Pembuatan Hidroksiapatit Dari Tulang Ayam Berporogen Pati Biji Durian Dengan Metode Presipitasi
PEMBUATAN HIDROKSIAPATIT DARI TULANG AYAM
BERPOROGEN PATI BIJI DURIAN DENGAN
METODE PRESIPITASI
TESIS
OLEH
ZUQNI MELDHA
137022002 / TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
i
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN HIDROKSIAPATIT DARI TULANG AYAM
BERPOROGEN PATI BIJI DURIAN DENGAN
METODE PRESIPITASI
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
Pada Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
ZUQNI MELDHA
137022002 / TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
ii
Universitas Sumatera Utara
iii
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Hidroksiapatit (HAp) adalah biokeramik yang sangat bermanfaat dan banyak
digunakan secara luas pada bidang medis dan nonmedis. Penelitian ini bertujuan
untuk mengetahui pengaruh suhu dan waktu kalsinasi terhadap karakteristik HAp
yang dihasilkan dari tulang ayam dan pengaruh porogen pati biji durian terhadap
ukuran pori HAp. Pemilihan pati biji durian sebagai porogen karena biji durian
bernilai ekonomis dan mempunyai kandungan pati yang tinggi yaitu 47,6%. Pada
penelitian ini, HAp disintesis dengan metode presipitasi dengan menggunakan tulang
ayam dan H3PO4 sebagai prekursor kalsium dan fosfor. Kondisi proses divariasikan
terhadap suhu kalsinasi (500oC dan 900oC), waktu kalsinasi (2 jam dan 6 jam) dan
penggunaan pati dan tanpa pati. Hasil sintesis menunjukkan bahwa pola XRD dari
HAp berporogen pati dan tanpa porogen memiliki pola yang mirip dengan HAp
standar (JCPDS 01-084-1998). HAp tanpa porogen memiliki ukuran kristal,
kristalinitas dan rasio Ca/P masing – masing adalah 63,021 nm, 87,30% dan 1,566,
sedangkan HAp berporogen pati memiliki ukuran kristal, kristalinitas dan rasio Ca/P
masing – masing adalah 83,975 nm, 90,34% dan 1,485. Hasil analisis FTIR
menunjukkan sampel HAp mempunyai gugus fungsi utama HAp yaitu OH- dan PO43. Peningkatan suhu dan waktu kalsinasi meningkatkan ukuran partikel HAp tanpa
porogen dan HAp berporogen pati. Hal ini terlihat dari hasil uji SEM dimana ukuran
partikel rata-rata HAp tanpa porogen pada suhu 500oC adalah 0,74γ m (β jam) dan
0,λλ6 m (6 jam), pada suhu λ00oC sebesar 1,017 m (β jam) dan 1,584 m (6 jam).
Sedangkan untuk HAp berporogen pati pada suhu 500oC ukuran partikel rata-ratanya
adalah 0,8β6 m (β jam) dan 1,046 m (6 jam), pada suhu λ00oC sebesar 1,β65 m (β
jam) dan 1,674 m (6 jam).Untuk HAp berporogen pati, luas pori yang didapat
menurun dengan naiknya suhu dan waktu kalsinasi. Namun pada suhu 500oC selama
2 jam luas pori terlalu kecil. Hal ini mungkin disebabkan pati belum terbakar habis
pada waktu 2 jam pada suhu 500oC. Luas pori rata-rata yang diperoleh adalah 0,046
m2 (500oC,2 jam), 0,403 m2 (900oC,2 jam), 0,337 m2 (500oC,6 jam), dan 0,208
m2 (900oC,6 jam).
Kata kunci: hidroksiapatit berpori, tulang ayam, pati biji durian, presipitasi,
biomaterial.
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Hydroxyapatite (HAp) is very usefull bioceramic that is widely used in medical and
nonmedical field. This study aims to know the effect of calcination temperature and
holding time to the characteristic of HAp from chicken bone and effect of durian’s
seed starch to pore size of HAp. Selection of durian’s seed starch as porogent
because durian seed is economically viable and have a high starch content. In this
study, HAp is synthesized via precipitation method using chicken bones and H3PO4 as
the precursors for calcium and phosphorus. Processing conditions were varied in
terms of the calcination temperatures (500 oC and 900oC), calcination holding times
(2 h and 6 h) and using starch and without using starch. The results showed that XRD
pattern of non porous HAp and porous HAp are similar with HAp standard pattern
(JCPDS 01-084-1998). Non porous HAp has crystal size, cristallinity and Ca/P ratio
are 63,021 nm, 87,30% and 1,566, respectively. Whereas Porous HAp has crystal
size, cristallinity and Ca/P ratio are 83,976 nm, 90,34% and 1,485, respectively.
FTIR result showed that sample has main functional group of HAp that are OH- and
PO43-. Increasing of calcination temperature and holding time increase particle size
of non porous and porous HAp. From SEM result, average particle size of non
porous HAp at 500oC are 0,743 μm (2 h) and 0,996 μm (6 h), for 900oC are 1,017 μm
(2 h) and 1,584 μm (6 h). Whereas average particle size of porous HAp at 500oC are
0,826 μm (2 h) and 1,046 μm (6 h), and for 900oC are 1,265 μm (2 h) and 1,674 μm
(6 h). Pore area of porous HAp decrease with increasing calcination temperature
and holding time. At 500oC for 2 h, pore area is too small. This may be due to some
of starch still has not burned out during calcination. Average pore area for 0,046 μm2
(500oC, 2 h), 0,403 μm2 (900oC, 2 h), 0,337 μm2 (500oC, 6 h), and 0,208 μm2 (900oC,
6 h).
Keywords: porous hydroxyapatite, chicken bone, durian’s seed starch, precipitation,
biomaterial.
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur Penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan karunia-Nya Penulis dapat menyelesaikan Tesis yang berjudul: “Pembuatan
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Berporogen Pati Biji Durian dengan Metode
Presipitasi.” Penyusunan Tesis ini merupakan syarat untuk memperoleh gelar
Magister Teknik pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara.
Dalam penyusunan Tesis ini, Penulis mendapatkan bimbingan serta bantuan
dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini juga, Penulis ingin mengucapkan terima
kasih kepada:
1. Ibu Dr. Ir. Iriany, M.Si selaku Ketua Komisi Pembimbing yang telah
menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan penulis dalam
penyusunan Tesis ini.
2. Ibu Dr. Ir. Hamidah Harahap, MSc selaku Anggota Komisi Pembimbing yang
telah menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan penulis dalam
penyusunan Tesis ini.
3. Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Kimia
Universitas Sumatera Utara.
4. Rekan-Rekan di Magister Teknik Kimia USU serta seluruh pihak yang telah
membantu dan memberi dukungan dalam penyelesaian Tesis ini.
iii
Universitas Sumatera Utara
Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan dalam penyusunan
Tesis ini. Oleh karena itu, Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik dari
pembaca yang bersifat konstruktif demi kesempurnaan penulisan ini. Akhir kata,
Penulis mengucapkan terima kasih.
Medan, Oktober 2016
Penulis
Zuqni Meldha
iv
Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Pekanbaru pada tanggal 20 Juni 1990 yang merupakan anak
kedua dari tiga bersaudara dari Bapak Ibrahim Sp. M.Si dan Ibu Sri Haryati.
Pendidikan sekolah dasar ditempuh di SDN 002 Rambah pada tahun 1996 – 2002.
Selanjutnya pendidikan sekolah menengah pertama ditempuh di SMPN 1 Rambah
pada tahun 2002 – 2005 dan pendidikan sekolah menengah atas ditempuh di SMAN 2
Rambah Hilir pada tahun 2005 – 2008. Kemudian pada tahun 2008 penulis
melanjutkan pendidikan di Program Sarjana Teknik Kimia Universitas Riau dan lulus
pada tahun 2013. Setelah itu pada tahun 2014 penulis melanjutkan pendidikan
Magister Teknik Kimia di Universitas Sumatera Utara.
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Judul
Halaman
ABSTRAK ..................................................................................................................... i
ABSTRACT .................................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR ................................................................................................iii
RIWAYAT HIDUP ....................................................................................................... v
DAFTAR ISI ............................................................................................................... vi
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... x
DAFTAR TABEL .....................................................................................................xiii
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................... xv
DAFTAR SINGKATAN ........................................................................................... xvi
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................................. 1
1.2 Perumusan Masalah .......................................................................................... 5
1.3 Tujuan Penelitian............................................................................................... 6
1.4 Manfaat Penelitian............................................................................................. 6
1.5 Lingkup Penelitian ............................................................................................ 7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................... 9
2.1 Tulang Ayam ................................................................................................... 9
2.2 Hidroksiapatit ................................................................................................ 11
2.3 Sifat Hidroksiapatit ........................................................................................ 14
vi
Universitas Sumatera Utara
2.3.1 Sifat mekanik ....................................................................................... 14
2.3.2 Sifat Kimia ........................................................................................... 15
2.4 Hidroksiapatit Berpori ................................................................................... 16
2.5 Sintesis Hidroksiapatit ................................................................................... 17
2.5.1 Presipitasi ............................................................................................. 17
2.5.2 Sol – Gel ............................................................................................. 20
2.5.3 Hidrotermal .......................................................................................... 23
2.5.4 Emulsi Beragam ................................................................................... 24
2.5.5 Solid State ............................................................................................ 25
2.5.6 Self Propagating Combustion Synthesis .............................................. 25
2.6 Karakterisasi Material Hidroksiapatit ............................................................ 29
2.6.1 X – Ray Diffraction (XRD) .................................................................. 29
2.6.2 Scanning Electron Microscopy dan Energy Dispersive X-Ray
(SEM-EDX) ......................................................................................... 31
2.6.3 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) .............................. 33
2.7 Aplikasi Hidroksiapatit .................................................................................. 34
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.................................................................... 36
3.1 Lokasi Penelitian ............................................................................................ 36
3.2 Alat dan bahan ............................................................................................... 36
3.3 Rancangan Penelitian ..................................................................................... 36
3.4 Prosedur Penelitian ........................................................................................ 38
3.4.1 Preparasi Sampel .................................................................................. 38
vii
Universitas Sumatera Utara
3.4.2 Isolasi Ca dari Tulang Ayam ............................................................... 39
3.4.3 Sintesis Hidroksiapatit tanpa Porogen Pati Biji Durian ....................... 39
3.4.4 Preparasi Pati Biji Durian .................................................................... 40
3.4.5 Sintesis Hidroksiapatit Berporogen Pati Biji Durian ........................... 40
3.5 Flowchart ....................................................................................................... 41
3.5.1 Flowchart Preparasi Sampel ................................................................ 41
3.5.2 Flowchart Isolasi Ca dari Tulang Ayam .............................................. 42
3.5.3 Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Tanpa Porogen .............................. 43
3.5.4 Flowchart Preparasi Pati Biji Durian ................................................... 44
3.5.5 Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Berporogen Pati Biji Durian ......... 45
3.6 Analisis Penelitian ......................................................................................... 47
3.6.1 Analisis AAS ....................................................................................... 47
3.6.2 Analisis FTIR ....................................................................................... 47
3.6.3 Analisis XRD ....................................................................................... 47
3.6.4 Analisis SEM – EDX ........................................................................... 48
3.5 Jadwal Pelaksanaan ........................................................................................ 48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................... 50
4.1 Kalsinasi Tepung Tulang Ayam ................................................................... 50
4.2 Hasil Karakterisasi Fourier Transform Infrared (FTIR) .............................. 52
4.2.1 Tulang Ayam Hasil Kalsinai 1000oC ................................................... 53
4.2.2 Pati Biji Durian .................................................................................... 54
4.2.3 Hidroksiapatit Berporogen Pati dan Tanpa Porogen ........................... 55
viii
Universitas Sumatera Utara
4.3 Hasil X-Ray Diffraction (XRD) .................................................................... 59
4.3.1 Hasil XRD Hidroksiapatit Tanpa Porogen (900oC, 6 jam) .................. 59
4.3.2 Hasil XRD Hidroksiapatit Berporogen Pati (900oC, 6 jam) ................ 61
4.3.3 Ukuran Kristal dan Tingkat Kristalinitas ............................................. 63
4.4 Hasil Scanning Electromagnetic Microscopy dan Energy Dispersive X-Ray
(SEM – EDX) ............................................................................................... 65
4.4.1 Pengaruh Suhu dan Waktu Kalsinasi Terhadap Morfologi HAp tanpa
Porogen ................................................................................................ 66
4.4.2 Pengaruh Suhu dan Waktu Kalsinasi Terhadap Morfologi HAp
Berporogen Pati Biji Durian .............................................................. 69
4.4.3 Hasil Analisis EDX .............................................................................. 72
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................... 75
5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 75
5.2 Saran ............................................................................................................. 76
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 78
LAMPIRAN A HASIL ANALISIS AAS ................................................................. L-1
LAMPIRAN B HASIL ANALISIS FTIR................................................................. L-3
LAMPIRAN C HASIL ANALISIS XRD ................................................................. L-4
LAMPIRAN D PERHITUNGAN UKURAN KRISTAL....................................... L-15
LAMPIRAN E HASIL ANALISIS SEM DAN EDX ............................................ L-21
LAMPIRAN F DOKUMENTASI PENELITIAN .................................................. L-34
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
2.1
Sistem Tulang pada Unggas ........................................................................ 10
2.2
Bubuk Hidroksiapatit .................................................................................. 13
2.3
Model Difraksi Hukum Bragg .................................................................... 29
3.1
Flowchart Preparasi Sampel ....................................................................... 42
3.2
Flowchart Isolasi Ca dari Tulang Ayam .................................................... 42
3.3
Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Tanpa Porogen .................................... 44
3.4
Flowchart Preparasi Pati Biji Durian ......................................................... 45
3.5
Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Berporogen Pati Biji Durian................ 46
4.1
Tepung Tulang Ayam (a) tanpa Kalsinasi dan (b) Kalsinasi ...................... 51
4.2
Spektrum Inframerah HAp Berporogen Pati dan HAp tanpa Porogen
yang Dikalsinasi pada Suhu 500oC dan 900oC Selama 6 Jam ................... 56
4.3
Perbandingan Puncak HAp Hasil Sintesis dengan HAp Standar JCPDS .. 60
4.4
Perbandingan Puncak HAp Berpori Hasil Sintesis dengan HAp
Standar JCPDS ........................................................................................... 62
4.5
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Selama 2 Jam pada Perbesaran SEM
25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC dan (b) 900oC ................... 66
4.6
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Selama 6 Jam pada Perbesaran SEM
25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC dan (b) 900oC ................... 67
4.7
Perubahan Struktur Partikel ...................................................................... 68
x
Universitas Sumatera Utara
4.8
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Berporogen Pati Biji Durian Selama 2
Jam pada Perbesaran SEM 25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC
dan (b) 900oC ............................................................................................ 70
4.9
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Berporogen Pati Biji Durian Selama 6
Jam pada Perbesaran SEM 25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC
dan (b) 900oC ............................................................................................ 70
A.1
Kurva Larutan Standar .............................................................................. L-1
B.1
Spektrum Inframerah Tepung Tulang Ayam Hasil Kalsinasi................... L-3
B.2
Spektrum Inframerah Pati Biji Durian ...................................................... L-3
C.1
Hasil Uji XRD Hidroksiapatit tanpa Porogen (900oC, 6 Jam).................. L-7
C.2
Hasil Uji XRD Hidroksiapatit Berporogen Pati (900oC, 6 Jam) .............. L-10
C.3
Stick Pattern Hidroksiapatit Standar ....................................................... L-12
C.4
Stick Pattern Sodium Kalsium Magnesium Fospat ................................ L-14
D.1
Contoh Perhitungan Tingkat Kristalinitas............................................... L-20
E.1
Hasil Analisis EDX HAp (900 oC 6 jam) pada Spot 1............................. L-21
E.2
Hasil Analisis EDX HAp (900 oC 6 jam) pada Spot 2............................. L-21
E.3
Hasil Analisis EDX HAp (900 oC 6 jam) pada Spot 3............................. L-22
E.4
Hasil Analisis EDX HAp/Pati (900oC 6 jam) pada Spot 1 ..................... L-23
E.5
Hasil Analisis EDX HAp/Pati (900oC 6 jam) pada Spot 2 ..................... L-23
E.6
Hasil Analisis EDX HAp/Pati (900oC 6 jam) pada Spot 3 ..................... L-24
E.7
Screenshot Cara Mengoperasikan Software ImageJ ............................... L-25
E.8
Screenshot Kalibrasi Gambar SEM ........................................................ L-26
xi
Universitas Sumatera Utara
E.9
Screenshot Mengubah Tipe Gambar Menjadi 8-bit ................................ L-27
E.10
Screenshot Bandpass Filter dari Gambar SEM ...................................... L-27
E.11
Screenshot Pengaturan Threshold ........................................................... L-28
E.12
Screenshot Hasil Analisis Partikel .......................................................... L-29
E.13
Screenshot Pengaturan Threshold untuk Analisis Luas Pori .................. L-31
E.14
Screenshot Pengukuran Luas Pori ........................................................... L-32
E.15
Screenshot Hasil Pengukuran Luas Pori ................................................. L-32
F.1
Skema Pembuatan Tepung Tulang Ayam dan Proses Kalsinasi Tepung
Tulang Ayam ........................................................................................... L-34
F.2
Skema Pembuatan Hidroksiapatit dengan Proses Presipitasi.................. L-35
F.3
Pati Biji Durian ....................................................................................... L-35
xii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
1.1
Perkembangan Penelitian Sintesis Hidroksiapatit .........................................
5
2.1
Jenis Mineral Apatit ...................................................................................... 12
2.2
Jenis Kalsium Ortofosfat dan Rasio Ca/P ..................................................... 15
2.3
Perbandingan Metode Sintesis Hidroksiapatit .............................................. 28
3.1
Jadwal Pelaksanaan Penelitian ...................................................................... 49
4.1
Bilangan Gelombang Tulang Ayam Hasil Kalsinasi .................................... 53
4.2
Bilangan Gelombang Pati Biji Durian .......................................................... 55
4.3
Rangkuman Bilangan Gelombang HAp Berporogen Pati dan HAp tanpa
Porogen yang Dikalsinasi Selama 6 Jam ...................................................... 58
4.4
Puncak – Puncak Tertinggi Hidroksiapatit Hasil Sintesis ............................ 61
4.5
Puncak – Puncak Tertinggi Hidroksiapatit Berporogen Pati Hasil Sintesis
4.6
Ukuran kristal dan Tingkat Kristalinitas ....................................................... 63
4.7
Rasio Ca/P Hidroksiapatit tanpa Porogen dan Hidroksiapatit Berporogen
63
Pati Biji Durian pada Suhu 900oC Selama 6 Jam ......................................... 73
A.1
Konsentrasi dan Absorbansi Larutan Standar ............................................... L-1
A.2
Hasil Analisis AAS ....................................................................................... L-2
C.1
Peak List HAp 900oC 6 Jam .......................................................................... L-6
C.2
Peak List HAp/Pati 900oC 6 Jam................................................................... L10
D.1
Perhitungan Ukuran Kristal dari Hidroksiapatit pada Suhu 900oC
xiii
Universitas Sumatera Utara
Selama 6 jam ................................................................................................. L-18
D.2
Ukuran Kristal ............................................................................................... L-19
E.1
Data Komposisi EDX HAp pada Spot 1 ....................................................... L-21
E.2
Data Komposisi EDX HAp pada Spot 2 ....................................................... L-22
E.3
Data Komposisi EDX HAp pada Spot 3 ....................................................... L-22
E.4
Data Komposisi EDX HAp/Pati pada Spot 1 ................................................ L-23
E.5
Data Komposisi EDX HAp/Pati pada Spot 2 ................................................ L-24
E.6
Data Komposisi EDX HAp/Pati pada Spot 3 ................................................ L-24
E.7
Hasil Pengukuran Analisis Partikel Hidroksiapatit Tanpa Porogen dan
Berporogen Pati Biji Durian.......................................................................... L-30
E.8
Hasil Pengukuran Luas Pori dengan Hasil Analisis ImageJ .......................... L-33
xiv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Judul
Halaman
A HASIL ANALISIS AAS ................................................................................... L-1
B
HASIL ANALISIS FTIR .................................................................................. L-3
C
HASIL ANALISIS XRD ................................................................................... L-4
D PERHITUNGAN UKURAN KRISTAL .......................................................... L-15
E
HASIL ANALISIS SEM DAN EDX ..............................................................
L-21
F
DOKUMENTASI PENELITIAN ...................................................................
L-34
xv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SINGKATAN
CHA
: Carbonated Hydroxyapatite
EDX
: Energy Dispersive X-Ray
FTIR
: Fourier Transform Infrared
FWHM
: Full Width Half Maximum
HAp/HA
: Hidroksiapatit
ICSD
: Inorganic Crystal Structure database
JCPDS
: Joint Committee on Powder Diffraction Standards
RIR
: Relative Intensity Ratio
SEM
: Scanning Electron Microscopy
XRD
: X-Ray Diffraction
xvi
Universitas Sumatera Utara
BERPOROGEN PATI BIJI DURIAN DENGAN
METODE PRESIPITASI
TESIS
OLEH
ZUQNI MELDHA
137022002 / TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
i
Universitas Sumatera Utara
PEMBUATAN HIDROKSIAPATIT DARI TULANG AYAM
BERPOROGEN PATI BIJI DURIAN DENGAN
METODE PRESIPITASI
TESIS
Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik
Pada Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara
OLEH
ZUQNI MELDHA
137022002 / TK
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2016
ii
Universitas Sumatera Utara
iii
Universitas Sumatera Utara
ABSTRAK
Hidroksiapatit (HAp) adalah biokeramik yang sangat bermanfaat dan banyak
digunakan secara luas pada bidang medis dan nonmedis. Penelitian ini bertujuan
untuk mengetahui pengaruh suhu dan waktu kalsinasi terhadap karakteristik HAp
yang dihasilkan dari tulang ayam dan pengaruh porogen pati biji durian terhadap
ukuran pori HAp. Pemilihan pati biji durian sebagai porogen karena biji durian
bernilai ekonomis dan mempunyai kandungan pati yang tinggi yaitu 47,6%. Pada
penelitian ini, HAp disintesis dengan metode presipitasi dengan menggunakan tulang
ayam dan H3PO4 sebagai prekursor kalsium dan fosfor. Kondisi proses divariasikan
terhadap suhu kalsinasi (500oC dan 900oC), waktu kalsinasi (2 jam dan 6 jam) dan
penggunaan pati dan tanpa pati. Hasil sintesis menunjukkan bahwa pola XRD dari
HAp berporogen pati dan tanpa porogen memiliki pola yang mirip dengan HAp
standar (JCPDS 01-084-1998). HAp tanpa porogen memiliki ukuran kristal,
kristalinitas dan rasio Ca/P masing – masing adalah 63,021 nm, 87,30% dan 1,566,
sedangkan HAp berporogen pati memiliki ukuran kristal, kristalinitas dan rasio Ca/P
masing – masing adalah 83,975 nm, 90,34% dan 1,485. Hasil analisis FTIR
menunjukkan sampel HAp mempunyai gugus fungsi utama HAp yaitu OH- dan PO43. Peningkatan suhu dan waktu kalsinasi meningkatkan ukuran partikel HAp tanpa
porogen dan HAp berporogen pati. Hal ini terlihat dari hasil uji SEM dimana ukuran
partikel rata-rata HAp tanpa porogen pada suhu 500oC adalah 0,74γ m (β jam) dan
0,λλ6 m (6 jam), pada suhu λ00oC sebesar 1,017 m (β jam) dan 1,584 m (6 jam).
Sedangkan untuk HAp berporogen pati pada suhu 500oC ukuran partikel rata-ratanya
adalah 0,8β6 m (β jam) dan 1,046 m (6 jam), pada suhu λ00oC sebesar 1,β65 m (β
jam) dan 1,674 m (6 jam).Untuk HAp berporogen pati, luas pori yang didapat
menurun dengan naiknya suhu dan waktu kalsinasi. Namun pada suhu 500oC selama
2 jam luas pori terlalu kecil. Hal ini mungkin disebabkan pati belum terbakar habis
pada waktu 2 jam pada suhu 500oC. Luas pori rata-rata yang diperoleh adalah 0,046
m2 (500oC,2 jam), 0,403 m2 (900oC,2 jam), 0,337 m2 (500oC,6 jam), dan 0,208
m2 (900oC,6 jam).
Kata kunci: hidroksiapatit berpori, tulang ayam, pati biji durian, presipitasi,
biomaterial.
i
Universitas Sumatera Utara
ABSTRACT
Hydroxyapatite (HAp) is very usefull bioceramic that is widely used in medical and
nonmedical field. This study aims to know the effect of calcination temperature and
holding time to the characteristic of HAp from chicken bone and effect of durian’s
seed starch to pore size of HAp. Selection of durian’s seed starch as porogent
because durian seed is economically viable and have a high starch content. In this
study, HAp is synthesized via precipitation method using chicken bones and H3PO4 as
the precursors for calcium and phosphorus. Processing conditions were varied in
terms of the calcination temperatures (500 oC and 900oC), calcination holding times
(2 h and 6 h) and using starch and without using starch. The results showed that XRD
pattern of non porous HAp and porous HAp are similar with HAp standard pattern
(JCPDS 01-084-1998). Non porous HAp has crystal size, cristallinity and Ca/P ratio
are 63,021 nm, 87,30% and 1,566, respectively. Whereas Porous HAp has crystal
size, cristallinity and Ca/P ratio are 83,976 nm, 90,34% and 1,485, respectively.
FTIR result showed that sample has main functional group of HAp that are OH- and
PO43-. Increasing of calcination temperature and holding time increase particle size
of non porous and porous HAp. From SEM result, average particle size of non
porous HAp at 500oC are 0,743 μm (2 h) and 0,996 μm (6 h), for 900oC are 1,017 μm
(2 h) and 1,584 μm (6 h). Whereas average particle size of porous HAp at 500oC are
0,826 μm (2 h) and 1,046 μm (6 h), and for 900oC are 1,265 μm (2 h) and 1,674 μm
(6 h). Pore area of porous HAp decrease with increasing calcination temperature
and holding time. At 500oC for 2 h, pore area is too small. This may be due to some
of starch still has not burned out during calcination. Average pore area for 0,046 μm2
(500oC, 2 h), 0,403 μm2 (900oC, 2 h), 0,337 μm2 (500oC, 6 h), and 0,208 μm2 (900oC,
6 h).
Keywords: porous hydroxyapatite, chicken bone, durian’s seed starch, precipitation,
biomaterial.
ii
Universitas Sumatera Utara
KATA PENGANTAR
Puji syukur Penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat
dan karunia-Nya Penulis dapat menyelesaikan Tesis yang berjudul: “Pembuatan
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Berporogen Pati Biji Durian dengan Metode
Presipitasi.” Penyusunan Tesis ini merupakan syarat untuk memperoleh gelar
Magister Teknik pada Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas
Sumatera Utara.
Dalam penyusunan Tesis ini, Penulis mendapatkan bimbingan serta bantuan
dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini juga, Penulis ingin mengucapkan terima
kasih kepada:
1. Ibu Dr. Ir. Iriany, M.Si selaku Ketua Komisi Pembimbing yang telah
menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan penulis dalam
penyusunan Tesis ini.
2. Ibu Dr. Ir. Hamidah Harahap, MSc selaku Anggota Komisi Pembimbing yang
telah menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan penulis dalam
penyusunan Tesis ini.
3. Bapak Dr. Ir. Taslim, M.Si selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Kimia
Universitas Sumatera Utara.
4. Rekan-Rekan di Magister Teknik Kimia USU serta seluruh pihak yang telah
membantu dan memberi dukungan dalam penyelesaian Tesis ini.
iii
Universitas Sumatera Utara
Penulis menyadari masih banyak terdapat kekurangan dalam penyusunan
Tesis ini. Oleh karena itu, Penulis sangat mengharapkan saran dan kritik dari
pembaca yang bersifat konstruktif demi kesempurnaan penulisan ini. Akhir kata,
Penulis mengucapkan terima kasih.
Medan, Oktober 2016
Penulis
Zuqni Meldha
iv
Universitas Sumatera Utara
RIWAYAT HIDUP
Penulis lahir di Pekanbaru pada tanggal 20 Juni 1990 yang merupakan anak
kedua dari tiga bersaudara dari Bapak Ibrahim Sp. M.Si dan Ibu Sri Haryati.
Pendidikan sekolah dasar ditempuh di SDN 002 Rambah pada tahun 1996 – 2002.
Selanjutnya pendidikan sekolah menengah pertama ditempuh di SMPN 1 Rambah
pada tahun 2002 – 2005 dan pendidikan sekolah menengah atas ditempuh di SMAN 2
Rambah Hilir pada tahun 2005 – 2008. Kemudian pada tahun 2008 penulis
melanjutkan pendidikan di Program Sarjana Teknik Kimia Universitas Riau dan lulus
pada tahun 2013. Setelah itu pada tahun 2014 penulis melanjutkan pendidikan
Magister Teknik Kimia di Universitas Sumatera Utara.
v
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Judul
Halaman
ABSTRAK ..................................................................................................................... i
ABSTRACT .................................................................................................................... ii
KATA PENGANTAR ................................................................................................iii
RIWAYAT HIDUP ....................................................................................................... v
DAFTAR ISI ............................................................................................................... vi
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................... x
DAFTAR TABEL .....................................................................................................xiii
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................... xv
DAFTAR SINGKATAN ........................................................................................... xvi
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................. 1
1.1 Latar Belakang ................................................................................................. 1
1.2 Perumusan Masalah .......................................................................................... 5
1.3 Tujuan Penelitian............................................................................................... 6
1.4 Manfaat Penelitian............................................................................................. 6
1.5 Lingkup Penelitian ............................................................................................ 7
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ................................................................................... 9
2.1 Tulang Ayam ................................................................................................... 9
2.2 Hidroksiapatit ................................................................................................ 11
2.3 Sifat Hidroksiapatit ........................................................................................ 14
vi
Universitas Sumatera Utara
2.3.1 Sifat mekanik ....................................................................................... 14
2.3.2 Sifat Kimia ........................................................................................... 15
2.4 Hidroksiapatit Berpori ................................................................................... 16
2.5 Sintesis Hidroksiapatit ................................................................................... 17
2.5.1 Presipitasi ............................................................................................. 17
2.5.2 Sol – Gel ............................................................................................. 20
2.5.3 Hidrotermal .......................................................................................... 23
2.5.4 Emulsi Beragam ................................................................................... 24
2.5.5 Solid State ............................................................................................ 25
2.5.6 Self Propagating Combustion Synthesis .............................................. 25
2.6 Karakterisasi Material Hidroksiapatit ............................................................ 29
2.6.1 X – Ray Diffraction (XRD) .................................................................. 29
2.6.2 Scanning Electron Microscopy dan Energy Dispersive X-Ray
(SEM-EDX) ......................................................................................... 31
2.6.3 Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) .............................. 33
2.7 Aplikasi Hidroksiapatit .................................................................................. 34
BAB III METODOLOGI PENELITIAN.................................................................... 36
3.1 Lokasi Penelitian ............................................................................................ 36
3.2 Alat dan bahan ............................................................................................... 36
3.3 Rancangan Penelitian ..................................................................................... 36
3.4 Prosedur Penelitian ........................................................................................ 38
3.4.1 Preparasi Sampel .................................................................................. 38
vii
Universitas Sumatera Utara
3.4.2 Isolasi Ca dari Tulang Ayam ............................................................... 39
3.4.3 Sintesis Hidroksiapatit tanpa Porogen Pati Biji Durian ....................... 39
3.4.4 Preparasi Pati Biji Durian .................................................................... 40
3.4.5 Sintesis Hidroksiapatit Berporogen Pati Biji Durian ........................... 40
3.5 Flowchart ....................................................................................................... 41
3.5.1 Flowchart Preparasi Sampel ................................................................ 41
3.5.2 Flowchart Isolasi Ca dari Tulang Ayam .............................................. 42
3.5.3 Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Tanpa Porogen .............................. 43
3.5.4 Flowchart Preparasi Pati Biji Durian ................................................... 44
3.5.5 Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Berporogen Pati Biji Durian ......... 45
3.6 Analisis Penelitian ......................................................................................... 47
3.6.1 Analisis AAS ....................................................................................... 47
3.6.2 Analisis FTIR ....................................................................................... 47
3.6.3 Analisis XRD ....................................................................................... 47
3.6.4 Analisis SEM – EDX ........................................................................... 48
3.5 Jadwal Pelaksanaan ........................................................................................ 48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................... 50
4.1 Kalsinasi Tepung Tulang Ayam ................................................................... 50
4.2 Hasil Karakterisasi Fourier Transform Infrared (FTIR) .............................. 52
4.2.1 Tulang Ayam Hasil Kalsinai 1000oC ................................................... 53
4.2.2 Pati Biji Durian .................................................................................... 54
4.2.3 Hidroksiapatit Berporogen Pati dan Tanpa Porogen ........................... 55
viii
Universitas Sumatera Utara
4.3 Hasil X-Ray Diffraction (XRD) .................................................................... 59
4.3.1 Hasil XRD Hidroksiapatit Tanpa Porogen (900oC, 6 jam) .................. 59
4.3.2 Hasil XRD Hidroksiapatit Berporogen Pati (900oC, 6 jam) ................ 61
4.3.3 Ukuran Kristal dan Tingkat Kristalinitas ............................................. 63
4.4 Hasil Scanning Electromagnetic Microscopy dan Energy Dispersive X-Ray
(SEM – EDX) ............................................................................................... 65
4.4.1 Pengaruh Suhu dan Waktu Kalsinasi Terhadap Morfologi HAp tanpa
Porogen ................................................................................................ 66
4.4.2 Pengaruh Suhu dan Waktu Kalsinasi Terhadap Morfologi HAp
Berporogen Pati Biji Durian .............................................................. 69
4.4.3 Hasil Analisis EDX .............................................................................. 72
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................... 75
5.1 Kesimpulan ................................................................................................... 75
5.2 Saran ............................................................................................................. 76
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................. 78
LAMPIRAN A HASIL ANALISIS AAS ................................................................. L-1
LAMPIRAN B HASIL ANALISIS FTIR................................................................. L-3
LAMPIRAN C HASIL ANALISIS XRD ................................................................. L-4
LAMPIRAN D PERHITUNGAN UKURAN KRISTAL....................................... L-15
LAMPIRAN E HASIL ANALISIS SEM DAN EDX ............................................ L-21
LAMPIRAN F DOKUMENTASI PENELITIAN .................................................. L-34
ix
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Nomor
Judul
Halaman
2.1
Sistem Tulang pada Unggas ........................................................................ 10
2.2
Bubuk Hidroksiapatit .................................................................................. 13
2.3
Model Difraksi Hukum Bragg .................................................................... 29
3.1
Flowchart Preparasi Sampel ....................................................................... 42
3.2
Flowchart Isolasi Ca dari Tulang Ayam .................................................... 42
3.3
Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Tanpa Porogen .................................... 44
3.4
Flowchart Preparasi Pati Biji Durian ......................................................... 45
3.5
Flowchart Sintesis Hidroksiapatit Berporogen Pati Biji Durian................ 46
4.1
Tepung Tulang Ayam (a) tanpa Kalsinasi dan (b) Kalsinasi ...................... 51
4.2
Spektrum Inframerah HAp Berporogen Pati dan HAp tanpa Porogen
yang Dikalsinasi pada Suhu 500oC dan 900oC Selama 6 Jam ................... 56
4.3
Perbandingan Puncak HAp Hasil Sintesis dengan HAp Standar JCPDS .. 60
4.4
Perbandingan Puncak HAp Berpori Hasil Sintesis dengan HAp
Standar JCPDS ........................................................................................... 62
4.5
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Selama 2 Jam pada Perbesaran SEM
25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC dan (b) 900oC ................... 66
4.6
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Selama 6 Jam pada Perbesaran SEM
25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC dan (b) 900oC ................... 67
4.7
Perubahan Struktur Partikel ...................................................................... 68
x
Universitas Sumatera Utara
4.8
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Berporogen Pati Biji Durian Selama 2
Jam pada Perbesaran SEM 25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC
dan (b) 900oC ............................................................................................ 70
4.9
Hidroksiapatit dari Tulang Ayam Berporogen Pati Biji Durian Selama 6
Jam pada Perbesaran SEM 25000 Kali dengan Suhu Kalsinasi (a) 500oC
dan (b) 900oC ............................................................................................ 70
A.1
Kurva Larutan Standar .............................................................................. L-1
B.1
Spektrum Inframerah Tepung Tulang Ayam Hasil Kalsinasi................... L-3
B.2
Spektrum Inframerah Pati Biji Durian ...................................................... L-3
C.1
Hasil Uji XRD Hidroksiapatit tanpa Porogen (900oC, 6 Jam).................. L-7
C.2
Hasil Uji XRD Hidroksiapatit Berporogen Pati (900oC, 6 Jam) .............. L-10
C.3
Stick Pattern Hidroksiapatit Standar ....................................................... L-12
C.4
Stick Pattern Sodium Kalsium Magnesium Fospat ................................ L-14
D.1
Contoh Perhitungan Tingkat Kristalinitas............................................... L-20
E.1
Hasil Analisis EDX HAp (900 oC 6 jam) pada Spot 1............................. L-21
E.2
Hasil Analisis EDX HAp (900 oC 6 jam) pada Spot 2............................. L-21
E.3
Hasil Analisis EDX HAp (900 oC 6 jam) pada Spot 3............................. L-22
E.4
Hasil Analisis EDX HAp/Pati (900oC 6 jam) pada Spot 1 ..................... L-23
E.5
Hasil Analisis EDX HAp/Pati (900oC 6 jam) pada Spot 2 ..................... L-23
E.6
Hasil Analisis EDX HAp/Pati (900oC 6 jam) pada Spot 3 ..................... L-24
E.7
Screenshot Cara Mengoperasikan Software ImageJ ............................... L-25
E.8
Screenshot Kalibrasi Gambar SEM ........................................................ L-26
xi
Universitas Sumatera Utara
E.9
Screenshot Mengubah Tipe Gambar Menjadi 8-bit ................................ L-27
E.10
Screenshot Bandpass Filter dari Gambar SEM ...................................... L-27
E.11
Screenshot Pengaturan Threshold ........................................................... L-28
E.12
Screenshot Hasil Analisis Partikel .......................................................... L-29
E.13
Screenshot Pengaturan Threshold untuk Analisis Luas Pori .................. L-31
E.14
Screenshot Pengukuran Luas Pori ........................................................... L-32
E.15
Screenshot Hasil Pengukuran Luas Pori ................................................. L-32
F.1
Skema Pembuatan Tepung Tulang Ayam dan Proses Kalsinasi Tepung
Tulang Ayam ........................................................................................... L-34
F.2
Skema Pembuatan Hidroksiapatit dengan Proses Presipitasi.................. L-35
F.3
Pati Biji Durian ....................................................................................... L-35
xii
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Nomor
Judul
Halaman
1.1
Perkembangan Penelitian Sintesis Hidroksiapatit .........................................
5
2.1
Jenis Mineral Apatit ...................................................................................... 12
2.2
Jenis Kalsium Ortofosfat dan Rasio Ca/P ..................................................... 15
2.3
Perbandingan Metode Sintesis Hidroksiapatit .............................................. 28
3.1
Jadwal Pelaksanaan Penelitian ...................................................................... 49
4.1
Bilangan Gelombang Tulang Ayam Hasil Kalsinasi .................................... 53
4.2
Bilangan Gelombang Pati Biji Durian .......................................................... 55
4.3
Rangkuman Bilangan Gelombang HAp Berporogen Pati dan HAp tanpa
Porogen yang Dikalsinasi Selama 6 Jam ...................................................... 58
4.4
Puncak – Puncak Tertinggi Hidroksiapatit Hasil Sintesis ............................ 61
4.5
Puncak – Puncak Tertinggi Hidroksiapatit Berporogen Pati Hasil Sintesis
4.6
Ukuran kristal dan Tingkat Kristalinitas ....................................................... 63
4.7
Rasio Ca/P Hidroksiapatit tanpa Porogen dan Hidroksiapatit Berporogen
63
Pati Biji Durian pada Suhu 900oC Selama 6 Jam ......................................... 73
A.1
Konsentrasi dan Absorbansi Larutan Standar ............................................... L-1
A.2
Hasil Analisis AAS ....................................................................................... L-2
C.1
Peak List HAp 900oC 6 Jam .......................................................................... L-6
C.2
Peak List HAp/Pati 900oC 6 Jam................................................................... L10
D.1
Perhitungan Ukuran Kristal dari Hidroksiapatit pada Suhu 900oC
xiii
Universitas Sumatera Utara
Selama 6 jam ................................................................................................. L-18
D.2
Ukuran Kristal ............................................................................................... L-19
E.1
Data Komposisi EDX HAp pada Spot 1 ....................................................... L-21
E.2
Data Komposisi EDX HAp pada Spot 2 ....................................................... L-22
E.3
Data Komposisi EDX HAp pada Spot 3 ....................................................... L-22
E.4
Data Komposisi EDX HAp/Pati pada Spot 1 ................................................ L-23
E.5
Data Komposisi EDX HAp/Pati pada Spot 2 ................................................ L-24
E.6
Data Komposisi EDX HAp/Pati pada Spot 3 ................................................ L-24
E.7
Hasil Pengukuran Analisis Partikel Hidroksiapatit Tanpa Porogen dan
Berporogen Pati Biji Durian.......................................................................... L-30
E.8
Hasil Pengukuran Luas Pori dengan Hasil Analisis ImageJ .......................... L-33
xiv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Judul
Halaman
A HASIL ANALISIS AAS ................................................................................... L-1
B
HASIL ANALISIS FTIR .................................................................................. L-3
C
HASIL ANALISIS XRD ................................................................................... L-4
D PERHITUNGAN UKURAN KRISTAL .......................................................... L-15
E
HASIL ANALISIS SEM DAN EDX ..............................................................
L-21
F
DOKUMENTASI PENELITIAN ...................................................................
L-34
xv
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR SINGKATAN
CHA
: Carbonated Hydroxyapatite
EDX
: Energy Dispersive X-Ray
FTIR
: Fourier Transform Infrared
FWHM
: Full Width Half Maximum
HAp/HA
: Hidroksiapatit
ICSD
: Inorganic Crystal Structure database
JCPDS
: Joint Committee on Powder Diffraction Standards
RIR
: Relative Intensity Ratio
SEM
: Scanning Electron Microscopy
XRD
: X-Ray Diffraction
xvi
Universitas Sumatera Utara