Material Medict

Hidroksiapatit

2015

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Tulang adalah suatu sistem pada tubuh manusia yang berfungsi untuk menyangga tubuh manusia, membentuk tubuh manusia agar seperti bentuk sempurnanya. Namun apabila salah satu tulang tersebut rusak bagaimanakah yang akan terjadi? Dalam bidang “engineering” sendiri ilmuwan mulai menemukan ide untuk mengganti tulang denagn polimer yang bisa beradaptasi dengan tubuh mansia seperti keramik pengganti tulang dan sebagainya.

Penggunaan graft tulang (allograft dan xenograft) di Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun. Hal ini disebabkan oleh bertambah luasnya bidang pemakaian graft tulang tersebut tidak hanya pada bidang orthopedik tetapi juga telah mulai banyak dipakai pada opthalmologik dan periodontal (gigi). Selain itu peningkatan pemakaian graft juga disebabkan oleh bertambahnya prevalensi penyakit yang memerlukan graft tulang. Pada berbagai kasus kerusakan tulang (bone deffect) seperti kanker tulang, periodontitis dan lain sebagainya, sering diperlukan graft tulang sebagai pengganti tulang yang rusak. Saat ini graft tulang yang banyak digunakan pada bidang ortopedi yaitu natural bone antara lain autograft (tulang dari pasien yang sama), allograft (tulang dari donor manusia lain) dan xenograft (tulang sapi). Allograft merupakan graft tulang yang berasal dari donor manusia baik donor hidup maupun donor jenazah. Xenograft merupakan graft tulang yang berasal dari donor spesies selain manusia, umumnya yang digunakan adalah sapi.

Dalam pengembangan graft tulang kendala utama yang dihadapi yaitu sukar untuk mendapatkan donor tulang sehingga ketersediaan ketiga graft tersebut sangat terbatas disamping masalah yang telah disebutkan diatas. Oleh karena itu perlu suatu alternatif untuk mengganti graft tulang dengan bahan sintetik yang mempunyai sifat menyerupai tulang asli. Hidroksiapatit (HA) dengan rumus kimia Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ merupakan salah satu senyawa inorganik penyusun jaringan keras (hard tissue) tubuh manusia seperti tulang, gigi, dentin dan lain sebagainya. HA sintetik merupakan material seperti tulang yang mempunyai sifat dapat berikatan dengan tulang secara baik. Beberapa hasil penelitian menyebutkan bahwa HA sintetik berpotensi untuk digunakan sebagai pengganti graft tulang (allogarft dan xenofraft) dengan sifat biokompatibilitas yang baik terhadap tulang dan gigi. HA telah banyak digunakan sebagai implan biomedik dan regenerasi tulang karena mempunyai sifat bioaktif dan biodegradable.

B. Rumusan Masalah

Rumusan masalah dari penulisan makalah ini di antara lainya adalah :

1. Apa yang dimaksud dengan Hidroksiapatit (HA)?

2. Bagaimana proses pembuatan Hidroksiapatit (HA)?

3. Bagaimana karakterisasi hidroksiapatit (HA)?

4. Bagaimana aplikasi HA (Hidroksiapatit)?

5. Bagaimana kelebihan dan kelemahan?

C. Tujuan

Tujuan dari penulisan makalah ini di antara lainya adalah :

1. Mengetahui pengertian dari Hidroksiapatit (HA)

2. Mengetahui proses pemuatan Hidroksiapatit (HA)

3. Mengetahui kegunaan aplikasi HA (Hidroksiapatit)

4. Mengetahui aplikasi HA (Hidroksiapatit)

5. Mengetahui kelebihan dan kelemahan

BAB II

PEMBAHASAN

A. Pengertian

Tulang merupakan material komposit alamiah terdiri dari komponen organic dan inorganik. Komponen inorganik penyusun tulang (45-65%) adalah suatu bentuk kalsium fosfat yang dikenal sebagai hidroksiapatit (HA). HA mempunyai struktur kimia Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, secara stoikimetri tersusun atas kalsium dan fosfat dengan rasio Ca/P = 1,67. Kandungan kalsium dan fosfat pada tulang dan gigi adalah sekitar 34-37% (Ca) dan 16-20% (P).

Hidroksiapatit (HAp) yaitu senyawa mineral apatit yang mempunyai struktur heksagonal. HAp merupakan fase kristal dari senyawa kalsium fosfat yang paling stabil. Rumus kimia HAp adalah Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ mempunyai parameter kisi: a=9,433Å, c=6,875Å, dan perbandingan Ca/P=1,67. Kelebihan hidroksiapatit adalah berpori, bioaktif, tidak korosi, dan tahan aus. Unit sel terdiri dari dua subsel prisma segitiga rombik. Terdapat dua kaca horizontal yaitu, Z = ¼ dan Z = ¾ dan sebagai tambahan terdapat bidang tengah inversi, tepatnya di setiap tengah muka vertikal dari setiap sub sel. Atom C ditunjukkan oleh lingkaran berwarna hijau, atom O ditunjukkan oleh lingkaran berwarna biru dan atom P ditunjukkan oleh lingkaran berwarna merah

Gambar 1 Struktur hidroksiapatit.

Unit sel memiliki dua atom Ca yaitu,
1. Ca₁: memiliki tiga pusat, puncak dan dasar dihitung sebagai ½ Ca1. Masing-masing subsel memiliki dua atom Ca dari Ca₁.

2. Ca₂: memiliki enam atom Ca₂, total atom Ca dalam setiap unit sel adalah sepuluh (terdiri dari 4 Ca₁ dan 6 atom Ca₂). Atom-atom Ca2 membentuk dua segitiga normal hingga sumbu C dan berotasi sebesar 60°

Struktur kristal pada hidroksiapatit dapat dibedakan menjadi dua,yaitu monoklinik dan heksagonal. Pada umumnya, hidroksiapatit yang disintesis memniliki struktur heksagonal. Struktur tersebut terdiri dari susunan gas PO₄ tetrahedral yang diikat oleh ion-ion ca. struktur monoklinik dapat dijumpai apabila hidroksiapatit yang terbentuk benar-benar stoikiometri. Rasioa Ca/P dari hidroksiapatit berpengaruh terhadap kekuatan dari hidroksiapatit yang disintesis. Semakin besar rasio Ca/P maka kekuatan makin meningkat dan mencapai nilai maksimum disekitar rasio Ca/P~1,67 (HA stoikiometrik) dan tiba-tiba turun ketika rasio Ca/P >1,67. Terdapat variasi pada sifat mekanik dari hidroksiapatit yang disintesis.

Unsure penyusun utama mineral apatite tulang sapi adalah Ca, P, O, dan H yang sesuai dengan komposisi kimia dan struktur Kristal hidroksiapatit Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ yang mempunyai simetri ruang p63/m (No. 176), parameter kisi a = 9,432Å, c = 6,875Å dan system kristalnya adalah heksagonal (Kusini dan Sontang, 2012).

Gambar 2. Struktur Hidroksiapatit

Sifat kimia yang penting adalah biocompatible, bioaktif, dan bioresorbable. Biocompatible adalah sifat dimana material tersebut tidak menyebabkan reaksi penolakan dari system kekebalan tubuh manusia karena dianggap sebagai benda asing Bioaktive material akan sedikit terlarut tetapi membantu pembentukan sebuah lapisan permukaan apatit biologis sebelum langsung bertatap muka dengan jaringan dalam skala atomik,yang mengakibatkan pembentukna sebuah ikatan kimia langsung ke tulang. Bioresorbable material akan melarut sepanjang waktu (tanpa memperhatikan mekanisme yang menyebabkan perpindahan material) dan mengijinkan jaringan yang baru terbentuk tumbuh pada smbarang permukaan tak beraturan namun tidak harus bertatap muka langsung dengan material. Akibatnya, fungsi dari material Bioresorbable digunakan sebagai Scaffolds atau pengisi (filler) yang menyebabkan mereka berrinfiltrasi dan bersubstitusi ke dalam jaringan.

Sifat mekanis merupakan faktor yang membatasi penggunaan Hidroksiapatit (HA) sebagai implan pada bagian yang menanggung beban tinggi. HA yang memiliki sifat mekanis yang baik perlu diperluas lagi penggunaannya dalam bidang kedokteran pada masa depan. Umumnya faktor yang mempengaruhi sifat mekanis HA adalah bentuk serbuk, pori-pori dan besar butir. Serbuk HA yang memiliki stoikiometri yang tepat yaitu rasio molar Ca/P sebanyak 1,67 dapat menghasilkan sifat mekanis HA yang unggul (Suchanek dan Yoshimura, 1998). Pori-pori HA yang letaknya tidak teratur dan tidak saling berhubungan satu sama lain (tidak rekat) menyebabkan pori-pori menjadi faktor yang melemahkan kekuatan bahan HA (Smith, 1996). Ukuran butir juga menurunkan kekuatan bahan HA dengan mempengaruhi ikatan antara butir (Smith, 1996).

Hidroksiapatit merupakan suatu kalsium fosfat yang banyak digunakan sebagai material pengganti tulang atau untuk bone filler (pengisi tulang) karena kemiripannya dengan struktur kimia tulang dan jaringan keras pada mamalia. Material ini dapat mendorong pertumbuhan tulang baru, serta mempercepat proses penyatuan tulang. Dengan sifat-sifat mekanik dan struktur kimia yang dimiliki sehingga HA banyak digunakan sebagai implan tulang femur (paha) manusia dan dalam aplikasi bidang medis lainnya.

Sifat hidroksiapatit sangat mirip dengan komponen pada organ-organ tertentu dari tubuh manusia seperti tulang dan gigi. Akan tetapi, dikarenakan kekuatan mekanik yang kurang baik dan menahan beban maka aplikasinya terbatas pada implant yang tak sepenuhnya menahan beban (non-load-bearing implant) seperti implant untuk operasi telinga di bagian tengah, pengisi tulang yang rusak pada operasi otopedik, serta pelapis (Coating) pada implant untuk dental dan proteshis logam.

B. Proses Pembuatan Hidroksiapatit

Kalsinasi

Kalsinasi adalah proses pemanasan, penghilangan kandungan air, karbon dioksidasi atau gas lain yang mempunyai ikatan kimia dengan materi pada temperatur tinggi di bawah titik leleh dari zat penyusun materi. Kalsinasi adalah dekomposisi termal/penguraian temperature yang dilakukan terhadap materi agar terjadi dekomposisi dan mengeliminasi senyawa yang berikatan secara kimia dengan materi. Panas diperlukan untuk melepas ikatan kimia karena dengan panas maka ikatan kimia akan menjadi renggang dan pada temperatur tertentu atom-atom yang berikatan akan bergerak sangat bebas menyebabkan terputusnya ikatan kimia. Penggunaan proses kalsinasi pada tulang sapi dilaporkan untuk menghilangkan bakteri atau agen yang menyebabkan penyakit (Ruksudjarit et al., 2008).

Porositas bertambah dengan adanya proses kalsinasi yang disebabkan oleh penghilangan pengikat dan aglomerasi dari bubuk spray drying. Porositas ini muncul sebagai penurunan kecil permukaan yang dapat diminimalisasikan dengan pengembalian meteri struktur yang padat melalui kalsinasi atau sintering (Kweh et al., 1999).

Tulang sapi yang dipanaskan pada suhu 600 hingga 1000℃ menunjukkan terbentuknya hidroksiapatit murni dan kristalinitas dari HA meningkat dengan adanya kenaikan temperature pemanasan. Pada suhu 1100 hingga 1200℃ dijumpai sebagian kecil β-TCP menunujukkan dekomposisi parsial sari hidroksiapatit. Pemanasan tulang pada temperature di atas 700℃ menghasilkan struktur sponge dari tulang, yang mempunyai jaringan pori yang saling berhubungan (Ooi et al., 2007).

Pada saat proses kalsinasi, hidroksiapatit dipanaskan hingga mencapai suhu 800℃. energy panas yang dihasilkan oleh furnance mengalir secara konduksi ke seluruh bagian permukaan hidroksiapatit. Panas tersebut menyebabkan massa dari hidroksiapatit berkurang. Laju kalsinasi dari hidroksiapatit bergantung pada ukuran dan ukuran dari butiran hidroksiapatit dan lama pemansan yang digunakan. Semakin bulat bentuk butira maka proses pemanasan akan semakin efektif karena panas dapat berdifusi secara bebas dari segala sudut permukaan butir sehingga distribusi panas merata dan kalsinasi dapat maksimal.

Preparasi hidroksiapatit telah dilaporkan dan dihasilkan dari bahan sintetis dan tulang sapi dengan berbagai metode. Beberapa metode preparasi hidroksiapatit dipaparkan sebagai berikut (Rachmawati,2012) :

Penggunaan irradiasi ultrasonic pada pembuatan hidroksiapatit dari bahan sintetis telah dilaporkan, dengan memeanfaatkan efek kavitasi akustik dapat menghasilkan distribusi ukuran yang seragam dan efektif dalam pembentukan materi berukuran nano dan efisien untuk penghasilan, disperse dan mencegah aglomerasi dari partikel (Poinen et al., 2009) dan spray drying adalah metode yang menjanjikan untuk pemanasan dengan cepat dan memiliki efisiensi yang tinggi dibandingkan dengan pemansan konvensional (Nandiyanto dan Okuyama, 2011).

Penggunaan kombinasi dari mekanik, ultrasonic, dan spray drying diharapkan mampu untuk menghasilkan hidroksiapatit bubuk yang mempunyai distribusi ukuran yang seragam dengan yield yang tinngi dan waktu singkat. Dan dengan oenggunaan proses kalsinasi dapat menghasilkan nanokrostalin hidroksiapatit bubuk dengan distribusi ukuran yang seragam dengan yield yang tinggi dengan waktu singkat dibandingkan dengan pemanasan yang konvensional.

1. Planetary Ball Mill

Planetary Ball Mill adalah mill dengan skala kecil yang digunakan di dalam laboratorium dan digunakan untuk mereduksi ukuran baik dengan penggilingan secara kering dan basah, pencampuran, homogenisasi dari bahankimia, tanah, dan bahan farmasi. Umpan yang diizinan masuk ke dalam Planetary Ball Mill berukuran hingga 10 mm dengan keadaan lunak, keras, dan rapuh.

Planetary Ball Mill terdiri dari bola giling dan wadah penggilingan. Bola giling sebagai penghancur, sehingga material pembentuk bola giling harus memiliki kekerasan yang tinggi agar tidak terjasi kontaminasi saat terjadi benturan dan gesekan antara serbuk, bola, dan wadah penggilingan. Material yang digunakan adalah baja tahan karat.

Ukuran bola yang digunakan dalam proses produksi mempengaruhi efisiensi serta bentuk akhir serbuk setelah dilakukan proses milling. Ukuran yang besar dan density yang tinggi pada suatu bola akan menghasilkan energy impact yang besar. Penggunaan bola yang semakin besar dan bagian bola yang menumbuk serbuk akan semakin kecil luasnya. Selain itu, penggunaan bola besar mempercepat kenaikan temperature. Sedangkan dengan peggunaan bola kecil maka energy yang dihasilkan kecil tetapi luas kontak bola dengan serbuk luas. Sehingga memaksimalkan proses milling salah satunya dengan menggunakan ukuran bola yang berbeda-beda.

Perbandingan berat bola dengan serbuk (BPR) memberikan efek yang cukup besar. Semakin besar BPR menyababkan berat bola yang semakin besar dan waktu yang diperlukan lebih cepat dikarenakan berat bola yang semakin besar dan waktu yang diperlukan lebih cepat dikarenakan dengan meningkatnya berat bola, jumlah tumbukan akan menigkat sehingga energy akan lebih banyak tersalur ke serbuk dalam waktu yang singkat. Pemilihan ukuran bola tergantung pada ukuran bola yang akan dihancurkan. Bola yang akan diguanakan paling sedikit 1 wadah penggililing yang merupakan media yang diuganaka untuk menahan gerakan bola-bola giling dan serbuk ketika proses penggilingan berlangsung.

Wadah penggiling merupakan media yang digunakan untuk menahan gerakan bola-bola giling dan serbuk ketika proses penggilingan berlangsung. Akibat yang ditimbulkan dan proses penahanan gerak bola-bola giling dan serbuk tersebut adalah terjadinya benturan antara bola giling, serbuk, dan wadah penggilingan sehingga menyebabkan terjadinya proses penghancuran serbuk secara berlang-ulang. Wadah penggilingan disusun secara eksentris pada roda matahari. Arah pergerakan roda matahari berlawanan dengan arah pergerakan wadah penggiling. Bola penggiling dalam wadah penggiling diletakkan di atas pergerakan rotasi yang disebut dengan gaya corioli. Perbedaan kecepatan antara bola dan wadah penggiling menghasilkan interaksi antara gaya gesek dan tekan yang melepaskan energy dinamik yang tinggi. Perbedaan gaya ini menghasilkan tingkat pengecilan ukuran yang tinggi dan efektif (De Castro dan Mitchel).

2. Sonikator

Iradiasi ultrasonik adalah metode presipitasi baru untuk mempersiapkan nanokristalin hidroksiapit. Efek utama dari ultrasound terutama berasal dari kavitasi kaustik yaitu pembentukan, pertumbuhan, dan runtuhnya gelembung (Sina, 2009). Ultrasonic terutama efektif memecah agregat dan mengurangi ukuran dan polidispersitas dari nanopartikel (Cengiz et al., 2008).

Irradiasi ultrasonic menghasilkan kavitasi pada medium larutan dimana terjadi pembentukan, tumbuh, dan terpecahnya microbubbles. Hal ini menghasilkan kondisi temperature yang ekstrem (>2000°K) dan tekanan (>500 bar) pada mikrodetik pembentukan dari reaksi intermediet seperti radikal. Hal ini mendorong reaktivitas dari spesi kimia yang terlibat, sehingga membuat percepatan reaksi heterogen antara reaktan cair dan padat secara efektif. Peningkatan daya ultrasonic meyebabkan reaksi cepat cepat mengarah pada pembentukan monofase HA dan melemahnya puncak fosfat lain seperti Ca₃(PO₄)₂ dan Ca₂P₂O₇ (Li-Yun et al., 2005).

Ukuran partikel terkait dengan nuclease dan pola pertumbuhan material, dan hal ini sangat berhubungan dengan derajat super saturation pada fase cair. Dengan kehadiran ultrasonic yang menghasilkan micro jets dan shock wave mengakibatkan runtuhnya micro bubbles dan mempromosikan hot spot dengan pendinginan yang sangat tinggi (Beckett et al., 2001). Efek tersebut memacu reaksi kimia dan efek fisika, sehingga ultrasonic dapat diguanakan untuk sintesa material pada fasa cair.

Meningkatnya daya ultrasonic menunjukkan penurunan ukuran partikel yang dihasilkan (Poinem et al., 2009). Daya sonikasi mempengaruhi tingkat kavitasi dalam cairan, dengan daya ultrasonik yang semakin tinggi akan menghasilkan peristiwa kavitasi dengan jumlah besar dikarenakan makin banyak gelembung kavitasi transien yang terbentuk. Dapat diharapkan banyaknya sisi nukleasi menghasilkan partikel terbentuk disekitar sisi tersebut lebih kecil untuk konsentrasi pereaksi yang sama. Pembentukan partikel dengan kontrak yang lama dengan ultrasonic menunjukkan penerunan pada tingkat aglomerasi (Poinem et al., 2009).

Kegunaan iradiasi ultrasonik pada persiapan sampel (wet milling) adalah lebih mengefisienkan proses grinding (penghalusan), dispersing (penyebaran) dan deaglomerasi (pemecahan) sampel partikel. HA yang dihasilkan dari metode ini memiliki keseragaman ukuran dan distribusi. Keuntungan metode ini dalam membuat ukuran slurry yang bagus adalah peningkatan kecepatan reaksi, output reaksi dan penggunaan reaksi yang lebih efisien (Poinem et al., 2009).

Laju pembentukan Kristal dengan metode sonikasi meningkatkan laju pertumbuhan Kristal hingga 5,4 kali. Sonikasi juga mengakibatkan luas permukaan spesifik nanopartikel HA meningkat melalui pembentukan partikel yang lebih kecil. Hasil pengukuran BET menunjukkan luas permukaan spesifik dengan sonikasi lebih besar 107 m²/g dibandingkan tanpa sonikasi 63 m²/g. hal ini menunjukkan sonikasi dapat meningkatkan luas permukaan dari HA nanopartikel melalui pembentukan partikel yang kecil (Rouhani et al., 2010).

Sonikator adalah alat yang dapat membangkitkan gelombang ultrasonik. Metosi ini sering disebut juga matode radiasi ultrasonic dengan menggunakan panjang gelombang dari 20 kHz hingga 10 MHz. gambar di bawah ini menunjukkan model pembentukan gelembung pada alat sonikator

Prinsip yang terjadi pada cairan yang mengalami proses radiasi ultrasonik atau biasa disebut dengan sonifikasi adalah dengan adanya getaran yang dibangkitkan oleh sonikator maka akan terjadi kompresi atau tekanan pada molekul cairan yang secara cepat akan mengalami proses pembentukan gelembung yang secara cepat juga gelembung itu membesar hingga mencapai saat dimana gelembug mikro tidak dapat lagi menyerap energy yang dihasilkan oleh gelembang suara secara efisien dan akhirya akan pecah, membuat kavitasi akustik yang menghasilkan gelembung adiabatic yang tumbuh kemudian runtuh secara meledak (implosive collapse) dan membuat hot spot local dikarenakan terjadi peningkatan suhu dan tekanan yang ekstrim untuk waktu yang sangat singkat.

Hat spot local inilah yang memacu efek fisik dan reaksi kimia yang secara langsung mempengaruhi ukuran partikel dan morfologi produk yang disintesis (Poinem et al., 2009). Hal ini terjadi berulang dan dengan cepat sehingga dapat menimbulkan efek pengadukan pada skala mikro atau bahkan molekul.

3. Spray dryer

Spray dryer Merupakan salah satu metode pengering, yang cepat dengan waktu singkat unutk larutan, suspensi, dan dispersan untuk menghasilkan serbuk, granular. Prinsip kerja meliputi penguapan kadar air dari umpan yang diatominasi dengan pencampuran antara sparay dan medium pengering. Proses pengeringan dilakukan hinggan kadar air yang diinginkan tercapai pada partikel yang dispray dan produk dapat terpisahkan dari medium pengering. Evaporasi terjadi dikarenakan adanya kontaak antara doplet dengan udara pengering, sehinnga terjadi transfer panas dari uadara pengering ke doplet dan air yang terdapat pada doplet akan menguap. Transfer panas tersebut akan digunakan sebagai panas laten selama evporasi, kecepatan evaporasi dipengaruhi oleh komposisi bahan terutama kandungan total,padatan. Semakin tinggi total padatan bahan, maka proses evaporasi akan berlangsung lebih cepat.

Disk atomizer atau roda berputar merupakan inti dari spray dryer, dimana bahan akan dipercepat secra sentrifugal sehingga mempunyai kecepatan yang tinggi sebelum disemprotkan kemedium pengering. Atomizer harus mempunyai funsi sebgaia berikut :

1. Dapat mendispersi umpan hingga butiran-butiran kecil sehingga dapat terdistribusi sempurna antara pengering dan bercampur dengan udara panas.

2. butiran yang diproduksi tidak boleh terlalu besar karena pengering kuran sempurna dan tidak boleh terlalu kecil dikarenakan partikel yang kecil mengalami overheat dan menjadi hangus.

3. Atomizer juga bertindak sebagai alat pengukur, mengatur laju uman masuk ke dryer

Aliran udara yang digunakan menggunakan prinsip aliran co-current dimana produk yang akan di spray dan aliran udara pengering dalam satu arah yang sama

Penggunaan mini spray dryer B-290 tidak hanya sebagai pengering tetapi juga mempunyai fungsi lain yaitu memodifikasi ukuran partikel, aglomerasi nanopartikel, pengering suspense, melapis partikel, imobilisasi cairan dan bahan padat ke dalam sebuah matriks dan pembuatan mikrokapsul. Spray dryer yang digunakan ditunjukkan oleh gambar di bawah ini :

C. Karakterisasi Hidroksiapatit (HA) tulang sapi

Beberapa teknik karakterisasi digunakan untuk mengetahui karakterisasi dari material yang dihasilkan. Pengujian dilakukan untuk memastikan apakah material yang dihasilkan adalah hidoksiapatit dengan sifat-sifat yang sebelmnya ingin diketahui. Beberapa pengujian tersebut adalah Scanning Electron Microscopy (SEM). Fourier Transform Infrared (FTIR), dan X-ray Difraction Analysis (XRD).

1. SEM (Scanning Electron Microscopy)

Fungsi mikroskop elektron scanning atau SEM adalah dengan memindai terfokus balok halus elektron ke sampel.Elektron berinteraksi dengan sampel komposisi molekul. Energi dari elektron menuju ke sampel secara langsung dalam proporsi jenis interaksi elektron yang dihasilkan dari sampel. Serangkaian energi elektron terukur dapat dihasilkan yang dianalisis oleh sebuah mikroprosesor yang canggih yang menciptakan gambar tiga dimensi atau spektrum elemen yang unik yang ada dalam sampel dianalisis.Ini adalah rangkaian elektron yang dibelokkan oleh tumbukan dengan elektron sampel.

Pada sebuah mikroskop elektron (SEM) terdapat beberapa peralatan utama antara lain:

1. Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah melepas elektron misal tungsten.

2. Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron yang bermuatan negatif dapat dibelokkan oleh medan magnet.

3. Sistem vakum, karena elektron sangat kecil dan ringan maka jika ada molekul udara yang lain elektron yang berjalan menuju sasaran akan terpencar oleh tumbukan sebelum mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara menjadi sangat penting.

Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:

1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda.

2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.

3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai.

4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).

Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:

2. FTIR (fuorier Transform Infra Red)

FTIR adalah bagian dari metode pengujian berbasis serapan spektroskopi dengna menggunakan sinar Infra Merah. Pengujian ini adalah memberikan radiasi kepada sampel sehingga nantinya akan diketahui perilaku sampel tersebut terhadapradiasi yang diberikan, apakah radiasi tersebut ada yang diserap atau dilewatkan. Tujuannya adalah Untuk mengetahui seberapa baik sebuah sampel menyerap cahaya pada tiap panjang gelombang dan digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsi dari hidroksiapatit yang diperoleh.

Analisa sampel pada spektroskopi FTIR diawali dengan dipancarnyakannya sinar infra merah dari sumber benda hitam. Sinar tersebut melaju dan melewati celah yang mengomtrol jumlah energi yang disediakan untuk sampel. Sinar ini masuk ke dalam interferometer, yang mengijinkan beberapa panjang gelombang untuk lewat dan memblokir yang lainnya berdasarkan inerferensi gelombng. Sinar tersebut kemusian memasuki ruang sampel, dimana sinar ditransmisikan keluar atau dipantulkan kembali bergantung pada tipe analisa akhir. Hasil keluaran diolah menjadi sinyal digital berupa interferogam dan dikirim ke computer. Komputer digunakan untuk merubah data mentah menjadi hasil yang diinginkan (serapan cahaya untuk tiap panjang gelombang), dibutuhkan algoritma pembalik yang disebut “Fourier transform”.

3. XRD (X-ray Difraction Analysis)

Profil karakteristik XRD dapat digunakan untuk mengkaji pengaruh kalsinasi pada tulang sapi. Profil XRD yang di dapat dibandingkan dengan database XRD JCPDS no. 9-432, yang memuat pola XRD dan hidroksiapatit.

Pang dan Bao (2003) mencatat bahwa HA yang mengalami proses kalsinasi memiliki puncak difraksi yang tajam dan kristalinitas yang tinggi dibandingkan dengan tulang sapi yang dikeringkan. Kristalinitas san ukuran Kristal setelah kalsinasi dicatat bergantung terhadap kristalinitas dan ukuran kristal dari HA bubuk sebelum kalsinasi. Dimana setelah kalsinasi, ukuran Kristal meningkat untuk HA bubuk dengan kristalinitas rendah dan ukuran Kristal yang rendah, tetapi menurun untuk HA bubuk dengan kristalinitas tinggi dan ukuran Kristal yang besar.

Berbeda dengan material amorf, material kriatalin menghasilkan difraksi sinar X yang jauh lebih bersih dari noise dikarenakan susunan atomnya yang teratur. Susunan atom material amorf tidak teratur yang mengakinatkan sedikitnya sinar X yang difraksikan, dan banyaknya penghamburan snair X. hamburan ini yang menyebabkan noise yang tinggi pada grafik hasil XRD.

Dari hasil XRD pada tesis Rachmania (2012) dapat disimpulkan adanya proses kalsinasi menghasilkan HA yang murni, dimana terjadi pengurangan lebar puncak dan naiknya intensitas pada masing-masing puncak. Ukuran kristal HA dpt dihitung dengan pers Scherrer, dihasilkan ukuran kristal sebelum kalsinasi sebesar 11,06 nm dan setelah kalsinasi sebesar 41,26 nm. Sesuai dgn pencatatan oleh Pang dan Bao (2003), bahwa setelah kalsinasi, ukuran kristal meningkat HA buuk yang memiliki kristalinitas rendah dan ukuran kristal yang rendah.

D. Aplikasi Hidroksiapatit (HA)

Hidroksiapatit banyak digunakan dalam aplikaasi biomedik. Biomaterial sudah sejak lama digunakan. Pada zaman Mesir kuno dan Phoenic, gigi yang lepas digantikan dengan gigi buatan yang diikatkan dengan kawat emas ke gigi yang berada disebelahnya (Park et al, 2000) dan pada awal 1900-an, pelat tulang digunakan untuk menyangga tulang yang patah dan untuk mempercepat penyembuhan tulang (Ben–Nissan, 2004).

Biomaterial menurut Black adalah material pasif yang digunakan dalam dunia kesehatan, yang akan diinteraksikan dengan system biologi. Menurut William adalah material yang digunakan pada sistem biologi untuk mengevaluasi, mengobati, atau mengganti sel-sel, organ, atau fungsi tubuh. Dan menurut Park dan Bronzio adalah material sintetis yang digunakan untuk mengganti bagian sistem atau fungsi tubuh yang dihubungkan langsung dengan sel-sel hidup. Secara umum biomaterial dapat diartikan sebagai material yang ditanam di dalam tubuh manusia untuk pengganti jaringan atau organ tubuh yang terserang penyakit ataupun yang rusak atau cacat. Porous Hidroksiapatit (HA) biasanya digunakan untuk struktur penghubung atau tempat penggantungan pada formasi tulang. Keramik porous ini hanya digunakan pada aplikasi yang tidak menopang beban dikarenakan kekuatannya yang rendah. Hydroxiapatite ini dapat membentuk ikatan fisik dengan tulang setelah di inplankan ke dalam tubuh.

Umumnya tulang manusia terdiri dari 2 komponen utama yaitu dua pertiga fasa nonorganik dan sepertiga fasa organik. Sebagian besar fasa organik tersusun dari kolagen berukuran nano. Dan penyusun yang lain yaitu protein, lemak dan polisakarida yang memberikan sifat fleksibel, elastis dan kuat. Sebagian besar fasa non organic terdiri dari hidroksiapatit dalam bentuk jarum berukuran panjang 40 nm, lebar 20 nm dan tebal 5 nm. Selain itu, juga tersusun dari mineral- mineral yaitu karbonat, sodium, magnesium, fluorida, klorida, kalium dan pirofosfat. Kandungan mineral ini memberikan kekerasan dan melindungi tulang dari patah. Apabila tahap mineral meningkat maka ia akan meningkatkan kekuatan dan kekakuan tulang (Follet et al., 2004). karena hidroksiapatit mempunyai komposisi kimia dan struktur campuran yang hampir sama dengan tulang manusia, maka hidroksiapatit sangat sesuai digunakan untuk penggantian dan perbaikan jaringan tulang manusia yang rusak.

Tulang paha Corail memiliki kekuatan yang tinggi, alat dari titanium memiliki tekstur permukaan yang kasar, sehingga harus dicoating menggunakan hydroxyapatite. Permukaan yang kasar dari titanium dan hidroxyapatite tetap memungkinkan tulang baru untuk tumbuh di sekitar implant secara biologis tanpa membutuhkan bantuan perekat atau material pembantu lainnya.

Pemanfaatan hidroksiapatit disbabkan karena sifat dari hidroksiapatit yang tidak beracun, bio biokompabiitas, non inflamasi, tidak menimbulkan imun, dan struktur mesopori dari hidroksaipatit. Penggunaan hidroksiapatit sebagai pembawa obat (Oner et al., 2011) dan hidroksiapatit yang direaksikan dengan ion europium (Yang et al., 2008). Selain itu HA memiliki kemampuan yang cukup baik dalam menyerap unsur-unsur kimia organik dalam tubuh, bersifat non toxic, cepat membangun ikatan dengan tulang (bioaktif), memiliki biokompatibilitas dengan jaringan sekitar dan dapat mendorong pertumbuhan tulang baru dalam strukturnya yang berpori.

Sintesis hidroksaipatit dan nanohidroksiapatit sebagai pencitraan dan pengganti tulang telah banyak dilaporkan (Mcmahon et al., 2009; Chen et al., 2011; Pelin et al., 2009; Zhou dan Lee, 2011). Hidroksiapatit sintesis menunjukkan penggabungan yang kuat dengan host jaringan keras. Ikiatan kimia dengan jaringan menawarkan HA sebagai aplikasi yang lebih menjanjikan dibandingkan dengan allograft dan autograft atau implant metal dan keramik. Kelebihan utama HA dari tulang sapi adalah biokompabilitas, biodegradasi yang rendah, kemampuan osteokonduktivitas yang bagus. Sintesa HA telah banyak dilakukan untuk memperbaiki tulang, penggantu tulang, sebagai pelapis atau pengisi tulang dan gigi (Zhou dan Lee, 2011). Namun pegembangan Hidroksiapatit secara luas dikembangkan sebagai scaffolds.

Hidroksiapatit scaffolds adalah hidroksiapatit yang memiliki matriks berpori dimana uuran pori-pori dalam hidroksaipatit scaffolds dapat bervariasi, bergantung pada volume scaffolds yang diproduksi. Struktur hidroksiapatit dengan porositas teratur lebih mirip dengan struktur jaringan tulang. Hal ini membuat HA scaffolds lebih mudah diimplant ke dalam jaringan tulang dan tidak menghambat pertumbuhan jaringan tulang alami dan dapat mencegah pergeseran dan kehilangan implant yang sudah diinduksikan ke dalam tubuh (Joscheck et al., 2000).

Scaffolds dalam hidroksiapatit dapat dibentuk dari berbagai macam bahan termaksud polimer, keramik, logam, dan bahan komposit lainnya. Pori-pori tersebut memiliki struktur terbuka dan permukaannya yang biokompatibel ideal untuk pertumbuhan sel dan diferensiasi jaringan. Pori-pori yang terdapat di dalam hidroksiapatit ini dapat digunakan sebagai matriks untuk penggantian tulang, dan dapat ditingkatkan respon biologinya dengan menambahkan molekul seperti kolagen dan kitosan (Pelin et al., 2009; Rodrigues et al., 2003).

E. Kelebihan dan Kelemahan Hidroksiapatit

Kelebihan dari hidroksiapatit sehingga cukup aman di gunakan sebagai bahan implant adalah karena sifatnya yang non toxic, cepat membangun ikatan dengan tulang (bioaktif), memiliki biokompatibilitas dengan jaringan sekitar dan dapat mendorong pertumbuhan tulang baru dalam strukturnya yang berpori. Namun, pori-pori Hidroksiapatit ini tidak teratur dalam bentuk dan ukuran serta tidak sepenuhnya saling berhubungan satu sama lain. Hal ini menyebabkan porositas hidroksiapatit yang dihasilkan rendah, akibatnya struktur keramik hidroksiapatit tidak kompak sehingga apabila digunakan sebagai implant ortopedik karakteristiknya rapuh atau mudah patah.

Karena hal tersebut, dikembangkanlah IP-CHA (Interconnecte Porous Hydroxypatite Ceramics) yaitu hidroksiapatit yang memiliki pori-pori yang letaknya teratur dan ukurannya seragam sehingga dapat meningkatkan kekerasannya ketika digunakan sebagai material implan.

PENUTUP

A. KESIMPULAN

Dengan pengembangan yang tepat pada bio-polimer keramik hal tersebut pasti saangat berguna di bidang kesehatan bagi manusia yang hidup di era modern ini.

Keramik dapat berperan penting untuk menggantikan sistem kegunaan tulang pada tubuh manusia dengan sifat-sifat yang telah di sesuaikan sebelumnya.

B. SARAN

Dengan perkemabngan jaman seperti sekarang tulangpun bisa diganti dengan bio-polimer keramik yang dapat berdaptasi dengan tubuh manusia walaupun masih ada sedikit kekurangan yang di timbulkanya. Dengan pengemabangan yang lebih baik hal tersebut mungkin bisa diminimalisir lagi.

Dalam segi kesehatan hal ini sangat bermanfaat bagi kehidupan manusia yang sangat membutuhkan hal tersebut yaitu bio-polimer pengganti tulang atau bio-polimer pengganti graft tulang.

Semoga seiring berjalanya waktu perkembangan teknologi ini semakin berkemabang dan terutamnya bermanfaat bagi kehidupan manusia saat ini.

DAFTAR PUSTAKA

Cengiz, B., Gokce, Y., Yildiz, N., Aktas, Z., Calimli, N., 2008, “Synthesisis and Characterization of Hydroxyapatite Nanoparticles, Colloids and Surfaces A: Physicochem Eng. Aspect. 322:29-33.

Kusini, E., Sontang, M., 2012, “Characterization of X-ray Diffraction and Electron Spin Resonance : Efects of Sintering Time and Temperture on B ovine Hydroxyapatite”. Rad. Physical and Chem. 81:118-125.

Kweh, SWK., Khor, KA., Cheang, P., 1999, “The Production and Characterization of Hydroxyapatite. J. Material Processing Technology. 89-90:373-377.

Li-Yun, C., Chuan-bo, Z., Jiang-feng, H., 2005, “Influence of Temperature, [Ca²⁺], Ca/P Ratio and Ultrasonic Power on The Crystalinity and Morphology of Hydroxyapatite Nanoparticels Prepared With a Novel Precipitation Method”. Material Letters. 59:1902-1906.

Nandiyanto, A.B.D., Okuyama, K.B., 2011. “Progress in Developing Spray-Drying Methods For The Production of Controlled Morphology Particels: From The Nanometer to Submicrometer Size Range", Advenced Powder Technology. 1-19.

Ooi, C.Y., Hamdi, M., Ramesh, S., 2007, “Properties of Hydroxyapatite Producted by Annealing of Bovine Bone, Ceramics International. 33:1171-1177.

Pang, Y.X., Bao, X., 2003, “Influence of Temperature, Ripening Time and Calcination on the Mprphologhy and Crystalinity of Hydroxiapatite Nanoparticles”. Journal of the European Ceramic Society. 23:1697-1704.

Poinern, G.E., Brundavanam, R.K., Mondinos, N., Jiang, Z., 2009. “Synthesis and Characterization of Nanohydroxyapaptite Using an Ultrasound Assiste Method”, Ultrasonic Sonochemistry. 16:469-474.

Rachmania, Aida, 2012, Preparasi Hidoksiapatit dari Tulang Sapi dengan Metode kombinasi Ultrasonik dan Spray Drying. Depok.

Rouhani, P., Taghavinia, N., Rauhani, S., 2010, “Rapid Growth of Hydroxyapaptite Nanoparticles Using Ultrasonic Irradiation”. Ultrasonic Sonochemistry. 17:853-856.

Ruksudjarit, A., Pengpat, K., Rijujanagul, G., Tunkasiri, T., 2008. “Synthesis and Characterization of Nanocrystalline Hydroxyapatite from Natural Bovine Bone”. Current Applied Physics. 8:270-272.

http://emigogroup.wordpress.com/2012/01/17/keramik-biomaterial/ (di akses pada tanggal 20 Juni 2013)

http://www.specialistdentalgroup.com/in/pelayanan/impan_gigi_konvensional.php (di akses pada tanggal 20 Juni 2013)

http://jongjava.com/web/kuliner/494 (di akses pada tanggal 20 Juni 2013)

Bagaimana pendapatmu dengan cerita ini?