, tapi silikon berperan dalam pertumbuhan atau kalsifikasi tulang (Pietak et al. dalam Aminian et al., 2011), sehingga Si ditambahkan pada HA dan membentuk Si-HA untuk meningkatkan bioaktivitasnya.

  Silikon-hidroksiapatit atau Si-HA dapat disintesis dengan berbagai cara, setiap cara memiliki keunggulan dan kelemahan. Ruys (Coe, 2008) melakukan sintesis Si-HA dengan metode sol-gel. Namun metode ini menimbulkan fase sekunder seiring dengan pemberian silikon. Boyer et al., 1997 menggunakan metode

  solid state reaction, namun ion sekunder, seperti lanthanum atau sulfat, ikut

  tercampur. Gibson et al., 1999 dan Kim et al., 2003 menggunakan metode wet-

  chemical, namun bila di sintering dalam suhu tinggi akan mengakibatkan ukuran

  kristal yang lebih besar. Tian et al., 2008 menggunakan metode mechanochemical, namun temperatur panas dari metode ini tidak dapat diatur (Aminian et al. 2011).

  Skripsi Gilang Daril Umami Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas

  

Si:Ca10(PO4)6(OH)2 Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone Filler

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  4

  Metode selain yang disebutkan di atas adalah metode hidrotermal. Metode hidrotermal biasanya dapat menghasilkan derajat kristalinitas yang tinggi dan rasio Ca/P yang dekat dengan nilai stokiometri. Ukuran kristal yang dihasilkan melalui metode ini memiliki rentang dari nanometer sampai mikrometer. (C. M. Botelho et al. dalam Aminian et al., 2011). Kenyataannya, hanya metode hidrotermal dan presipitasi yang menyebabkan pembentukan bahan monofase (M. Palard, 2008).

  Berdasarkan kajian terhadap berbagai metode sintesis Si-HA seperti yang disebutkan di atas maka pada penelitian kali ini, akan dilakukan sintesis Si-HA dengan metode hidrotermal menggunakan hidroksiapatit sintetis dan variasi % berat Si sebesar ≤ 1% berat, sehingga diharapkan diperoleh jumlah Si yang tepat dan dapat meningkatkan bioaktivitas untuk dikembangkan sebagai biomaterial implan tulang.

1.2. Rumusan Masalah

  Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan sebagai berikut.

  1. Apakah metode hidrotermal dapat mensintesis silikon-hidroksiapatit ?

  2. Bagaimana mikroskopik dari silikon-hidroksiapatit hasil proses hidrotermal?

  3. Bagaimana sitotoksik dari silikon-hidroksiapatit hasil proses hidrotermal?

  Skripsi Gilang Daril Umami Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas

  

Si:Ca10(PO4)6(OH)2 Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone Filler

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  5

1.3. Batasan Masalah

  Dalam penelitian ini, penulis membatasi masalah agar tidak menyimpang dari tujuan.

  1. Variasi TEOS sebagai sumber Si sebesar 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 %berat.

  2. Karakterisasi mikrokopik menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan Fourier

  Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) 3. Karakterisasi sitotoksik menggunakan MTT assay sel fibroblast.

1.4. Tujuan Penelitian 1. Mensintesis silikon-hidroksiapatit dengan metode hidrotermal.

  2. Mengetahui mikroskopik silikon-hidroksiapatit hasil sintesis hidrotermal.

  3. Mengetahui sitotoksik silikon-hidroksiapatit hasil sintesis hidrotermal.

1.5. Manfaat penelitian

  Penelitian silikon – hidroksiapatit diharapkan dapat bermanfaat bagi perkembangan biomaterial dalam bidang medis. Hasil penelitian ini diharapkan dapat dimanfaatkan untuk kandidat implan tulang, khususnya sebagai bone filler.

  Skripsi Gilang Daril Umami Sintesis Dan Karakterisasi Biokompatibilitas

  

Si:Ca10(PO4)6(OH)2 Dengan Metode Hidrotermal Untuk Aplikasi Bone Filler

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tulang Tulang merupakan jaringan kuat pembentuk kerangka tubuh manusia.

  Tulang sebagai pembentuk kerangka manusia memiliki empat fungsi utama yaitu fungsi mekanik, protektif, metabolik dan hemopoietik. 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 hemopoietik yaitu sebagai tempat berlangsungnya proses pembentukan dan perkembangan sel darah (Leeson et al, dalam Dewi, 2009). Tulang merupakan komponen yang sangat penting dalam tubuh manusia, oleh karena itu penanganan yang tepat pada kerusakan tulang merupakan masalah kesehatan yang serius dalam setiap pekerjaan klinik.

2.1.1. Komposisi tulang

  Tulang disusun oleh matriks organik, anorganik dan air. Komponen organik menyusun sekitar 20% dari tulang, sedangkan komponen anorganik menyusun sekitar 65% tulang dan sisa 10% air. Komponen organik disusun oleh 80-90% berupa kolagen dan sisanya disusun oleh proteoglycan dan beberapa protein non-kolagen, seperti osteocalcin, osteopontin, bone sialoprotein,

  osteonectin, decorin dan biglycan. Komponen anorganik atau bagian mineral

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  menguatkan bagian organik dengan garam kalsium. Matriks tulang kolagen disusun oleh kolagen tipe I dan V, tetapi kolagen tipe I yang paling berlimpah.

  Matriks tulang protein memiliki karakteristik yang berbeda-beda, sebagai contoh

  osteopontin dan bone sialoprotein mempunyai urutan RGD yang dapat dikenali

  oleh α v β 3 sehingga membantu pelekatan sel (cell attachment) dan pengikatan HA.

  2-

  Matriks tulang mineral selalu mempunyai gugus karbonat (CO

  3 ). Tetapi tidak

  hanya gugus karbonat, ada juga natrium, magnesium, kalium, florida, klorida dan juga beberapa trace element seperti strontium, timbal, barium, dan silikon (Botelho, 2005).

Gambar 2.1 Gabungan skematik dan mikrografi dari struktur hirearki dari tulang: dari kiri ke kanan, tulang cortical dan cancellous; osteon dengan

  sistem Harves; lamela; serat kolagen; kristal mineral tulang; molekul kolagen (Rho dan Oiszta dalam Coe, 2008)

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

Tabel 2.1. Kandungan Unsur Anorganik pada Tulang (Aoki dalam Prasetyanti,

  2008) Kandungan (% berat)

  Unsur Ca 34,00

  P 15,00 Mg 0,50

  Na 0,80 K 0,20

  C

  1.60 Zat sisa 47,90

2.1.2. RGD (arginin-glisin-asam aspartat)

  RGD (arginin-glisin-asam aspartat) diidentifikasi sebagai motif urutan dalam fibronektin yang bertanggung jawab untuk membantu pelekatan sel. Variasi dari berbagai protein, meliputi protein matriks ekstraseluler, mengandung urutan tripeptida ini yang diperpanjang dan perulangan fleksibel. Fungsi RGD sebagai adhesi sel dan agregasi domain yang dikenal oleh subset dari keluarga reseptor permukaan sel yang dikenal dengan integrin, yang menghubungkan interaksi protein-protein ekstraseluler dengan intraseluler sitoskeleton dari sel.

  Penempelan sel termediasi integrin mempengaruhi dan mengatur migrasi sel, pertumbuhan dan differensiasi. Sel yang telah hilang kontak dengan matriks ekstraseluler biasanya mati dan protein yang mengandung motif sekuens ini berperan dalam kematian sel dengan apoptosis. Peptida yang mengandung RGD dapat secara langsung menginduksi apoptosis tanpa memerlukan sinyal integrin.

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  Peptida ini memasuki sel dan secara langsung menginduksi autoprocessing dan aktifitas enzimatik bentuk zymogen capacase-3, salah satu dari jenis capacase yang diperlukan untuk kematian sel dengan apoptosis. Peptida RGD mungkin menginduksi apoptosis dengan interaksi langsung dengan tempat pelekatan RGD yang ada dalam procaspase-3, memicu perubahan konformasi yang menimbulkan autoprocessing dan aktivasi dari procaspase-3 (Anonim, 2003).

2.1.3. Tipe sel tulang

  Terdapat tiga tipe sel di dalam tulang yang berhubungan dengan formasi tulang, perawatan dan resorpsi yaitu osteoblas, osteosit dan osteoklas.

Gambar 2.2. Transmisi elektron mikrograf dari tulang. M – marrow cavity

  (rongga sumsum); Opc – osteoprogenitor cells ; Ob –

  osteoblasts; Os – osteoid; Oc – osteocyte; CB – calcified bone matrix; C – canaliculi; and L – batas antara dua lamella yang

  berdekatan (Ross dalam Botelho, 2005) Osteoblas adalah sel tulang yang berperan untuk memproduksi matriks tulang. Sel ini mempunyai morfologi yang jelas, nukleus bundar yang menghadap ke permukaan sel, sitoplasma dan kompleks Golgi yang terletak diantara nukleus dan puncak sel.

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

Gambar 2.3. Gambar skematik osteoblas (Botelho, 2005)

  Selama remodelling tulang, beberapa osteoblas terkubur dalam osteoid dan berdeferensiasi menjadi osteosit.

Gambar 2.4. Mikrograf electron dari osteosit, menunjukkan retikulum endoplasma

  (rER) yang besar dan Golgi (Botelho, 2005) Sel ini dikelilingi oleh mineral matriks tulang. Morfologi dari sel osteosit tergantung dari umur dan aktifitas fungsionalnya. Osteosit muda memiliki karakteristik yang mirip dengan osteoblas dewasa, meskipun ada penurunan di

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  volume dan organelanya. Seiring waktu, osteosit terletak semakin dalam di tulang mengamulasi glikogen dalam sitoplasma. Diduga, sel ini memiliki peran sebagai mekanosensor dan aktivasi dari pergantian tulang.

  Osteoklas adalah sel besar yang menghancurkan tulang. Sel ini berperan penting dalam proses fisiologi normal dari pergantian tulang dan osifikasi endokondral. Sel ini memiliki banyak nukleus (4-20 nuklei) dan terdeferensiasi sempurna. Osteoklas akan menempel pada tulang yang akan dimakan atau di resorpsi. Proses ini meliputi pengasaman dari lingkungan mikro termediasi oleh

• vakuolar H . pH sebesar 4,5 akan melarutkan mineral tulang dan komponen organik demineralisasi (Botelho, 2005).

Gambar 2.5. Gambar sketsa dari osteoklas meresordsi tulang, a – adesi dan sitodeferensiasi; b – sekresi dan resorpsi (Botelho,2005)

2.1.4. Pertumbuhan dan perbaikan tulang

  Pertumbuhan tulang atau osifikasi telah bermula sejak umur embrio 6-7 minggu dan berlangsung sampai dewasa. Proses terbentuknya tulang terjadi dengan 2 cara yaitu melalui osifikasi intra membran dan osifikasi endokondral :

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  1. Osifikasi intra membran Tulang pipih dari tengkorak dan wajah, mandibula klavikula dibentuk melalui osifikasi intra membran. Osifikasi intra membrane ini pertama terjadi pada tahap awal dari perkembangan embrionik. Pada tahap ini, sel mesenkim bergerak dan berkumpul di daerah tertentu, dimana tulang akan terbentuk. Sel mesenkim kemudian berproliferasi dan deferensiasi menjadi sel osteoprogenitor. Beberapa sel yang lain berdeferensiasi menjadi osteoblas. Sel – sel baru ini bertumpuk menjadi tulang rawan (Botelho, 2005).

  2. Osifikasi endokondral

Gambar 2.6. Proses dari osifikasi endokondral

  Hampir semua dari tulang manusia berkembang melalui osifikasi endokondral. Langkah pertama dari osifikasi endokondral adalah sel mesenkim berproliferasi dan bergerak ke tempat dari tulang yang patah. Sel mesenkim berdiferensiasi menjadi sel kondroblas dan memproduksi matriks kartilago.

  Kartilago ini memerlukan bentuk dari tulang yang akan dibentuk. Osifiaksi terjadi didaalam model ini. Peningkatan lebar dikarenakan produksi matriks oleh

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  kondrosit baru yang berdeferensiasi dari lapisan kondrogenik. Osteoblas dibawah perikondrium dalam tulang janin mendepositkan tulang bagian luar dari poros tulang rawan. Saat proses ini terjadi, perikondrium dikenal dengan periosteum, yang mendepositkan lebih banyak lapisan tulang. Lapisan osteogenik dalam periosteum dikarenakan sel di lapisan ini berdeferensiasi menjadi osteoblas (Botelho, 2005).

  Penyembuhan tulang dapat dibagi menjadi tiga fase. Fase inflamasi adalah fase pertama dari penyembuhan. Sesegera setelah terjadi fraktur atau patahan, terbentuknya clot darah, diikuti masuknya inflamasi, sel pembersih pada daerah luka. Hal ini diikuti oleh aliran sitokin yang membawa sel perbaikan kedalam celah fraktur. Sel-sel ini dengan segera memulai berdifferensiasi menjadi sel yang terspesialisasi membangun jaringan tulang baru (osteoblas) dan kartilago atau tulang rawan baru (kondroblas). Beberapa bulan kemudian, sel-sel ini mulai proses perbaikan, meletakkan matriks tulang dan kartilago baru. Di tahap awal ini, sel osteoklas larut dan memakai kembali serpihan tulang.

  Kedua, tahap perbaikan dimulai sekitar dua minggu setelah patahan terjadi. Dalam tahapan ini, protein yang diproduksi oleh osteoblas dan kondroblas mulai bergabung yang dikenal sebagai soft callus. Substansi lembut ini secara bertahap mengeras menjadi hard callus sejalan dengan tulang dirajut selama enam sampai dua belas minggu.

  Tahap akhir dari penyembuhan fraktur dikenal sebagai fase perombakan. Di fase ini, callus mulai dewasa dan mengubah bentuk dengan sendirinya.

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  Anyaman tulang berubah menjadi tulang lamella yang lebih kuat karena aksi dari sel osteoblas pembentuk tulang dan sel osteoklas resorpsi tulang (Brown, 2009).

2.2. Bone graft

  Bone graft digunakan dalam beberapa prosedur operasi ortopedik untuk

  mengembalikan keutuhan tulang yang telah diganggu oleh penyakit, trauma atau penuaan dan juga untuk membantu penyembuhan tulang. Bone graft memiliki fungsi mekanik dan biologi yang harus membantu atau mengisi celah dan mempercepat regenerasi tulang pada tempat implantasi. Beberapa karakteristik yang harus dimiliki bone graft adalah kemampuan untuk membentuk tulang atau membawa sel-sel tulang, harus dapat menstimulasi sel osteoprogenitor untuk berdeferensiasi membentuk tulang dan menyediakan permukaan yang bioaktif sehingga jaringan tulang dapat beregenerasi. Ada beberapa macam bone graft, yaitu autograft jika jaringan diperoleh dari tubuh pasien itu sendiri, allograft jika jaringan diperoleh dari donor manusia lain, xenograft jika jaringan diperoleh dari hewan dan bone graft sintetik (Botelho, 2005).

  Bone filler merupakan salah satu contoh dari bone graft sintetik. Bone

  filler ini diharuskan memiliki sifat tidak toksik dan osteokonduktif sehingga dapat

  digunakan untuk mengisi rongga dan celah, contoh rongga di tulang kaki, tulang belakang atau panggul, yang menganggu stabilitas struktur tulang. Biasanya, rongga ini didapat dari cacat saat pembedahan atau cedera traumatis ke tulang.

  Bone filler memiliki kemudahan filler ini tidak harus dihilangkan dari tempat

  retakan tulang setelah jaringan kartilago dan jaringan tulang subkondral telah

  

ADLN Perpustakaan Universitas Airlangga

  teregenerasi. Oleh karena itu, pasien menerima bone filler hanya sekali dan dapat mengurangi beban fisik dan psikis yang dialami jika menerima jenis implan yang lain yang harus diganti beberapa kali.

2.3. Biomaterial

  Biomaterial adalah material tak hidup yang digunakan dalam suatu alat medis untuk diterapkan ke dalam tubuh manusia. Biomaterial berinteraksi dengan sistem biologis manusia dalam proses penyembuhan, perbaikan, dan penggantian begian-bagian tubuh manusia. Jenis-jenis biomaterial berdasarkan bahan materialnya, antara lain logam (surgical alloy), polimer (biomedical polimer), keramik (biomedical ceramic), dan komposit (biomedical composite) (Smallman dalam Dyah, 2008).