1

Kode/ Nama Rumpun Ilmu :112/ Kimia

LAPORAN TAHUN TERAKHIR

PENELITIAN BERBASIS KOMPETENSI

Pengembangan Biomaterial Kolagen Hidroksiapatit Kitosan

Untuk Restorasi Jaringan Tulang (Bone Graft)

TIM PENGUSUL

Prof.Dr. SARI EDI CAHYANINGRUM, M.Si (NIDN:0029127002)

Dr. NUNIEK HERDYASTUTI, M.Si (NIDN:0010117004)

Tahun ke-2 dari rencana 2 tahun

UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

NOPEMBER, 2017

2

3

RINGKASAN

Indonesia adalah negara dengan jumlah pemakai biomaterial tertinggi, khususnya untuk

pemakaian bone graft sebagai pensubstitusi penderita patah tulang dan implan gigi. Bone

graft berfungsi membantu merangsang pertumbuhan tulang pada fraktur, yaitu terputusnya

jaringan tulang dan juga biasa digunakan untuk implan gigi. Bone graft penggunaannya

sangat luas, tetapi ketersediaannya belum mencukupi karena jumlah kebutuhan bone graft

meningkat setiap tahunnya. Selama ini Indonesia mencukupi kebutuhan bone grfat dengan

cara impor, sehingga memerlukan biaya yang mahal. Karena itulah inovasi teknologi untuk

mengembangkan biomaterial ini sangat diperlukan. Beberapa peneliti mulai mengembangkan

penelitian tentang sintesis bone graft, tetapi yang dilakukan adalah sintesis dengan

memadukan 2 bahan baku. Perpaduan 2 bahan baku mempunyai beberapa kelemahan. Tulang

manusia terdiri dari komponen anorganik dan organik. Komponen anorganik didominasi

hidroksiapatit sedangkan komponen organik didominasi kolagen dan glukosamin.

Berdasarkan hal tersebut pada penelitian ini bone graft disintesis dari 3 bahan baku yaitu

kolagen, hidroksiapatit dan kitosan.. dengan harapan bone graft yang dihasilkan mempunyai

struktur dan komposisi yang mirip tulang manusia. Tujuan jangka panjang penelitian ini

adalah menghasilkan inovasi teknologi yang unggul yang memberi konstribusi mendasar bagi

pengembangan sintesis biometrial untuk bidang kesehatan dengan memanfaatkan bahan

dasar lokal untuk menghasilkan bone graft yang mempunyai secara struktur, dan komposisi

mirip tulang alami, dapat diterima tubuh (biokompatibel), tidak beracun, menguntungkan

bagi proses osteokonduktif, osteoinduksi dan osteogenesis. Selain itu juga dihasilkannya

publikasi pada jurnal internasional, buku ajar dan paten. CB-K memiliki fasa CaO 94,8 %b/b

dan Ca(OH)2 5,2 %b/b dengan derajat kristalinitas 99,065 %. Gugus Fungsional CB-K yaitu

OH-, (PO4)3

2-, dan CO3

2-. Morfologi permukaan CB-K merupakan bentuk lonjong yang tidak

seragam dan mengalami aglomerasi.Suhu sintering berpengaruh pada sintesis HAp untuk

meningkatkan kemurnian dan kristalinitas HAp. HAp terbaik yaitu pada HAp-9 dengan fasa

HAp 82,7%b/b, kristalinitas 98,058%, dan morfologi permukaan berpori tanpa

aglomerasi.HAp-TS memiliki fasa HAp 50,400 %b/b dan apatit karbonat 49,600%b/b dengan

kristalinitas 99,065%. HAp-8 merupakan fasa HAp 72,000 %b/b dan apatit karbonat 28,000

%b/b dengan kristalinitas 96,774%. HAp-9 merupakan fasa HAp 82,700 %b/b dan apatit

karbonat 17,300%b/b dengan kristalinitas 98,058%. HAp-10 memiliki fasa HAp 99,100 %b/b

dan apatit karbonat 0,900 %b/b dengan kristalinitas 98,753%. HAp memiliki bentuk

bongkahan tidak beraturan dan teraglomerasi pada suhu 1000 oC. Gugus fungsional seluruh

HAp adalah –OH, -(PO4)32-

, dan -CO32-

.Komposisi komposit mempengaruhi nilai derajat

kristalinitas dan uji tekan komposit, komposit HA/Coll/Chi 7:2:1 dengan kandungan kolagen

tertinggi memiliki derajat kristalinitas paling rendah yaitu 73,41%. Karakterisasi uji tekan

menunjukkan komposit HA/Coll/Chi 7:2:1 menghasilkan nilai uji tekan terendah yaitu

137,29 Kpa.Karakterisasi kimia melalui FTIR pada ketiga sampel komposit HA/Coll/Chi

memiliki gugus fungsional OH-, (PO4)3

2-, dan CO3

2- yang mengindikasikan adanya HA serta

adanya pergeseran gugus C=O dan NH2 yang berasal dari kolagen dan kitosan yang

menunjukkan telah terjadi ikatan antara HA-kolagen dan kitosan. Karakterisasi XRD

menujukkan munculnya fasa HA, kitosan dan kolagen pada ketiga sampel komposit. Hasil uji

in vitro dengan menggunakan larutan SBF selama 3-21 hari menunjukkan ada pelepasan

kalsium dan juga proses pertukaran kalsium dari larutan SBF dan bonegraft.

Kata kunci: biomaterial, kolagen hidroksiapatit kitosan, bone graft

4

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan ke hadirat Alloh Yang Maha Kuasa , yang telah

melimpahkan rahmat dan karunia – Nya sehigga penulis dapat menyelesaikan program

pengabdian pada masyarakat ini.

Penelitian pengembangan bone graft ini memeperoleh pendanaan dari Program

penelitian berbasiss Kompetensi memperoleh dana dari DRPM DIKTI tahun anggaran 2018.

Untuk itu kami mengucapkan terima kasih kepada : Ketua DP2M, Rektor Unesa, Ketua

Lembaga Penelitian dan Pengabdian Pada Masyarakat Unesa, Kepala Laboratorium Kimia

UNESA, Pimpina, mahasiswa kimia yang membantu sehingga terwujud laporan Penelitian

ini.

Akhirnya rasa syukur kami Panjatkan Kehadirat Illahi yang telah memberi hidup dan

kesempatan berkarya. Semoga laporan ini bermanfaat.

Surabaya, Nopember 2018

Tim Peneliti

5

DAFTAR ISI

HALAMAN SAMPUL 1

HALAMAN PENGESAHAN 2

RINGKASAN 3

PRAKATA

DAFTAR ISI 4

DAFTAR TABEL

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR LAMPIRAN

BAB I PENDAHULUAN 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 11

BAB III TUJUAN DAN MANFAAT 27

BAB IV METODE PENELITIAN 28

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN 34

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN 75

DAFTAR PUSTAKA 77

LAMPIRAN

Artikel seminar dan sertifikat yang diperoleh tahun 2018

6

BAB I PENDAHULUAN

Saat ini penelitian pengembangan biomaterial yang berguna untuk membantu

menjalankan fungsi tubuh manusia sedang banyak dilakukan terutama biomaterial yang

digunakan untuk restorasi jaringan atau organ tubuh yang rusak akibat kecelakaan, penyakit

bawaan atau penyakit non bawaan. Berdasarkan data di Asia, Indonesia adalah negara dengan

jumlah pemakai biomaterial tertinggi, khususnya untuk pemakaian bone graft sebagai

pensubstitusi pada proses restorasi patah tulang dan implan gigi. Di RS Dr. Soetomo

Surabaya, sekitar 400 kasus operasi bedah tulang per bulan (Gunawarman, 2010). Bagian

tubuh yang sering mengalami patah tulang adalah bagian panggul, dan pergelangan kaki.

Bone graft berfungsi membantu merangsang pertumbuhan tulang pada fraktur, yaitu

terputusnya jaringan tulang. Bone graft penggunaannya sangat luas, tetapi ketersediaannya

belum mencukupi karena jumlah kebutuhan bone graft meningkat setiap tahunnya selama ini

untuk mencukupi kebutuhan bone graft maka dilakukan dengan cara impor. Hal ini

menyebabkan harga bone graft mahal, sehingga pengadaan bone graft sintesis berbahan dasar

local Indonesia sangat diperlukan.

Bone graft dibedakan menjadi autograft, allograft, dan xenograft, sebagai pensubstitusi

tulang setiap material tersebut memiliki kekurangan dan kelebihan. Autograft diambil dari

bagian tubuh pasien, kelebihannya pasti cocok dan tidak ada penolakan dari tubuh pasien.

Kelemahan autograft adalah sering menyebabkan komplikasi dalam penyembuhan luka, operasi

tambahan, nyeri pada donor dan pasokan tulang tidak memadai untuk mengisi gap. Allograft

menggunakan tulang mayat kekurangannay terkait dengan reaksi infeksi, inflamasi, dan

penolakan kadang-kadang terjadi masalah dalam reaksi imunogenik dan resiko penyakit menular

(AIDS dan hepatitis). Xenograft juga membawa resiko penyakit menular antar spesies (Wahl &

Czernuszka, 2006) karena berasal dari tulang hewan. Keterbatasan tersebut memicu

perkembangan riset di bidang biomaterial, yaitu dengan melakukan berbagai modifikasi

pembuatan biomaterial sintetis. Inovasi teknologi biomaterial sintetis diharapkan menghasilkan

biomaterial dimana karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol. Beberapa peneliti telah

melakukan sitesis bone graft menggunakan 2 bahan baku misalnya Istifarah (2013)

menggunakan tulang sotong-kitosan; Nedelcu (2013) mengkompositkan Kolagen –

hidroksiapatit dn Hindawi (2014) menggunakan kitosan hidrosiapatit. Perpaduan 2 bahan

baku untuk sintesis bone graft memiliki kekurangan karena produk yang dihasilkan kurang

sesuai dengan struktur dan komposisi tulang alami.

Bone graft sintesis harus sesuai dengan syarat kesehatan yaitu bone graft yang

secara struktur, dan komposisi mirip tulang alami, dapat diterima tubuh (biokompatibel),

7

tidak beracun, menguntungkan bagi proses osteokonduktif, osteoinduksi dan osteogenesis.

Osteokonduktif dan osteoinduktif merupakan syarat terpenting dari suatu biomaterial karena

berhubungan dengan kemampuan mengarahkan dan mendorong formasi pertumbuhan

jaringan (Wahl & Czernuska, 2006). Osteoinduktif dan osteogenesis berhubungan dengan

porositasnya (Develioglu, 2005). Salah satu bahan yang sedang dikembangkan saat ini adalah

hidroksiapatit. Hidroksiapatit termasuk senyawa kalsium fosfat yang memiliki sifat bioaktif

dengan bioafinitas tinggi, osteokonduktif, biokompatible dan tidak beracun. Tetapi

hidroksiapatit kekuatan dan kelenturannya rendah dan sangat rapuh. Oleh karena itu perlu

ditambahkan material lain untuk memperbaiki kekurangan tersebut. Material yang

ditambahkan harus mempunyai elastisitas yang tinggi, non toksik dan biodegradabel.

Beberapa material yang sering digunakan adalah alginat, selulosa, akrilat dll. Pada penelitian

ini digunakan kolagen. Kolagen dapat disintesis dari tulang cakar ayam, tulang ikan, tulang

sapi dll. Pada penelitian ini digunakan tulang sapi, karena kolagen tulang sapi, merupakan

kolagen tipe I, sama dengan kolagen di tulang manusia. Perpaduan kolagen dengan

hidroksiapatit diharapkan menghasilkan bone graft sintesis yang mempunyai kemiripan yang

sangat besar dengan tulang. Tulang manusia mempunyai komponen utama kolagen dan

hidroksiapatit serta beberapa komponen yang lain (Vaccaro, 2002).

Bone graft yang potensial untuk dikembangkan selain dari kemiripan dengan tulang

alami adalah bone graft berpori. Pori yang terbentuk berfungsi sebagai media pembentukan

jaringan sel tulang yang tumbuh. Jaringan sel tulang baru akan tumbuh dalam pori-pori yang

terbentuk sehingga dapat meningkatkan regenerasi tulang (Attaf, 2011). Pembentukan pori

dapat dilakukan dengan penambahan porogen. Berbagai bahan porogen sering digunakan

seperti parafin, polinaftalen, gelatin, alginat dan kitosan. Pada penelitian ini digunakan

kitosan sebagai porogen. Kitosan merupakan bahan alami yang tersedia melimpah dan mudah

proses isolasinya, sifatnya biodegradabel, biokompatibel dan non toksik. Inovasi teknologi

penggabungan material kolagen hidroksiapatit dan kitosan sangat perlu untuk dilakukan

sehingga dapat menghasilkan bone graft yang berkualitas sesuai standar kesehatan. Bone

graft yang dihasilkan dapat diaplikasikan untuk memenuhi kebutuhan yang terus meningkat

sehingga dapat mendukung Indonesia mandiri dibidang kesehatan.

Penelitian ini direncanakan untuk pelaksanaan selama 2 tahun, tujuan utamanya adalah

memanfaatkan potensi bahan dasar lokal (tersedia melimpah di Indonesia) untuk

menghasilkan bone graft sintesis yang berkualitas dan memenuhi syarat kesehatan yaitu

bone graft yang secara struktur, dan komposisi mirip tulang alami, dapat diterima tubuh

8

(biokompatibel), tidak beracun, menguntungkan bagi proses osteokonduktif, osteoinduksi

dan osteogenesis.

Untuk mencapai tujuan tersebut maka tahapan penelitiannnya adalah pada tahun I

difokuskan pada sintesis bahan baku tulang sapi, hidrosiapatit dari cangkang telur bebek dan

kitosan dari cangkang udang. Masing masing bahan baku dikarakterisasi sifat fisika dan

kimianya. Kemudian sintesis bone graft dilakukan dengan metode ex situ. Bone graft yang

dihasilkan dikarakterisasi sifat fisikanya. Pada tahun ke-2 difokuskan pada karakterisasi bone

graft secara kimia, dan aplikasi bone graft sebagai pensubstitusi dilakukan secara in vitro, uji

degradasi, laju korosi dan uji sitotoksisitas.

Urgensi (keutamaan ) Penelitian

Dewasa ini, teknologi dibidang biomaterial sedang mendapat mendapat perhatian

besar, karena kebutuhan yang terus meningkat. Biomaterial yang banyak dikembangkan

adalah bone graft, katup buatan pada jantung, sensel sendi dan sebagainya. Selama ini bone

graft diimport dengan harga yang cukup mahal, padahal kebutuhan terus meningkat. Upaya

untuk mengurangi bone graft import adalah dengan membuat bone graft sintesis berbahan

dasar produk local. Klasifikasi bone graft meliputi autograft, allograft, dan xenograft

mempunyai beberapa keterbatasan secara medis. Keterbatasan tersebut memicu

perkembangan riset di bidang biomaterial, yaitu dengan melakukan berbagai modifikasi

pembuatan biomaterial sintetis. Cangkang udang, cangkang telur itik, tulang sapi yang

berpotensi sebagai sumber kitosan, hidroksiapatit dan kolagen tersedia melimpah dan murah

di Indonesia. Inovasi teknologi biomaterial bone graft sintetis dengan bahan dasar lokal

diharapkan meningkatkan nilai ekonomis limbah dan menghasilkan biomaterial dimana

karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol sehingga akan mendukung kemandirian

Indonesia di bidang kesehatan.

Luaran yang ditargetkan serta kontribusi pada ilmu pengetahuan

Pengembangan inovasi teknologi biomaterial berbais kolagen hidroksiapatit kitosan untuk

restorasi jaringan tulang merupakan teknologi terkini dibidang kesehatan. Selama ini

kebutuhan bone graft sebagai bahan pengganti jaringan tulang yang rusak meningkat setiap

tahun dicukupi dengan impor, tentu saja biayanya sangat mahal. Padahal di Indonesia bahan

untuk sintesis bone graft sangat melimpah. Sintesis bone graft dengan bahan baku lokal akan

akan membantu memenuhi kebutuhan bone graft sehingga kedepan Indonesia akan mandiri

dibidang ini.Hal ini merupakan upaya peneliti untuk ambil bagian dalam penguatan Sistem

Inovasi Nasional (SINas) agar Indonesia tidak tertinggal dari bangsa-bangsa lain di dunia.

9

Inovasi yang diunggulkan peneliti adalah dengan memanfaatkan potensi alam Indonesia yaitu

kitosan yang berasal dari cangkang udang yang tersedia melimpah, Hidroksiapatit dapat

diisolasi dengan mudah dengan memanfaatkan bahan baku yang juga melimpah misalnya

dari cangkang telur, tulang sapi, ceker ayam. Limbah tersebut dapat ditingkatkan nilai

ekonomisnya sedemikian rupa sehingga sifat unggul dari material dapat terekspresikan dalam

produk yang bermutu. Kolagen juga dapat diisolasi dari bahan-bahan seperti tulang sapi,

kambing dll. Perpaduan ketiga bahan tersebut akan menghasilkan biomaterial yang

biokompatibel, non toksik mempunyai struktur dan komposisi yang mirip dengan tulang

alami asalkan disintesis pada kondisi yang sesuai. Inovasi teknologi biomaterial bone graft

sintetis dengan bahan dasar lokal diharapkan meningkatkan nilai ekonomis limbah dan

menghasilkan biomaterial dimana karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol

sehingga akan mendukung kemandirian Indonesia di bidang kesehatan. Inovasi sintesis bone

graft dengan bahan lokal pada penelitian ini dilakukan dengan memadukan dua metode

pengendapan basah untuk sintesis hidroksiapatit dan metode ex situ pada sintesis bone graft,

inovasi ini akan menghasilkan bone graft yang mempunyai kemurnian yang tinggi, struktur

dan komposisi bone graft yang dihasilkan mirip dengan tulang alami. Luaran dari kegiatan

penelitian ini selain di peroleh bone graft yang sudah terkarakterisasi, juga dihasilkan

publikasi pada jurnal internasional, paten dan buku ajar yang membahas tentang biomaterial.

Rencana target capaian luaran

No. Jenis Luaran Indikator Capaian

TS 1)

TS 2)

1. Publikasi Ilmiah 2)

Internasional accepted Accepted

Nasional

Terakreditasi

2. Pemakalah dalam temu

ilmiah 3)

Internasional terdaftar Sudah

dilaksanakan

Nasional Sudah

dilaksanakan

Sudah

dilaksanakan

3. Invited speaker dalam

temu ilmiah 4)

Internasional Tidak ada Tidak ada

Nasional Tidak ada Tidak ada

4. Visiting Lecturer 5)

Internasional Tidak ada Tidak ada

5. Hak Kekayaan

Intelektual (HKI) 6)

Paten Draft Terdaftar

Paten

sederhana

Tidak ada Tidak ada

Hak cipta Tidak ada Tidak ada

Merek dagang Tidak ada Tidak ada

Rahasia Tidak ada Tidak ada

10

dagang

Desain produk

industry

Tidak ada Tidak ada

Indikasi

geografis

Tidak ada Tidak ada

Perlindungan

varietas

tanaman

Tidak ada Tidak ada

Perlindungan

topografi

sirkuit terpadu

Tidak ada Tidak ada

6 Teknologi tepat guna 7)

Produk Produk

7. Model/purwarupa/desain/karya

seni/rekayasa social 8)

Tidak ada Tidak ada

8. Buku Ajar (ISBN) 9)

Draf Sudah terbit

9. Tingkat Kesiapan teknologi 10)

2 2

Penelitian ini merupakan rangkaian penelitian yang dilakukan peneliti dalam rangka

mengeksplorasi potensi kitosan sebagai sumber biomaterial masa depen. Pengembangan dari

penelitian yang sudah dilakukan oleh peneliti tentang potensi kitosan dalam berbagai bidang.

Penelitian Hibah bersaing (2006-2007) imobilisasi papain pada kitosan dan aplikasinya

sebagai penghilang aroma langu pada susu kedelai; Penelitian Disertasi (2009) tentang

pembuatan kitosan bead (speris) untuk imobilisasi papain, Hibah Stranas (2010) serta

penelitian hibah Kompetensi Dikti (2011) telah menghasilkan kitosan nanopartikel yang

dimanfaatkan untuk matriks imobilisasi glukosa isomerase dan kitosan nanofiber untuk

imobilisasi papain. Hibah bersaing (2013-2015) yang menghasilkan kitosan alginat untuk

matriks enkapsulasi obat TBC. Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa kitosan tersedia

melimpah, proses isolasinya mudah, bersifat non toksis, biokompatible sehingga membuka

peluang untuk mengkaji potensi kitosan sebagai bahan dasar pembuatan bone graft sintesis.

Selain itu, hasil penelitian juga telah dipublikasikan pada jurnal nasional maupun

internasional dan menghasilkan beberapa paten.

Pada penelitian ini kitosan dikompositkan dengan material lain pada sintesis bone

graft. Sifat kitosan yang non toksik, biokompatibel (Cahyaningrum, 2014; 2015) dan

kemampuannya sebagai pembentuk pori (porogen) (Cahyaningrum, 2014) membuka peluang

bahwa bone graft yang disintesis dari perpaduan kolagen –hidroksiapatit- kitosa mpunyai

karakteristik yang sama dengan jaringan tulang alami. Tulang alami merupakan komposit

alami yang terdiri dari bahan organik dan inorganik, yaitu 30% bahan organik, 55% bahan

inorganik dan 15% air ( Sari et al, 2008). Substansi inorganik tulang dikenal sebagai fase

11

mineral tulang dengan komponen utamanya adalah kristal hidroksiapatit (HAP) (Schnettler et

al, 2005). Bentuk bone graft dapat berupa bubuh, pipih, batangan dan kubus.

Penelitian Peter et. al,(2010) menggunakan keramik nanopartikel dengan kitosan

untuk menghasilkan pensubstitusi jaringan, kombinasi ini memiliki kelemahan yaitu kurang

lentur. Kombinasi kitosan/ HA yang dihasilkan Zhang et.al 2008 menghasilkan biomaterial

yang mempunyai nilai modulus young yang kecil. Ragenty et. al, 2010 mengkombinasikan

kolagen dan kitosan untuk menghasilkan biomaterial pensubstitusi jaringan tulang,

menghasilkan biomaterial yang bagus struktur dan komposisinya mirip tulang tetapi kurang

kuat. Kirubanandan, 2010 menunjukkan bahwa bone graft sintesis harus berpori untuk

meningkatkan pembentukan tulang baru dan pembentukan kapiler. Strukur tulang alami

mempunyai ukuran pori minimum sekitar 300μm, makroporositas yang terlalu tinggi dapat

mengakibatkan hilangnya sifat mekanik biomaterial. Berdasarkan hal tersebut maka

penelitian ini menggunakan kombinasi 3 macam bahan yaitu kolagen hidroksiapatit kitosan,

kombinasi ini diharapkan akan menghasilkan biomaterial yang kuat tetapi tidak rapuh, lentur

sesuai jaringan tulang dan berpori sehingga pembentukan tulang baru dan kapiler dan

restorasi jaringan tulang dapat berlangsung dengan baik.

Pada penelitian ini hidoksiapatit disintesis dengan metode pengendapan basah,

metode ini mempunyai keuntungan karena produk sampingnya hanya air, yang mudah

dihilangkan dengan pemanasan. Metode sintesis bone graft ada yang in situ dan ada yang ex

situ. Metode in situ berpeluang menghasilkan terbentuknya senyawa lain karena penambahan

polimer dilakukan pada saat pembentukan bahan utama. Oleh karena itu pada penelitian ini

dipilih sintesis bone graft dengan menggunakan metode iex-situ. Beberapa peneliti telah

menggunakan metode ex-situ tetapi bahan bakunya hanya 2, misalnya Xiaoling (2007)

menggunakan Hidroksiapatit- kitosan; Trisnawati (2013) menggabungkan hidroksiapatit-

alginat. Peneliti yang menggunakan 3 bahan baku Pallela (2011) mensintesis bone graft dari

hidroksiapatit –kitosan-kolagen spons Inovasi pada penelitian ini digunakan 3 bahan baku

yaitu kolagen dari tulang sapi, hidroksiapatit dari cangkang telur bebek dan kitosan dari

cangkang udang. Kolagen dapat diisolasi dari berbagai sumber dan setiap sumber

mempunyai tipe kolagen yang berbeda, hal ini akan mempengaruhi bone graft yang

dihasilkan. Komposisi CaO dan CaOH pada setiap cangkang berbeda, sehingga

mempengaruhi kualitas hidroksiapatit yang dihasilkan (Suryadi, 2011). Inovasi sintesis bone

graft dengan menggunakan 3 bahan baku lokal Indonesia dengan menggabungkan metode

pengendapan basah dan metode ex situ diharapkan akan menghasilkan bone graft yang

12

memiliki kualitas sesuai standar dan memberikan kontribusi pada perkembangan sintesis

material maju mendukung kemandirian Indonesia dibidang biomaterial dan kesehatan.

Roadmap dari penelitian pengkajian potensi kitosan adalah sebagai berikut

Adapun Roadmap (peta jalan) penelitian ini adalah :

Tahun 2001-2005 2005-

2008

2009-11 2013-2015 2016-2020

Bahan

Dasar Kitosan dari limbah cangkang

udang

Kitosan

dari

limbah

udang

Kitosan dari

limbah

udang , ion

logam

Kitosan-

alginat

Kitosan –

HA,

kolagen

alginate

Proses

Isolasi

kitin

dan

deasetil

asi

kitin

Preparasi

kitosan

terimpreg

nasi

Preparasi

kitosan

cair

Prepara

si nano

beads

Preparasi

nano beads

kitosan dg

crosslink ion

logam

Preparasi

kitosan-alginat

mikrosperis

Preparasi

jaringan

tubuh

Teknologi

Batch Batch Batch Encaps

ulasi

encapsulasi encapsulasi Freeze dry,

ex situ,

pencampur

an biasa

Produk Kitosan

serbuk

Kitosan

serbuk

terimpreg

nasi

Kitosan

cair

Kitosan

nanobe

ads

Matriks

imobilisasi

enzim

Kitosan –

alginat

mikrosperis

Jaringan

organ

sintesis

Aplikasi/

Penerapa

n

Adsorb

en ion

logam

Adsorben

ion logam

Aditif

pada

produk

makanan

Adsorb

en

Imobilisasi

enzim yang

digunakan

pada

industry

pangan

Penghantaran

obat/ bidang

farmasi

Pensubstit

usi

jaringan

tulang

Penelitian

Adsorpsi ion logam pada kitosan

serbuk terimpregnasi

Kitosan sebagai pengenyal tahu,

bakso dan mi

Adsorp

si ion

logam

dengan

kitosan

nanobe

ads

Imobilisasi

enzim pada

kitosan dg

crosslink ion

logam

Pemanfaatan

kitosan-

alginate pada

bidang farmasi

Pemanfaat

an kitosan

pada

berbagai

bidang

kedokteran

13

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

1. Cangkang telur bebek

Cangkang telur merupakan lapisan terluar dari telur yang berfungsi melindungi

bagian dalam telur dari kerusakan. Bebek dengan nama latin Anas plathyrnchos

menghasilkan telur dengan cangkang berwarna hijau kebiruan pucat hingga agak putih.

Ukuran cangkang telur bebek lebih besar dan tebal dari pada cangkang telur ayam ras,

cangkang telur ayam kampung, dan telur puyuh. Tebal bagian kulit luar telur 0,55 mm dan

bagian kulit dalam 0,015 mm (Mutiara, 2008). Cangkang telur memiliki massa 11% dari

kandungan total berat telur. Kandungan cangkang adalah kalsium karbonat (94%),

komponen organik (4%), kalsium fosfat (1%), dan magnesium karbonat (1%) (Fazel, 2011).

Gambar 2.1. Cangkang Telur (Hincke et al., 2012).

Cangkang telur bebek memiliki kadar kalsium sebesar 75,12% (Sari, 2013). Gambar

penampang cangkang telur disajikan pada gambar 2.1. Menurut Jasinda (2013), cangkang

telur terdiri dari empat lapisan berbeda (dari dalam ke luar), yaitu lapisan membran, lapisan

mamilary, lapisan busa (palisade), dan lapisan kutikula.

Selama ini pemanfaatan cangkang telur digunakan untuk mengadsorbsi logam berat Fe

(III) dan Cd2+

(Iriany et al., 2013), meningkatkan kandungan mineral dari kompos,

meningkatkan kekuatan semen, dan karya seni (Glatz and Miao, 2009). Sebagian besar yang

lain dibuang sebagai limbah (Winger, 2012) dari peternakan, rumah, dan industri makanan.

Cangkang telur bebek yang akan dijadikan prekursor kalsium perlu dicuci untuk

menghilangkan kotoran, bau, dan lendirnya. Membran cangkang telur bebek yang

mengandung senyawa organik juga harus dihilangkan agar tidak mengganggu proses sintesis

hidroksiapatit.

2. Kalsinasi cangkang telur

Kalsinasi adalah pemanasan zat padat untuk menghilangkan karbon dioksida atau gas

lain dan mengeliminasi senyawa organik yang terbakar pada suhu tinggi. Panas dari tanur

kutikula pori

palisade

membran sel eksternal membran sel internal

kerucut mammilary

lapisan kristal vertikal Lapisan busa

14

membuat ikatan kimia material menjadi renggang. Pada suhu tertentu atom-atom yang

berikatan akan bergerak sangat bebas sehingga menyebabkan terputusnya ikatan kimia

(Suzuki et al., 2006 dan Rachmania, 2012). Proses kalsinasi cangkang telur bertujuan untuk

mengubah kalsium karbonat menjadi kalsium oksida (persamaan 2.1).

Reaksi kalsinasi:

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) ..................... (2.1)

MgCO3(s) MgO(s) + CO2(g) ................... (2.2)

Cangkang telur juga perlu dihaluskan hingga ukurannya 100 mesh karena proses

kalsinasi berlangsung lebih efektif apabila material berbentuk serbuk. Semua cangkang telur

mengandung komponen mineral kalsium karbonat (CaCO3) yang stabil pada suhu kamar.

Menurut Gergely et al (2010), cangkang telur yang dikalsinasi memiliki 2 tahap. Pada Tahap

pertama (30 menit pertama) sebagian besar bahan organik terbakar. Pada tahap ke 2 (pada

suhu 900 oC dengan waktu penahanan 3 jam) terbentuk kalsium oksida.

Suhu kalsinasi yang semakin tinggi menyebabkan susunan atom pada sampel semakin

teratur sehingga semakin banyak kristal yang terbentuk (Amrina, 2008). Pada proses

kalsinasi, kalsium karbonat diubah menjadi kalsium oksida dengan melepaskan karbon

dioksida (persamaan 2.1). Pada proses kalsinasi terjadi pengurangan massa antara serbuk

cangkang telur sebelum kalsinasi dan setelah kalsinasi, hal ini disebabkan pada proses

kalsinasi terjadi pelepasan senyawa organik dan gas karbon dioksida.

Kandungan kimia MgCO3 pada cangkang telur akan menjadi MgO pada proses kalsinasi

(persamaan 2.2). Kehadiran magnesium akan menimbulkan adanya pengotor pada sintesis

hidroksiapatit. Adanya senyawa MgO pada proses sintesis memungkinan ion Mg untuk

masuk ke kisi hidroksiapatit. Pada bidang medis keberadaan ion Mg tidak berbahaya karena

pada tulang selain terdapat kandungan Ca dan P, terdapat kandungan Mg dan Na yang

merupakan substitusi alami tulang. Masuknya magnesium pada kisi kristal (crystal lattice)

akan meningkatkan kristalinitas (Batra et al., 2013; Bose et al., 2013). Pada pembahasan in

vivo mengindikasikan Mg-hidroksiapatit memiliki sifat osteokonduktif yang baik (Shepherd

et al., 2012).

3. Tulang

Tulang adalah jaringan yang kompleks yang terus-menerus dihancurkan dan diganti

dengan sel yang baru. Pada skala nanometer, jaringan tulang terdiri dari fasa anorganik,

15

organik, dan air. Komposisi penyusun tulang dalam % berat, terdiri 69% fasa anorganik, 9%

air, dan 22% senyawa organik. Senyawa organik terdiri dari kolagen (90-96%) (Fazel, 2011).

Tabel 2.1. Komposisi Tulang (%)

Elemen Persen (%)

Kalsium 34,8

Fosfor 15,2

Natrium 0,9

Magnesium 0,72

Kalsium 0,03

Karbonat 7,4

Flor 0,03

Klor 0,13

Pirofosfat 0,07

Elemen lain 0,04

Sumber: Orlovskii et al., 2002.

Komponen anorganik utama tulang terdiri dari hidroksiapatit. Fase mineral yang lain

terdiri dari dikalsium fosfat (Ca2P2O7), dibasic calcium phosphate (DCP, CaHPO4),

trikalsium fosfat (TCP, Ca3(PO4)2), dan beberapa fase amorf dari kalsium fosfat. Pada tulang

juga terdapat ion lain seperti sitrat (C6H5O74-

), karbonat (CO32-

), flor (F-) dan hidroksil (OH

-)

(Neuman dalam Fazel, 2011). Pada gambar 2.2 menunjukkan tulang tersusun dari osteon,

serat kolagen, serabut kolagen, dan kristal tulang berupa hidroksiapatit.

Gambar 2.2. Komposisi Dasar Tulang (Rho et al., 1998).

Unsur utama tulang adalah Ca (34,8%), P (15,2%), dan Na (0,9%). Unsur minor tulang

terdiri dari Mg (0,72%), K (0,03%), CO32-

(7,4%), F (0,03%), Cl (0,13%), pirofosfat (0,07%),

dan elemen lain (0,04%) (Orlovskii et al., 2002). Ion magnesium, natrium, dan kalium,

kristal tulang

1nm

molekul kolagen

16

ditemukan di antara garam tulang yang ditunjukkan pada Tabel 2.1. Kombinasi tersebut

memberikan fungsi mekanik yang dibutuhkan oleh tulang untuk penyangga tubuh dan

pendukung gerakan, karena hidroksiapatit berada di dekat setiap serat kolagen yang terikat

kuat (Wati, 2014).

Pada gambar 2.3 menunjukkan proses penyembuhan tulang yang patah. Proses

penyembuhan menggunakan implan dari material yang non-degradabel (seperti pada paduan

Ti dan stainless steel) menimbulkan beberapa permasalahan. Ketika tulang telah tersambung

dan sembuh, perlu operasi kembali untuk mengangkat implan karena pada kurun waktu

tertentu implan bersifat toksik dan berbahaya bagi tubuh. Operasi pengangkatan implan ini

memerlukan tambahan dana dan potensi terjadinya pendarahan. Selain itu, operasi

pengangkatan implan juga berpotensi membuat tulang yang telah sembuh akan kembali

patah. Hal ini disebabkan, logam yang diangkat dari tulang akan meninggalkan lubang.

Apabila proses penyembuhan menggunakan implan dengan material biodegradabel (seperti

pada HAp), tulang akan sembuh tanpa perlu operasi pengangkatan implan dan tidak

menyisakan lubang (Mucalo, 2015).

Gambar 2.3. Proses Penyembuhan Patah Tulang (Mucalo, 2015).

4. Hidroksiapatit

a. Pengertian Hidroksiapatit

Hidroksiapatit adalah suatu senyawa kalsium fosfat yang mengandung hidroksida.

Hidroksiapatit merupakan anggota dari mineral apatit dan mempunyai rumus kimia

Ca10(PO4)6(OH)2. Kalsium fosfat telah banyak digunakan pada bidang medis dalam bentuk

Patah tulang

Implan

Implan diambil setelah penyembuhan tulang

Penyembuhan tulang selesai

Implan non-degradibel

Implan biodegradibel

17

serbuk, padat, blok berpori, dan berbagai komposit (Ferraz et al., 2004). Hidroksiapatit

memiliki rasio Ca/P yaitu 1,67 (Fazel, 2011).

Gambar 2.4. Rumus Kimia Hidroksiapatit (Ylinen, 2006).

b. Struktur Hidroksiapatit

Hidroksiapatit merupakan komponen utama tulang yang terdiri dari ion Ca2+

yang

dikelilingi oleh PO43-

dan ion OH- (Hanson, 2007). Terdapat dua struktur kristal berbeda yang

dijumpai pada hidroksiapatit yaitu monoklinik dan heksagonal. Pada umumnya,

hidroksiapatit yang disintesis memiliki struktur kristal heksagonal. Struktur Hidroksiapatit

yang heksagonal memiliki space group symmetry P63/m dengan parameter kisi a=b= 9.432

Å, c=6.881 Å, dan γ=120°.

Gambar 2.5. Struktur Hidroksiapatit (Hanson, 2007).

Hidroksiapatit dengan struktur monoklinik memiliki space group symmetry P21/b dan

parameter kisi a= 9.421 Å, b= 2a, c=6.881 Å, dan γ =120° (Suryadi, 2011). Pada gambar 2.5

menunjukkan struktur hidroksiapatit. Atom kalsium berada pada 2 posisi yaitu 6 atom setiap

unit sel (posisi Ca2) dan 4 atom (Ca1) (Sadeghian, 2005).

c. Sifat Hidroksiapatit

Hidroksiapatit memiliki sifat fisik, mekanik, kimia, dan biologi. Secara fisik,

hidroksiapatit merupakan biokeramik bioaktif. Menurut Pane (2004), biokeramik ialah

keramik yang secara inovatif yang dipergunakan untuk memperbaiki dan merekonstruksi

bagian tubuh yang terkena penyakit atau cacat. Secara fisik, permukaan hidroksiapatit

bersifat bioaktif sehingga dapat melekat pada jaringan dan mampu menahan beban di

atasnya.

Kalsium Fosfat Oksigen

Atom Ca posisi 2

Atom Ca Posisi 1

Keterangan:

18

Secara kimiawi, hidroksiapatit larut dalam pelarut asam tetapi tidak larut dalam pelarut

basa dan sedikit terlarut dalam air destilasi. Kelarutan hidroksiapatit dalam air meningkat

dengan adanya penambahan elektrolit dan akan mengalami perubahan dengan adanya asam

amino, protein, dan enzim (Mulyaningsih, 2007). Hidroksiapatit stabil pada pH di atas 4,2

(Pane, 2004).

Secara biologis, hidroksiapatit memiliki sifat biokompatibel dan bioaktif. Sifat ini

memungkinkan jaringan sekitar untuk tumbuh ke sekitar implan sehingga ikatan dengan

jaringan lebih baik. Keuntungan hidroksiapatit yang lain adalah konduktifitas listrik dan

termal rendah. Hidroksiapatit bersifat osteokonduktif artinya bahan ini dapat merangsang

pembentukan tulang bila diletakan didekat jaringan yang mengandung tulang (Purwasasmita

dkk., 2008). Hidroksiapatit memiliki kemampuan bertahan terhadap korosi dan kemampuan

bertahan terhadap perubahan dilingkungan tubuh (Pane, 2004).

d. Metode Sintesis Hidroksiapatit

Sintesis menggunakan metode yang berbeda akan menghasilkan ukuran partikel,

homogenitas ukuran partikel, dan bentuk partikel yang berbeda. Ukuran partikel

hidroksiapatit yang semakin kecil akan memperluas bidang kontak antara implan dengan

jaringan, sehingga ikatan yang diperoleh dapat lebih baik (Purwasasmita dkk., 2008). Metode

pembuatan hidroksiapatit antara lain (Suryadi, 2011; Nayak, 2010):

1. Metode Pengendapan Basah

Metode paling paling populer untuk sintesis hidroksiapatit adalah pengendapan. Teknik

ini juga disebut sebagai pengendapan basah (wet precipitation) atau pengendapan kimia

(chemical precipitation) atau pengendapan berair (aqueous precipitation). Teknik ini banyak

dipilih untuk mensintesis hidroksiapatit dibandingkan teknik lain. Hal ini disebabkan jumlah

hidroksiapatit yang dapat diproduksi relatif besar dan tidak memerlukan pelarut organik

(Suryadi, 2011). Sintesis hidroksiapatit dengan metode basah yaitu dengan menggunakan

larutan menghasilkan padatan.

Proses sintesis hidroksiapatit dengan metode basah

ada dua macam yaitu

a) Proses yang melibatkan reaksi antara garam kalsium (Ca(NO3)2 dan garam

fosfat (Suryadi, 2011).

19

(NH4)2HPO4.10Ca(NO3)2(aq) + 6 (NH4)2HPO4(aq) + 2 H2O(l) Ca10(PO4)6(OH)2(s) + 12

NH4NO3(aq) + 8HNO3(aq) ............................................. (2.3)

b) Proses yang melibatkan reaksi antara asam (H3PO4) dan basa (Ca(OH)2).

10 Ca(OH)2(aq)+ 6 H3PO4(aq) Ca10(PO4)6(OH)2(s) + 18 H2O(l) (2.4)

Keuntungan utama sintesis dengan metode basah karena hasil samping sintesisnya

adalah air, sehingga kemungkinan kontaminasi selama pengolahan sangat rendah dan biaya

pengolahan rendah. Reaksi ini sederhana, murah, cocok untuk produksi industri skala besar,

dan limbahnya tidak menimbulkan polusi terhadap lingkungan. Sintesis dengan metode basah

menghasilkan hidroksiapatit dengan tingkat kemurnian tinggi (Muntamah dalam Wati, 2014).

2. Metode kering

Metode kering merupakan metode dengan mereaksi padatan dan padatan

menjadi padatan hidroksiapatit dengan butir halus dan derajat kristalinitasnya tinggi. Pada

proses ini biasanya terbentuk serbuk yang teraglomerasi. Sintesis hidroksiapatit dengan

metode kering dilakukan pada suhu tinggi sehingga terbentuk fasa yang stabil (Fazel,

2011).

3. Metode hidrotermal

Metode hidrotermal merupakan metode dengan mereaksikan antara larutan dan larutan

menjadi padatan hidroksiapatit pada tekanan dan suhu yang tinggi. Metode hidrotermal

memiliki kristal yang baik. Namun memerlukan suhu dan tekanan yang tinggi (T>100 ºC,

P>1 atm) (Yoshimura dalam Fazel, 2011).

4. Metode sol gel

Metode mereaksikan larutan dan larutan membentuk padatan hidroksiapatit

menggunakan pelarut organik. Pada metode ini, serbuk hidroksiapatit yang dihasilkan

memiliki ukuran butir yang relatif homogen dan derajat kristalinitas tinggi. Sintesis

menggunakan metode sol gel dilakukan pada pH dan suhu yang mendekati kondisi fisiologis

yaitu ada pH 7 dan suhu sekitar 37 oC. Kelemahan dari metode ini adalah perlu banyak

pelarut organik untuk proses sintesis (Fazel, 2011).

5. Pengendapan Basah

Metode pengendapan basah merupakan metode yang umum digunakan karena sederhana.

Hidroksiapatit yang dihasilkan menggunakan metode ini memiliki kristalinitas yang rendah.

20

Bahan awal reaksi ini adalah kalsium hidroksida [Ca(OH)2] dan asam ortofosfat [H3PO4]

dengan produk samping adalah air (Suryadi, 2011).

Ukuran, bentuk dan permukaan morfologi hidroksiapatit yang diperoleh reaksi ini sangat

sensitif terhadap laju penambahan asam ortofosfat dan suhu. Tingkat penambahan asam

fosfat sangat terkait dengan pH yang diperoleh pada akhir sintesis dan stabilisasi suspensi.

Suhu reaksi menentukan sintetis kristal hidroksiapatit yang monokristalin atau polikristalin.

Partikel hidroksiapatit yang disintesis pada suhu rendah (

21

proses sintering pada suhu 900 oC merupakan suhu optimum terbentuknya hidroksiapatit.

Selama proses sintering terjadi pengurangan ukuran pori-pori disertai penumbuhan butir,

sehingga terjadi ikatan yang kuat antara masing-masing butir. Sintering dilakukan di bawah

titik leleh hidroksiapatit sehingga hanya terbentuk padatan hidroksiapatit.

7. Kristalisasi Hidroksiapatit

Sintesis hidroksiapatit dari larutan yang mengandung kalsium fosfat melalui proses

kristalisasi. Proses kristalisasi dari fasa larutan berlangsung dalam larutan supersaturasi yang

kemurniannya dapat dikontrol oleh kemurnian larutan. Kristalisasi merupakan proses

pembentukan zat padat dari pengendapan larutan. Endapan adalah zat yang memisahkan diri

sebagai suatu fasa padat dari larutannya sehingga membentuk kristal (Basset et al., 1978).

Ukuran kristal yang terbentuk selama pengendapan tergantung laju pembentukan inti dan

laju pertumbuhan kristal. Laju pembentukan inti dinyatakan sebagai jumlah inti yang

terbentuk dalam satuan waktu. Jika laju pembentukan inti tinggi, banyak sekali kristal yang

terbentuk, tetapi dengan ukuran yang kecil (Basset et al., 1978).

Proses kristalisasi dari fasa larutan berlangsung mengikuti rule of stages by ostwald

melalui tiga tahap yaitu nukleasi, agregasi, dan pertumbuhan kristal

(gambar 2.6). Pada tahap nukleasi, ion dan/atau kumpulan ion bertumbukan sehingga

membentuk inti kritis. Inti kritis merupakan kombinasi ion terkecil dengan struktur kristal

yang tidak larut dalam medium. Tahap kedua adalah selanjutnya yaitu proses pertumbuhan

kristal. Pada tahap ini terjadi penambahan ion dan/atau kumpulan ion pada inti kritis

sehingga ukuran kristal bertambah besar (Indrani, 2012).

Gambar 2.6. Proses Kristalisasi dari Fase Larutan Mengikuti Rule of Stages by Ostwald

(Sanosh et al dalam Indrani., 2012).

Difusi Reaksi Nukleasi Agregasi Pertumbuhan kristal

22

Proses nukleasi dan pertumbuhan kristal bergantung pada kondisi kadar supersaturasi

larutan. Pengadukan dapat menambah gerak ion sehingga mempercepat laju proses nukleasi

maupun pertumbuhan kristal. Pada kondisi tertentu terjadi pertambahan ukuran kristal yang

berlangsung setelah tahap pertumbuhan kristal selesai. Oleh karena ion mineral dalam larutan

telah dipakai dalam proses nukleasi dan pertumbuhan kristal, maka pertambahan ukuran

kristal berlangsung melalui proses konsolidasi yang bersamaan dengan menurunnya jumlah

kristal. Kristal berukuran kecil larut menjadi ion bebas dan membentuk kristal yang lebih

besar. Proses ini berlangsung terus sampai semua material mengalami konsolidasi dan

membentuk kristal hidroksiapatit, dan akhirnya membentuk partikel hidroksiapatit (Indrani,

2012).

Proses pembentukan hidroksiapatit secara kimiawi diinisiasi oleh pembentukan fasa

kalsium fosfat intermediat yang amorf. Kemampuan kalsium fosfat amorf untuk

mengabsorbsi ion-ion Ca2+

dan HPO42-

mengarah ke pembentukan apatit. Perubahan

berlanjut terus dengan bertambahnya kandungan ion OH- sehingga terbentuk fasa intermediat

dikalsium fosfat anhidrat dengan Ca/P 1,00. Perubahan meningkat sampai terbentuk

hidroksiapatit dengan Ca/P 1,67 (Blumenthal dalam Indrani, 2012). Berdasarkan komposisi

dan struktur hidroksiapatit bersifat paling stabil.

Tujuan dari proses kristalisasi adalah menghasilkan produk kristal dengan kualitas yang

diharapkan. Kualitas kristal yang dihasilkan dapat ditentukan dari distribusi ukuran kristal,

kemurnian kristal, dan bentuk kristal. Proses kristalisasi dapat ditingkatkan dengan

meningkatkan laju pengadukan, menaikkan pH, menaikkan suhu, atau menghilangkan

penghambat (Setyopratomo dkk, 2003). Pada sintesis hidroksiapatit, suspensi diaging

(didiamkan) pada suhu kamar untuk memaksimalkan proses kristalisasi. Kristalinitas pada

proses aging masih rendah, sehingga perlu dilakukan sintering pada suhu tinggi untuk

meningkatkan kristalinitas. Hidroksiapatit sebagai implan diberi perlakuan panas untuk

memperoleh kekuatan mekanik tinggi. Suhu sintering yang dilakukan pada akhir proses

sintetisnya memberikan peningkatan kekuatan dari hidroksiapatit sebanyak 3-4 kali (Indrani,

2012).

8. Pengotor pada Kristal

Pengotor yang ada pada kristal terdiri dari dua katagori yaitu pengotor yang ada pada

permukaan kristal dan pengotor yang ada di dalam kristal. Pengotor yang ada pada

permukaan kristal berasal dari larutan induk yang terbawa pada permukaan kristal pada saat

proses pemisahan padatan dari larutan induknya (retention liquid) (Setyopratomo dkk, 2003).

23

Pengotor pada permukaan kristal ini dapat dipisahkan hanya dengan pencucian. Cairan

yang digunakan untuk mencuci harus mempunyai sifat dapat melarutkan pengotor tetapi tidak

melarutkan padatan kristal. Salah satu cairan yang memenuhi sifat di atas adalah larutan

jenuh dari bahan kristal yang akan dicuci, namun dapat juga dipakai pelarut pada umumnya

yang memenuhi kriteria tersebut (Setyopratomo dkk, 2003).

Pada sintesis hidroksiapatit, H2O digunakan sebagai cairan pencuci untuk menghilangkan

larutan NaOH. Senyawa NaOH hanya berfungsi untuk kontrol pH ketika sintesis, sehingga

perlu adanya proses pencucian diakhir proses sintesis agar tidak ada pengotor NaOH. Pelarut

air akan melarutkan NaOH namun tidak melarutkan hidroksiapatit, karena hidroksiapatit

merupakan senyawa yang sulit larut dalam air.

Adapun pengotor yang berada di dalam kristal tidak dapat dihilangkan dengan cara

pencucian. Salah satu cara untuk menghilangkan pengotor yang ada di dalam kristal adalah

dengan jalan rekristalisasi, yaitu dengan melarutkan kristal tersebut kemudian

mengkristalkannya kembali. Pada sintesis hidroksiapatit, pengotor kemungkinan dapat masuk

ke dalam ksi hidroksiapatit adalah karbonat (CO32-

) (Suryadi, 2011). Adanya unsur lain pada

prekursor sintesis hidroksiapatit juga akan memungkinkan adanya pengotor.

9. Sintering

Proses sintering pada padatan terbagi menjadi 3 tahapan yaitu tahap awal, intermediet,

dan akhir (Naik, 2014):

a. Tahap 1 (Tahap awal)

Pada tahap awal terjadi pembentukan leher (neck) pada partikel secara cepat

(rapid interparticle neck growth) dan terjadi peningkatan densitas 0,65 %. Material

mengalami pergerakan untuk meningkatkan jumlah titik kontak dan pada akhirnya

membentuk ikatan pada titik kontak tersebut (German, 1994).

b. Tahap 2 (Tahap intermediet)

Pada tahap intermediet, leher terhubung (interconnected channels) antara butir

(grain edges) sehingga terbentuk pori. Pertumbuhan leher terus berlanjut, yang

diikuti dengan pertumbuhan butir dan pertumbuhan pori. Batas butir mulai

meningkat sehingga butir mulai tumbuh (grow), terbentuknya saluran yang saling

berhubungan (continuous channel) dan berakhir ketika pori terisolasi (German,

1994).

c. Tahap 3 (Tahap Akhir)

24

Pemadatan membuat pori terisolasi dan menyusut secara terus menerus. Pada

proses sintering, pori akan terisolasi karena permukaan dan tegangan antar muka.

Penggabungan antar butir terus terjadi hingga membentuk saluran rongga kontinyu,

densitas meningkat dari 65% ke 90%, Pada kondisi tertentu pori menghilang

(German, 1994).

A. Kitosan

Kitosan merupakan hasil deasetilasi dari kitin. Kitosan sebagai polimer yang tersusun

dari 2-amino-2-deoksi-β-D-glukosa dapat diperoleh dengan cara merubah gugus asetamida (-

NHCOCH3) pada kitin menjadi gugus amina (-NH2). Dengan demikian pelepasan gugus

asetil pada asetamida kitin menghasilkan gugus amina terdeasetilasi (Ihsani, 2014).Kitosan

sebagai polimer alami memiliki sifat biologi yaitu biokompatibel, biodegradabel, aman dan

tidak toksik dan sifat kimia berupa poliamina linear, gugus amino reaktif, serta gugus

hidroksil reaktif (Duttaet al., 2004).Kitosan merupakan material biomedis karena bersifat

biodegradabel, tidak beracun, anti bakteri, dan biokompatibel, kitosan mampu menyerap

banyak substrat tergantung pada jumlah gugus amino terprotonasi dalam rantai polimer yang

berpengaruh pada proporsi asetilasi dan non asetilasi unit D-glukosamin (Kim et al., 2007;

Santiago, 2011).

Gambar 2.3. Struktur kitin dan kitosan. (a) struktur kimia poli kitin (N-acetil- -D-

glukosamin) dan (b) kitosan (poli(D-glukosamin) unit. (c) struktur kitosan terasetilasi

sebagian

Sifat mekanik komposit kitosan/hidroksiapatit memainkan peranan penting dalam teknik

jaringan tulang. Ikatan hidrogen intramolekuler daninteraksi khelat antara kitosan dan

hidroksiapatit berkontribusi pada sifat mekaniknya. Interaksi yang mungkin antara gugus

NH2 dan gugus OH primer dan sekunder dari kitosan dengan Ca2+

dari Hap (ikatan

25

koordinasi logam). Interaksi ini yang mungkin bertanggung jawab pada kekuatan mekanik

yang lebih tinggi dari komposit dibandingkan dengan kitosan dan hidroksiapatit sendiri. Kuat

tekan telah menjadi parameter yang digunakan secara luas untuk kekuatan mekanik dari

scaffold berpori (Venkatesan, 2010).

Gambar2.4.Interaksi kimia antara kitosan-hidroksiapatit (Cheng et al., 2009)

B. Kolagen

Kolagen menyusun hampir sepertiga total massa protein pada vertebrata dan merupakan

protein yang paling berlimpah di dalam tubuh. Jaringan pengikat berkolagen terdiri dari serat,

struktur ini selanjutnya tersusun atas fibril kolagen.Hampir sepertiga protein dalam tubuh

vertebrata berada sebagai kolagen. Kolagen juga merupakan komponen serat utama dalam

tulang. Gigi, tulang rawan, lapisan kulit dalam (dermis), dan tendon (urat daging).Kolagen

ada dalam semua organ yang menampilkan kekuatan dan kekakuan.

Gambar 2.5. Struktur asam amino penyusun kolagen (Stryer, 2000)

Kolagen mengandung kira-kira 35% glisin dan kira-kira 11% alanin, kandungan prolin

dan 4-hidroksiprolin yang tinggi yaitu asam amino yang jarang ditemukan pada protein selain

pada kolagen dan elastin. Bersama-sama prolin dan hidroksiaprolin mencapai kira-kira 21%

dari residu asam amino pada kolagen (Lehninger, 1982). Gambar 2.5 menunjukkan urutan

asam amino sebagai rantai kolagen. Dalam satu penggal dengan lebih dari seribu residu, tiap

residu ketiga adalah glisisn. Kandungan residu prolin dan hiroksiprolin juga tinggi.

Struktur Kolagen tersusun atas tiga tingkat yakni:

26

a. Kerangka kovalen terdiri dari rantai-rantai protein individual dengan bobot molekuler

sebesar kira-kira 100.000 masing-masing.

b. Tiga rantai bergabung untuk membentuk tripel heliks dalam struktur sekunder. Triple

heliks ini meruakan satuan struktural dasar dari kolagen dan disebut tropoolagen.

Tropokolagen merupakan batang berdiameter 15 dan panjang 3000 . Dalam heliks

tropokolagen ketiga benang terikat hidrogen satu dengan yang lain dengan

perantaraan gugus peptida –NH dari residu glisin dan gugus eptida –C=O paa rantai

lain. Ini merupakan struktur heliks yang berbeda nyata dari -heliks.

c. Satuan tropokolagen yang terangkaikan secara kovalen, yang kemudian membentuk

suatu ikatan atau berkas yang disebut mikrofibril. Kolagen fibril dapat terbentuk

dalam ikatan paralel, dalam hal pembentukan urat, atau dalam lembaran-lembaran

seperti ikatan pembntukan kertas dan dalam hal pembentukan kulit (Page dalam

Katili, 2009).

Kolagen dapat diekstraksi dari ikan pari dan tuna (Kasim, 2013), kulit ikan nila hitam

(Putra, dkk., 2013), cakar ayam (Prayitno, 2007) dan tulang sapi.Kolagen dapat diperoleh

melalui ekstraksi bahan-bahan sumber kolagen dengan menggunakan asam-asam organik

ataupun asam-asam anorganik (Kasim, 2013).Berdasarkan hasil penelitian Baliant dan Bowes

dalam Prayitno (2007), bahwa cakar ayam mengandung protein 17,4%, kolagen berkisar

9,07%, air 60,05%, abu 5,98% dan lemak 12%. Kolagen yang paling umum adalah kolagen

tipe 1 yang terdiri dari tiga rantai polipeptida. Dua rantai polipetida disebut tipe dan rantai

polipeptida yang ketiga adalah tipe . Kolagen tipe 1 adalah paling banyak terdapat pada

bagian tubuh yang keras seperti tulang dan gigi serta jaringan penghubung (Liu et al., 2001).

Menurut hasil Penelitian Prayitno (2007) dan Chia-Wi Lin,et al. (2013), dan Hasim

(2014)berdasarkan analisis elektroforegram menunukkan kolagen tipe 1 menjadi komponen

kolagen terbesar dalam cakar ayam.

C. Komposit Hidroksiapatit-Kolagen-Kitosan

Komposit adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih

bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia

maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit)

(Nayiroh, 2003). Penggunaan campuran beberapa material polimer dapat mendukung sebagai

komponen scaffold untuk teknik jaringan tulang. Ikatan antar muka antara fase organik dan

27

anorganik memainkan peran penting dalam menentukan sifat mekanik utama dari komposit.

Sebuah ikatan antar muka yang kuat antara dua fase biasanya diperlukan untuk komposit

untuk mencapai sifat mekanik yang lebih baik (Qing, 1997).

D. Metode sintesis

Dalam mensintesis komposit hidroksiapatit kolagen kitosan dapat dilakukan dengan

metode in-situ dan ex-situ.Metode in-situ merupakan metode sintesis yang dilakukan

bersamaan dalam pembentukan sampel utama (Trisnawati, dkk., 2014). Metode ex-situ

merupakan metode pencampuran yang dilakukan setelah sampel utama terbentuk, pada

penelitian ini adalah suspensi hidroksiapatit dan kolagen kitosan adalah polimer yang

ditambahkan. Metode ex-situ akan memiliki persen kemurnian yang lebih tinggi karena

sampel telah terbentuk sempurna. Thandalam et al. (2015) dan Guo et al. (2014)

menyebutkan bahwa metode ex-situ memiliki kelebihan fabrikasi komposit yang mudah.

28

BAB III TUJUAN DAN MANFAAT

Tujuan khusus penelitian ini adalah:

1. Memperoleh data tentang berbagai aspek yang berkaitan dengan cara sintesis

kolagen dari tulang sapi

2. Memperoleh data tentang berbagai aspek yang berkaitan dengan cara sintesis

Hidroksiapatit dari cangkang telur bebek

3. Mendapatkan data kondisi optimum sintesis bone graft dari kolagen hidroksiapatit

kitosan termasuk

4. Memperoleh data karakteristik kimia dan fisika kolagen, hidroksiapatit dan bone

graft hasil sintesis

5. Memperoleh data hasil uji in vitro, laju degradasi, laju korosi dan uji sitotoksisitas

bone graft yang disintesis dari kolagen hidroksiapatit dan kitosan

Manfaat penelitian :

Manfaat kegiatan penelitian ini adalah :

1. Mampu meningkatkan potensi bahan lokal Indonesia dalam hal ini limbah cangkang

telur, kitosan dan kolagen menjadi bone graft yang bernilai ekonomis tinggi

2. Mendukung ketersediaan bone graft untuk memenuhi kebutuhan bahan untuk

menangani kasus fraktur tulang sehingga mandukung Inonesia mandiri di bidang

medis

3. Memberikan kontribusi dalam perkembangan teknologi khususnya biomaterial

29

BAB IV METODE PENELITIAN

Sasaran Penelitian adalah bone graft yang dihasilkan dari bahan dasar kolegen HA kitosan.

Lokasi Penelitian

Kegiatan penelitian ini dilakukan di laboratorium kimia Jurusan Kimia FMIPA

UNESA. Beberapa analisa dilakukan di Laboratorium MIPA Terpadu dan di farmasi Unair.

Waktu penelitian

Penelitian ini direncanakan selama 2 tahun (2017-2018), pada tahun pertama penelitian

berlangsung direncanakan selama 8 bulan dimulai bulan Mei 2017 sampai Nopember 2017.

Metodologi Penelitian Pada Tahun I

Alat dan Bahan

Kitosan diisolasi dari cangkang udang windu dengan metode Hong(1989). Bahan-

bahan kimia yang digunakan dalam penelitian ini cangkang udang windu, HCl, buffer pH 2-

7, NaOH, akuades bebas mineral, Na2HPO4, CH3COOH, NH4OH, H3PO4, kitosan standar,

kolagen standar, Hidroksiapatit standar, buffer 7-8, cangkang bebek/itik, tulang sapi, air

deminaral, etanol

Peralatan

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi: (1) peralatan gelas seperti labu takar,

tabung reaksi, gelas pengaduk, pipet volume, corong gelas. (2) peralatan analisis seperti

Spektrofotometer UV-vis Lamda bio 20, SEM, BET, XRD, PSA, UTM,. (3) peralatan

penunjang seperti: shaker berpenangas, tabung sentrifus, sentrifus merk Fischer scientific

dengan kecepatan maksimum 3500 RPM, botol film, pH-meter merk Orion model 710A,

kertas saring Whatman 42, neraca analitik Mettler, furnace, kurs porselin.

Prosedur penelitian

Sintesis kitosan dari cangkang udang windu

Sintesis kitosan dari cangkang udang windu dilakukan menggunakan metode Hong (1990)

dengan 3 tahap yaitu deproteinasi dengan menggunakan NaOH 3,5%, demineralisasi

menggunakan HCl 1% dan deasetilasi menggunakan NaOH 50%. Kitosan yang dihasilkan

dianalisis dengan FTIR, XRD, BET, dan ditentukan rendemennya.

Kalsinasi Cangkang Telur Bebek

Cangkang telur bebek dibersihkan di air yang mengalir dan bagian membrannya

dipisahkan. Setelah itu, cangkang telur dikeringkan pada temperatur ruangan. Selanjutnya

kalsinasi dilakukan pada temperatur 1000oC selama 5 jam untuk menghilangkan komponen

organik dan mengubah kalsium karbonat (CaCO3) menjadi kalsium oksida (CaO). Cangkang

30

telur hasil kalsinasi dikarakterisasi dengan XRD untuk memastikan bahwa CaCO3 pada

cangkang telur bebek telah berubah menjadi CaO. Dihitung rendemen CaO.

Sintesis Hidroksi Apatit

Hidroksi Apatit disintesis dengan metode presipitasi secara in situ, dengan meneteskan

larutan KH2PO4 (0,5 M) ke dalam larutan CaO (0,3 M) dan diaduk dengan magnetic stirrer.

Suhu selama presipitasi dan pengadukan dijaga konstan pada temperatur 37oC. Setelah

presipitasi, proses pengadukan dilanjutkan selama 30 menit. Selanjutnya, larutan hasil

presipitasi diaging (disimpan) selama 12 jam. Larutan hasil aging kemudian disaring dengan

menggunakan kertas saring untuk mendapatkan endapan yang berwarna putih. Setelah itu,

endapan hasil penyaringan dipanaskan dalam furnace pada temperatur 110 oC selama 3 jam,

sehingga diperoleh serbuk berwarna putih. Serbuk putih tersebut selanjutnya dikarakterisasi

dengan XRD dan FT-IR , BET, AFM, SEM dibandingkan dengan HA standar juga

ditentukan rendemen HAnya.

Sintesis Kolagen dari tulang tulang sapi

Sintesis kolagen dari tulang sapi dilakukan dengan cara merendam 70 gram

tulang dalam 5% HCl selama 24 jam pada suhu 4ºC. Perendaman dilakukan dengan

perbandingan b:v 1:20. Setel ah masa perendaman, filtrat hasil perendaman ditambahkan

1N NaOH sampai pH netral. Filtrat didiamkan sampai terbentuk gumpalan putih.

Gumpalan yang terbentuk dipisahkan dengan cara disaring menggunaka kertas saring.

Kolagen basah yang terbentuk dikeringkan dengan metode freeze drying. Kolagen yang

terbentuk dikarakterisasi dengan FTIR, XRD dan BET dibandingkan dengan kolagen standar

dan juga ditentukan rendemennya..

Sintesis bone graft dari kolagen hidroksiapatit kitosan

Larutan kolagen dibuat dengan cara melarutkan kolagen dengan asam asetat 1%. Larutan

kitosan dibuat dengan cara melarutkan kitosan dalam asam asetat 1%. Latutan hidroksiapatit

dibuat dengan cara melarutkan hidroksiapatit dengan asam fosfat. Larutan kitosan dicampur

dengan larutan kolagen dan larutan hidroksiapatit dengan perbandingan kitosan :

Hidroksiapatit: kolagen yang divariasi 10:50: 40; 20:50:30; 25:50:25 ; 30:50:20; 40:50:10.

Larutan yang dihasilkan dinetralkan dengan NH4OH , setelah netral diaduk perlahan-lahan.

Kemudian dimasukkan dalam beker glass, dibekuakan pada suhu -10, - 40 dan -80 selama

31

waktu yang bervariasi 2, 4, 6 dan 8 jam. Bone graft yang dihasilkan selanjutnya

dikarakterisasi sifat fisika dan kimianya.

Karakterisasi Bone gratt

Material yang dihasilkan selanjutnya dikarakterisasi yaitu : gugus fungsional ; ukuran

pori, distribusi pori, surface area; kristalinitas; analisis morfologi permukaan, penampang

lintang.

Metodologi penelitian tahun kedua:

Bone graft yang dihasilkan pada tahun pertama dikarakterisasi fisika maupun kimia yaitu

a. Analisis morfologi dengan SEM

b. Analisis kekuatan tekan dan tarik mulurmenggunakan autograph

Uji kekuatan tekan komposit HAp-Kitosan-Kolagen menggunakan autograph.

Pengujian kuat tekan dilakukan dengan membentuk pelet, lalu sisi sampel di ukur

dengan menggunakan jangka sorong. Sampel ditempatkan pada bagian penekan

mesin uji tekan, kemudian mesin dinyalakan dan diatur kecepatan dan gaya yang

akan diukur. Load cell perlahan-lahan diturunkan, kemudian di hentikan dan dicatat

besarnya gaya dan strainnya.

c. Uji In Vitro dengan larutan SBF (Simulated Body Fluid)

1. Preparasi larutan SBF 1 liter

Aquademin sebanyak 960 mL lalu dituangkan sebanyak 200 mL untuk diaduk

dengan menggunakan pengaduk magnetik pada suhu 35oC kemudian dimasukkan

bahan-bahan dengan urutan sebagai berikut:

1. 6,547 g NaCl 99,5%

2. 2,268 g NaHCO3 99,5%

3. 0,373 g KCl 99,0%

4. 0,178 g Na2HPO4.2H2O 99,5%

5. 0,305 g MgCl2.6H2O 98%

6. 15 mL HCl 1 M

7. 0,368 g CaCl2.2H2O 99%

8. 0,071 g Na2SO4

9. 25 mL HCl 1 M

32

Dalam pencampuran diberi selang 2 menit setiap tahapnya agar dapat larut secara

meratadan penambahan HCl dilakukan 2 tetes per detik.

2. Uji sampel dengan larutan SBF

Sampel sebanyak 0,1 g berupa serbuk dimasukkan ke dalam 10 mL larutan SBF.

Perendaman dilakukan selama 3, 6, 9, 12, 15, 18, dan 21 hari. Larutan SBF hasil

perendaman disaring dan filtrat yang dihasilkan diuji dengan menggunakan AAS.

33

Bagan Alir penelitian selama 2 tahun :

Keterangan :

Sudah dilakukan Akan dilakukan

Tahun pertama

-karakterisasi:

FTIR, SEM,

XRD, rendemen

Variabel:Komposisi,

pH, suhu

pembekuan, waktu

pembekuan

-Isolasi hidroksiapatit dari

cangkang telur bebek

- Isolasi kolagen dari

tulang sapi

-

Tahun kedua

Bone graft hasil tahun

pertama

Sintesis bone graft:

hidroksiapatit

kolagen kitosan

-Analisis morfologi

- Uji tarik mulur

- Uji kuat tekan

- Uji degradasi

- Uji laju korosi

- Uji in vitro

- Uji sitotoksisitas.

-

1.data kondisi optimum isolasi:

a. Hidroksiapatit

b.kolagen

c sintesis bone graft dari kolagen

kitosan dan hidroksiapatit

2.hasil analisis FTIR, XRD,BET,

rendemen dari:

a. Hidroksiapatit

b. Kolagen

c. Bone graft

Luaran tahun pertama:

a.Produk bone graft

b. hasil kharakteristik bone graft.

c.Publikasi pada jurnal nasional

bereputasi/ internasional

c. Draft Paten dan buku ajar

bone graf yang sudah

terakterisasi dan memenuhi

standar

Luaran tahun kedua:

a. bone graft yang sudah

terkarakterisasi lengkap.

b.Publikasi pada jurnal

internasional

c.HKI/ paten

d. Inovasi penerapan Ipteks

bidang material medis.

e. buku ajar

Karakterisasi FTIR,

XRD, BET

Isolasi kitosan dari

cangkang udang

-karakterisasi:

FTIR, SEM, XRD,

PSA rendemen

34

Teknik Analisis Data

Data yang diperoleh dari penelitian dianalisis secara deskriptif kuantitatif. Data hasil

sintesis kitosan, kolagen, hidroksiapatit dianalisis rendemennya. Spektra IR yang dihasilkan

dianalisis gugus fungsionalnya untuk menggambarkan gugus fungsional yang berperan dalam

pembentukan bone graft, data defraktogram dianalisis sifat kristalinitas dan kemurnian dari

hasil sintesis, data BET dianalisis ukuran pori, distribusi pori dan surface area, data SEM

dianalisis untuk menggambarkan morfologi permukaan dan penamapang lintang dari

material, data uji mekanik dianalisis untuk menggambarkan tarik mulur dan modulus young

yang menjadi indicator kelenturan suatu material, data kuat tekan menggambarkan

kemampuan material nmenahan beban, data uji degradasi dianalisis untuk menggambarkan

ketahanan terhadap kerusakan, data biokompatibel, ketoksikan diperoleh dari data uji in vitro

dan uji toksisistas.

35

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Preparasi dan Kalsinasi Cangkang Telur Bebek

Sampel cangkang telur dicuci untuk menghilangkan kotoran, bau, lendir, dan

membrannya. Membran Cangkang telur bebek mengandung senyawa organik sehingga harus

diminimalkan agar tidak mengganggu proses sintesis HAp. Cangkang telur bebek yang telah

bersih, dikeringkan untuk mengurangi kandungan air. Setelah kering, Cangkang telur bebek

dihaluskan hingga berbentuk serbuk agar proses pemanasan berlangsung efektif. Energi

panas dari tanur mengalir secara konduksi ke seluruh permukaan butir sehingga distribusi

panas merata dan kalsinasi dapat maksimal (Rachmania, 2012).

Reaksi kalsinasi cangkang telur bebek:

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) (5.1)

Proses kalsinasi Cangkang telur bebek pada suhu 1000 oC berfungsi untuk menguraikan

CaCO3 menjadi CaO dan gas CO2 (persamaan 4.1). Panas dari tanur membuat ikatan kimia

menjadi renggang dan atom yang berikatan bergerak bebas. Pada suhu 850 sampai 1000 oC

ikatan kimia pada CaCO3 terputus membentuk CaO (Sari, 2013). Setelah proses kalsinasi,

dilakukan proses pendinginan cangkang telur bebek secara perlahan di dalam tanur hingga

sampel mencapai suhu ruang. Apabila sampel CaO diambil secara langsung pada suhu 1000

oC, maka CaO akan mengalami kejutan termal (thermal shock) yaitu perubahan suhu secara

mendadak yang membuat morfologi permukaannya mengalami perubahan (Oxtoby et al.,

2003). Perubahan morfologi, membuat CaO membentuk gumpalan (cluster) yang retak dan

terpecah (Sofyan, 2012). Setelah kalsinasi, terjadi perubahan warna Cangkang telur bebek

dari hijau menjadi putih (Gambar 4.1). Menurut Rachmania (2012), perubahan warna terjadi

karena perubahan komposisi unsur pada CB sebelum kalsinasi dan setelah kalsinasi.

Komponen awal pada Cangkang telur bebek yaitu CaCO3, Ca(PO)4, MgCO3, MgPO4 dan

senyawa organik yang memiliki warna hijau. Pada proses kalsinasi, terjadi perubahan

komposisi menjadi pada CaCO3 menjadi CaO serta MgCO3 menjadi MgO. Perubahan

komposisi disertai terbakarnya senyawa organik pada sampel CB-K membuat sampel

menjadi berwarna putih.

Gambar 5.1. CB Sebelum Kalsinasi (A) dan Setelah Kalsinasi (B).

A B

36

Pada proses kalsinasi terjadi penurunan massa antara serbuk cangkang telur bebek

sebelum kalsinasi yaitu dari 5 gram menjadi 4,180 gram, sehingga didapatkan rendemen

83,660%. Putri (2012) telah melakukan kalsinasi Cangkang telur bebek pada suhu 1000 oC

dengan rendemen 55,030%. Perbedaan rendemen penelitian ini dengan penelitian Putri

(2012) dapat terjadi karena berbedanya komposisi kandungan organik pada cangkang telur

bebek yang belum dikalsinasi antara cangkang telur bebek pada penelitian ini dengan

cangkang telur bebek pada penelitian Putri (2012). Besarnya kadar zat organik pada

cangkang telur bebek yang belum dikalsinasi membuat rendemen cangkang telur bebek yang

sudah dikalsinasi semakin kecil karena zat organik akan terbakar pada suhu kalsinasi yang

tinggi.

Penurunan massa cangkang telur bebek selama kalsinasi disebabkan pelepasan gas CO2

dan penguraian senyawa organik. Komponen organik dari cangkang telur bebek yang hilang

selama proses kalsinasi dapat berasal dari protein (Mine, 2008). Protein pada cangkang telur

adalah mukopolisakarida yang terdiri dari kondrotin sulfat A dan B, glukosamin,

galaktosamin, galaktosa, manosa, dan asam sialat (Rivera et al., 1999). Komponen lain pada

cangkang telur bebek adalah MgCO3 sebesar 1% (Fazel, 2011). Menurut Oxtoby et al

(2003), MgCO3 yang dikalsinasi pada suhu 800 sampai 900 oC akan membentuk MgO

disertai pelepasan CO2. Setelah suhu MgO turun, MgO dapat bereaksi dengan air di udara

membentuk Mg(OH)2 (persamaan 5.2 dan persamaan 5.3).

Reaksi kalsinasi magnesium karbonat:

MgCO3(s) MgO(s) + CO2(g) ........................... (5.2)

MgO(s) + H2O(l) Mg(OH)2(aq) ........................ (5.3)

Pada bidang medis, keberadaan ion Mg tidak berbahaya karena pada tulang juga

mengandung Mg sebesar 0,72% (Orlovskii et al., 2002 and Stipniece et al., 2013). Pada

penelitian Stipniece et al (2013), campuran Ca(OH)2/Mg(OH)2 direaksikan dengan H3PO4

sehingga membentuk (Mg-HAp) dengan rumus kimia Ca10-xMgx(PO4)6(OH)2. Seperti pada

HAp, Mg-HAp memiliki sifat osteokonduktif yang baik (Shepherd et al., 2012). Pada

penelitian Cai et al (2009), kehadiran Mg pada HAp dapat meningkatkan sifat bioaktif pada

pembentukan tulang dan meningkatkan kelarutan HAp (Batra et al., 2013; Bose et al., 2013).

Pada penelitian ini, produk akhir sintesis memungkinkan masih terdapat Mg karena prekursor

kalsium mengandung sebagian kecil Mg. Adanya Mg pada prekursor tidak membahayakan

namun bermanfaat untuk tulang.

37

Pada penelitian ini, tidak ada komposisi Mg pada sampel yang ditunjukkan pada

difraktogram Cangkang telur bebek hasil kalsinasi (Gambar 5.3). Berdasarkan literatur,

terdapat Mg sebelum dan sesudah Cangkang telur bebek dikalsinasi. Fadeev et al (2003) telah

membuat HAp disertai Mg menggunakan metode pengendapan basah. Kadar maksimal ion

Mg2+

yaitu 10% b/b. Kadar Magnesium pada cangkang telur hanya 1% (Fazel, 2011),

sehingga mengindikasikan kadar Mg pada sampel HAp tidak membahayakan bagi tubuh.

B. Sintesis HAp

Serbuk CaO dari hasil kalsinasi cangkang telur bebek direaksikan dengan air untuk

membentuk larutan Ca(OH)2 (persamaan 5.4). Larutan Ca(OH)2 ditambah H3PO4 setetes

demi setetes agar pH tidak turun secara drastis. Laju penambahan asam fosfat sangat terkait

dengan pH yang diperoleh pada akhir sintesis. Penurunan pH dibawah 7 menyebabkan H3PO4

terdisosiasi tidak sempurna sehingga menghasilkan β–Ca3(PO4)2 dan CaO (Angelescu et al.,

2011). Larutan H3PO4 yang ditambahkan secara perlahan juga berfungsi meningkatkan

homogenitas larutan (Agrawal et al., 2011).

Reaksi kalsium oksida dengan akuademin:

CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(aq) .......................... (5.4)

Pada penelitian ini, sintesis HAp dipilih pada suhu 60 oC untuk memaksimalkan kristal

yang terbentuk dan menghindari terbentuknya struktur monoklinik yang disintesis pada suhu

dibawah 60 oC (Suryadi, 2011). HAp yang disintesis, diharapkan memiliki struktur yang

sama dengan tulang yaitu heksagonal (Spiers, 1968). Ketika H3PO4 ditambahkan pada

Ca(OH)2 maka secara perlahan larutan menjadi bersifat asam, sedangkan proses kristalisasi

berlangsung efektif pada suasana basa (Malina et al, 2013). Larutan selanjutnya ditambahkan

NaOH agar proses kristalisasi dapat maksimal. Penambahan basa hingga pH 10 karena

larutan HAp stabil pada pH tersebut (Dorozhkin, 2010).

Penambahan NaOH pada konsentrasi kecil membuat pH mengalami kenaikan secara

perlahan hingga mencapai pH 10. Kenaikan pH secara drastis membuat kristal terbentuk

tidak maksimal, akibatnya tidak terbentuk senyawa apatit melainkan β–Ca3(PO4)2 (Angelescu

et al., 2011). Setelah pH mencapai pH 10, larutan didiamkan (aging) pada suhu kamar untuk

memaksimalkan pertumbuhan kristal (kristalisasi) HAp (Byrappa and Ohachi, 2003). Laju

kristalisasi ini dapat dipercepat dengan mengantisipasi masuknya penghambat (Setyopratomo

dkk, 2003) yaitu karbonat. Pembentukan karbonat dapat terjadi karena adanya reaksi antara

38

gas CO2 di udara dengan larutan pada sampel. Berdasarkan alasan tersebut, sampel ditutup

rapat menggunakan aluminium foil untuk meminimalkan kontak dengan udara.

Senyawa kalsium fosfat hasil pengendapan dapat berada dalam fase kristal maupun fase

amorf. Pada awal proses aging, terjadi pembentukan fasa kalsium fosfat intermediat yang

amorf. Kalsium fosfat amorf (KFA) memiliki rumus kimia bervariasi (seperti oktakalsium

fosfat dan dikalsium fosfat dihidrat) dengan Ca dan P yang rendah serta tidak stabil dalam

lingkungan berair (aqeuous) (Blumenthal dalam Indrani, 2012; Betts dalam Ahmiatri, 2002).

KFA akan berubah menjadi fasa intermediat dikalsium fosfat anhidrat dengan Ca/P 1,00

kemudian membentuk calcium deficient HAp (Ca10-x(PO4)6-2x(HPO4)2x(OH)2) dengan 0

39

Reaksi Pembentukan HAp:

10 Ca2+

+6PO43-

+ 2OH- → Ca10(PO4)6(OH)2 ........... ................................... (5.7)

10 Ca(OH)2(aq) + 6H3PO4(aq) → Ca10(PO4)6(OH)2(s)+ 18H2O(l) ....................... (5.8)

Berdasarkan persamaan reaksi 5.8, setiap pembentukan 1 molekul Ca10(PO4)6(OH)2 akan

menghasilkan 18 molekul air. HAp setelah pengeringan menggunakan oven merupakan apatit

yang tidak stabil (Dorozhkin, 2010). HAp yang digunakan sebagai implan diharapkan

memiliki kestabilan fasa sehingga perlu dilakukan sintering sampai suhu tertentu (Naik,

2014).

Pada proses sintering terdapat tiga tahapan yaitu tahap awal, tahap

pertengahan/intermediet, dan tahap akhir. Pada tahap awal terbentuk titik kontak antar

partikel HAp membentuk leher (neck) dan bertambah luas menjadi batas butir (grain

boundary) (Gambar 5.2). Pada saat batas butir HAp semakin membesar, maka densitas

meningkat (Naik, 2014; Dorozkhin, 2010).

Gambar 5.2. Perubahan Partikel Ketika Sintering (Dorozhkin, 2010).

Pada tahap pertengahan sintering, batas butir membesar dan porinya mengecil dengan

cepat sehingga terjadi penyusutan (shringkage) dan peningkatan densitas. Pada tahap ini

terdapat pori yang terkoneksi satu dengan yang lain. Pada tahap akhir sintering,

pemadatan/densifikasi berlangsung lambat dan pori semakin kecil dan terisolasi. Partikel

menjadi terikat kuat, sehingga kepadatan, dan kekuatan meningkat (Dorozhkin, 2010) sampai

akhirnya pori semakin mengecil dan memadat tanpa adanya pori.

Selama proses sintering terjadi proses penguapan asam nitrat menjadi gas NO2

(persamaan 5.9). Sebagian HAp dapat bereaksi dengan CO2 di udara bebas membentuk apatit

karbonat (persamaan 5.10). Selama proses sintering, apatit karbonat akan terurai membentuk

HAp dan melepaskan gas CO2 (persamaan 5.11).

Persamaan reaksi asam nitrat ketika sintering:

4HNO3(aq) 2H2O(g) + 4NO2(g) + O2(g) ................. ................................... (5.9)

40

Persamaan reaksi HAp menjadi apatit karbonat:

Ca10(PO4)6(OH)2(s) + xCO2(g)

Ca10(PO4)6(OH)2−2x(CO3)x(s) + H2O(g) ................... (5.10)

Persamaan reaksi apatit karbonat menjadi HAp selama proses

sintering:

Ca10(PO4)6(OH)2−2x(CO3)x(s) Ca10(PO4)6(OH)2(s) + xCO2(g) ................... (5.11)

Ketika terjadi waktu tunggu (holding time) pada suhu 800, 900, dan 1000 oC, butir

mengalami masa pemulihan (recovery) untuk menyusun sistem kristal dan menghindari

terbentuknya cacat kristal dengan membentuk struktur yang lebih rapat (Rohaya, 2015).

Setelah proses sintering, sampel didinginkan secara perlahan di dalam tanur. Tujuan dari

proses pendinginan secara perlahan karena HAp yang merupakan jenis dari material keramik

(seperti pada CaO) yang dapat mengalami thermal shock. HAp yang telah disintesis dari CB-

K yaitu HAp tanpa sintering, sintering 800, 900, dan 1000 oC (HAp-TS, HAp-800, HAp-900,

dan HAp-1000).

Tabel 5.1. Rendemen HAp dari CaO Cangkang telur bebek dan H3PO4.

Kode

Sampel

Massa

CaO

(gram)

Massa

H3PO4

(gram)

Massa

(gram) Rendemen (%)

HAp-TS

3,700 3,670

5,176 70,230

HAp-800 4,752 64,477

HAp-900 4,741 64,328

HAp-1000 4,635 62,890

Pada Tabel 5.1 menunjukkan HAp-TS menghasilkan rendemen HAp sebesar 70,230%,

sedangkan pada HAp yang telah disintering menghasilkan rendemen HAp pada rentang

62,890 hingga 64,477%. Pada penelitian Putri (2012), sintesis HAp dari cangkang telur

dengan metode pengendapan basah menghasilkan rendemen sebesar 54,700%. Pada proses

sintering terjadi penyusutan massa yang disebabkan penguapan zat-zat yang mudah menguap

seperti nitrat dan air menjadi fase gas. Adanya nitrat berasal dari penambahan asam nitrat

sebelum HAp disintering.

41

C. Karakterisasi Fisika-Kimia CaO hasil kalsinasi cangkang telur bebek

Pada tahap ini dilakukan karakterisasi Cangakang telur bebek hasil kalsinasi dan HAp

menggunakan instrumen XRD, FTIR, dan SEM.

1. Analisis Fasa dan Kristalinitas Menggunakan XRD.

Analisis menggunakan XRD bertujuan untuk mengetahui fasa dan kristalinitas. HAp-TS,

HAp-800, HAp-900, dan HAp-1000 selanjutnya dibandingkan dengan HAp pembanding

yaitu HAp yang telah diaplikasikan dibidang medis yang berasal dari RSUD Dr. Soetomo

Surabaya. HAp ini disebut HAp Bank Jaringan (HAp-BJ).

Analisis Fasa

Analisis fasa bertujuan untuk mengetahui fasa CB-K dan HAp. Pada analisis ini

dibandingkan pergeseran puncak antara CB-K dengan HAp. Hasil XRD merupakan

difraktogram dengan grafik sudut difraksi (2θ) dan intensitas (I) seperti pada Gambar 4.3.

Gambar 5.3. Difraktogram CaO dari cangkang telur bebek dan CaO Standar.

Sampel CaO dari cangkang telur bebek didominasi fasa CaO karena adanya puncak

tertinggi pada sudut 2 = 37,383o. Adanya puncak CaO didukung beberapa puncak lain yang

bersesuaian dengan database Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) no.

37-1497 CaO (Lampiran 8a). Puncak tersebut ditunjukkan pada sudut 2 = 32,220o; 37,383

o;

53,904o; 64,187

o; 67,396

o; 79,671

o; 88,547

o; dan 91,482

o. Fasa lain pada CaO dari cangkang

telur bebek adalah Ca(OH)2 yang bersesuian dengan JCPDS no. 84-1263. Fasa Ca(OH)2 pada

2 = 18,029o, 28,669

o, dan 34,138

o sesuai dengan JCPDS no. 84-1263 (Lampiran 8e).

Puncak-puncak ini memiliki intensitas yang lebih kecil dibandingkan dengan fasa CaO.

Difraktogram CaO hasil kalsinasi dibandingkan dengan CaO standar untuk memperkuat

bahwa yang dihasilkan merupakan fasa CaO. Berdasarkan penelusuran literatur maupun

laboratorium, tidak ada CaO dengan kualitas pro analysis. Berdasarkan alasan tersebut,

42

pembanding yang digunakan hanya menggunakan CaO teknis. Pada analisis menggunakan

XRD, tidak ada fasa CaO pada CaO standar, melainkan fasa Ca(OH)2 yang ditunjukkan pada

puncak tertinggi pada sudut 2 = 34,234o. Puncak Ca(OH)2 didukung oleh puncak Ca(OH)2

yang lain yaitu pada 2 = 18,168o; 28,810

o; 36,069

o; 47,267

o; 50,939

o; 54,495

o; 57,514

o;

59,468o; 62,720

o; 64,425

o; 71,916

o; 84,829

o; dan 93.215

o. Fasa lain pada CaO standar yaitu

fasa CaCO3 yang terdeteksi pada 2 = 20,947o; 22,035

o; 29,529

o; dan 39,522

o.

Tabel 5.2 Komposisi Fasa CaO hasil kalsinasi cangkang telur dan CaO Standar.

Sampel Fasa Komposisi

massa (%b/b)

CaO-

Kalsinasi

CaO 94,800

Ca(OH)2 5,200

CaO

standar

Ca(OH)2 62,900

CaCO3 37,100

Analisis komposisi fasa dibantu menggunakan perangkat lunak Match. Hasil analisis

menunjukkan serbuk CaO hasil kalsinasi cangkang telur mengandung CaO sebesar

94,800%b/b dan Ca(OH)2 sebesar 5,200%b/b (Tabel 4.2). Tidak adanya fasa CaCO3 pada

CaO hasil kalsinaasi cangkang telur mengindikasikan seluruh CaCO3 telah terkonversi

menjadi CaO. Fasa lain pada CaO hasil kalsinansi cangkang telur selain CaO adalah

Ca(OH)2. Fasa ini memiliki komposisi yang lebih kecil dibandingkan CaO. Keberadaan

Ca(OH)2 diperkirakan berasal dari reaksi CaO dengan uap air di udara terbuka (persamaan

4.12).

Reaksi kalsium oksida dengan uap air diudara:

CaO(s) + H2O(l) Ca(OH)2(s) .......................... (5.12)

Pada CaO standar menunjukkan adanya fasa Ca(OH)2 sebesar 62,9%b/b dan CaCO3

sebesar 37,1%b/b. Keberadaan CaO standar yang mengandung fasa Ca(OH)2 memperkuat

dugaan bahwa sulit untuk mendapatkan CaO yang murni, karena mudahnya reaksi antara

CaO dengan uap air di udara bebas menjadi Ca(OH)2. Cepatnya reaksi antara CaO dan H2O

di udara didukung oleh penelitian Siswanto (2013). Pada penelitian Siswanto (2013), reaksi

CaO dengan udara selama satu malam menghasilkan perubahan sebagian besar CaO menjadi

Ca(OH)2. Fasa lain pada CaO standar adalah CaCO3. Keberadaan CaCO3 pada CaO standar

menunjukkan sampel tidak murni karena merupakan CaO teknis. Keberadaan CaCO3 dapat

43

disebabkan oleh reaksi Ca(OH)2 dan gas CO2 sehingga membentuk CaCO3. Oleh sebab itu,

CaO standar tidak dapat digunakan sebagai pembanding. Adanya fasa CaO pada CB-K

merujuk pada JCPDS CaO.

Adanya fasa Ca(OH)2 pada CaO hasil kalsinansi cangkang telur diperkirakan berasal dari

reaksi CaO dengan uap air di udara bebas. Reaksi ini tidak dapat dihindari, meskipun sampel

yang telah dikalsinasi diletakkan pada desikator, ditutup menggunakan aluminum foil, dan

disimpan dalam tempat tertutup karena CaO memilik sifat higroskopis (Andika dan Fadli,

2015). Pada preparasi sampel XRD, serbuk ditempatkan pada sample holder yang dapat

membuat CaO mengalami kontak dengan udara bebas. Adanya Ca(OH)2 pada sampel, tidak

mengganggu proses sintesis HAp karena pada proses sintesis seluruh CaO akan direaksikan

dengan H2O sehingga menghasilkan Ca(OH)2. Senyawa lain yang diperkirakan ada pada CaO

hasil kalsinansi cangkang telur adalah MgO dan Mg(OH)2. Pada hasil XRD, tidak ada

puncak dengan senyawa MgO maupun Mg(OH)2. Hal ini dapat disebabkan sangat kecilnya

atau tidak ada komposisi senyawa tersebut dalam sampel, sehingga tidak terdeteksi pada

difraktogram XRD.

44

Gambar 5.4. Difraktogram CaO hasil kalsinansi cangkang telur dan HAp.

Pada Gambar 5.4 menunjukkan difraktogram CaO hasil kalsinansi cangkang telur (CB-

K), Hidroksiapatit tanpa sintering (HAp-TS), hidroksiapatit Bank jaringan (HAp-BJ),

hidroksiapatit suhu sintering 800 (HAp-800), hidroksiapatit suhu sintering 900 (HAp-900),

dan hidroksiapatit suhu sintering 100 (HAp-1000). Pada difraktogram menunjukkan adanya

perubahan puncak pada difraktogram CB-K dan HAp. Pada difraktogram CB-K

menunjukkan puncak tertinggi berada pada 2 = 37,383o. Pada HAp-TS, HAp-8, HAp-9, dan

HAp-10 puncak ini bergeser berturut-turut menjadi 32,045o; 31,810

o; 31,792

o; dan 31,811

o.

Pergeseran ini menunjukkan seluruh sampel HAp memiliki komposisi fasa yang berbeda

dengan CB-K .

Pada sampel HAp-TS muncul puncak tertinggi yaitu pada sudut 2 = 32,045o; 32,272

o;

dan 33,116o. Pada HAp-800 memiliki puncak tertinggi pada 31,810

o; 32,197

o; dan 32,949

o.

Pada HAp-900 memiliki puncak tertinggi pada 31,792o; 32,197

o; dan 32,933

o. Pada HAp-

1000 memiliki puncak tertinggi pada 31,811o; 32,214

o; dan 32,951

o. Puncak tertinggi HAp-

TS merupakan puncak tertinggi apatit karbonat yang sesuai dengan JCPDS no. 35-0180 milik

apatit karbonat tipe A (AKA) dan JCPDS no. 19-0272 milik apatit karbonat tipe B (AKB)

HAp-TS

Keterangan:

CB-K

HAp-BJ

CB-800

HAp-900 HAp-900

HAp-1000

HAp-TS

CaO

Ca(OH)2

HAp

Apatit Karbonat

Tetrakalsium siklo-

dekafosfat 16 hidrat

45

(lampiran 8c dan 8d). Puncak tertinggi pada HAp-8, HAp-9, dan HAp-10 merupakan puncak

tertinggi HAp yang sesuai dengan JCPDS no. 09-0432 milik HAp (lampiran 8b).

Pada Tabel 5.3 menunjukkan komposisi HAp yang berasal dari CB-K dan HAp-BJ.

Terdapat perbedaan antara fasa CB-K dan HAp yaitu perubahan fasa CaO serta Ca(OH)2

menjadi fasa HAp dan apatit karbonat. Seiring kenaikan suhu sintering, kemurnian HAp

semakin tinggi dan komposisi apatit karbonat semakin kecil. Komposisi HAp pada HAp-TS,

HAp-800, HAp-900, dan HAp-1000 berturut-turut 50,4; 72,00; 82,70; dan 99,10%b/b. HAp

yang memiliki kemurnian tertinggi yaitu HAp-1000, apabila dibandingkan dengan HAp-BJ

menunjukkan komposisi yang mirip yaitu dengan selisih 0,7%b/b. Pada HAp BJ, tidak

terdapat fasa apatit karbonat, melainkan fasa tetrakalsium siklo-dekafosfat 16 hidrat.

Perbedaan fasa pengotor antara HAp-BJ dengan HAp yang disintesis dari CB-K, diperkirakan

karena perbedaan prekursor dan metode yang digunakan untuk proses sintesis. Menurut ISO-

13779:2008, HAp sebagai implan harus memiliki minimal 50%b/b fasa HAp. Berdasarkan

analisis kuantitatif XRD, seluruh HAp tanpa dan dengan perlakuan sintering memiliki massa

yang lebih besar dari 50%b/b.

Tabel 5.3. Komposisi HAp.

Sampel HAp

(% b/b)

Apatit

Karbonat

(% b/b)

Tetrakalsium Siklo

Dekafosfat 16 Hidrat

(% b/b)

HAp-TS 50,400 49,600 -

HAp-800 72,000 28,000 -

HAp-900 82,700 17,300 -

HAp-

1000 99,100 0,900 -

HAp-BJ 98,400 - 1,600

HAp yang disintesis dari CB-K menunjukkan adanya pengotor yaitu apatit karbonat.

Terbentuknya fasa apatit karbonat berasal dari substitusi ion karbonat pada HAp (Indriani,

2012). Substitusi bukan berasal dari prekursor kalsium, karena data XRD menunjukkan CB-

K tidak mengandung CaCO3. Substitusi CO32-

dapat berasal dari reaksi gas CO2 yang berasal

dari udara bebas dengan ion OH- yang berasal dari pelarut (Suryadi, 2011)