ANALISA KUAT TEKAN DAN KEKERASAN MATERIAL BIOKOMPOSIT HIDROKSIAPATIT TULANG SAPI/SHELLAC/TAPIOKA

Transkripsi

1 ANALISA KUAT TEKAN DAN KEKERASAN MATERIAL BIOKOMPOSIT HIDROKSIAPATIT TULANG SAPI/SHELLAC/TAPIOKA SKRIPSI Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh: AFFIF MUSTAQIM I PROGRAM STUDI S1 TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2017

2

3

4 PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS Dengan ini saya menyatakan dengan sesungguhnya dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepengetahuan saya juga terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Jika terdapat hal hal yang tidak sesuai dengan ini, maka saya bersedia dikenai sanksi sesuai dengan peraturan yang berlaku. Surakarta, Oktober 2017 Affif Mustaqim 1mm iv

5 48 MOTTO Selalu ada harapan bagi mereka yang selalu berdoa, selalu ada jalan bagi mereka yang selalu berusaha Syukur adalah kunci kebahagian,disaat kamu bersyukur disaat itulah kamu akan merasa bahagia apapun keadaannya. Jangan kamu mengejar dunia, kejarlah akhirat maka kamu akan mendapatkan akhirat dan dunia sekaligus. Semoga selalu diberikan petunjuk oleh Allah SWT. Amiin v

6 48 HALAMAN PERSEMBAHAN Dengan segala kerendahan hati seraya mengucapkan piji syukur kehadiran Allah SWT, penulis mempersembahkan tulisan ini kepada: 1. Allah SWT sang pencipta alam semesta dan seisinya, puji syukur alhamdulillah atas petunjuk dan kekuatan yang diberikan kepada saya untuk dapat menyelesaikan skripsi ini. 2. Kedua orang tua, Bapak Widodo S.H. dan Ibu Nurohmah, serta Kakak Arrum Nur Afifah dan Adik Fahmi Yahya Mubrok yang selalu memberikan dukungan dalam perjalanan dari awal kuliah hingga dapat menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Dr. Joko Triyono, S.T., M.T. dan Bapak Abu Masykur S.Si., M.Si., selaku dosen pembimbing skripsi saya. 4. Teman-teman seperjuangan, Fathan, Widy, Chamel, Setro, Ino, Rizky, Dicky, Ardian, Bintang, Bakhtiar, Rizal dan Krisna. 5. Saudari Latifah Khusnul Khotimah yang selalu memberikan dukungan. 6. Teman-teman mahasisawa Teknik Mesin Seluruh dosen, karyawan, dan mahasiswa Teknik Mesin UNS. 8. Semua pembaca skripsi ini vi

7 COMPRESSIVE STRENGTH AND HARDNESS TESTING ANALYSIS ON BIOCOMPOSITE MATERIAL OF BOVINE HIDROXYAPATITE (BHA), SHELLAC, AND TAPIOCA Affif Mustaqim Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Sebelas Maret University, Surakarta 57126, Indonesia Abstract Hydroxyapatite (Ca10(PO4)6(OH)2) is a material that is used in the orthopedic field. This material is used as a bone filler in bone fractures. Hydroxyapatite has the properties of bioactive that can stimulate the formation of a suitable environment for the process of osteogenesis. This study aims to know compressive strength and hardness of hydroxyapatite biocomposites, shellac and tapioca. Manufacturing of hydroxyapatite started by crushing the bovine bone into bone powder with 75 µm powder s size. Organic composition in bone powder removed by calcination process. HA powder was soaked with shellac solution and allowed to dry up. HA dry powder was homogenized with tapioca powder that has been heated at 300 o C and continued with compaction and sintering to convert into a pored tablet. HA tablet was tested with compressive strength test, hardness test, density test and Scanning Electron Microscope observation. The results of this study indicate that the increasing of tapioca composition can decrease compressive strength, hardness and density, but it can increase the porosity of the material. The highest of hardness and compressive strength is 44,94 HVN ; 0,285 MPa with density 1,546 g/cm3 for BHA/shellac/tapioca 90/10 %vol. The lowest of hardness and compressive strength is 5,48 HVN ; 0,022 Mpa with density 1,194 g/cm3 for BHA/shellac/tapioca 70/30 %vol. Keywords: Hydroxyapatite, SEM, Hardness, Compressive Strengh, Density. vii

8 ANALISA KUAT TEKAN DAN KEKERASAN MATERIAL BIOKOMPOSIT HIDROKSIAPATIT TULANG SAPI, SHELLAC, TAPIOKA Affif Mustaqim Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia Abstract Hidroksiapatit (Ca10(PO4)6(OH)2) merupakan material yang digunakan pada bidang biomedik. Material ini dimanfaatkan sebagai bahan pengisi tulang yang patah. Hidroksiapatit memiliki sifat bioaktif yang dapat merangsang pertumbuhan sel-sel tulang. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kuat tekan dan kekerasan material campuran hidroksiapatit, shellac dan tapioka. Pembuatan hidroksiapatit dimulai dari proses crushing tulang sapi menjadi bentuk serbuk. Serbuk yang digunakan yakni ukuran 75 µm. Serbuk tersebut dikalsinasi untuk menghilangkan kandungan organik tulang. Serbuk HA direndam larutan shellac kemudian didiamkan hingga mengering. HA hasil rendaman shellac dilakukan proses homogenisasi dengan serbuk tapioka yang telah dipanaskan pada suhu 300 o C. Serbuk yang telah terhomogenisasi dilakukan proses kompaksi untuk membentuk sebuah tablet. Tablet dilakukan proses sintering untuk mendapatkan bentuk spesimen berporus. Tahap pengujian dalam penelitian HA/shellac/tapioka meliputi uji kuat tekan, uji kekerasan, uji densitas dan SEM. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan komposisi tapioka dapat menurunkan kuat tekan, kekerasan dan densitas, akan tetapi peningkatan komposisi tapioka dapat meningkatkan porusitas material. Hasil kekerasan dan kekuatan tekan tertinggi yaitu 44,94 HVN ; 0,285 MPa dengan densitas 1,546 g/cm³ pada variasi BHAshellac/tapioka 90/10 %volume. Kekerasan dan kekuatan tekan terendah yaitu 5,48 HVN ; 0,022 MPa dengan densitas 1,194 g/cm³ pada variasi BHAshellac/tapioka 70/30 %volume. Kata Kunci : Hidroksiapatit, SEM, uji kekerasaan, uji kuat tekan, Densitas. viii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat karunianya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini dengan judul ANALISA KUAT TEKAN DAN KEKERASAN MATERIAL BIOKOMPOSIT HIDROKSIAPATIT TULANG SAPI/ SHELLAC/ TAPIOKA. Skripsi ini disusun untuk melengkapi salah satu mata kuliah dan sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta. Dalam menyusun skripsi ini penulis banyak memperoleh bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Allah SWT, karena dengan rahmat serta hidayah-nya saya dapat melaksanakan skripsi dengan baik dan lancar. 2. Ayah dan Ibu yang telah memberikan doa dan dorongan serta motivasi baik moral maupun material sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. 3. Kakak dan Adik yang selalu memberi semangat. 4. PT. Arena Agro Andalan yang memberikan bantuan bahan penelitian ini. 5. Bapak Dr. Eng. Syamsul Hadi, S.T., M.T., selaku kepala program studi Teknik Mesin 6. Bapak Sukmaji Indro Cahyono S.T., M.Eng. selaku dosen pembimbing akademik 7. Bapak Dr. Joko Triyono, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing I yang senantiasa memberikan nasehat, arahan, dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 8. Bapak Abu Masykur S.Si., M.Si., selaku dosen pembimbing II yang turut serta memberikan arahan dan bimbingan dalam menyelesaikan skripsi ini. 9. Bapak Heru Sukanto, S.T.,M.T., selaku kepala laboratorium proses produksi Teknik Mesin FT UNS. 10. Bapak Dr. Tech. Suyitno. Selaku kepala laboratorium biofuel Teknik Mesin FT UNS. ix

10 11. Dr. Budi Kristiawan. Selaku kepala laboratorium perpindahan panas dan thermodinamika Teknik Mesin FT UNS. 12. Bapak Dr. Nurul Muhayat S.T., M.T., selaku koordinator TA yang telah membantu kelancaran dalam menyelesaikan skripsi ini. 13. Bapak serta Ibu dosen Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret Surakarta yang turut serta mendidik penulis hingga menyelesaikan studi S Arifin dan Hendri, sebagai laboran dan instruktur laboratorium proses produksi Teknik Mesin FT UNS. 15. Bambang, Sebagai laboran laboratorium biofuel Teknik Mesin FT UNS. 16. Solikhin sebagai laboran laboratorium perpindahan panas dan termodinamika Teknik Mesin FT UNS. 17. Fathan, Camelia, Ridho, Widy, Platino, Rizky dan Bhorin selaku rekan Tugas akhir. 18. Teman-teman mahasiswa Teknik Mesin 2013 yang telah banyak membantu dan memberi dorongan moril, fasilitas serta motifasi sehingga terselesainya penulisan skripsi ini. 19. Teman-teman Pemuda Harapan Bangsa (Ardian, Bintang, Ridho, Rizky, Dicky, Rizal, Ino, Krisna dan Bakhtiar) yang telah memberi hiburan. 20. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu selama penyusunan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi masih terdapat kekurangan. Kritik dan saran dari berbagai pihak akademis maupun umum selalu penulis harapkan demi kesempurnaan tugas akhir ini. Akhir kata, penulis berharap semoga skipsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi kita semua dan bagi penulis pada khusunya. Surakarta, Oktober 2017 Penulis x

11 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN SURAT PENUGASAN TUGAS AKHIR... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii PERNYATAAN INTEGRITAS PENULIS... iv HALAMAN MOTTO... v HALAMAN PERSEMBAHAN... vi ABSTRAK (INGGRIS)... vii ABSTRAK (INDONESIA)... viii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR RUMUS... xv DAFTAR LAMPIRAN... xvi BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Perumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Sistematika Penelitian... 4 BAB II DASAR TEORI Tinjauan Pustaka Dasar Teori Sifat Mekanik Biomaterial Biokeramik Hidrosiapatit Tulang Sapi Shellac (Selak) Tapioka Karakterisasi Material Hidroksiapatit Uji Kekerasan Uji Kuat Tekan Pengujian Densitas Hipotesis BAB III METODELOGI PENELITIAN Tempat Penelitian ` Alat dan Bahan Alat Bahan Prosedur Penelitian Persiapan Proses Pelapisan HA dengan shellac xi

12 3.3.3 Proses Homogenisasi Proses Kompaksi Proses Sintering Variabel Penelitian Tahap Pengujian Tahap Analisa Perencanaan Penelitian Diagram Alir BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Proses Kalsinasi Serbuk Tulang Sapi Hasil Sintering Bovine Hidroksiapatit (BHA)/shellac/tapioka Hasil Uji Kuat Tekan Hasil Uji Kekerasan Vickers Hasil Uji Densitas Bovine Hydroxyapatite (BHA)/shellac/tapioka Hasil Pengamatan Scanning Electron Microschopy (SEM) Bovine Hydroxyapatite (BHA)/Tapioka/Shellac BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xii

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Sifat mekanis dari variasi ukuran partikel hidroksiapatit... 6 Tabel 3.1 Variasi rasio perbandingan campuran HA dengan tapioka Tabel 4.1 BHA/shellac/tapioka setelah sintering Tabel 4.2 Hasil Pengamatan SEM xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Anatomi kerangka tulang sapi... 8 Gambar 2.2 Kurva TGA tapioka Gambar 2.3 Skema Prinsip kerja SEM Gambar 2.4 Ilustrasi pengukuran vickers dan dimensi lekukan Gambar 2.5 Ilustrasi uji kuat tekan menggunakan Universal Testing Machine Gambar 2.6 Skema pengujian densitas Gambar 3.1 Proses pembuatan hidroksiapatit Gambar 3.2 Proses pemanasan tapioka Gambar 3.3 Proses persiapan tapioka Gambar 3.4 Proses pembuatan larutan shellac Gambar 3.5 Proses pelapisan HA menggunakan shellac Gambar 3.6 Magnetic stirrer Gambar 3.7 Proses mencetak BHA/shellac/tapioka ke bentuk tablet Gambar 3.8 Proses sintering BHA/shellac/tapioka Gambar 3.9 SEM (Scanning Electron Microschopy) Gambar 3.10 Hardness Vicker Number (HVN) Gambar 3.11 Proses pengujian kuat tekan Gambar 3.12 Pengujian densitas Gambar 3.13 Diagram Alir Penelitian Gambar 4.1 Serbuk tulang sapi Gambar 4.2 Grafik perbandingan volume spesimen sebelum dan sesudah sintering 30 Gambar 4.3 Grafik perbandingan kuat tekan BHA/shellac/tapioka Gambar 4.4 Grafik Uji kekerasan vickers Gambar 4.5 Grafik Uji Densitas xiv

15 DAFTAR RUMUS Persamaan (2.1) Kekerasan Vickers Persamaan (2.2) Compressive Strength Persamaan (2.3) Densitas aktual Persamaan (4.1) Persamaan reaksi pembakaran tapioka xv

16 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Kekerasan Lampiran 2 Kuat Tekan Lampiran 3 Densitas Lampiran 4 Grafik Kuat Tekan xvi

17 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Tulang memiliki peran yang sangat penting dalam tubuh manusia. Berbagai macam bentuk tulang tersusun rapi dan membentuk kerangka dalam tubuh yang memiliki fungsi sebagai pondasi tubuh manusia agar bisa berdiri dan memiliki bentuk. Suatu patah tulang atau fraktur tulang terjadi ketika kekuatan yang diberikan terhadap tulang lebih kuat dari kekuatan maksimal yang bisa ditanggung oleh tulang. Patah tulang ini mengganggu struktur dan kekuatan tulang, selain itu juga menyebabkan rasa sakit, hilangnya fungsi, pendarahan dan cedera di sekitar lokasi. Patah tulang merupakan suatu hal yang banyak kita jumpai di Indonesia, tercatat bahwa pada tahun 2007 terdapat kasus patah tulang di Indonesia [1]. Terjadinya patah tulang akan sangat menganggu aktifitas manusia, hingga menyebabkan penderita tidak mampu beraktifitas. Patah tulang biasanya ditangani dengan metode implantasi tulang. Implantasi tulang yang umum digunakan adalah metode seperti autograft, allograft dan xenograft. Akan tetapi metode tersebut memiliki kelemahan yaitu sumber implan yang terbatas serta memiliki resiko penularan penyakit [2]. Oleh karena itu dikembangkan metode alloplast yang menggunakan biomaterial sintetik untuk bahan implan tulang [3]. Sehingga dikembangkan material bone filler berbahan hidroksiapatit untuk proses penyembuhan tulang. Hidroksiapatit merupakan biomaterial sintetik yang lebih biokompatibel dengan jaringan tulang. Material ini memiliki beberapa kelebihan, diantaranya memiliki biokompatibilitas yang baik dan mempunyai kekuatan mekanik yang cukup untuk aplikasi implan tulang [4]. Hidroksiapatit (HA) merupakan komponen utama jaringan tulang. Karena kandungan mineral tulang secara alami adalah terdiri dari 70% mineral anorganik, 20% mineral organik, dan 10% air. Mineral organik ini sebagian besar tersusun dari serat kolagen tipe I, sedangkan mineral anorganik terdiri dari Hidroksiapatit berkarbonat [5]. Dalam dunia kedokteran material hidroksiapatit banyak digunakan sebagai pengganti tulang manusia yang rusak karena memiliki struktur yang sesuai dengan tulang manusia. Selain itu HA memiliki sifat 1

18 2 osteokonduktivitas, biokompatibilitas, afinitas kimia dan biologi yang sangat baik terhadap jaringan tulang [6]. Oleh karena itu proses penyembuhan patah tulang atau rusak yang direkonstruksi dengan hidroksiapatit tersebut dapat dengan cepat membangun ikatan dengan tulang asli dalam tubuh manusia. Hidroksiapatit dapat ditemukan pada bahan bahan alami yang mengandung banyak kalsium. Hidroksiapatit yang dapat ditemukan di alam biasanya dalam bentuk kalsium karbonat. Kalsium karbonat dapat ditemukan pada tulang, cangkang dan kerang. Dilihat dari kemudahan dalam mendapatkannya, tulang sapi memiliki potensi yang tinggi sebagai sumber dari senyawa hidroksiapatit. Selain itu tulang sapi merupakan bahan baku untuk pembuatan senyawa hidroksiapatit [7]. Tulang sapi dalam bentuk serbuk akan mengalami beberapa proses untuk menjadi BHA murni sehingga dapat dijadikan sebagai bone filler. Pembuatan bone filler pada penelitian ini menggunakan material HA sebagai komponen utama, shellac sebagai resin dan tapioka sebagai pembentuk porus. Shellac merupakan bioadhesive polimer alam yang berpotensi sebagai bahan baku pembuatan resin ramah lingkungan yang bersifat natural, biodegradable dan tidak beracun [8]. Penambahan shellac pada bone filler berfungsi untuk menaikkan compression strength [9]. Tapioka sebagai pencampur akan hilang menguap dan membentuk porus saat proses sintering hingga 1000 o C. Keunggulan tapioka dibandingkan dengan campuran lainnya yaitu tapioka merupakan resin biopolymer dan bersifat biodegradable [10]. Sehingga tapioka diharapkan dapat meningkatkan kekuatan dari bone filler. Persyaratan minimum untuk ukuran pori dianggap ~100μm karena ukuran sel, persyaratan migrasi dan transport sel, namun dianjurkan ukuran pori >300 μm karena meningkatkan pembentukan tulang baru dan pembentukan kapiler [11]. Berdasarkan latar belakang tersebut, perlu dilakukan penelitian lanjutan mengenai material bone filler dari serbuk tulang sapi. Proses pembuatan material bone filler diantaranya, serbuk tulang sapi dipanaskan pada temperatur 700 o C sehingga menjadi BHA (bovine hidroksiapatit). Kemudian serbuk BHA dilapisi larutan shellac, lalu dicampur dengan tapioka. Serbuk BHA-shellac/tapioka dikompaksi dengan tekanan sebesar 60 bar, sehingga menjadi bentuk spesimen. Spesimen BHA-shellac/tapioka dipanaskan pada temperatur 1000 o C.

19 3 Terbentuknya porus pada material bone filler terjadi selama proses sintering akibat penguapan tapioka. Keberhasilan dari penelitian ini diharapkan dapat mengetahui kuat tekan dan kekerasan material HA-shellac yang dicampur tapioka untuk dapat digunakan sebagai bahan pengisi tulang (bone filler) pada penderita patah tulang. Selain itu penelitian ini juga berpotensi untuk membantu pada bidang kesehatan khususnya di bidang orthopedi. 1.2 Perumusan Masalah Perumusan masalah penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh variasi komposisi BHA-shellac/tapioka terhadap densitas, kekuatan dan kekerasan material yang dihasilkan? 2. Bagaimana bentuk morfologi material BHA-shellac/tapioka yang diamati menggukan SEM (Scanning Electron Michroscopy)? 1.3 Batasan Masalah Batasan masalah penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Penelitian ini menggunakan tulang sapi bagian femur. 2. Ukuran mesh hidroksiapatit tulang sapi (BHA) yakni mesh -200/ Penelitian ini menggunakan tapioka dengan ukuran mesh -60/+80 untuk variasi perbandingan campuran dengan HA-shellac. 4. Penelitian ini hanya meneliti bentuk morfologi menggunakan SEM, kekerasan, kuat tekan dan densitas material BHA-shellac/tapioka. 5. Proses kalsinasi pada suhu 700ºC dan proses sintering mencapai suhu 1000 o C. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui nilai kuat tekan dari material BHA-shellac/tapioka 2. Mengetahui nilai kekerasan material BHA-shellac/tapioka. 1.5 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Mampu menciptakan jenis material yang baru, yakni komposit biomaterial bone filler.

20 4 2. Mampu diimplementasikan terhadap penderita penyakit tulang dan gigi. 3. Mampu diterapkan dalam dunia biomedis untuk memperbaiki dan mempercepat proses penyembuhan tulang manusia yang rusak. 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan skripsi ini sebagai berikut: BAB I : Pendahuluan, menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, sistematika penulisan. BAB II : Landasan teori, berisikan tinjauan pustaka yang berkaitan dengan biokeramik tulang sapi (bovine bone), Hydroxyapatite (HA) yang disintesis dan dikompaksikan untuk mengetahui karakteristik material, sifat material, kekuatan material. BAB III : Metodologi penelitian, menjelaskan peralatan dan bahan yang digunakan, tempat dan pelaksanaan penelitian, serta langkah-langkah penelitian dan pengambilan data. BAB IV : Data dan analisa, menjelaskan data hasil pengujian, analisa pengujian. BAB V : Penutup, berisi kesimpulan dan saran.