Sintesis Bubuk Hydroxyapatite Bio-Ceramic menggunakan Metode Hydrotermal

Mutiara Khairunnisa G74120016

Zudah Simaatul Kubra G74120023

Gita Pratiwi G74120037

DEPARTEMEN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGORBOGOR

2014

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

Journal of Minerals & Materials Characterization & Engineering, Vol. 9, No.8, pp.683-692, 2010jmmce.org Printed in the USA. All rights reserved

Sintesis Bubuk Hydroxyapatite Bio-Ceramic menggunakan Metode Hydrotermal

P. Hui, S.L. Meena, Gurbhinder Singh*, R.D. Agarawal, Satya Prakash

Metallurgical and Materials Engineering Department, Indian Institute of Technology

Roorkee,

India

*Corrosponding Author:gurbhinder@yahoo.com

ABSTRAK

Bubuk Hydroxyapatite bio-keramik disintesis menggunakan limbah kulit telur sebagai

sumber kalsium dengan metode termal. Proses ini dilakukan padasuhu tinggi. Berbeda

fase pada kalsium fosfat diperoleh dengan mengubah perlakuan panas. Hap adalah satu-

satunya apatite yang ada dalam hasil reaksi, bersama dengan fraksi dari senyawa kalsium

lainnya. Hasil akhir ditandai dengan difraksi sinar-X, Scanning elektron

mikroskop (SEM) dan Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FT-IR). Analisis termal

(TG-DTA) dilakukan untuk menyelidiki stabilitas termal HAp.

Kata kunci: Hydroxyapatite, cangkang telur, X-ray difraksi, FT-IR, TG-DTA

1. PENDAHULUAN

Hydroxyapatite (HAp) adalah salah satu bahan paling serbaguna yang digunakan

untuk tujuan implantasi karena kesamaannya dengan bahan tulang alami [1] . HAp memiliki

rumus kimia CA₁ₒ (PO₄)₆(OH)₂ atau Ca₅ (PO₄)₃ (OH), dan merupakan unsur pokok

anorganik tulang pada manusia. HAp sintetik telah berhasil digunakan dalam operasi jaringan

keras, karena mampu menjalani ikatan osteogenesis dan relatif tidak larut in vivo [2]. Ini

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

adalah bahan yang sangat menarik untuk tulang dan implan gigi karena mirip gigi manusia

dan mineral tulang yang terbukti secara biologis kompatibel dengan jaringan ini [3-5].

Banyak penelitian telah menunjukkan bahwa HAp keramik tidak menunjukkan toksisitas,

respon peradangan, dan respon pirogenetik. HAp Memiliki pembentukan jaringan fibrosa

antara implan dan tulang sangat baik, dan memiliki kemampuan untuk obligasi langsung ke

sekumpulan tulang [3]. Hydroxyapatite (HAp) dan bahan kalsium fosfat (CaP) lainnya

menunjukkan sifat bioaktif dan osteokonduktif yang sangat baik karena kesamaan mereka

dengan bahan tulang alami. Lapisan HA meningkatkan ikatan physiochemical langsung

dengan tulang, yang memudahkan dalam mempercepat fiksasi implan dan pengembangan

kestabilan permukaan biomaterial tulang [6]. Meskipun terbukti kemampuan HAp untuk

meningkatkan tulang tambahan, kinerja jangka panjang dibatasi oleh masalah seperti lapisan

adhesi, cepat terputus (kemudian kehilangan ikatan tulang), gangguan kelelahan dan

terbentuknya puing partikulat [7].

Beberapa metode sintesis kimia telah dikembangkan untuk mempersiapkan HAp

menggunakan berbagai jenis Ca dan P sumber [8-11]. Dalam proses sintesis ini, upaya telah

dilakukan untuk mensintesis murni dan biokompatibel HAp bubuk dengan menggunakan

cangkang telur ayam sebagai sumber kalsium. Cangkang ini merupakan 11% dari total berat

telur dan terdiri dari kalsium karbonat (94%), kalsium fosfat (1%), bahan organik (4%) dan

magnesium karbonat (1%).

2. PROSEDUR EKSPERIMEN

Cangkang telur ayam dikumpulkan dalam jumlah besar. Cangkang dibersihkan secara

mekanis dengan air terionisasi dan direbus dalam air selama 20 menit. Mereka kemudian

ditempatkan dalam tungku untuk tiga tahap perlakuan pemanasan. Laju pemanasan dan

waktu perendaman pada tiga tahap ini diberikan dalam Tabel I.

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

Eksperimental tahapan untuk sintesis ini ditunjukkan pada Gambar. 1.

Pada tahap pertama cangkang dipanaskan upto 450°C pada tingkat pemanasan 7°C / min.

diikuti dengan perendaman selama dua jam pada 450°C. Demikian pula cangkang telur tahap

kedua dipanaskan dari 450-600°C padai tingkat pemanasan 5°C /menit. dan perendaman di

600°C selama dua Jam. Pada tahap akhir cangkang dipanaskan dari 600°C ke 900°C pada

tingkat pemanasan 4°C /menit diikuti dengan perendaman selama satu jam pada 900°C.

Pada suhu 900°C, cangkang telur berubah menjadi kalsium oksida dengan melepaskan

karbon dioksida (CO₂) sesuai dengan persamaan berikut:

CaCO₃ → CaO + CO₂ ↑

CaO yang diperoleh dari kulit telur itu kemudian diubah menjadi HAp dalam larutan fosfat

mengikuti prosedur yang dilaporkan sebelumnya oleh Roy [12], Eric M. Rivera et.al [8] dan

kemudian digunakan oleh orang lain [13].

Sejumlah stoikiometri dari kulit telur kalsinasi didispersikan dalam air suling. Dalam larutan

tri-kalsium fosfat pengadukan bahan reaksi kelas kuat (Merck) dicampur ke dalam cangkang

dikalsinasi pada kontrol ke dalam suspensi dipertahankan pada suhu 90°C. Pencampuran

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

dilanjutkan dalam waktu yang lamauntuk mencapai campuran larutan yang tepat. Setelah

selesai pencampuran, larutan mengalami perlakuan penyimpanan selama 24 Jam dan

kemudian disaring. Larutan yang disaring selanjutnya diberi perlakuan panas dari uap panas.

Tingkat pemanasan dari 15°C / menit. sampai 650°C, 8°C / menit dari 650°C ke 900°C

diikuti dengan perendaman selama 1 Jam pada 90°C. Uap yang diberikan untuk

mempertahankan adanya H²O selama reaksi. Reaksi yang terjadi seperti:

3Ca₃ (PO₄) ₂ + CaO + H₂O CA₁ₒ (PO₄) ₆ (OH) ₂

Sebagai bubuk disintesis yang diperoleh dari kulit telur mengandung beberapa bagian

kalsium hidroksida dengan kalsium oksida reaksi kemungkinan menjadi:

3Ca3 (PO₄)₂ + Ca (OH)₂ CA₁ₒ (PO₄)₆ (OH)₂

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

2.1 Karakterisasi Produk

Hasil analisis difraksi X-ray pada Gambar. 2 menunjukkan bahwa puncak intensitas sesuai

dengan JCPDS 37-1497 untuk CaO, dengan senyawa lain seperti Ca (OH) 2, CaCO3.

Berdasarkan hasil pengamatan, perubahan berat berbanding lurus dengan hilangnya gas CO2.

Analisis XRD pada sampel HAp telah dilakukan (Bruker D-8 Advanced, Jerman) pada mode

refleksi dengan radiasi Cu Kα (λ = 1,5405 Å). Data dianalisis dalam rentang 2Ө dari 10°

sampai 80° dengan langkah pemindaian 2° per menit. Hasil menunjukkan bahwa proses

termal CaO dalam larutan fosfat 950°C menghasilkan bahan padat ber warna putih dengan

struktur yang memiliki pori pori-pori yang mempunyai diameter tidak teratur dan mekanik

yang tinggi kekuatan. Difraksi sinar-X dari sampel yang di ada pada Gambar. 3 menunjukkan

beberapa tahap. Fase kristal diidentifikasi sebagai HAp (JCPDS, 9-0432), dengan beberapa

tahapan kalsium oksida (JCPD, 37-1497) dan kalsium hidroksida (JCPDS, 4-0733). Fase-fase

ini mungkin menunjukkan tidak lengkapnya transformasi kalsit, akibat gangguan dari

atmosfer yakni Suhu yang tinggi selama proses reaksi.

Kelompok-kelompok yang menunjukkan HAp dipastikan oleh FT-IR (Fourier transform

infrared spectroscopy) Thermo Nicolet 5700, FTIR. Spektrum FT-IR diperoleh pada rentang

400-4,000 cm-1 menggunakan teknik pelet KBr dengan resolusi spektral 4 cm-1.

Analisis TG-DTA dilakukan dengan Analyzer Termal Perkin Elmer (Pyris Diamond).

Penurunan berat dan stabilitas termal dari sampel juga dievaluasi dari analisis data pada

panas gravimetri. Tingkat pemanasan suhu di udaranya mualai dari 10°C / min sampai

1400°C .

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

Spektrum FT-IR pada HAp yang dihasilkan oleh metode hidrotermal ditunjukkan pada Gbr.4

menunjukkan bahwa semua karakteristik Hydroxyapatite [14, 15]. Peregangan Asimetris (v3)

dan bending (v4) PO4-3 Ion terdeteksi sekitar 1.047,9, dan masing-masing 604,1 dan 566,7

cm-1,. Pada peregangan simetris (v1 dan v2) dari PO4-3 Ion juga ditemukan di sekitar 961,4

dan 470,4 cm-1.

Pelepasan dan peregangan OH masing-masing terdeteksi pada sekitar 3571 dan 1637cm-1.

Getaran peregangan, dianggap berasal dari CO32- di sekitar 1.425,1, dan 876cm-1 [16]. Pita

pada 3.413,3 dan-1637.5cm 1 berdasarkan pada adsorpsi H2O.

Pola XRD HAp ditampilkan dalam Gbr.3, yang menunjukkan puncak refleksi nilai 2Ө yang

luas yaitu dalam kisaran 31.8- 32.5°, yang sesuai dengan fase karakteristik puncak apatit

(menurut JCPDS card # 9-432).

Analisis mikrograf SEM ditampilkan pada Gambar. 6 menunjukkan bahwa sintesis HAp

terdiri dari aglomerat. Bentuk dan ukuran yang hampir sama selalu antara rentang 3μm dan

5μm, dibangun dari partikel halus berukuran sekitar 400 nm. Sebuah partikel halus dengan

bentuk bulat dan semi-bulat telah diamati seperti terlihat pada Gambar (6a). Aglomerat

(Gambar: 6b dan 6c) mempunyai bentuk yang tidak beraturan seperti oval dan bentuk bulat.

Aglomerat sebesar 10μm juga bisa dilihat, namun, ukuran yang biasa terlihat adalah antara 3

dan 5μm. Ada banyak aglomerasi bola dan kristalit dari ukuran nano yang mempunyai pori-

pori. bentuk pori-pori bermanfaat karena akan mengizinkan sirkulasi cairan tubuh seluruh

lapisan bila digunakan sebagai biomaterial.

analisis DTA-TG (Gbr.5) menunjukkan bahwa ada penurunan berat sekitar 6% sampai suhu

380°C dan 10% pada rentang 380°C ke 420°C. Penurunan besar ini menegaskan bahwa

pembentukan Hap ada di sekitar 9% wt. Penurunan diamati sampai 800°C. Di sekitar 800°C

sampai 1400°C tidak ada penurunan berat yang teramati. Kurva hampir stabil pada kisaran

seuhu ini. Hal ini menunjukkan stabilitas termal bubuk HAp.

Berdasarkan hasil penelitian, menunjukkan bahwa stabilitas termal HAp suhu yang diusulkan

berada di luar 1050°C [17]. Pada Kurva DTA ada indikasi puncak tajam endotermik pada

420°C dengan dua puncak kecil lainnya.

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

4. KESIMPULAN

HAp telah berhasil disintesis menggunakan limbah cangkang telur dengan tri-kalsium fosfat

pada suhu 900°C dan untuk 24 Jam berikutnya menghasilkan pembentukan disintesis HAp.

Sebagaimana yang ditunjukkan pada analisis FT-IR dan XRD, produk ini berbentuk kristal

& DTA-TG menunjukkan stabilitas termal yang baik. Partikel-partikel sebagian besar

berbentuk bulat dengan ukuran nano. metode ini membutuhkan perlakuan suhu yang rendah

(900°C) dibandingkan dengan metode konvensional, dimana Suhu perawatann adalah

1050°C.

Daftar Pustaka

[1] Dean Mo Liu, 1997, “Fabrication of hydroxyapatite with controlled porosity”, Journal of

Material Science: Materials in Medicine, Vol. 8, pp. 227-232.

[2] V. Jokanovi , B. Jokanovi , 2008, “Kinetics and sintering mechanisms of hydro-thermally

obtained hydroxyapatite,Materials Chemistry and Physics,Vol.111, pp. 180–185.

[3] Hench, L.L., 1991, “Bioceramics: From Concept to Clinic”, Journal of American

Ceramics Society, Vol.74, pp. 1487-1510.

[4] Willmann, G., 1993, “Material properties of hydroxylapatite ceramics”, Interceram, 42,

pp. 206-208

[5] Willmann, G., 1996, “Medical grade hydroxyapatite: State of the art”, British Ceram.

Trans.,Vol. 95, pp. 212-216.

[6] Cleries L, Frenadez-Pradas JM,Morenza JL.,1999, “Bone growth on and resorption of

calcium phosphate coatings by pulsed laser deposition”, J. Bio-med Mat. Research

Vol. 49, pp. 43-45.

[7] Sun L, Binnat CC, Gross KA, Kucuk A. Mat.,2001, “Fundamentals and clinical

performance of plasma sprayed hydroxyapatite coatings:A review”, J. Bio-med Mat.

Research, Vol. 58, pp. 570-592.

[8] Eric M. Rivera, Miguel Araiza, Witold Brostow, 1999, “Synthesis of hydroxyapatite from

eggshells”, Materials Letters, Vol. 41, pp. 128–134

[9] K Prabakaran, A Balamurugan, S Rajeswari, 2005, “Development of calcium phosphate

based apatite from hen’s eggshell”, Bull. Mater. Sci., Vol. 28, No. 2, pp. 115–119.

P. Hui , S.L. Meena, G. Sing, R.D. Agarawal, S. Prakash Vol.9,No.8

[10] Koumoulidis G C, Vaimakia T C, Sdoukos A T, Boukos N K and Trapalis

C,2001,Preparation of hydroxyapatite lathlike particles using high-speed dispersing

equipment” J. Am. Ceram. Society, Vol. 84, pp. 1203-1208.

[11] Milev A, Kannangara G S K and Ben-Nissan B, 2003, ”Morphology stability of

hydroxyapayite preccursor”, Material Letter, Vol. 57, pp.1960-1965.

[12] R. Roy, 1974, “Hydroxyapatite formed from coral skeletal carbonate by hydrothermal

exchange”, Nature, Vol. 24, pp.220-222.

[13] H. Monma, T. Kamiya, 1987,”Preparation of hydroxyapatite by the hydrolysis of

brushite”, J. Mater. Science, Vol. 22, pp. 42-47.

[14] V. Jokanovic, D. Izvonar, M.D. Dramicanin, B. Jokanovic, V. Zivojinovic, D. Markovic,

B. Dacic, 2006, “Thin films of SiO2 and hydroxyapatite on titanium deposited by

spray pyrolysis, J. Mater. Sci: Mater. Medical, Vol. 17,pp. 539–546.

[15] V. Jokanovic, D. Uskokovic, 2005, “Calcium hydroxyapatite thin films on titanium

substrates prepared by ultrasonic spray pyrolysis”, Mater Transaction, Vol. 46, pp.

228–235.

[16] S. Koutsopoulos, 2002, “Synthesis and characterization of hydroxyapatite crystals: A

reviewstudy on the analytical methods”, Journal of Biomedical Material Research,

Vol. 62, pp. 600-612.

[17] Dean-Mo Liu, T. Troczynski, Wenjea J. Tseng, 2001, “Water-based sol–gel synthesis of

hydroxyapatite: process development”, Biomaterials, Vol. 22, pp.1721-1730