BAHAN DAN METODE. Sintesis HAp

Transkripsi

1 4 logam, di antaranya stabilitas larutan HAp dan besarnya tegangan yang digunakan. Menurut Xiao et al. (2008), untuk meningkatkan stabilitas, larutan ditambahkan pendispersi. Dalam penelitian ini, pendispersi yang digunakan adalah TEA. Hal ini bertujuan membuat larutan homogen sehingga partikel HAp yang terdispersi dapat bergerak dengan baik menuju permukaan logam saat proses deposisi elektroforesis. Besarnya tegangan akan mempengaruhi efektivitas penempelan partikel pada permukaan logam sehingga membentuk lapisan tipis. Semakin tinggi tegangan yang digunakan dan tidak melebihi 150V, maka akan semakin meningkatkan kerapatan lapisan yang menempel permukaan logam (MondragonCortez et al. 2004). Menurut Wang et al. (2002), hasil EPD menjadi rusak saat tegangan listrik yang digunakan melebihi 150V dan lebih dari 90 detik. Kelebihan metode EPD adalah kemudahan dalam mengontrol deposisi HAp yang menempel pada permukaan logam, prosesnya menggunakan suhu yang rendah, memiliki kemurnian deposisi HAp yang tinggi, dan penggunaan peralatan yang relatif murah. BAHAN DAN METODE Alat dan Bahan Alatalat yang digunakan adalah perlengkapan EPD (elektroda, sumber tegangan 90, 120, dan 150V), peralatan analisis (XRD merk Philips tipe shimadzu dan mikroskop optik), dan ultrasonic vibrator. Bahanbahan yang digunakan adalah CaCl. 2 2H 2 O, NaH 2 PO. 4 2H 2 O, etanol absolut, trietanolamina (TEA), aluminium foil, kertas saring, dan baja tahan karat tipe 316L. Metode Metode yang digunakan dalam penelitian ini meliputi 4 tahap, yaitu sintesis HAp, pencirian material awal (HAp dan SS), pelapisan HAp pada logam SS, dan pencirian material hasil pelapisan. Metode pelapisan yang digunakan adalah deposisi elektroforesis (EPD). Parameter yang dilakukan pada teknik pelapisan EPD adalah waktu pelapisan dan besarnya tegangan listrik yang digunakan. Bagan alir penelitian dapat dilihat pada Lampiran 1. Sintesis HAp Menurut TorrentBurgues et al. (2001), pembuatan HAp dapat dilakukan menggunakan metode presipitasi. Larutan NaH 2 PO 4 0,18 M dititrasi oleh CaCl 2 0,3 M pada suhu 37 C. Proses titrasi dilakukan di dalam ultrasonic vibrator dan dalam keadaan tertutup. Setelah keruh, larutan didiamkan selama 24 jam kemudian disaring dengan penyaring. Setelah disaring, serbuk dipanaskan dalam oven pada suhu 900 C selama 5 jam. HAp yang diperoleh dicirikan dengan menggunakan XRD. Pelapisan HAp Proses pelapisan HAp pada permukaan logam SS meliputi 3 tahap, yaitu preparasi bahan, pelapisan dengan teknik EPD, dan proses pemanasan. Proses preparasi meliputi pemanasan logam SS 316L sebelum dilakukan pelapisan dan pelarutan serbuk HAp pada larutan etanol. Pemanasan logam SS Sebelum pelapisan, logam SS yang akan dijadikan elektroda juga dipanaskan pada suhu 120 C. Hal ini dilakukan untuk membersihkan kotoran yang mungkin ada pada permukaan logam (Stoch et al. 2001). Pelarutan HAp HAp sebanyak 1 gram dilarutkan dalam etanol 50 ml. Setelah itu, ditambahkan larutan pendispersi TEA sebanyak 5 ml. Larutan pendispersi TEA berfungsi menambah kestabilan sistem koloid HAp dalam larutan (Xiao et al. 2006). Setelah itu, larutan diberi gelombang ultrasonik 20 khz (95 kw) selama 30 menit dengan ultrasonic vibrator. Larutan didiamkan selama 5 menit. Sistem koloid dapat digunakan jika partikel HAp telah terdispersi pada larutan etanol yang dapat ditunjukkan dengan keruhnya sistem koloid oleh partikel HAp. Pelapisan dengan teknik EPD Larutan koloid HAp yang telah terbentuk disimpan dalam gelas kimia. Kemudian larutan ini dihubungkan dengan dua elektroda, satu elektroda adalah SS 316L yang menjadi target pelapisan HAp pada permukannya (bermuatan negatif) dan satu elektroda lainnya adalah logam platina yang bersifat lembam

2 5 (bermuatan positif). Dalam proses deposisi elektroforesis, serbuk HAp yang terdispersi pada larutan akan digerakkan arus listrik yang bermuatan secara elektroforesis. HAp yang terbawa akan menempel pada permukaan logam SS 316L yang bermuatan negatif dengan membentuk deposisi pada permukan logam (Corni et al. 2008). Sumber tegangan yang digunakan adalah 90, 120 dan 150V dengan peubah waktu 1 dan 2 menit. Selanjutnya, dilakukan juga EPD selama 5 menit untuk melihat perbedaan proses EPD yang melebihi 120 detik. EPD selama 5 menit dilakukan pada tegangan yang tetap. Gambar 5 menunjukkan alat EPD yang digunakan. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis HAp Hidroksiapatit disintesis secara titrimetri menggunakan larutan NaH 2 PO 4 0,18 M dan CaCl 2 0,3 M pada suhu 70 C. Menurut Liu et al. (2005), reaksi yang berlangsung pada proses sintesis HAp meliputi 3 tahap, yaitu reaksi ionisasi, hidrolisis, dan reaksi pembentukan HAp. Reaksi ionisasi senyawa CaCl. 2 2H 2 O dan NaH 2 PO. 4 2H 2 O yang masingmasing menyumbangkan sumber Ca 2+ dan 3 PO 4 sedangkan reaksi hidrolisis air menghasilkan OH. Pada saat pembentukan HAp akan terjadi reaksi pengikatan Ca 2+, PO 3 4, dan OH. Tahapan reaksi yang berlangsung disajikan berikut ini: Reaksi 1a (reaksi ionisasi) 10CaCl 2 10Ca Cl Reaksi 1b (reaksi ionisasi) 6NaH 2 PO 4 6Na + + 6H 2 PO 4 6H 2 PO 4 6H HPO 4 6HPO 4 6H PO 4 Gambar 5 Alat EPD (Corni et al. 2008). Pemanasan Setelah proses pelapisan, dilakukan proses pemanasan pada suhu 250 C selama 1 jam. Proses pemanasan ini dilakukan untuk menguatkan partikel yang menempel pada permukaan logam SS 316L (Javidi et al. 2008). Pemanasan juga dilakukan untuk menguapkan pendispersi TEA yang mungkin menempel pada logam SS 316L (Yousefpour et al. 2007) Pencirian material hasil pelapisan Setelah proses pemanasan, dilakukan analisis dengan menggunakan XRD dan mikroskop optik untuk mengetahui menempelnya HAp pada permukaan logam SS 316L. Hasil analisis difraktogram akan secara spesifik menunjukkan pola puncak HAp yang tertempel pada permukaan logam SS 316L (Xiao et al. 2006). Permukaan pelapisan pada logam 316L dapat diamati oleh mikroskop optik dengan perbesaran 200x. Reaksi 1c (reaksi penguraian air) 2H 2 O 2OH + 2H + Reaksi 2 (reaksi pembentukan HAp) 10 Ca PO OH Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Reaksi lengkap 10CaCl 2 + 6NaH 2 PO 4 + 2H 2 O Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 6NaCl + 14 HCl Selain HAp, terdapat senyawa apatit lainnya yang juga terbentuk, yaitu Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6.5H 2 O atau OKF (Gambar 6a). Berikut reaksi pembentukan OKF yang berlangsung Reaksi 1a (reaksi ionisasi) 8CaCl 2 8Ca Cl Reaksi 1b (reaksi ionisasi) 6NaH 2 PO 4 6Na + + 6H 2 PO 4 6H 2 PO 4 6H HPO 4 6HPO 4 6H PO 4 Reaksi 2 (reaksi pembentukan OKF) 8Ca PO H + + 5H 2 O Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6 5H 2 O

3 6 Reaksi lengkap 8CaCl 2 + 6NaH 2 PO 4 + 5H 2 O Ca 8 H 2 (PO 4 ) 6 5H 2 O + 6NaCl + 10HCl Setelah terbentuk endapan, serbuk HAp dan OKF disaring dengan kertas Whatman 44. Difraktogram XRD HAp disajikan pada Gambar 6a. Hasil analisis XRD menunjukkan bahwa produk hasil sintetik yang terbentuk bukan HAp murni, akan tetapi juga terdapat senyawa apatit lainnya, yaitu OKF. Namun, keberadaan senyawa tersebut tidak mengganggu fungsi dari HAp sebab senyawa paduan Ca/P yang telah mengalami pemanasan di atas 900 C memiliki struktur yang stabil dan tidak berbahaya jika ikut diimplankan ke dalam tubuh makhluk hidup (Aoki 1991). Menurut Nuzulia (2009), keberadaan senyawa apatit campuran Ca/P selain HAp seperti OKF tidak memiliki efek samping ketika diimplankan ke dalam tubuh kambing. Analisis XRD yang mengacu pada data JCPDS menunjukkan adanya puncak HAp yang muncul di sudut 2θ sebanyak 14 puncak dari 24 puncak yang terdeteksi (Lampiran 2). Hal ini menunjukkan bahwa senyawa HAp yang disintesis tidak murni tetapi juga terdapat senyawa apatit lainnya, yaitu OKF. Puncak HAp dengan intensitas yang tinggi muncul di 2 sudut 2θ, yaitu dan Kedua puncak tersebut sesuai dengan puncak HAp pada data JCPDS No (Lampiran 3). Selain puncak HAp, difraktogram tersebut juga menunjukkan adanya puncak OKF. Puncak OKF muncul di 10 sudut 2θ, yaitu 23.92, 25.77, 26.52, 29.31, 30.52, 33.91, 39.43, 40.83, 42.99, dan Interpretasi terhadap puncak OKF diacu berdasarkan data JCPDS OKF dengan No (Lampiran 4). Pelapisan HAp Metode yang digunakan untuk melapisi logam dengan senyawa apatit adalah EPD. Untuk mencari kondisi pelapisan yang terbaik, penelitian ini menggunakan variasi peubah waktu dan tegangan. Peubah waktu yang digunakan adalah 1 dan 2 menit, sedangkan peubah tegangan, yaitu 90, 120, dan 150V. Besarnya tegangan akan berpengaruh pada daya hantar partikel koloid yang bermuatan positif yang akan bergerak ke arah elektroda negatif, yaitu SS 316L (Javidi et al. 2008). Arus yang digunakan adalah arus DC. Sementara itu, selang waktu antara waktu mulai (waktu yang tertera pada alat EPD) dan # 2 # 3 5 # 8 # # Gambar 6a) Difraktogram XRD HAp sintetik (ket # OKF dan + HAp). 6b) Difraktogram HAp literatur (Xiao et al. 2007).

4 7 waktu celup elektroda (waktu saat proses EPD dimulai) adalah sekitar 30 detik. Proses pelapisan HAp pada permukaan logam SS meliputi 2 tahap, yaitu elektroforesis partikel HAp dan deposisi HAp pada permukaan logam. Partikel HAp yang terdispersi dalam larutan etanol membentuk sistem koloid yang memiliki muatan positif. Partikel senyawa apatit membentuk sistem koloid yang bermuatan positif sebab nisbah Ca lebih besar dari P sehingga partikel lebih cenderung bermuatan positif. Oleh karena itu, dengan pengaruh medan listrik, HAp akan bergerak ke arah logam SS 316L yang diposisikan sebagai elektroda negatif. Pergerakan HAp ini dapat berlangsung karena adanya aliran listrik pada sistem koloid HAp. Hal yang penting dalam proses ini adalah HAp harus dalam keadaan terdispersi dalam sistem koloid sebab jika HAp mengendap akan sulit digerakkan menuju permukaan logam. Dalam penelitian ini, TEA berfungsi sebagai zat pendispersi yang mempertahankan HAp (zat terdispersi) agar tetap terdispersi dalam larutan etanol (medium pendispersi). TEA berperan dalam pembentukan sistem koloid HAp. Sebelum ditambahkan TEA, senyawa HAp membentuk suspensi sehingga molekul HAp akan sulit digerakkan menuju elektroda negatif. Akan tetapi dengan penambahan TEA ke dalam larutan maka molekul HAp menjadi lebih mudah bergerak menuju elektroda negatif. Setelah proses elektroforesis berlangsung, tahap selanjutnya adalah deposisi atau penempelan partikel HAp pada permukaan logam. Setelah terjadi deposisi HAp pada permukaan logam, selanjutnya logam dipanaskan pada suhu 250 C. Pemanasan dilakukan untuk menghilangkan TEA yang ikut menempel pada permukaan logam. Selain itu, melalui pemanasan ini diharapkan HAp dapat melekat cukup kuat pada permukaan logam SS 316L. Pencirian Material Awal dan Hasil EPD Pencirian secara visual material awal dan hasil EPD dilakukan dengan menggunakan mikroskop optik dengan perbesaran 200x. Pencirian ini dilakukan untuk melihat HAp yang menempel pada permukaan logam SS 316L. Pencirian dengan XRD dilakukan untuk memastikan bahwa HAp atau senyawa apatit lainnya telah menempel pada permukaan logam SS 316L. Gambar 8b dan 8c menunjukkan serbuk HAp yang melapisi permukaan logam SS 316L. Gambar 7 100µm 100µm 100µm a) b) b) HAp HAp c) Foto mikroskop optik permukaan SS 316L: a) sebelum pelapisan, b) pelapisan HAp pada 90 V, 2 menit, dan c) pelapisan HAp pada 120 V, 2 menit. Gambar 7a menunjukkan foto permukaan awal logam SS 316L sebelum dilapisi oleh HAp, sedangkan Gambar 7b menunjukkan foto hasil pelapisan logam pada tegangan 90V selama 2 menit. Kondisi ini memperlihatkan mulai adanya partikel HAp yang menempel pada permukaan logam. Namun, lapisan HAp yang terbentuk masih belum merata. Analisis permukaan dengan mikroskop optik menunjukkan bahwa partikel HAp berwarna hitam atau gelap sebab HAp bersifat menyerap cahaya. Hasil pengamatan visual yang terbaik dapat dilihat pada Gambar 7c, yaitu foto pelapisan logam dengan tegangan 120V selama 2 menit. Hampir semua

5 8 permukaan SS 316L terlapisi merata oleh partikel HAp. Sementara itu, pelapisan yang dilakukan selama 5 menit memberikan hasil yang tidak merata (Lampiran 5b). Kerataan lapisan yang terbentuk pada permukaan logam SS 316L dapat diamati secara visual dengan menggunakan mikroskop optik melalui perbesaran 200x (Lampiran 5a, 5b, dan 5c). Hasil pengamatan ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3 Rerata pengamatan pelapisan HAp pada SS 316L dengan mikroskop optik dengan perbesaran 200x Waktu Tegangan (menit) 90 V 120 V 150 V Ket: Jumlah tanda (+) menunjukkan banyaknya partikel apatit yang menempel pada logam. Semua variabel 5 menit hanya dilakukan 1kali Tabel 3 menunjukkan bahwa tidak terjadi perubahan yang signifikan dengan adanya penambahan waktu lebih dari 2 menit. Fenomena yang sama juga terjadi apabila dilakukan penambahan tegangan melebihi 120V. Data ini didukung oleh Wang et al. (2002) yang menyatakan bahwa hasil EPD menjadi rusak atau lapisan menjadi lebih tidak merata saat tegangan yang diberikan melebihi 150V dan waktu yang digunakan lebih dari 90 detik. Hasil pengamatan dengan menggunakan mikroskop optik menunjukkan bahwa proses penempelan yang menghasilkan lapisan cukup merata adalah pelapisan logam yang menggunakan tegangan sebesar 120V selama 2 menit (Gambar 7c). Data ini juga didukung oleh penelitian yang dilakukan oleh Yousefpour et al. (2007). Tegangan dan waktu yang digunakan untuk penempelan HAp yang menghasilkan lapisan cukup merata dalam penelitian Yousefpour et al. (2007) adalah 120V selama 1,5 menit. Hasil penelitian ini menunjukkan adanya selisih waktu selama 30 detik dengan hasil penelitian yang dilaporkan oleh Yousefpour et al. (2007). Perbedaan waktu selama 30 detik diasumsikan sebagai selisih waktu antara waktu mulai (waktu yang tertera dalam alat) dengan waktu pencelupan elektroda, sehingga waktu yang dicatat dalam penelitian ini lebih lama dibandingkan dengan hasil penelitian yang telah dilaporkan sebelumnya oleh Yousefpour et al. (2007). Hasil analisis pelapisan logam dengan senyawa apatit tidak hanya diamati secara fisis melalui mikroskop optik tetapi juga dianalisis menggunakan XRD. Hal ini dilakukan untuk memastikan bahwa yang menempel pada logam SS adalah partikel HAp atau senyawa apatit lainya. Selain itu, analisis XRD juga dilakukan untuk melihat kemungkinan adanya reaksi kimia yang mungkin terjadi saat partikel HAp menempel pada logam SS 316L. Jika dalam proses pelapisan terjadi reaksi kimia maka akan terbentuk produk baru. Jika terbentuk produk baru maka difraktogram XRD akan menghasilkan puncak 2θ yang mengidentifikasikan produk tersebut, yaitu produk selain SS 316L dan senyawa apatit. Pencirian dengan XRD dilakukan sebelum dan sesudah logam dilapisi oleh HAp (Gambar 8a dan 8b). Analisis XRD SS 316L dilakukan dengan pendekatan pada data paduan logam baja (Fe, C), sebab semua unsur yang terkandung dalam paduan logam SS melebur ke dalam senyawa Fe yang jumlahnya paling besar. Data ini disesuaikan dengan data JCPDS dengan No yang menunjukkan puncak austenitik logam SS (Fe, C) (Lampiran 6). Difraktogram logam SS 316 L menunjukkan ada 3 puncak, yaitu 43.4, 50.56, dan (Gambar 8a). Ketiga puncak tersebut mengidentifikasikan adanya logam SS tipe austenitik. Tabel 4 menyajikan data yang diperoleh dari difraktogram pada Gambar 8a. (Tabel 4 ini untuk apa???) Tabel 4 Puncak difraktogram SS 316L sebelum pelapisan 2 θ djarak [Å] Intensitas [%] Pencirian juga dilakukan pada logam hasil pelapisan HAp pada permukaan SS 316L. Gambar 8b menunjukkan adanya 4 puncak baru yang intensitasnya rendah. Hasil analisis menunjukkan bahwa puncak yang muncul merupakan puncak milik HAp dan OKF (Lampiran 7). Analisis ini dilakukan berdasarkan data acuan JCPDS senyawa HAp (No ) dan OKF (No ). Analisis XRD juga dilakukan setelah logam dilapisi oleh senyawa apatit. Difraktogram yang dihasilkan setelah pelapisan ini menunjukkan bahwa puncak

6 9 HAp masih teridentifikasi, yaitu pada sudut 28.78, 31.64, 32.99, dan (Gambar 8c). Data hasil penelitian ini sesuai dengan data yang dilaporkan oleh Albayrak et al. (2008), yaitu HAp yang menempel pada permukaan logam SS 316L akan terlihat di sekitar Difraktogram pada Gambar 8c juga menunjukkan beberapa puncak pada 25.77, 26.52, 29.42, dan Puncakpuncak tersebut diidentifikasi sebagai puncak OKF. Puncak senyawa apatit pada difraktogram Gambar 8b dan 8c juga memberikan informasi bahwa senyawa apatit yang menempel pada permukaan logam SS 316L memiliki intensitas yang rendah. Hal ini menunjukkan bahwa senyawa apatit yang menempel pada logam SS 316L membentuk lapisan yang sangat tipis. Data hasil penelitian ini didukung oleh hasil penelitian yang dilaporkan oleh Javidi et al. (2008), yaitu senyawa apatit yang menempel pada permukaan logam SS 316L membentuk lapisan tipis dengan ketebalan beberapa mikrometer. Difraktogram yang diperoleh setelah logam SS 316L dilapisi senyawa apatit menunjukkan tidak ada senyawa baru yang terbentuk sebagai akibat penempelan senyawa apatit pada permukaan logam tersebut. Hal ini diperkuat dengan tidak adanya puncak baru yang terbentuk setelah pelapisan logam dilakukan. Berdasarkan informasi ini maka peristiwa menempelnya senyawa apatit pada logam SS 316L sampai terbentuk lapisan tipis pada permukaan logam merupakan proses fisika. Ikatan yang terbentuk pada proses penempelan senyawa apatit pada permukaan logam SS 316 L ditimbulkan melalui gaya antarmolekul antara molekul SS 316L dan senyawa apatit yang menempel pada permukaan logam. + a) Ket: + + Puncak Puncak SS SS 316L 316L x Puncak AKA # Puncak HAp v Puncak AKB X X 4 b) Ket: X puncak αca 3 (PO AKA 4 ) 2 ## puncak HAp HAp V puncak βca 3 (PO AKB 4 ) c) Gambar 8 Difraktogram XRD SS 316L: a) sebelum pelapisan, b) sesudah pelapisan, dan c) Difraktogram senyawa apatit pada SS 316L (ket. + SS 316L, x OKF, dan # HAp)