Pengaruh Suhu Kopresipitasi terhadap Porositas dan Kekerasan Nanokomposit Hidroksiapatit-Polietilen Glikol

Transkripsi

1 Pengaruh Suhu Kopresipitasi terhadap Porositas dan Kekerasan Nanokomposit Hidroksiapatit-Polietilen Glikol Ririk Ridha Rosita 1, Yudyanto, Hartatiek Program Studi Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang 1 rirrishita@gmail.com Abstrak Hidroksiapatit (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) merupakan salah satu jenis biokeramik yang banyak digunakan dalam bidang ortopedi dan periodontal, karena memiliki sifat biokompatibilitas yang sangat baik. Hidroksiapatit dapat disintesis menggunakan sumber alam yang memiliki unsur kalsium yang tinggi, seperti batu calcite. Calcite Puger Jember berpotensi sebagai bahan dasar pembuatan HA, karena calcite Puger mengandung kalsium sebesar 98,36%. Hidroksiapatit sendiri bersifat rapuh dan sifat mekaniknya rendah, maka untuk mengatasi keterbatasan ini HA perlu dikompositkan dengan polimer. Polietilen Glikol merupakan salah satu polimer semi kristalin yang dapat dikompositkan dengan hidroksiapatit, dan memiliki sifat yang non toksik, biokompatibel, mudah larut dalam air, dan memiliki sifat mekanik yang baik. Penelitian ini bertujuan untuk mensintesis HA dengan menggunakan bahan dasar Ca(OH) 2 dari calcite Puger, H 3 PO 4, dan NH 4 OH sebagai pengontrol ph. Metode kopresipitasi digunakan untuk mensintesis nanokomposit HA-PEG dengan perbandingan komposisi 80:20%. Fasa kristal dikarakterisasi menggunakan XRD, morfologi diamati dengan SEM, perbandingan Ca/P dengan menggunakan EDX, dan kekerasan menggunakan vickers hardness. Variasi suhu kopresipitasi pada nanokomposit HA-PEG adalah 25 C, 50 C, dan 75 C. Dengan metode kopresipitasi, HA yang diperoleh memiliki nilai perbandingan Ca/P sebesar 1,68 dan ukuran butir kristal sebesar 28,89 nm. Hasil yang diperoleh dari karakterisasi XRD menunjukkan bahwa meningkatnya suhu sintesis mempengaruhi fasa kristal, porositas, serta kekerasan komposit HA-PEG. Nilai porositasnya berada pada rentang 2,94% sampai 8,82%, sedangkan kekerasan komposit HA-PEG hasil sintesis untuk variasi suhu 25 C, 50 C, dan 75 C adalah 71,17 HVN, 50,43 HVN, dan 44,57 HVN. Sedangkan variasi suhu kopresipitasi optimum untuk sintesis HA-PEG konsisten pada suhu 25 C. Kata Kunci : suhu kopresipitasi, calcite, komposit HA-PEG, porositas, kekerasan I. PENDAHULUAN Hidroksiapatit (HA) dengan rumus kimia Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 merupakan salah satu jenis biokeramik yang paling sering digunakan dalam aplikasi di bidang biomedis, karena memiliki sifat biokompatibilitas yang sangat baik. Hidroksiapatit dapat disintesis dengan menggunakan sumber alam yang memiliki unsur kalsium yang tinggi, seperti batu calcite. Batu calcite di daerah Puger Jember berpotensi sebagai bahan dasar sintesis hidroksiapatit. Selain ketersediaannya melimpah, calcite Puger Jember juga memiliki kandungan CaCO 3 hampir 99%. terutama dikawasan Puger kabupaten Jember. Senyawa hidroksiapatit sendiri mempunyai kelemahan yaitu bersifat rapuh,dan sifat mekanik yang rendah. Untuk mengatasi keterbatasan ini, maka HA perlu dikompositkan dengan polimer.(won Kim, 2002). Dalam penelitian ini, matriks polimer yang digunakan adalah polimer jenis Polietilen Glikol (PEG), yang merupakan polimer semi kristalin yang bersifat non toksik, biokompatibel, mudah larut dalam air, dan memiliki sifat mekanik yang baik. (Prasath et al, 2010). Penelitian ini mencoba untuk memperbaiki sifat rapuh hidroksiapatit (HA) dengan cara mengkompositkan dengan PEG, sehingga komposit HA-PEG yang dihasilkan diharapkan 1

2 memiliki sifat mekanik yang lebih baik sebagai aplikasi dibidang biomedis. Untuk aplikasi dibidang biomedis, ukuran partikel menjadi parameter yang sangat penting, temperatur reaksi yang berkisar antara temperatur ruang sampai 100 C. (Merdekani, 2013). Suhu reaksi akan mempengaruhi ukuran butir hidroksiapatit. (Kokubo, 2008).Selain itu kontrol sehingga hal inilah yang mendorong ph juga harus lebih besar dari 9 karena jika berkembangnya material HA dalam skala nano. Metode yang digunakan dalam sintesis kurang maka pada tahap akhir proses pembentukan hidroksiapatit akan terbentuk struktur apatit yang nanokomposit HA-PEG adalah metode kopresipitasi, mengalami defisiensi kalsium dan pada tahap karena metode ini memiliki proses yang sederhana dan dapat menghasilkan partikel yang berukuran butir sangat kecil. (Rahmawati, 2012) sintering suhu tinggi akan mengalami dekomposisi sehingga berubah menjadi trikalsiumfosfat (Windarti, 2006) II. KAJIAN TEORI Hidroksiapatit (HA: Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) Perhitungan besar ukuran butir HA dilakukan dengan menggunakan persamaan Scherrer, seperti berikut (Abdullah,2009). merupakan anggota dari kelompok apatit yang memiliki struktur mirip dengan jaringan tulang manusia. Biasanya 70% dari matriks tulang mengandung nanokristalin HA dengan ukuran antara nm. (Cunnife et al, 2010) Calcite atau batu kapur merupakan batuan padat yang mengandung banyak kalsium carbonat. Batu kapur berwarna putih, abu-abu kuning tua, abu-abu kebiruan, jingga dan hitam tergantung pada pengotornya. (Oates, 1998). Selain dari batu calcite, sumber kalsium lainnya dapat berasal dari tulang mamalia, kulit kerang, coral, ataupun cangkang telur. (Suryadi, 2011). Polietilen Glikol merupakan jenis polimer semi kristalin yang bersifat non toksik, biokompatibel, mudah larut dalam air, dan memiliki sifat mekanik yang baik. (Prasath et al, 2010). Ukuran butir dari HAp murni dan komposit PEG/HAp yang dihitung dengan menggunakan rumus Scherrer menunjukkan pada rentang nm. (Dhanalaksmi et al, 2012) Metode pengendapan menggunakan dengan D=ukuran (diameter) Kristal, B=nilai FWHM dalam radian, k=konstanta Scherrer bernilai 0,9, =panjang gelombang sinar dari radiasi sinar-x yang digunakan, dan (radian) =sudut Bragg Menurut Lukman (2012), untuk menghitung nilai porositas semu dapat menggunakan rumus: Wbj Wb porositas semu 100% Wp Untuk membuat HA yang memiliki kekuatan mekanik dalam jaringan yang cukup setidaknya memiliki derajat kristalinitas lebih dari 45%. yang paling sering digunakan sebagai bahan biomedis. Hidroksiapatit rata-rata memiliki nilai kekerasan sebesar 350 HVN atau sekitar 3,43 GPa.(Park, J, 2008). III. METODOLOGI PENELITIAN Tahap Persiapan Mempersiapkan semua alat dan bahan yang dibutuhkan dalam penelitian. Ukuran serbuk dari 2

3 bahan baku penelitian seperti batuan calcite diusahakan homogen, dengan cara diayak dengan ayakan 200mesh. Kalsinasi pada suhu C selama 5 jam dilakukan untuk menghilangkan kadar CO 2 dari serbuk batuan calcite, sehingga diperoleh serbuk Ca(OH) 2 sebagai sumber kalsium pada sintesis HA. Tahap Pembuatan 1. Sintesis Hidroksiapatit Kalsium diperoleh dari serbuk batuan calcite yang telah dikalsinasi. Fosfat yang digunakan diperoleh dari ammonium dihydrogen phosphate acid [(NH 4 )H 2 PO 4 ] atau ADP dengan NH 4 O sebagai pengontrol ph. Mula-mula serbuk Ca(OH) 2 direaksikan dengan HNO 3 2M untuk membentuk CaNO 3. Langkah selanjutnya CaNO 3 direaksikan dengan ADP dan NH 4 OH distirrer dengan kecepatan 700 rpm selama 1 jam pada temperatur ruang. Penambahan NH 4 OH dilakukan dengan 5 tetes/30 detik. Selama proses pencampuran, indikator phenolphtalein (PP) digunakan sebagai pengontrol ph tetap pada keadaan basa (ph 9-10). Langkah berikutnya adalah mengendapkan larutan dengan lama 24 jam yang kemudian disaring dan dicuci dengan aquades hingga ph netral. Kemudian dikeringkan pada suhu C selama 24 jam untuk menghilangkan kadar H 2 O. 2. Sintesis Komposit Hidroksiapatit-PEG HA yang sudah dikeringkan siap dikompositkan dengan Polietilen Glikol. HA-PEG dengan komposisi 80:20% dengan variasi suhu 25 C, 50 C, dan 75 C dilarutkan dalam aquabidest. Kemudian di stirrer selama 3 jam agar kedua bahan terlarut dan homogen. Langkah berikutnya mengendapkan sampel hasil sintesis dengan lama 24 jam. Komposit HA-PEG hasil sintesis kemudian dikeringkan pada suhu 80 o C selama 24 jam. Tahap Karakterisasi Karakterisasi untuk struktur kristal menggunakan uji XRD. Sedangkan morfologi dan rasio Ca/P ditentukan melalui uji SEM-EDX. Untuk pengujian kekerasan (hardness) dilakukan dengan alat Micro Vickes Hardness Tester. IV. HASIL PENELITIAN 1. Data Hasil Uji XRD Pada Hidroksiapatit Struktur kristal HA dari data XRD hasil sintesis yang diperoleh dianalisis dengan software highscore plus, terlihat bahwa sampel hidroksiapatit memiliki fasa yang sama dengan data model. Hal ini ditunjukkan oleh kesesuaian semua peak antara model HA dengan sampel yang diuji, dan lingkaran hijau yang menunjukkan presentase 100%. Gambar 1. Pencocokan Pola XRD Selain menunjukkan keberhasilan sintesis HA pola XRD juga digunakan sebagai penentu ukuran butir. Ukuran butir dihitung dengan persamaan Scherrer dan menunjukkan bahwa ukuran butir 3

4 untuk HA adalah 28,89 nm. Sedangkan nilai porositas diperoleh dengan perhitungan rumus sebesar 3,03%, dan nilai kekerasan sebesar 55,27 HVN. Dari Tabel 1 dibuat grafik hubungan pengaruh variasi suhu kopresipitasi terhadap ukuran butir kristal komposit hidroksiapatit-peg seperti pada Gambar 3. Pada Komposit Hidroksiapatit-PEG Pola difrakasi hidroksipatit dan komposit hidroksiapatit-peg ditampilkan pada Gambar 2 berikut. Gambar 3 Grafik Hubungan Variasi Suhu Terhadap Ukuran Butir Kristal HA-PEG Gambar 2. Hasil XRD Hidroksipatit dan Komposit Hidroksiapatit-PEG Dari hasil XRD dapat dihitung nilai ukuran butir sama seperti pada saat menghitung nilai ukuran butir pada HA. Nilai ukuran butir komposit HA-PEG ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1. Perhitungan Ukuran Butir Kristal Komposit Hidroksiapatit-PEG Suhu Kopres ipitasi k (nm) FWHM (rad) cos FWHM D (nm) Gambar 3 menunjukkan grafik hubungan variasi suhu terhadap ukuran butir kristal komposit hidroksiapatit-peg. Ukuran butir kristal cenderung mengalami penurunan. Selain ukuran butir, juga terdapat nilai porositas komposit HA-PEG Tabel 2. Nilai Porositas dari Komposit HA-PEG Variasi %Porositas HA 3,03% HA-PEG Suhu 25 C 2,94% HA-PEG Suhu 50 C 5,88% HA-PEG Suhu 75 C 8,82% Dari Tabel 2 dapat dibuat grafik hubungan antara variasi suhu dengan porositas komposit hidroksiapatit-peg seperti Gambar C 0,9 0, ,34 50 C 0,9 0, ,56 75 C 0,9 0, ,87 4

5 Gambar 4. Grafik Hubungan Variasi Suhu dan Porositas Komposit HA-PEG Gambar 4 menunjukkan bahwa semakin tinggi suhu kopresipitasi maka semakin meningkat nilai porositasnya. Jika hasil porositas ini dikaitkan dengan nilai kekerasan yang telah diperoleh, maka hal ini sesuai dengan teori yang ada, bahwa semakin tinggi nilai kekerasan maka semakin kecil nilai porositas. Selain nilai porositas juga terdapat nilai kekerasan komposit HA-PEG dengan uji Vickers Hardness. Tabel 3. Nilai kekerasan komposit HA-PEG N Specimen o 1 Sebelum sintering 2 Suhu Komposit 25 C Nilai Vickers Hardness <10 71,17 Gambar 5. Grafik Hubungan Variasi Suhu Terhadap Nilai Kekerasan HA-PEG Berdasarkan Gambar 5, terlihat bahwa dengan penambahan suhu, nilai kekerasan dari HA-PEG semakin menurun. Namun nilai kekerasan pada sampel yang belum disintering jauh lebih kecil daripada sampel yang sudah disintering. Hal ini disebabkan karena saat disintering terjadi pertumbuhan grain yang menyebabkan partikelnya semakin padat, sehingga kekerasannya semakin tinggi. 2. Data Hasil Uji SEM 3 Suhu Komposit 50 C 50,43 4 Suhu Komposit 75 C 44,57 Gambar 6. Morfologi HA murni Dari tabel 3 diatas, dapat dibuat grafik hubungan antara variasi suhu kopresipitasi dengan nilai kekerasan HA-PEG sebagai berikut. 5

6 HA-PEG dengan variasi suhu 25 C. Gambar 7. Morfologi HA-PEG 25 C Gambar 8. Morfologi HA-PEG 50 C V. KESIMPULAN 1. Hidroksiapatit berhasil disintesis menggunakan bahan dasar mineral Calcite dari Puger Jember dengan metode kopresipitasi diperoleh kesesuaian hidroksiapatit dengan presentase 100% dengan rasio Ca/P sebesar 1,68. Nilai kekerasan dari hidroksiapatit dan komposit hidroksiapatit-polietilen glikol dengan variasi suhu 25 C, 50 C, dan 75 C berada pada rentang 44,57 HVN hingga 71,17 HVN. Dengan penambahan polietilen glikol dapat meningkatkan nilai kekerasan, namun dengan meningkatnya suhu dapat menurunkan nilai kekerasan dibawah nilai kekerasan dari hidroksiapatit murni. 2. Penambahan suhu sintesis juga mempengaruhi nilai porositas. Pada sampel hidroksiapatit murni memiliki nilai porositas sebesar 3,03%, sedangkan setelah dikompositkan dengan polietilen glikol dengan variasi suhu 25 C, 50 C, dan 75 C secara berurut-turut nilai porositasnya adalah 2,94%, 5,88%, dan 8,82%. Gambar 9. Morfologi HA-PEG 75 C Dalam penelitian ini, variasi suhu saat sintesis kurang berpengaruh secara signifikan terhadap bentuk butir. Ukuran butir pada komposit HA-PEG dengan suhu sintesis 25 C, 50 C, dan 75 C masing-masing adalah 60,34 nm, 41,99 nm, dan 50,39 nm. Meskipun nilai ukuran butir dari karakterisasi SEM jauh berbeda dengan hasil perhitungan rumus Scherrer, namun masih sama dalam skala nano, dan ukuran butir terbesar konsisten pada sampel REFERENSI Abdullah, Mikrajuddin, dkk Karakterisasi Nanomaterial. Jurnal Nanosains dan Nanoteknologi, Vol 2 No.1. Cunnife, G.M., O'Brien F.J., Partap S., Levingstone T.J., Stanton K.T., Dickson GR The Synthesis and Characterization of Nanophase Hydroxyapatite Using A Novel Dispersant-Aided Precipitation Method. Journal of Biomedical Materials Research, 95(4):1142-9, Dhanalakshmi, C.P, Vijayalakshmi.L, Narayan.V Synthesis and Preliminary 6

7 Characterization of Polyethylene Glycol (PEG)/ Hydroxyapatite (HAp) Nanocomposite for Biomedical Applications. International Journal of Physical Science, Vol.7(13), pp Kim, H.W. Koh Y.H. Yoon, B.H. Kim, H.E Reaction Sintering and Mechanical Properties of Hydroxyapatite-Zirconia Composites with Calcium Fluoride Additions. Journal American Ceramic Society, 85(6), Kokubo, Tadashi Oceramics and Their Clinical Applications. Jepang: Japan Medical Material. Lukman, Mita Wulandari dkk Sintesis Biomaterial Komposit CaO-SiO 2 Berbasis Material Alam (Batuan Kapur dan Pasir Kuarsa) dengan Variasi Suhu Pemanasan dan Pengaruhnya terhadap Porositas, Kekerasan dan Mikrotruktur. Malang: Fisika FMIPA UM Merdekani, Sera Sintesis Partikel Nanokomposit Fe 3 O 4 /SiO 2 dengan Metode Kopresipitasi. Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi Nuklir, PTNBR-BATAN Bandung Oates J.A.H Lime and Limestone, Chemistry and Technology, Production and Uses, Wiley-Vch Park, Joon Bioceramic Properties Characterization and Application. New York: Springer Science. Prasath, P. V. Senthil, K. Ravichandran, K Preparation and Cytotoxicity Study of Polycaprolactone/Polyethyleneglycol-Hydr oxyapatite Nanocomposite for Biomedical Application. International Journal of Innovative Research in Science & Engineering, ISSN (Online) Rahmawati, S., Prasetyoko, D., Ediati, R Sintesis Partikel Nano CaO dengan Metode Kopresipitasi dan Karakterisasinya. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Suryadi, Sintesis dan Karakterisasi Biomaterial Hidroksiapatit dengan Proses Pengendapan Kimia Basah. Tesis. Depok: Universitas Indonesia. Windarti, T dan Astuti, Y Pengaruh Konsentrasi Ca 2+ dan (PO 4 ) 3- pada Pembentukan Hidroksiapatit di dalam Matriks Selulosa Bakterial. JSKA, Vol.IX.No.3: UNDIP. 7