Yunita Pare Rombe [PDF]

Citation preview

PAPER KIMIA MATERIAL BARU



SINTESIS KOMPOSIT HIDROKSIAPATIT-KITOSAN-PVA SEBAGAI INJECTABLE BONE SUBSTITUTE



OLEH : NAMA : YUNITA PARE ROMBE NIM



: H012 17 1 014



SEKOLAH PASCASARJANA UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 2018



SINTESIS KOMPOSIT HIDROKSIAPATIT-KITOSAN-PVA SEBAGAI INJECTABLE BONE SUBSTITUTE



PENDAHULUAN Berdasarkan data di Asia, Indonesia adalah negara dengan jumlah penderita patah tulang tertinggi. Diantaranya, ada sebanyak 300-400 kasus operasi bedah tulang per bulan di RS. Dr. Soetomo Surabaya . Setiap tahun kebutuhan substitusi tulang terus bertambah. Hal tersebut disebabkan meningkatnya kecelakaan yang mengakibatkan patah tulang, penyakit bawaan dan non-bawaan. Klasifikasi material substitusi tulang meliputi autograft, allograft, dan xenograft. Setiap material tersebut memiliki kekurangan dan kelebihan sebagai material untuk memperbaiki tulang. Keterbatasan dari autograph



tersebut memicu perkembangan riset di bidang



biomaterial, yaitu dengan melakukan berbagai modifikasi pembuatan biomaterial sintetik. Dengan biomaterial sintetik diharapkan karakter bahan diketahui secara pasti dan terkontrol. Bone filler diaplikasikan dengan cara disuntikkan dalam bentuk suspense untuk mengisi celah-celah tulang akibat osteoporosis disebut Injectable Bone Substitute (IBS). Kelebihan injectable system yaitu dapat dibentuk sesuai dengan bentuk rongga tulang yang akan diisi dan terpolimerisasi in situ setelah disuntikkan. Selain itu, material dalam bentuk injectable bersifat steril dan siap pakai (Warastuti et al. 2011). Bahan dalam bentuk IBS harus bersifat osteokonduktif dan memiliki kekuatan mekanik yang baik (Weiss et al. 2007). Salah satu material yang dapat dibentuk menjadi IBS adalah hidroksiapatit. Hidroksiapatit (HAp) merupakan senyawa kelompok mineral apatit dengan rumus kimia Ca10(PO4)6(OH)2 sebagai bone graft substitute. Hidroksiapatit (HAp) merupakan senyawa dari salah satu jenis biokeramik yang paling sering digunakan karena merupakan unsur anorganik utama penyusun tulang. Sekitar 65% fraksi mineral di dalam tulang tersusun atas hidroksiapatit (Petit 1999). Hidroksiapatit memiliki beberapa karakteristik, yaitu bioaktif, biokompatibel, osteokonduktif, tidak toksik, dan tidak imunogenik. Namun Hap memiliki beberapa kekurangan yaitu rapuh, getas, tahanannya yang rendah, dan memiliki laju resorpsi yang sangat lambat. Jika digunakan sendiri,



hidroksiapatit tidak memiliki kekuatan mekanik dan tidak tahan terhadap tekanan. Sehingga dilakukan pengembangan untuk menghilangkan kekurangan itu untuk menghasilkan bone graft yang ideal. Hidroksiapatit banyak dibuat menjadi komposit dengan material alam seperti kitosan untuk mengatasi sifat rapuhnya. Sifatnya yang biokompatibel, toksisitas rendah, dan antibakteri (Sugita et al. 2009) menjadikan kitosan memenuhi persyaratan untuk digunakan sebagai pengganti tulang. Kitosan dapat didegradasi oleh enzim dalam tubuh manusia dan hasil degradasinya tidak beracun. Dalam pengaplikasiannya, biokeramik seperti HA dan trikalsium fosfat (TKF) bersifat rapuh. Untuk menyempurnakan sifat mekanik HA dapat dilakukan modifikasi dengan menambahkan polimer sebagai serat/filler. Kitosan adalah salah satu polimer alami yang berpotensi untuk digunakan sebagai serat/filler dalam pembuatan komposit. Kitosan memiliki karakter bioresorbabel, biokompatibel, non-toksik, nonantigenik, biofungsional dan osteokonduktif. Karakter osteokonduktif yang dimiliki kitosan dapat mempercepat pertumbuhan osteoblas pada komposit HA-kitosan sehingga dapat mempercepat pembentukan mineral tulang. Komposit diharapkan memiliki sifat mekanik yang baik untuk tujuan aplikasi bone filler. Selain itu, diharapkan penambahan kitosan dapat meningkatkan osteokonduktifitas HA, sehingga dapat mempercepat pembentukan mineral tulang. TEORI Berbagai kasus kerusakan tulang membutuhkan graft tulang sebagai pengganti tulang. 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). Autograft mempunyai kelemahan yaitu tulang harus diambil dari bagian tubuh lain pasien yang sama melalui teknik operasi sehingga dapat menimbulkan masalah-masalah klinis hingga resiko kematian. Sedangkan allograft dan xenograft dapat menimbulkan reaksi autoimun serta kemungkinan terjadinya transfer penyakit (Darwis dan Warastuti 2008). Untuk mengatasi beberapa kelemahan dari proses penggantian tulang yang telah disebutkan diatas maka dibuat pengganti tulang suntik atau injectable bone substitutes (IBS) terdiri dari semen kalsium fosfat yang dapat disuntikkan dan mudah dibentuk. Hal ini memungkinkan ahli bedah untuk menyuntikkan dan menjangkau daerah-daerah yang



sulit di mana mencangkok tulang diperlukan, dan ditujukan untuk tulang yang kosong atau cacat yang tidak intrinsik untuk stabilitas struktur tulang. Hal ini diserap kembali dan diganti dengan tulang selama proses penyembuhan. Penggunaan pengganti tulang dengan kalsium fosfat telah menyebabkan penurunan dalam masalah yang disebabkan oleh cangkok tulang. Pengganti tulang ini harus memiliki instrumen pendukung steril, memastikan siap untuk digunakan dalam ruang operasi. Peran injectable bone substitute bisa juga ditambahkan sebagai penghantar obat untuk membantu proses penyembuhan efek tulang.



Gambar 1. Struktur Hidroksiapatit Sifat kimia yang penting dari hidroksiapatit adalah biocompatible, bioactive, dan bioresorbable. Biocompatible adalah sifat dimana mineral tersebut tidak menyebabkan reaksi penolakan dari sistem kekebalan tubuh manusia karena dianggap sebagai benda asing. Bioactive material akan sedikit terlarut tetapi membantu pembentukan sebuah lapisan permukaan apatit biologis sebelum langsung berantarmuka dengan jaringan dalam skala atomik, yang mengakibatkan pembentukan sebuah ikatan ke tulang. Bioresorbable material akan melarut sepanjang waktu (tanpa memerhatikan mekanisme yang menyebabkan pemindahan material) dan mengijinkan jaringan yang baru terbentuk tumbuh pada sembarang permukaan tak-beraturan namun tidak harus berantarmuka langsung dengan permukaan material.



Gambar 2. Fenomena antarmuka antara HAp dengan sel tubuh Fenomena antarmuka antara HAp dengan sel tubuh setelah implan masuk kedalam tubuh akan mengalami beberapa tahapan. Tahap pertama pada awal proses implan, mulai terjadinya pelarutan permukaan HAp, tahap kedua pelarutan permukaan HAp terus berlanjut, tahap ketiga kondisi kesetimbangan terbentuk antara larutan fisiologis dengan permukaan HAp, tahap keempat terjadi adsorpsi protein-protein dan senyawa bioorganik, tahap kelima terjadi adhesi sel, tahap keenam perkembangan sel, tahap ketujuh awal mula perkembangan sel tulang baru, dan tahap kedelapan tulang baru telah terbentuk Fenomena tersebut merupakan sifat dari HAp yang juga bioaktif. Bioaktif diartikan sebagai sifat material yang akan terlarut sedikit demi sedikit tetapi membantu pembentukan suatu lapisan permukaan apatit biologis sebelum berantarmuka langsung dengan jaringan pada tingkat atomik, yang menghasilkan ikatan kimia yang baik antara implan dengan tulang. Sintesis HAp membutuhkan suatu prekursor sebagai sumber kalsium. Prekursor berperan sebagai zat awal yang dibutuhkan dalam pembuatan suatu senyawa. HAp dapat dibuat dari prekursor sintetik maupun dari prekursor bahan alam. Saat ini sedang dikembangkan pembuatan HAp dari prekursor bahan alam yaitu tulang ikan, cangkang kerang, batu kapur, cangkang keong dan cangkang telur. Sumber fosfor yang dapat digunakan untuk sintesis HAp yaitu diamonium hidrogen fosfat (NH4)2HPO4, asam fosfat (H3PO4), dan difosfor pentaoksida (P2O5). Material HAp dapat disintesis dengan menggabungkan sumber Ca dan P. Kalsium (Ca) yang dibutuhkan dalam sintesa mineral apatit banyak terdapat pada cangkang tutut dengan kandungan gizi tinggi. Cangkang tutut



menyimpan potensi kalsium yang luar biasa, kalsium dalam keong tutut kira-kira ada 217 mg dalam 100 gram hampir setara dengan segelas susu (Safrida 2014). Sintesis HAp dapat dilakukan dengan dua metode yaitu metode basah dan metode kering. Metode basah terdiri atas tiga jenis yaitu metode presipitasi, hidrotermal, sol gel, dan hidrolisis Metode kering yaitu reaksi solid-state, sintesis mechanochemical. Selain itu spray dan freeze-drying juga dapat digunakan sebagai metode untuk menyintesis Hap Kitosan merupakan salah satu polimer alami yang digunakan secara luas .Kitosan dapat diperoleh dengan deacetylating secara parsial dari kitin yang dapat diekstrak dari binatang berkulit keras. Kitosan merupakan polisakarida yang terdiri dari glucosamine dan N-acetyl glucosamine yang dihubungkan dengan sebuah ikatan β 1-4 glucosidic. Kitosan besifat biokompatibel dan dapat didegradasi oleh enzim dalam tubuh manusia dan hasil degradasinya tidak beracun (Kumar 2004). Dalam bidang medis membran kitosan dibuat berpori untuk mempermudah sirkulasi udara dan mencegah akumulasi air. pada luka, sehingga luka cepat menjadi kering dan cepat sembuh. Selain itu, kitosan juga bersifat antibakteri.



Gambar 3. Struktur Kitosan Polivinil alkohol (PVA) adalah suatu resin yang dibuat dari penggabungan molekul-molekul (polimerisasi) yang diperoleh dari hidrolisis dari polimer vinil ester dengan menggunakan material awal polivinil asetat. Polivinil Alkohol adalah salah satu dari beberapa polimer sintetik yang biodegradable (Kroschwitz 1998). PVA berwarna putih, bentuk seperti serbuk, rasa hambar, tembus cahaya, tidak berbau dan larut dalam air. PVA salah satu polimer yang mempunyai sifat hidrofolik dan sebagai perekat. PVA dapat digunakan sebagai lapisan tipis yang sensitif. PVA terkenal sebagai polimer sintetik



larut air, dan rantai utamanya saling berikatan melalui ikatan hidrogen oleh sebab adanya gugus hidroksil. METODE Sintesis HAp dengan metode presipitasi basah HAp dibuat dengan metode presipitasi basah melalui prinsip reaksi antara kalsium hidroksida dan asam posfat pada suhu 40±2 oC dengan pH 10. Reaksi terjadi dengan cara (NH4)2HPO4 0.3 M diteteskan ke dalam Ca(OH)2 0.5 M dengan laju alir 1,3 mL per menit selama ±1 jam. Reaksi menghasilkan basa NH4OH sehingga pH nya mencapai nilai 10 dengan menggunakan indikator Ph universal setiap menit. Suspensi yang dihasilkan didiamkan selama 24 jam dan dilanjutkan dengan proses sonikasi selama 6 jam. Setelah itu disentrifugasi selama 15 menit pada 4500 rpm dan dibilas dengan akuades. Endapan yang dihasilkan kemudian dikeringkan pada oven dengan suhu 105 oC selama 3 jam. Serbuk Hap yang telah terbentuk diangkat dan dibiarkan mendingin pada suhu kamar. Sintesis HAp-Kitosan-PVA Kitosan terlebih dahulu dilarutkan dalam asam asetat 3% kemudian diaduk dengan pengaduk magnetik. PVA dilarutkan dalam aquades hingga homogen. Kemudian larutan kitosan dicampurkan ke dalam larutan PVA. Larutan hidroksiapatit kemudian dimasukkan ke dalam campuran kitosan dan PVA. Ke dalam larutan HPMC 2% (w/v) dicampurkan campuran hidroksiapatit-kitosan- PVA sedikit demi sedikit dan diaduk selama 6 jam hingga homogen. Dihasilkan suspensi berwarna putih. Kemudian komposit diiradiasi pada dosis 20 kGy. Karakterisasi menggunakan XRD, FTIR dan SEM.



KARAKTERISASI Karaterisasi menggunakan XRD Analisis spektrum FTIR dilakukan untuk mengidentifikasi gugug fungsi yang terdapat pada senyawa HAp yang dihasilkan. Gugus fungsi pada Hap ditandai dengan munculnya serapan pada bilangan gelombang 400–4000 cm-1.Spektrum FTIR HAp hasil sintesis metode presipitasi dapat dilihat pada



Gambar



Gambar 4. Spektrum FTIR hidroksiapatit hasil metode presipitasi basah



Karakterisasi Hap menggunakan SEM Analisis SEM bertujuan untuk melihat partikel HAp. Analisis ini dilakukan dengan teknik pelapisan menggunakan emas. Kristal HAp yang diperoleh cenderung berbentuk bulat atau bola dan ukuran rata-rata pori yang homogeny. Porositas HAp berfungsi menyediakan lingkungan biologi yang baik pada adhesi sel, interaksi selular, proliferasi, dan migrasi.Dengan demikian, pori HAp yang terdapat diantara butiran HAp diharapkan memiliki kemampuan sebagai media pertumbuhan tulang baru setelah implantasi.



Gambar 5. Foto SEM HAp hasil sintesis presipitasi basah perbesaran 500X



Gambar 6. Morfologi komposit hidroksiapatit-kitosan-PVA



Persen inhibisi menunjukkan terhambatnya pertumbuhan sel akibat terpapar oleh sampel. Persen inhibisi dinyatakan dalam dosis efektif median (ED50). Jika persen inhibisi melebihi 50%, maka sampel tergolong toksik (Matsuura et al. 2000). Konsentrasi komposit yang digunakan dengan deret konsentrasi (%) 100, 75, 50, 25, 12.5 menggunakan uji MTT. Hasil uji toksisitas komposit menunjukkan bahwa batas konsentrasi yang aman adalah 12.5% dengan persen inhibisi 13.13% yang artinya sel CPAE yang digunakan tetap hidup lebih dari 50%



Gambar 6. Komposit HAp-kitosan-PVA terhadap sel CPAE dengan deret konsentrasi (%) (a) 100, (b) 75, (c) 50, (d) 25, dan (e) 12.5



PENUTUP Kesimpulan Hidroksiapatit



berbahan



baku



cangkang tutut



telah



berhasil



disintesis



menggunakan metode presipitasi basah. Hasil sintesis menunjukkan bahwa hidoksiapatit merupakan fasa tunggal. Komposit hidroksiapatit cangkang tututkitosan- polivinil alkohol mampu dibuat menjadi injectable bone substitute untuk aplikasi defek tulang akibat osteoporosis. Hasil uji viskositas diperoleh 36 dPa.s yang cukup mendekati nilai standard injectable bone substitute. Hasil uji sitotoksisitas menunjukkan komposit tidak menyebabkan toksis pada kultur sel endotel Calf Pulmonary Artery Endothelium (CPAE) (ATCC-CCL 209) dengan persen inhibisi 13.13% yang menunjukkan nilai viabilitas sel lebih dari 50%. Berdasarkan nilai viskositas dan sitotoksisitas komposit HAp-kitosanPVA berpotensi sebagai implan tulang.



DAFTAR PUSTAKA



Darwis D, Warastuti Y. 2008. Sintesis dan karakterisasi komposit hidroksiapatit (HA) sebagai graft tulang sintetik. Jurnal Ilmiah Aplikasi Isotop dan Radiasi. 4(2): 143153. Firnaelty, 2016, Sintesis Komposit Hidroksiapatit-Kitosan Pva Sebagai Injectable Bone Substitute, Skripsi, Institut Pertanian Bogor Petit R, 1999, The use of hydroxyapatite in orthopedic surgery: A ten-year review, European Journal of Orthopedic surgery & amp; Traumatology Sugita P, Wukirsari T, Sjahriza A, Wahyono D. 2009. Kitosan Sumber Biomaterial Masa Depan. Bogor: IPB Press Warastuti, Y., Budianto, E., Darmawan., 2015, Sintesis Dan Karakterisasi Membran Komposit Hidroksiapatit Tulang Sapi-Khitosan-Poli(Vinil Alkohol) Untuk aplikasi Biomaterial, Jurnal Sains Materi Indonesia, ISSN: 1411-1098, vo. 2(2) ;83-90.