EFEK PENAMBAHAN POLY(VINYL PYRROLIDINE) (PVP) PADA VARIASI KONSENTRASI Ca2+ DAN PO43- DALAM KOMPOSIT SELULOSA MIKROBIAL-HIDROKSIAPATIT SEBAGAI SCAFFOLD UNTUK BONE HEALING PROGRAM STUDI S-1 TEKNOBIOMEDIK DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS AIRLANGGA 2016
PEDOMAN PENGGUNAAN Skripsi ini tidak dipublikasikan, namun tersedia di perpustakaan dalam lingkungan Universitas Airlangga, diperkenankan untuk dipakai sebagai referensi kepustakaan, tetapi pengutipan harus seizin penulis dan harus menyebutkan sumbernya sesuai kebiasaan ilmiah. Dokumen skripsi ini merupakan hak milik Universitas Airlangga. iv
KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT karena rahmat dan hidayah-nya, penulis mampu menyelesaikan naskah skripsi yang berjudul Efek Penambahan Poly(Vynil Pyrrolidine) (PVP) Pada Variasi Konsentrasi Ca2+ dan PO43Dalam Komposit Selulosa Mikrobial-Hidroksiapatit Sebagai Scaffold Untuk Bone Healing. Perlu kiranya dengan ini penulis menjelaskan bahwa naskah skripsi ini ditulis sebagai salah satu syarat kelulusan dalam menempuh studi S-1 Teknobiomedik, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. Penulisan skripsi ini dapat terselesaikan tidak lepas dari bimbingan, dukungan, serta bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Kedua orang tua tercinta, Mama Francisca Anna M. dan Papa Kuspriadi yang selalu memberikan doa, dukungan, motivasi selama proses penulisan naskah skripsi, serta saudara-saudaraku Eky Yudhistira, Oktavianus Rendy, dan Raditya Bhaskara yang selalu memberikan semangat hingga terselesaikannya naskah skripsi ini. 2. Bapak Dr. Moh. Yasin, M.Si selaku Ketua Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. 3. Bapak Dr. Khusnul Ain, M.Si selaku Ketua Program Studi S-1 Teknobiomedik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. 4. Bapak Drs. Djoni Izak Rusdyardjo, M.Si selaku dosen pembimbing I yang selalu memberikan kritik, saran, arahan, motivasi, bimbingan yang membangun dan meluangkan waktu bagi penulis untuk berkonsultasi sehingga naskah skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. 5. Bapak Jan Ady, S.Si, M.Si selaku dosen pembimbing II yang selalu memberikan saran, arahan, motivasi sehingga naskah skripsi ini dapat terselesaikan. 6. Endah Purwanti, S.Si., M.T. selaku dosen penguji II yang memberikan saran dan perbaikan naskah ini. vi
7. Dr. Ir. Aminatun M.Si. selaku dosen penguji I atas saran dan perbaikannya dalam penulisan naskah skripsi ini. 8. Bapak Franky Chandra Satria Arisgraha, S.T., M.T selaku dosen wali yang telah memberikan arahan dan motivasi baik dalam hal akademik, maupun non akademik, 9. Seluruh dosen dan staf karyawan Departemen Fisika, khususnya Program Studi S-1 Teknobiomedik, Universitas Airlangga serta semua pihak yang telah senantiasa memberikan ilmunya dan membantu penulis selama proses penyusunan naskah skripsi ini, 10. Teman-teman Biomaterial, Tia, Ludita, Ewing, Husni, Hajria, Adanti, Azizah, Hendita, Dzihan, Systi, dan Qulub yang selalu memberikan doa, semangat, saran, sehingga penulis dapat menyelesaikan naskah ini. 11. Teman seperjuangan Semester 9 Genks, Niera, Zenny, Tia, Puput, Angga, Dzihan, Nikki, Adit, yang memberikan semangat dan waktu serta bantunan dari proses akan siding hingaa terselesaikannya naskah ini. 12. Teman-teman AIRBLAST, yang selalu memberikan doa, semangat, masukan, dan bersama dalam suka dan duka. 13. Pak Samidi, Pak Riski, dan Bu Endang, yang selalu memberikan informasi kepada penulis dan dukungannya di Lab setiap hari. Penulis menyadari bahwa naskah skripsi ini masih banyak kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun sangat diharapkan untuk mengembangkan penelitian ini. Surabaya, 9 Februari 2016 Penulis, Disca S. Purnama vii
Purnama, Disca Sandyakala, 2016, Efek Penambahan Poly(Vynil Pyrrolidine) (PVP) Pada Variasi Konsentrasi Ca2+ dan PO43- Dalam Komposit Selulosa Mikrobial-Hidroksiapatit Sebagai Scaffold Untuk Bone Healing. Skripsi ini dibawah bimbingan Djony Izak Rusdyardjo, M.Si., dan Jan Ady, S.Si., M.Si., Program Studi S-1 Teknobiomedik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. ABSTRAK Di Indonesia, kecelakaan lalu lintas menyebabkan 6 juta orang mengalami cedera, khususnya cedera patah tulang. 46,2% kejadian patah tulang terjadi pada ekstremitas bawah, 25% diantaranya mengalami kematian, 45% mengalami cacat fisik, 15% mengalami tekanan psikologis dan hanya 10% yang sembuh dengan baik. Implan (graft) digunakan untuk mendukung dan mempercepat proses penyembuhan tulang yang patah (bone healing). Penelitian ini dilakukan untuk membuat scaffold selulosa mikrobial-hidroksiapatit sebagai kandidat bone healing. Selulosa mikrobial didapatkan dari pembiakan Acetobacter xylinum digunakan sebagai matriks dan hidroksiapatit sebagai filler yang disintesis menggunakan metode perendaman dalam larutan CaCl2 dan KH2PO4, untuk meningkatkan pembentukan kristal apatit, ditambahkan Polyvynil Pyrrolidine (PVP). Scaffold disintesis menggunakan metode freeze dried. Pembentukan komposit divariasi pada konsentrasi ion Ca2+ dan PO43- sebesar 25;125; 50:100; 75:75; 100:50 mm. Sampel kemudian dikarakterisasi menggunakan FTIRspektroskopi yang menunjukkan adanya gugus fosfat dan karbonat yang menandakan terbentuknya hidroksiapatit pada kedelapan sampel. Selanjutnya untuk mengetahui morfologi dan mengidentifikasi unsur dalam scaffold digunakan SEM-EDAX, didapatkan bahwa pori yang dibentuk berukuran sekitar 150-300 µm dan didapatkan rasio Ca/P terbaik pada scaffold selulosa mikrobialpvp-hidroksiapatit dengan variasi konsentrasi ion Ca2+ dan PO43- sebesar 100 : 50 mm yaitu sebesar 0,6046 dengan rerata laju degradasi sebesar 18,617% dan persentase porositas yang terkandung dalam sampel sebesar 88,4%. Hal ini membuktikan bahwa scaffold selulosa mikrobial-pvp-hidroksiapatit dengan variasi konsentrasi ion Ca2+ dan PO43- sebesar 100 : 50 mm berpotensi sebagai kandidat bone healing. Kata Kunci : bone healing, scaffold, selulosa mikrobial, hidroksiapatit, polyvynil pyrrolidine, freeze dried viii
Purnama, Disca Sandyakala, 2016, The Effect of Poly (Vynil Pyrrolidine) (PVP) Added in Variation of Ca2+ and PO43- Concentration in Microbial Cellulose-Hydroxyapatite Composite As Scaffold For Bone Healing. Skripsi ini dibawah bimbingan Djony Izak Rusdyardjo, M.Si., dan Jan Ady, S.Si., M.Si., Program Studi S-1 Teknobiomedik, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga. ABSTRACT In Indonesia, the traffic accident causing 6 million people suffered injuries, particularly injuries fractures. 46.2% incidence of fractures occur in the lower extremities, 25% of them dying, 45% had a physical disability, 15% experienced psychological pressure and only 10% were healed well. Implant (graft) are used to support and accelerate the healing process of broken bones (bone healing). This study was done to make microbial cellulose-hydroxyapatite scaffold as a candidate for bone healing. Microbial cellulose obtained from culturing Acetobacter xylinum is used as a matrix and hydroxyapatite as a filler that is synthesized using the method of immersion in a solution of CaCl2 and KH2PO4, to increase the formation of apatite crystals, added polyvinyl Pyrrolidine (PVP). Scaffold synthesized using methods of freeze dried. Formation of composites varied in the concentration of Ca2+ and PO43- of 25:125; 50:100; 75:75; 100:50 mm. The samples were then characterized using FTIR spectroscopy which shows the phosphate groups and the carbonate indicates the formation of hydroxyapatite in the eighth sample. Furthermore, to determine the morphology and identify the elements in the scaffold used SEM-EDAX, it was found that the pore formed measuring about 150-300 μm and obtained ratio of Ca / P best on microbial cellulose scaffold-pvp-hydroxyapatite with a variation of the concentration of Ca2+ and PO43- of 100 : 50 mm is equal to 0.6046 with an average degradation rate of 18.617% and the percentage of porosity contained in the sample amounted to 88.4%. This proves that microbial cellulose scaffold-pvp-hydroxyapatite with a variation of the concentration of Ca2+ and PO43- of 100:50 mm potential as a candidate for bone healing Keywords : bone healing, scaffold, selulosa mikrobial, hidroksiapatit, poly(vynil pyrrolidine), freeze dried ix
DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL... i LEMBAR PERNYATAAN... ii LEMBAR PENGESAHAN... iii PEDOMAN PENGGUNAAN... iv SURAT ORISINALITAS... v KATA PENGANTAR... vi ABSTRAK... viii ABSTRACT... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xvi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar belakang... 1 1.2 Rumusan masalah... 7 1.3 Batasan masalah... 7 1.4 Tujuan penelitian... 8 1.5 Manfaat penelitian... 9 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 10 2.1 Tulang... 10 2.2 Pembentukan Tulang... 13 2.3 Penyembuhan Tulang (Bone Healing)... 14 2.4 Scaffold... 15 2.5 Metode Freeze-drying... 16 2.6 Komposit Selulosa Mikrobial-Hidroksiapatit... 17 2.6.1 Selulosa Mikrobial... 17 2.6.2 Hidroksiapatit... 18 2.7 Poly(Vynil Pyrrolidine) (PVP).... 19 2.8. Karakterisasi... 20 x
2.8.1 Uji Gugus Fungsi Fourier Transform Infra Red (FTIR)... 20 2.8.2 Scanning Electron Microscope (SEM) Energy Disperse X-Ray (EDX)... 22 2.8.2.1 Scanning Electron Microscope (SEM)... 22 2.8.2.2 Energy Dispersice X-Ray (EDX)... 24 2.8.3 Uji Degradasi dalam Simulated Body Fluid (SBF)... 25 2.8.4 Uji Porositas... 27 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 29 3.1 Lokasi dan Waktu Penelitian... 29 3.2 Alat dan Bahan Penelitian... 30 3.2.1 Alat dan Bahan Penelitian... 30 3.2.2 Bahan Penelitian... 30 3.3 Diagram Alir Penelitian... 30 3.4 Prosedur Penelitian... 32 3.4.1 Pembuatan Sampel... 32 3.4.1.1 Tahap Persiapan Bahan... 32 3.4.1.2 Pembuatan Matriks Selulosa Mikrobial (Acetobacter xylinum)... 3.4.1.3 Pembuatan Komposit Scaffold Selulosa 32 Mikrobial- Hidroksiapatit... 33 3.4.2 Karakterisasi Sampel... 34 3.4.2.1 Uji Gugus Fungsi... 35 3.4.2.2 Uji Morfologi dan Identifikasi Unsur... 35 3.4.2.3 Uji Degradasi... 36 3.4.2.4 Uji Porositas... 37 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 38 4.1 Hasil Uji Gugus Fungsi... 38 4.2 Hasil Uji Morfologi dan Identifikasi Unsur... 46 4.3 Hasil Uji Degradasi... 54 4.4 Hasil Uji Porositas... 56 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 59 xi
5.1 Kesimpulan... 59 5.2 Saran... 60 DAFTAR PUSTAKA... 61 LAMPIRAN... 66 xii
DAFTAR TABEL Nomor Judul Tabel Halaman 2.1 Kandungan Derajat Polimerisasi Berbagai Sumber Selulosa... 17 2.2 Komposisi Penyusun Konsentrasi Ion SBF... 26 3.1 Jenis Sampel Scaffold... 34 4.1 Bilangan Gelombang Gugus Fungsi Scaffold... 46 4.2 Hasil EDAX Rasio Ca/P Scaffold Selulosa Mikrobial-HA... 52 4.3 Hasil Uji Degradasi Scaffold Selulosa Mikrobial-HA... 54 4.4 Hasil Uji Porositas Scaffold Selulosa Mikrobial-HA... 56 xiii
DAFTAR GAMBAR Nomor 2.1 Judul Gambar Halaman Tulang Kortikal (compact) dan Tulang Trabekular (spongi) pada Tulang femur... 11 2.2 Bagian Tulang yang Menunjukkan Tulang Kortikal dan Trabekular... 12 2.3 Peran Osteoblas dan Osteoklas dalam Pembentukan Tulang... 13 2.4 Tiga Tahap Penyembuhan Patah Tulang... 14 2.5 Salah Satu Contoh Bentuk Scaffold... 15 2.6 Salah Satu Jenis Freeze Dryer... 16 2.7 Struktur Kimia Selulosa... 17 2.8 Struktur Kimia Hidroksiapatit... 19 2.9 Struktur Kimia Poly(Vynil Pyrrolidine)... 20 2.10 Prinsip Kerja Fourier Transform Infra Red (FTIR)... 21 2.11 Diagram Scanning Electron Microscope (SEM)... 24 2.12 Energy Dispersive X-Ray (EDX)... 25 3.1 Diagram Alir Penelitian... 31 3.2 Alat Uji SEM-EDX... 36 4.1 (a) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (25:125)... 39 4.1 (b) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA (25:125)... 39 4.2 (a) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (50:100)... 40 4.2 (b) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA (50:100)... 40 4.3 (a) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (75:75)... 41 4.3 (b) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA (75:75)... 41 4.4 (a) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (100:50)... 42 4.4 (b) Spektra FTIR Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA (100:50)... 42 4.9 (a) Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (25:125)... 47 4.9 (b) Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA (25:125).. 47 4.10 a Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (50:100)... 48 xiv
4.10 b Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA (50:100).. 48 4.11 a Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (75:75)... 49 4.11 b Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA (75:75)... 49 4.12 (a) Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-HA (Kontrol)... 50 4.12 (b) Struktur Permukaan Scaffold Selulosa Mikrobial-PVP-HA... 50 4.13 Grafik Hasil Uji Degradai Scaffold Selulosa Mikrobial-HA... 55 4.14 Grafik Hasil Uji Porositas Scaffold Selulosa Mikrobial-HA... 57 xv
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran Judul Lampiran Halaman 1 Pembuatan Sampel... 66 2 Karakterisasi Sampel... 68 2.1 Proses Uji Gugus Fungsi... 68 2.2 Hasil Uji Gugus Fungsi... 69 2.3 Hasil Uji Morfologi dan Identifikasi Unsur... 77 2.4 Perhitungan Hasil Uji Degradasi... 83 2.5 Perhitungan Hasil Uji Porositas... 88 xvi