BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Transkripsi

1 BAB II TINJAUAN PUSTAKA.1 Kalsium Fosfat Senyawa kalsium fosfat merupakan komponen utama pada mineral tulang. Senyawa kalsium fosfat sintetik diperoleh dengan mencampurkan prekursor kalsium dan fosfat dengan berbagai metode. Kalsium fosfat merupakan keramik yang memiliki ikatan kovalen atau ionik. Senyawa kalsium fosfat tidak memiliki muatan bebas sehingga memiliki sifat listrik yang rendah. Dalam berbagai penelitian kalsium fosfat sintetik berhasil diperoleh dalam berbagai macam fase. Perbedaan fase kalsium fosfat dapat digunakan dalam medis tergantung pada bioaktivitas atau kemampuan penyerapan material yang diperlukan. 4 Daftar kalsium fosfat yang sering digunakan pada bidang medis dapat dilihat pada Tabel 1. (halaman 4). Biomaterial untuk implantasi tulang menggunakan senyawa kalsium fosfat yang memiliki kekuatan tinggi. Meninjau sifat tersebut, HAp merupakan senyawa apatit yang banyak digunakan dibidang ortopedik. 4 Kombinasi beberapa fase kalsium fosfat dapat dilakukan untuk menghasilkan biomaterial yang optimum dan dapat mempercepat proses remodelling. HAp memiliki stabilitas yang tinggi. Pada penggunaannya HAp dimodifikasi dengan menambahkan fase kalsium fosfat lain yang memiliki kelarutan yang tinggi bertujuan untuk menghasilkan bagian yang dapat terdegradasi selama remodelling tulang. Fase senyawa kalsium fosfat yang mudah terserap adalah Trikalsium Fosfat (TKF) dan Apatit Karbonat (AK). 5 Tabel 1. Jenis-jenis senyawa kalsium fosfat. Nama mineral Nama kimia Rumus kimia.1.1 Hidroksiapatit Ca : P (rasio molar) Monetite Dikalsium fosfat CaHPO 4 1,00 (DKF) Brushite Dikalsium fosfat CaHPO 4.H O 1,00 Whitlockite Hidroksiapatit Hillinstockite dihidrat (DKFD) Oktakalsium fosfat Ca 8 H (PO 4 ) 6.5HO 1,33 (OKF ) Trikalsium fosfat Ca 3 (PO 4 ) 1,50 (TKF) Hidroksiapatit (HA) Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 1,67 Tetrakalsium Fosfat Ca 4 P O 9,00 (TTCP) Hidroksiapatit merupakan mineral alami yang berupa kalsium apatit, dengan rumus kimia Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH). Hidroksiapatit mempunyai bentuk struktur heksagonal, dengan fasa kristal dari senyawa kalsium fosfat yang stabil, dengan parameter kisi: a = b = 9,433Å, c = 6,875Å, serta rasio Ca/P = 1,67. 6 Hidroksiapatit merupakan komponen utama dari tulang dan gigi, hal ini dikarenakan sifat - sifat ion kalsium (Ca + ) pada hidroksiapatit dapat mengubah ion-ion logam berat yang beracun dan memiliki kemampuan yang cukup baik dalam menyerap unsur-unsur kimia organik dalam tubuh. 7 Sifat-sifat yang menonjol dari hidroksiapatit adalah mudah terserap tulang (resorpsi), bioaktif, tidak korosi, tahan aus, dan biokompatibilitas yang tinggi. Bioaktif merupakan kemampuan suatu bahan untuk merangsang pertumbuhan tulang baru disekitar implan. Biokompatibilitas suatu bahan merupakan kemampuan bertahan terhadap korosi terhadap efek toksin yang dihasilkan korosi dan kemampuan bertahan terhadap perubahan selama pemakaian bahan di lingkungan tubuh dan tidak menimbulkan

2 3 penolakan dari jaringan tubuh. Akan tetapi terdapat kelemahan padaa sifat hidroksiapatit yaitu getas, dan mudah patah. Hal ini dapat menjadi kendala dalam desain. 8 Gambar 1. menunjukan unit sel struktur kristal hidroksiapatit. Pada unit sel terdiri atas subsel prisma segitiga rombik. Terdapat kaca datar horizontal yaitu pada z = ¼ dan z = ¾ dan bidang tengah inversi letaknya disetiap tengah muka vertikal dari setiap subsel. Atom C ditunjukan oleh lingkaran berwarnaa hijau, atom O ditunjukan oleh lingkaran berwarna biru dan atom P ditunjukan oleh lingkaran berwarna merah. Unit sel kristal hidroksiapatit mempunyai jenis atom Ca yaitu Ca1 dan Ca. Tiap unit sel yang mempunyai perbedaan pada lokasi dari atom Ca. Pada setiap subsel mempunyai 3 pusat. Pada gambar lingkaran abu-abu mewakili atom Ca sebagai atom enantiomer. Ca padaa dasar dan puncak dihitung ½ Ca, sedangkan Ca yang berada ditengah dihitung 1 Ca. Masing-masing subsel memiliki atom Ca dari Ca1 serta terdapat lebih dari 4 atom Ca dari satu unit sel. Sedangkan pada atom Ca dikelilingi oleh 6 atom O, pada setiap unit sel memiliki 6 atom Ca. Atom Ca ini membentuk segitiga normal pada sumbu c dengan sudut rotasi sebesar 60. Gambar 1. Struktur hidroksiapatit unit sel tampak samping Trikalsium Fosfat Rumus kimia TKF adalah Ca 3 (PO 4 ). TKF memiliki empat polimorf: α, β, γ dan super- α. Polimorf super- α dapat diamati pada termperatur sekitar 1500 ºC. Polimorf yang sering diperoleh pada TKF adalah α dan β. α- TKF memiliki struktur monoklinik dengan parameter kisi a = 1,887Å, b = 7,78Å dan c = 15,19 Å. β -TKF memiliki struktur rhombohedral dengan unit sel memiliki ukuran a = 10,439 Å dan c = 37,3775Å. 10 Struktur β - TKF memiliki plot yang sama dengan heksagonal. Sintesis TKF dilakukan dengan memberikan perlakuan tem- untuk menghilangkan semua OH - yang peratur tinggi. Pemanasan ini diperlukan terbentuk. Termperatur pembentukan fase TKF diatas 1000ºC. β - TKF stabil sampai termperatur 115ºC. Diatas temperatur tersebut sampai 1430ºC menjadi TKF pada fase α. Super- α TKF dapat terbentuk pada termperatur 1430ºC dan memiliki titik leleh 1756ºC, α-tkf memiliki densitas yang lebih rendah dari pada β-tkf. β - TKF tidak dapat terbentuk pada sistem cair. β - TKF dikenal lebih mudah larut dari padaa oksihidroksiapatit, tetapi diatas ph = 6 kemampuan kelarutannya lebih kecil dibandingkan dengan kalsium fosfat lain. Selain itu, kelarutannyaa menurun dengan meningkatnya temperatur. Untuk keperluan medis TKF memiliki sifat biodegradabel, bioaktif dan kelarutan yang tinggi. Material ini dapat digunakan untuk material implan tulang Apatit Karbonat (AK) Mayoritas apatit yang terdapat pada apatit biologi adalah apatit karbonat [(Ca, Na, Mg) 5 (HPO 4, PO 4, CO 3 ) 3 (OH, CO 3 )]. Pada penelitiann kalsium fosfat sintetik telah diperoleh fase-fase kalsium fosfat yang sesuai dengan apatit biologi. Terbentuknya apatit karbonat sintetik yaitu dengan menambahkan karbonat dalam formulasi HAp. Karbonat dapat menggantikan posisi OH- pada HAp membentuk apatit karbonat tipe A dan jika menggantikan posisi (PO 4 ) 3- disebut apatit karbonat tipe B. Ukuran parameter kisi untuk Tipe A adalah a = 9,59 Å, b = 19,10 Å dan c = 6,860 Å. Ukuran parameter kisi untuk Tipe B nilai a = 9,309 Å dan c = 6,97 Å. 11 Kemapuan

3 4 karbonat untuk membentuk apatit karbonat tipe B lebih mudah dibandingkan dengan membentuk apatit karbonat tipe A. Hal ini terjadi karena OH - pada HAp membutuhkan energi yang lebih besar untuk lepas dari pada (PO 4 ) 3-. Apatit karbonat tipe-a dapat dibentuk pada termperatur yang tinggi dan mayoritas apatit tipe-b karbonat dapat dibentuk pada termperatur rendah Hidroksiapatit Berpori Melloning 1 menyebutkan hidroksiapatit berpori yaitu hidroksiapatit yang memiliki sifat biokompatibilitas, mikrokristal dengan ukuran mikron dari struktur berpori yang memungkinkan pembuluh darah dan jaringan ikat masuk diantara pori pori sehingga dapat merangsang pertumbuhan tulang. Hidroksiapatit berpori ini digunakan pada tulang yang tidak menopang beban karena memiliki kekuatan yang rendah. Ukuran porositas dari partikel hidroksiapatit mempunyai peranan penting pada proses pertumbuhan tulang, melalui pori cairan dari jaringan ikat masuk kepermukaan. Carranza 13 menyebutkan ukuran pori kurang dari 10 mikron akan menghalangi pertumbuhan sel, mikron dapat merangsang pertumbuhan fibrovaskuler, mikron dapat menghasilkan pembentukan osteoid dan pada ukuran > 150 mikron memungkinkan terjadinya mineralisasi. Hidroksiapatit berpori dibuat untuk meningkatkan pembentukan ikatan yang kuat antara implan dan tulang. Sebagian besar penelitian pada implantasi hidroksiapatit berpori menunjukkan bahwa tingkat infiltrasi jaringan di pori - pori dan pembentukan tulang baru sangat tergantung pada karakteristik pori seperti porositas, ukuran pori, distribusi ukuran pori dan bentuk pori. 14 Hulbert et al 15 menyatakan bahwa pori - pori minimum dengan ukuran 100 mikrometer diperlukan untuk bahan implan berpori untuk dapat berfungsi dengan baik. Pada bahan in vivo selalu diberi tekanan mekanis seperti kompresi, tegangan dan torsi. Oleh sebab itu, materi harus memiliki bentuk dengan porositas yang cukup. 16 Salah satu tantangan di bidang teknik jaringan tulang adalah mengembangkan hidroksiapatit berpori, yang dapat menyerupai bentuk biologis alami dengan pencocokan sifat mekanik dari keadaan sekitar jaringan. Hidroksiapatit berpori yang cocok pada tulang memiliki porositas diantara 35% sampai 75%. Porositas yang terbentuk dapat membantu sel untuk dapat berkembang biak dan perlahan - lahan terbentuk sebagai jaringan. Dalam pembentukan tulang yang baru, jaringan ikat dan pembuluh darah dapat tumbuh pada pori diantara implan dan tulang dengan ukuran pori minimal 100 mikrometer. Kondisi ini diperlukan untuk sekelompok seluler dan ekstraseluler komponen vassels tulang dan darah. Ukuran pori yang lebih besar dari pada 00 pm diharapkan efektif pada osteoconduction. 16 Hidroksiapatit berpori dalam kedokteran digunakan dalam aplikasi pada pengisian rongga osseous untuk meningkatkan biokompatibilitas implan. Hidroksiapatit berpori diharapkan mampu menyerupai tulang alami, tidak hanya mampu dalam pertumbuhan tulang tetapi juga membentuk permukaan yang lebih baik antara tulang dan implan Lilin Lebah Sarang lebah merupakan koloni bangunan unik dari bahan "malam" atau lilin dengan penghuni ± ekor lebah. Koloni lebah ini dibentuk dari lilin sebagai bahan utama dan diperkuat dengan bahan perekat yang disebut propolis. Lilin lebah dibentuk melalui proses kimia dengan madu sebagai bahan baku. Dalam pembuatan satu kilogram lilin diperlukan empat kilogram madu. Lilin lebah juga disebut lilin putih (Cera alba) dan lilin kuning (Cera jlava) adalah lilin yang dihasilkan oleh lebah madu dari sisiran sarangnya. Lilin atau "malam" adalah ester yang terbentuk dari asam lemak dengan alkohol monohidrat rantai panjang. Oleh karena itu, lilin yang dihasilkan merupakan bahan padat yang

4 5 mernpunyai titik lebur agak tinggi (35 100) 0 C. Lilin lebah (bee wax) sebagian besar tersusun atas ester seril miristat yang mernpunyai rumus molekul C 13 H 7 CO C 6 H Lilin lebah mengandung carnpuran senyawa kimia organik yang sangat kompleks, terdiri dari 1-14% hidrokarbon rantai lurus dengan jumlah atom karbon sebanyak 0 sampai dengan 3. Total komponen ester sebesar 64% mengandung 35% monoester, 14% diester dan 3% triester. Sisanya berupa monohidroksi dan poliester yang jumlahnya berturut-turut sebesar 4 dan 8%. Komposisi lilin lebah terdiri dari miristil palmitat, serotat, dan asam homolog, dengan sejumlah kecil hidrokarbon, ester kolesterol dan seril alkohol.titik leleh liiin lebah murni berkisar antara C, indeks bias 1,44 konstanta dielektrik,9 dan densitas sebesar 0,96 pada suhu 0 0 C. Lilin lebah tidak larut dalam air tetapi sedikit larut dalam alkohol dingin X-Ray Diffraction (XRD) Karakterisasi dengan X - Ray Diffraction (XRD) dilakukan untuk mengidentifikasi adanya struktur Kristal, nilai parameter kisi dan derajat kristalinitas. Sinar-X dihasilkan dalam tabung sinar katoda dengan memanaskan filamen untuk menghasilkan elektron dan mempercepat elektron menuju bahan dengan menerapkan tegangan. Ketika elektron memiliki energi yang cukup untuk mengeluarkan elektron pada kulit bahan akan menghasilkan karakteristik spektrum sinar-x. Spektrum ini terdiri dari beberapa komponen, yang paling umum K,K α, dan K β. Panjang gelombang spesifik karakteristik dari bahan target (Cu, Fe, Mo, Cr) penyaringan dengan foil atau monochrometers kristal diperlukan untuk menghasilkan monokromatik sinar-x. Sampel dan detektor diputar dihasilkan intensitas sinar-x. Ketika geometri sinar-x menimpa sampel akan memenuhi persamaan Bragg, interferensi konstruktif terjadi dan puncak intensitas terjadi. Catatan detektor A dan proses ini sinyal sinar-x mengkonversi sinyal ke tingkat hitungan yang kemudian menghasilkan output ke perangkat seperti printer atau monitor komputer. Geometri dari difraksi sinar-x menyebabkan sampel berputar di jalur sinar-x collimated pada sudut θ sedangkan detektor sinar-x terpasang pada lengan untuk mengumpulkan difraksi sinar-x dan berputar pada sudut θ. Instrumen yang digunakan untuk mempertahankan sudut dan memutar sampel disebut gonio-meter. Untuk pola dalam bentuk padat, data dikumpulkan pada θ yaitu 10 sampai 80, sudut yang telah ditetapkan di X-ray scan. 19 Informasi hasil pola difraksi sinar- X meliputi posisi puncak dan intensitas. Posisi puncak mengindikasikan struktur kristal dan identifikasi fase yang ada di bahan tersebut, sedangkan intensitas menunjukkan total hamburan balik dari masing-masing bidang dalam struktur Kristal. 19 Pada tahun 191 fisikawan Max Von Laue menyatakan bahwa sebuah benda padat yang mengkristal, terdiri dari susunan teratur dari atom-atom, yang dapat membentuk sebuah kisi difraksi berdimensi tiga alami untuk sinar X. 0 Metode difraksi sinar-x yaitu seberkas sinar X yang dikolimasikan, yang panjang gelombangnya terdistribusi secarah kontinu jatuh pada kristal dengan sudut tertentu dan berkas-berkas itu akan berinterferensi konstruktif jika jarak ekstra yang ditempuh berkas 1 lebih besar dari berkas sebesar kelipatan bilangan bulat λ. 0 Jarak ekstra ini = d sin θ (Gambar ). Dengan demikian interferensi konstruktif akan terjadi, mengikuti persamaan Bragg yaitu : d sin θ = n λ...(1) Pada persamaan, d merupakan jarak antar bidang, λ merupakan panjang gelombang sinar-x Cu K α, θ merupakan sudut hamburan, dan n merupakan orde difraksi. Sinar-X dapat didifraksikan dari bidang-bidang yang berbeda dengan sudut berbeda di dalam kristal. Berdasarkan teori difraksi, sudut difraksi bergantung kepada lebar celah kisi,

5 6 sehingga mempengaruhi pola difraksi, sedangkan intensitas cahaya bergantung dari banyaknya kisi kristal yang memiliki orientasi yang sama. Skema terjadinya difraksi dapat dilihat pada Gambar. Gambar. Skema terjadinya difraksi oleh kisi kristal. 0 Parameter kisi hidroksiapatit telah diketahui memiliki sistem heksagonal, yaitu dengan menggunakan persamaan: 1 4 h + hk + k l = d 3 a + c...() Dari pengukurann penelitiann yang telah dilakukan, diketahui bahwaa para- a meter kisi kristal hidroksiapatit adalah = b=9.43å dan c = Å, sedangkan h, k, l merupakan indeks bidang. Per- hitungan ukuran kristal dengan persa- maan Scherrer yaitu:......(3) λ adalah panjang gelombang sinar-x, β adalah harga lebar setengah maksimum atau FWHM (full width at half maximum) dari difraksi skala θ, θ adalah sudut difraksi dan c adalah konstanta variasi Kristal yaitu 0.94, serta adalah panjang gelombangg yang digunakan pada alat XRD yaitu 1,54056 nm. 0.6 Scanning Electron Microscope (SEM) Karakterisasi dengan Scanning Electron Microscope (SEM) dilakukan untuk mengetahui morfologi eksternal (tekstur), dan struktur kristal yang membentuk sampel. Bidang mulai dari kira-kira 1 cm sampai 5 mikron dengan perbesaran mulai dari 0X menjadi sekitar X, resolusi spasial dari 50 sampai 1000 nm. 1 Prinsipnya kerja dari SEM adalah pemercepat elektron (electron gun) dalam SEM membawa sejumlah besar energi kinetik, energi ini hilang menghasilkan pancaran elektron monokromatis diantaranya backscattered electron ( BSE ), diffraction electron backscattered (EBSD) yang digunakan untuk menentukan struktur Kristal, foton ( sinar-x karakteristikk yang digunakan untuk analisis unsur dan kontinum X- sinar), cahaya tampak (cahodlumine- electron dan backscattered electron biasanya digunakan untuk pencitraan sampel, secondary electron berperan dalam morfologi dan topografi pada scence - CL), dan panas. Secondary sampel sedangkan electron backscattered berperan dalam kontras dalam sampel multifasa. Analisis SEM dianggap konstruktif, sinar-x yang dihasilkan oleh interaksi elektron tidak meng-akibatkan hilangnya volume sampel, sehingga memungkinkan untuk meng-analisis bahan-bahan yang sama berulang kali. 1 Prinsip kerja SEM ini diperjelas pada Gambar 3. Skema SEM. Electron Gun s Anode Scanning Generator Chatode Ray Tube Video Amplifier Signal Detektor First Condensor Lens Final Condensor Lens Specimen Gambar 3. Skema kerja SEM. Persiapan sampel untuk analisis SEM tergantung pada sifat sampel dan data yang dibutuhkan. Persiapan akuisisi sampel yang akan masuk ke ruang SEM dan beberapa akomodasi elektrik sampel isolasi. Kebanyakan elektrik sampel isolasi dilapisi dengan lapisan tipis, 1

6 7 bahan yang digunakan umumnya karbon, emas, atau logam lainnya. Pemilihan material untuk lapisan konduktif tergantung pada data yang akan diperoleh. 1.7 Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR) FTIR merupakan salah satu teknik spektroskopi inframerah yang dapat mengidentifikasi kandungan gugus kompleks dalam senyawa kalsium fosfat, tetapi tidak dapat digunakan untuk menentukan unsur - unsur penyusunnya. Pada spektroskopi inframerah, spektrum inframerah terletak pada daerah dengan panjang gelombang mulai dari 0,75 sampai 1000 μm atau bilangan gelombang dari 1300 sampai 1 cm -1. Dilihat dari segi aplikasi dan instrumentasi, spektrum inframerah dibagi ke dalam tiga jenis radiasi yaitu inframerah dekat (bilangan gelombang cm -1 ), inframerah pertengahan (bilangan gelombang cm -1 ), dan inframerah jauh (bilangan gelombang cm -1 ). FTIR termasuk ke dalam kategori radiasi inframerah pertengahan (bilangan gelombang cm -1 ). Plot antara persentase transmitansi dengan bilangan gelombang akan menghasilkan spektrum inframerah dan setiap tipe ikatan yang berbeda mempunyai frekuensi vibrasi yang berbeda terletak dalam lingkungan yang berbeda, maka tidak ada dua molekul yang strukturnya berbeda akan mempunyai bentuk serapan inframerah atau spektrum infra merah yang tepat sama. FTIR memanfaatkan energi vibrasi gugus fungsi penyusun senyawa hidroksiapatit, yaitu gugus PO 4 3-,, gugus CO 3 -, serta gugus OH -. Gugus PO 4 3- mem-punyai empat mode vibrasi yaitu : 1. Vibrasi simetri streching (v1) dengan bilangan gelombang sekitar 956 cm -1. Vibrasi simetri bending (v) dengan bilangan gelombang sekitar cm Vibrasi asimetri streching (v3) dengan bilangan gelombang sekitar cm Vibrasi asimetri bending (v4) dengan bilangan gelombang sekitar cm -1 Bentuk pita v3 dan v4 yang tidak simetri merupakan tanda bahwa senyawa hidroksiapatit tidak seluruhnya dalam bentuk amorf. Spektrum hidroksiapatit dapat diteliti yaitu pada v4 yang tersbelah dengan maksimum 56 cm -1 dan 60 cm 1. Pita absorpsi v3 mempunyai dua puncak maksimum yaitu pada bilangan gelombang 1090 cm -1 dan 1030 cm -1. Pita absorpsi v1 dapat dilihat pada bilangan gelombang 960 cm -1. Pita serapan energi untuk gugus karbonat dapat diamati pada bilangan gelombang di sekitar 1545, 1450, dan 890 cm -1 dan pita absorpsi OH - dapat juga dilihat pada spektrum kalsium fosfat, yaitu sekitar 3576 cm -1 dan 63 cm -1. Kristal apatit tipe B mempunyai daerah bilangan gelombang di sekitar 1465, 141, dan 873 cm -1. Pita yang nampak di dalam spektra infra merah alkana disebabkan oleh stecthing C-H di daerah cm -1, scissoring CH dan CH 3 di daerah cm -1, rocking C-H pada kurang lebih cm -1, dan pita rocking pada cm-1. Alkena biasanya mengabsorbsi di daerah cm -1. Bentuk C=C alkena terjadi di daerah cm -1. Vibrasi bonding C-H di luar bidang terjadi di antara cm -1. Untuk alkena ujung vibrasivibrasi ini jelas sekali dan nampak diantara cm -1. Alkuna ujung memperlihatkan pita stretching C-H yang tajam pada cm -1 dan bentuk bonding C-H yang jelas pada cm -1. Streching C C pada alkuna ujung nampak pada cm -1 dengan intensitas sedang. Untuk streching C C alkuna dalam berupa pita lemah yang terjadi pada cm -1. Alkohol dan eter mempunyai ciri absorbsi infra merah karena streching C-O di daerah cm -1. Dan streching O-H alkohol terjadi di daerah cm -1. Sedangkan pada t-butil alkohol streching O-H sangat kuat yang berpusat pada 3360 cm -1.