The Influence of The ph Variation of The Synthetic of Nanocomposite Hydroxyapaite- Chitosan on The Form of Grain And The Hardness

Transkripsi

1 The Influence of The ph Variation of The Synthetic of Nanocomposite apaite- on The Form of Grain And The Hardness Moch. Wisnu Arif S. 1, Hartatiek, Nasikhudin Departement of Physics faculty of Mathematics and Science State University of Malang 1 moch.afandy@gmail.com Abstract apatite is one of materials whose characteristics is similar to the natural bone. However, knowing that the bone is a biocompocite, which is formed of organic and inorganic materials, hydroxyapatite needs to be composed of the polymer material in order to be able to substitute the bone. Therefore, one of polymer materials that can be composed to the making of hydroxyapatite is chitosan. This research aimed at synthesizing hydroxyapatite through the use of Ca(OH)2 of the mineral Calcite as the starting material, phosphate acid (H3PO4) and ammoniac. Afterwards, the ph variation was done with the value of 4, 7, and 13 when synthesizing the nanocomposite hydroxyapatite-chitosan in order to form the grain. Aside from that, each of the grain could tell the hardness of nanocomposite hydroxyapatite-chitosan through a test so-called Vickers Hardness Tester. Co-precipitation method was then used to prepare hydroxyapatite and nanocomposite hydroxyapatite-chitosan. Yet, the size of the grain was characterized using XRD, and the microstructure form was observed using SEM, while the ratio of Ca/P, the researcher used EDX. Using the co-precipitation method, hydroxyapatite obtained achieved the ratio value of Ca/P by 1.67, agreed the ratio value of the model, and achieved the crystal size by nm. Using XRD, the information obtained was how the composite was formed and the size of composite by the value span of nm. Besides, the characteristics of SEM showed that the value of ph influenced the form of grain shown by the form of grain rodapatite at the ph value of 4 and spherical-apatite at the ph value of 7 and 13 as well. Meanwhile, the highest value of Vicker Hardness was obtained from the sample that used the ph value of 4 by the value of kg/mm2. Yet, the value of Vicker Hardness of the ph value of 7 and 13 were kg/mm2 and 56.3 kg/mm2 respectively Keywords: hydroxyapatite, calcite, chitosan, the form of grain, Vickers Hardness. PENDAHULUAN Permasalah osteoporosis menjadi ancaman yang serius dan terus meningkat setiap tahunnya di masyarakat Indonesia. Data terakhir tentang resiko Osteoporosis oleh Puslitbang Gizi Depkes RI pada tahun 2005 dengan jumlah sampel orang ( laki-laki dan perempuan) di 16 wilayah Indonesia secara selected people menunjukkan angka prevalensi pengidap osteopenia (osteoporosis dini) sebesar 41,7 % dan prevalensi osteoporosis sebesar 10,3 %. Hal ini menunjukkan 2 dari 5 penduduk Indonesia memiliki resiko yang tinggi untuk terkena osteoporosis, dimana 41,2 % terjadi pada umur < 55 tahun (Kemenkes RI, 2008). Untuk itu, teknologi rekayasa material berupaya memberi terobosan dalam perekayasaan keramik alam (bioceramic) sebagai salah satu alternatif bahan rekontruksi jaringan tulang yang unggul. Hal ini dikarenakan keramik alam memiliki kesesuaian dengan jaringan asli (biocompatible materials). Bahan keramik yang sering digunakan dalam bidang rekontruksi jaringan tulang adalah hydroxyapatite sintetik [Ca10(PO4)6(OH)2]. apatite adalah salah satu material yang memiliki kesamaan dengan material tulang alami (Hui dkk, 2010). Untuk memenuhi syarat sebagai material substitusi tulang, hydroxyapatite yang dibuat perlu dikompositkan dengan material polimer (polymer), mengingat tulang sendiri merupakan komposit alami (biocompocite) yang terdiri dari bahan 1

2 organik dan inorganik. Selain itu, serbuk hydroxyapatite yang disubtitusikan secara langsung dengan mudah akan berpindah atau lepas dari jaringan tulang. Dan juga, jika dibandingkan dengan hydroxyapatite murni, nanocomposite hydroxyapatitepolymer memiliki sifat yang lebih baik, seperti modulus, kekuatan, dan kekakuan (Khanna dkk, 2010). Jenis material polimer yang dapat dikompositkan pada pembuatan hydroxyapatite adalah chitosan (Rohmawati, 2012). adalah biopolimer yang terdiri dari glukosamin dan N- asetyloglukosamin yang diperoleh dari deasetilasi senyawa chitin (Ratajska, 2008). Alasan pemilihan chitosan sebagai bahan komposit karena diketahui chitosan sebagai biopolymer yang biocompatibel, bersifat tidak beracun, dan mudah diekstraksi dari bahan alam sehingga sangat cocok sebagai material implan tulang. Pembuatan composite apatite-chitosan dapat dilakukan dengan beberapa metode, diantara metode yang pernah dilakukan adalah metode sonokimia dan metode hydrothermal. Rohmawati (2012), pernah melakukan sintesis komposit apatite-chitosan dengan metode sonokimia hingga menghasilkan ukuran butir 25,40 nm. Yokogawa dan Nagata (2010) berhasil membuat komposit apatitebiopolymer dengan variasi polimer menggunakan metode hydrothermal, dan ukuran butir yang dihasilkan pada rentang μm. Dari metode yang pernah dilakukan, pada riset ini mencoba untuk mensintesis composite apatite-chitosan dengan metode kopresipitasi. Selain mampu menghasilkan ukuran bahan dalam skala nano, metode ini memiliki keunggulan pada proses yang lebih sederhana dan memiliki tingkat homogenitas bahan yang baik. Metode kopresipitasi pada prinsipnya adalah proses sintesis menggunakan agen pengendap untuk menghasilkan composite hydroxyapatite-chitosan. Penggaturan suasana sintesis dalam keadaan asam, netral, dan basa akan memberikan bentuk butir hydroxyapatite pada composite hydroxyapatite-chitosan. Pengaturan ph akan mempengaruhi laju reaksi yang menentukan kuantitas produk reaksi dalm hal ini adalah bentuk butir. Karakter bentuk butir akan memberi pengaruh pada sifat mekanik, khususnya pada sifat kekerasan. Sedangkan untuk penentuan ukuran dilakukan dengan mengatur lama pengadukan, suhu pengadukkan dan kecepatan pengadukan yang akan menghasilkan ukuran nano. Dalam penelitian ini, sumber hydroxyapatite disintesis dari bahan alami lokal sebagai alternatif dari ketergantungan material bone filler import untuk aplikasi biomedis. Bahan alami lokal yang digunakan adalah mineral Calcite dari daerah Druju Kab. Malang dengan ketersedian melimpah. Calcite menjadi mineral utama penyusun batuan kapur dengan kandungan kalsium yang tinggi (Carr dkk, 1994). Oleh karena itu, mineral calcite dapat dimanfaatkan sebagai sumber kalsium untuk pembuatan hidroxyapatite.. METODE EKSPERIMAN Pada penelitian ini dilakukan tiga tahapan sintesis untuk memperoleh material nanocomposite hydroxyapatite-chitosan. Tahapan pertama adalah pembuatan Ca(OH)2 dari Mineral Calcite dengan proses kalsinasi. Lalu pada tahap kedua dilakukan proses sintesis hydroxyapatite dengan metode kopresipitasi. Dan tahap terakhir adalah proses penkompositan antara hydroxyapatite sebagai filler dengan chitosan sebagai matrik dengan step kopresipitai. Bahan yang digunakan sebagai sumber Ca(OH)2 berasal dari hasil milling dan kalsinasi batu calcite. Ca(OH)2 2

3 dilarutkan menggunakan aquabidest sampai diperoleh konsentrasi Ca(OH)2 1 M. Sedangkan sumber fosfat yang digunakan adalah asam fofat (H3PO4) 0.6 M. Untuk mengontrol ph larutan agar tetap berada pada rentang ph 9-10 maka larutan campuran (antara Ca(OH)2 dengan (H3PO4)) ini ditetesi dengan amoniak. Selanjutnya dilakukan penyaringan dan dilanjutkan pencucian dengan aquadest. Setelah penyaringan, sampel difurnace pada suhu 100 o C selama 24 jam. Setelah hydroxyapatite terbentuk, kemudian dilakukan sintesis nanocomposite hydroxyapatite-chitosan. Pada tahap ini dilakukan variasi ph larutan saat sintesis nanocomposite hydroxyapatite-chitosan dengan nilai 4, 7, dan 13. apatite dilarutkan dalam aquabides dan chitosan dilarutkan dalam asam asetat 3%. Keduanya dicampur pada gelas beker kemudian diaduk selama 24 jam dengan mengeset suhu alat 200 o C. Sampel hydroxyapatite dan nanocomposite hydroxyapatite-chitosan hasil sintesis dikarakterisasi dengan menggunakan XRD, untuk melihat struktur kristal, SEM untuk menganalisis mikrostruktur serta EDX untuk mengetahui rasio Ca/P. dan dilakukan uji Vickers Hardness menggunakan alat Vickers Hardness Mecine untuk mengetahui nilai kekerasan nanocomposite hydroxyapatitechitosan. Perhitungan besar ukuran butir HA dilakukan dengan menggunakan persamaan Scherrer, seperti berikut. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Karakterisasi Ca(OH)2 dari Mineral Calcite Pada penelitian sintesis hidroksiapatit ini sumber kalsium yang digunakan adalah batu calcite dari Daerah Druju, Kabupaten Malang. Untuk mengetahui presentase kalsium pada batu calcite, dilakukan uji XRF. Data hasil XRF yang diperoleh ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1 Hasil XRF Batu Calcite Compound Conc.Unit (%) S 0,013 Ca 99 Fe 0,17 Co 0,094 Cu 0,045 Sr 0,038 Er 0,1 Lu 0,19 Dari data XRF unsur yang dominan pada batu calcite dengan presentase 99% adalah unsur kalsium, sehingga batu calcite dapat digunakan sebagai bahan sisntes hidroksiapatit. Selanjutnya dilakukan uji XRD untuk mengetahui senyawa yang ada pada batu calcite. Pencocokan dilakukan menggunakan software PCW. Setelah data hasil analisis dicocokkan dengan data model dari AMCSD , terlihat semua puncak-puncaknya cocok. Hal ini berarti fase hidroksiapatit yang diinginkan telah terbentuk. Grafik pencocokan fase batu calcite dengan model Ca(OH)2. ditunjukkan pada Gambar 1. Dimana D adalah ukuran kristal, B adalah pelebaran intensitas maksimum (FWHM) dalam radian, k adalah konstanta Scherrer bernilai 0,9, adalah panjang gelombang sinar dari radiasi CuK yakni nm, dan adalah sudut Bragg (Pudjiastuti, 2012). 3

4 Gambar 1. Pencocokan Pola Hasil XRD Serbuk Batu Calcite Dengan Pola Model Ca(OH)2 (AMCSD ) B. Karakterisasi Hasil Sintesis Hidroxyapatite a. Karakterisasi Struktur apatite dari Data XRD Hasil XRD dari sampel hidroksiapatit hasil sintesis yang diperoleh berupa kurva antara 2θ dengan intensitas ditampilkan pada Gambar Counts Sampel I HAP lapatite, syn Untuk mengetahui ukuran butir dilakukan perhitungan nilai FWHM dari data XRD yang dilakukan fitting grafik dengan menggunakan software Origin 8. Lalu fitting grafik memilih satu peak yang paling jelas dan tidak terdapat puncak yang bercabang. Nilai FWHM kemudian dimasukkan ke dalam persamaan Scherrer untuk menentukan ukuran butirnya. Dengan menggunakan persamaan Scherrer maka nilai ukuran butir ialah: Dari perhitungan didapatkan ukuran kristal hidroksiapatit sebesar 23,13 nm. Hasil ini menunjukkan besarnya ukuran kristal hidroxyapatite hasil sintesis sesuai dengan hidroxyapatite yang ada di dalam tulang manusia yaitu sebesar nm. 0 c. Karakterisasi Morfologi apatite dari Data SEM Position [ 2Theta] (Copper (Cu)) Gambar 2 Hasil Fitting Antara Sampel apatite dengan Model Highscore Gambar 2 menampilkan grafik fitting dimana grafik berwarna merah adalah model hydroxyapatite dari software Highscore Plus sedangkan untuk grafik berwarna biru merupakan pola dari bahan yang di uji. Dari data Gambar, bahan yang di uji memiliki fasa yang sama dengan dengan model model hydroxyapatite dari software Highscore Plus. Hal ini ditunjukkan oleh kesesuaian semua peak antara model hydroxyapatite dengan bahan uji. Selain itu, kesesuaian juga ditunjukkan dengan lingkaran biru penuh yang menunjukkan persentase 100%. Bentuk kristal yang terbentuk hydroxyapatite adalah sistem kristal heksagonal dimana parameter kisi dari hasil fitting didapatkan a = b = Å dan c = Å dengan sudut α = β = 90 O dan sudut γ = 120 O. b. Karakterisasi Ukuran Butir apatite dari Data XRD Gambar 3 Hasil Karakterisasi SEM apatite Pada Gambar 3 menampilkan morfologi dari sampel hydroxyapatite murni tanpa komposit dengan chitosan. Terlihat bahwa partikel mengalami aglomerasi sehingga ukuran sampel secara penampang sulit untuk diketahui. Sehingga untuk ukuran sampel hydroxyapatite hanya dapat dihitung dengan persamaan Scherrer dari data XRD 4

5 yang mana telah dijelaskan sebelumnya bahwa ukuran yang diperoleh adalah 23,13 nm. Gambar 4 Pola XRD Hasil Sintesis Nanocomposite apatite- Berdasarkan grafik Gambar 4 dapat dilihat bahwa penambahan polimer tidak merubah struktur kristal hidroxyapatite hanya mempengaruhi intensitas tiap peak dan sudut 2θ. Polimer chitosan terkompositkan dengan hydroxyapatite, hal ini ditunjukkan dengan penurunan intensitas peak dari bahan hydroxyapatite yang memiliki peak tajam dibanding dengan hydroxyapatite yang telah dikompositkan. Selain itu, sudut mengalami pelebaran C. Karakterisasi Hasil Sintesis Nanocomposite Hidroxyapatite- a. Karakterisasi Struktur Nanocomposite Hidroxyapatite- dari Data XRD. dengan penambahan chitosan yang memilki karakter bahan polimer sebagai amorf dimana diberikan pada hydroxyapatite. b. Karakterisasi Ukuran Butir Nanocomposite Hidroxyapatite- dari Data XRD. Hampir sama dengan menentukan ukuran butir pada hydroxyapatite, untuk menentukan ukuran butir composite hydroxyapatite-chitosan dilakukan perhitungan nilai FWHM dari data XRD yang dilakukan fitting grafik dengan menggunakan software Origin 8. Lalu fitting grafik memilih satu peak yang paling jelas dan tidak terdapat puncak yang bercabang. Sesudah itu, nilai FWHM dimasukkan ke dalam persamaan Scherrer untuk menentukan ukuran butirnya. Dari hasil perhitungan, nilai ukuran butir dalam sintesis composite hydroxyapatite-chitosan dengan variasi ph diperoleh sebagai berikut. Tabel 2 Ukuran Grain Nanocomposite apatite- dari Hasil Perhitungan Persamaan Scherrer. Sampel Ukuran Butir (nm) apatite 23,13 apatite- 32,45 ph 4 apatite- 23,63 ph 7 apatite- 37,17 ph 13 Berdasarkan table di atas, ukuran butir hydroxyapatite lebih kecil dibandingkan dengan ukuran butir composite hydroxyapatite-chitosan. Butir hydroxyapatite berperan sebagai filler mengisi rongga-rongga pada matrik chitosan. Pada penelitian yang dilakukan oleh Ramli dkk (2011) mensintesis dan mengkarakterisasi hydroxyapatite murni dengan menggunakan metode kopresipitasi diperoleh hasil kristal nano hydroxyapatite telah berhasil berpenetrasi dengan baik dan tumbuh di dalam matriks kitosan. Formasi scaffold dalam composite hydroxyapatitechitosan ini dipicu kuat oleh kemampuan chitosan sebagai matriks yang memili karakter bersambungan. c. Karakterisasi Bentuk Butir Nanocomposite Hidroxyapatite- dari Data SEM. Hasil morfologi dari komposisi komposit HA-kitosan ditunjukkan oleh Gambar dibawah ini. 5

6 Gambar 5 Hasil Karakterisasi SEM Nanocomposite apatite- ph 4 Gambar 6 Hasil Karakterisasi SEM Nanocomposite apatite- ph 7 mengalami aglomerasi. Hal ini terjadi dikarenakan kristal hydroxyapatite mengisi ruang matriks chitosan. Selain itu chitosan juga memiliki karakter perekat yang menjadikan hydroxyapatite menempel pada chitosan sehingga bentuk partikel composite memiliki struktut butir yang memanjang. Pada hasil karakterisasi SEM nanocomposite hydroxyapatite-chitosan dengan ph 13, bentuk butir hydroxyapatite terlihat berbentuk spherical-grain. Sedangkan pada hasil karakterisasi SEM nanocomposite hydroxyapatite-chitosan ph 4 terdapat butir hydroxyapatite yang merekat pada chitosan berbentuk rod-grain. Hal ini membuktikan bahwa ph sangat mempengaruhi bentuk butir (Yokogawa dan Nagata, 2010), dimana ph memiliki peranan untuk mengkontrol laju reaksi pembentukan produk. (Azizah, 2004). Untuk menentukan ukuran butir selain dengan perhitungan menggunakan Persamaan Scherrer juga dapa dilakukan dengan pengamatan ukuran butir nanocomposite hydroxyapatite-chitosan menggunakan analisis SEM yang ditunjukkan pada Tabel 4.6 berikut. Tabel 3 Ukuran Grain Nanocomposite apatite- Hasil Pengamatan Morfologi SEM Hasil Pengamatan SEM (nm) apatite- ph 4 35,39 nm apatite- ph 7 75,77 nm apaite- ph 13 64,11 nm Gambar 7 Hasil Karakterisasi SEM Nanocomposite apatite- ph 13 Dari hasil foto SEM, nampak butirbutir hydroxyapatite bergerombol atau d. Karakterisasi Kekerasan Nanocomposite Hidroxyapatite- dari Data Vickers Microhardness. Pada tahap selanjutnya adalah proses pengujian dengan menggunakan Vicker Hardness Mechine. Pada pengujian ini, diambil lima titik pada masing-masing 6

7 sampel dan diperoleh hasil rerataan dari masing-masing titik. Hasil pengujian Vicker Hardness ditunjukkan pada Tabel 4.8 Berikut. Tabel 4 Hasil Variasi ph pada Nanocomposite apatite- Terhadap Nilai Kekerasan Vickers. Hasil Tidak Sintering Hasil Sintering apatite- ph 4 14,28 177,87 apatite- ph 7 16,73 43,63 apaite- ph 13 13, Pada Tabel 4.8 menampilkan nilai Vicker Hardness untuk masing-masing sampel variasi yang tidak dilakukan sintering dan dilakukan sintering. Pada sampel dengan variasi ph yang tidak dilakukan sintering terdapat nilai Vicker Hardness terbesar adalah sampel ph 7 dengan nilai 16,73 kg/mm 2 lalu diikuti nilai Vicker Hardness untuk sampel ph 4 yaitu 14,28 kg/mm 2. Sedangkan nilai Vicker Hardness pada sampel ph 13 memiliki nilai yaitu 13,88 kg/mm 2. Dari data ini jika dianalogikan dengan morfologi bentuk butir menunjukkan bahwa bentuk butir rodapatite memiliki nilai Vicker Hardness yang lebih kecil dibanding dengan bentuk butir spherical-apatite. Untuk sampel dengan variasi ph yang dilakukan sintering terdapat nilai Vicker Hardness terbesar adalah sampel ph 4 dengan nilai 177,87 kg/mm 2. Sedangkan nilai Vicker Hardness pada sampel ph 7 memiliki nilai 43,63 kg/mm 2. Pada nilai Vicker Hardness variasi ph 13 yaitu 56,3 kg/mm 2, dimana rentang nilainya hampir mendekati dengan nilai Vicker Hardness pada sampel ph 7. Jika dikaitkankan dengan morfologi bentuk butir menunjukkan bahwa bentuk butir rod-apatite memiliki nilai Vicker Hardness yang lebih besar dibanding dengan bentuk butir spherical-apatite saat sesudah dilakukan sintering. Kenaikan nilai Vicker Hardness dari sampel yang tidak dilakukan sintering dibandingkan dengan sampel yang dilakukan sintering karena distribusi partikel yang homogen memiliki struktur yang lebih rapat. Selain itu, jarak antar butir semakin mengecil akibat ukuran butir membesar sehingga nilai vicker hardness akan lebih besar. KESIMPULAN apatite berhasil disintesis menggunakan bahan dasar mineral Calcite dengan metode kopresipitasi dimana diperoleh hydroxyapatite dengan persentase 100% Nanocomposite hydroxyapatitechitosan berhasil disintesis dengan metode kopresipitasi dan diperoleh ukuran butir 32,45 nm pada ph 4. Sedangkan untuk ph 13 diperoleh ukuran butir 37, 17 nm. Variasi ph mempengaruhi bentuk butir pada senyawa nanocomposite hydroxyapatitechitosan. Bentuk butir hydroxyapatite pada nanocomposite hydroxyapatite-chitosan yang dihasilkan untuk ph 4 adalah rodgrain. Sedangkan pada ph 7 dan 13 dihasilkan bentuk butir yang sama yaitu spherical-grain. Semakin kecil nilai ph maka akan terbentuk rod-grain, dan semakin besar niali ph maka akan terbentuk spherical-grain pada hydroxyapatite yang terkomposit. Untuk ph 4 yang menghasilkan bentuk butir rod-grain memiliki nilai Vickers Hardness 177,87 kg/mm 2. Sedangkan untuk ph 7 dan 13 yang menghasilkan bentuk butir spherical-grain dengan nilai Vickers Hardness 43,63 kg/mm 2 dan 56,3 kg/mm 2. Bentuk butir rodgrain memiliki nilai Vickers Hardness yang lebih besar dibanding dengan sphericalgrain. 7

8 SARAN 1. Saat pencucian perlu digunakan larutan ethanol sesudah menggunakan aquades untuk menghindari aglomelerasi. 2. Untuk sintesis apatite dapat menggunakan jenis apatite lain seperti fluorapatite dan chlorapatite. Sedangkan jenis polimer dapat menggunakan aromatic polyamide, phenolic resin, polyvinyl alchohol, selulosa, kolagen, gelatin, jelly, high density polyethylene (HDPE), asam polylactic, polymethylmethacrylate (PMMA), dan poly(lactic acid) (PLA) selain chitosan. 3. Perlu dilakukan variasi suhu, komposisi, dan lama pengadukan untuk mengetahui keadaan yang ideal sebagai acuan sintesis nanocomposite apatite-biopolymer DAFTAR RUJUKAN Carr, D. D., L. F. Rooney dan R. C. Freas Limestone and dolomite; in Industrial Materials and Rock 6th Edition. Littleton. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration, Inc Ratajska, M., K. Haberko, D. Ciechańska, A. Niekraszewicz, dan M. Kucharska apatite- Biocomposites. Polish Chitin Society. XIII Rohmawati, N The Influence of Composition in Synthesis of Hydoxyapatite From Cuttlefish Bone- Composite on Its Crystal Structure and Microstructure. Thesis. Malang: State University of Malang. Yokogawa, Y., dan F. Nagata Hydrothermal Synthesis of apatite-polymer Composite Materials. International Conference on the Properties of Water and Steam Hui, P., S.L. Meena, G. Singh, R.D. Agarawal, S. Prakash Synthesis of apatite Bio- Ceramic Powder by Hydrothermal Method. Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering. 9(8) Kementrian Kesehatan Republik Indonesia Pedoman Pengendalian Osteoporosis. Jakarta. Kementrian Kesehatan Republik Indonesia Khanna, R., Katti K. S., dan Katti D. R In Situ Swelling Behavior of A Polygalacturonic Acid/apatite Nanocomposites in Cell Culture Media. Int J Polym Sci