ISSN: 1410-8917
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi 15 (3) (2012) : 105 – 110
Jurnal Kimia Sains dan Aplikasi Journal of Scientific and Applied Chemistry
Journal homepage: http://ejournal.undip.ac.id/index.php/ksa
Pengaruh Waktu pada Pembentukan Kalsium Fosfat dengan Sistem Membran Selulosa Bakterial
Febriani Sinambela a , Tri Windarti a* , Parsaoran a
a Physical Chemistry Laboratory, Chemistry Department, Faculty of Sciences and Mathematics, Diponegoro University, Jalan Prof. Soedarto, Tembalang, Semarang
* Corresponding author: tri.windarti@live.undip.ac.id
A r t i c l e   I n f o A b s t r a c t
Keywords: effect of time, calcium phosphate, membrane cellulose bacterial, bio- implant
Calcium  phosphate  is  a  compound  commonly  used  as  bio-implant  material  due  to  its biocompatible, bioactive and osteo-conductive. Bacterial cellulose membrane system is a method that can be used in the formation of calcium phosphate. This study was carried out on several steps which were a synthesis of bacterial cellulose used 1000 mL coconut water  media,  100  g  sugar  and  0,6  g  diammonium  sulphate  for  incubation  100  mL Acetobacter Xylinum bacterial, synthesis of calsium fosfat with variation of time of 5, 6, 12, 24, and 48 hours used bacterial cellulose membrane system, and analysis of synthesis product  used  FTIR  and  XRD.  According  to  FTIR  and  XRD,  analysis  calcium  phosphate formation with variation time of 5, 6, and 24 hours, the types of calcium phospate formed were  calcium  hydrogen  phosphate  dyhidrate  (CHPD)  [CaHPO 4 .2H 2 O],  tricalcium phosphate [Ca 3 (PO 4 ) 2 ], carbonat hydroxyapatite [Ca 10 (PO 4 ) 5 (CO 3 )(OH) 2 ], and hydroxyapatite  [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ]  while  12  and  48  hours,  types  of  calcium  phospate formed  were  calcium  hydrogen  phosphate  dyhidrate,  tricalcium  phosphate,  and hydroxyapatite. The longer the time, the greater the size of the crystallites of CHPD as the main product for 5 hours gives 30.28 nm, while for variations of 6, 12, 24, and 48 hours give the crystallite sizes of 32,60 nm and 33,90 nm respectively.

## A b s t r a k
Kata kunci: pengaruh waktu, kalsium fosfat, membran selulosa bakterial, bio- implan
Kalsium fosfat merupakan senyawa yang biasa digunakan sebagai material bio-implan karena  bersifat  biokompatibel,  bioaktif  dan  osteokonduktif.  Sistem  membran  selulosa bakterial  adalah  metode  yang  dapat  digunakan  dalam  pembentukan  kalsium  fosfat. Pembuatan kalsium fosfat dilakukan melalui beberapa tahap, meliputi sintesis selulosa bakterial menggunakan 1000 mL media air kelapa, 100 g gula pasir dan 0,6 g diamonium sulfat  untuk  membiakkan  100  mL  starter  bakteri  Acetobacter  Xylinum,  pembuatan kalsium  fosfat  dengan  variasi  waktu  5,  6,  12,  24  dan  48  jam  menggunakan  sistem membran  selulosa  bakterial dan analisis  produk  sintesis  menggunakan FTIR  dan XRD. Berdasarkan  analisis  FTIR  dan  XRD,  pembentukan  kalsium  fosfat  menggunakan membran selulosa bakterial, pada variasi waktu 5, 6, dan 24 jam menghasilkan kalsium hidrogen  fosfat  dihidrat  (CHPD)  [CaHPO 4 .2H 2 O]  ,  trikalsium  fosfat  (TCP)  [Ca 3 (PO 4 ) 2 ], karbonat  hidroksiapatit  (CHA),  dan  hidroksiapatit  (HA)  [Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ]  dan  variasi waktu  12  dan  48  jam  adalah  CHPD,  TCP  dan  HA.  Semakin  lama  waktu  pembentukan kalsium fosfat, fase kalsium fosfat semakin semikristalin. Selain itu, semakin lama waktu, ukuran kristalit CHPD sebagai produk utama cenderung semakin besar yaitu variasi waktu 5 jam sebesar 30,28 nm, variasi waktu 6,12, 24 jam sebesar 32,60 nm, dan variasi waktu 48 jam sebesar 33,90 nm.

## 1. Pendahuluan
Kalsium  fosfat  adalah  kelompok  mineral  yang mengandung  ion  kalsium  (Ca 2+ ),  ortofosfat  (PO 4 3- ),
pirofosfat (P 2 O 7 4- ), hidrogen (H + ), dan hidroksida (OH - ) [1]. Kalsium fosfat biasa digunakan sebagai material bio- implan  karena  bersifat  bersifat  biokompatibel,  bioaktif dan osteokonduktif. Bioaktivitas material kalsium fosfat bergantung pada kemurnian, ukuran kristal, morfologi, konsentrasi,  pH,  serta  temperatur. Sintesis  material kalsium  fosfat  (CaP)  terutama  kalsium  hidrogen  fosfat dihidrat  ( CHPD),  trikalsium  fosfat  (TCP),  dan hidroksiapatit  ( HA)  secara  luas  telah  dipelajari  dan hasilnya  digunakan  sebagai  biomaterial, drug  delivery, antiseptik, maupun anti kanker [2, 3].
Besarnya potensi penggunaan kalsium fosfat dalam bidang biomedik menyebabkan berkembangnya beberapa teknik sintesis seperti reaksi zat padat, proses microwave,  hidrotermal,  pengendapan  basah,  sol-gel, spray  pirolisis,  dan  metode  mekano-kimia  [4].  Setiap metode  tersebut  memiliki  kekurangan  dan  kelebihan pada produk kalsium fosfat yang dihasilkan. Berdasarkan adanya kekurangan dari metode penelitian di atas, maka perlu  adanya metode  lain  dengan menggunakan  sistem membran untuk pembuatan kalsium fosfat.
Sistem membran adalah sistem yang menggunakan pembatas  selektif  tipis  berpori  sehingga  mampu melakukan  beberapa  proses  perpindahan  dengan menggunakan perbedaan konsentrasi, potensi listrik dan tekanan  sebagai driving  force  [5].  Material  yang  dapat digunakan  sebagai  sistem  membran  adalah  selulosa bakterial.
Selulosa  bakterial  adalah  sejenis  polisakarida mikroba  yang  dihasilkan  melalui  fermentasi  air  kelapa menggunakan Acetobacter  Xilynum  berupa  benang- benang dan polisakarida membentuk jalinan yang terdiri dari  serat  selulosa.  Berdasarkan  penelitian  Surma- Ślusarska dkk.  [6],  membran  selulosa  bakterial  yang diperoleh  dari  kultur Acetobacter  Xylinum  memiliki ukuran pori rata-rata antara 70 – 200 nm dan kekuatan mekaniknya  tinggi.  Membran  selulosa  bakterial  juga memiliki  sifat  kemurnian  tinggi,  derajat  kristalinitas yang  tinggi,  dan  mempunyai  sifat  permeabilitas  yang selektif  [7].  Karakteristik  tersebut  menyebabkan membran  selulosa  bakterial  dapat  digunakan  dalam pembuatan  kalsium  fosfat.  Pembuatan  kalsium  fosfat dengan  menggunakan  membran  selulosa  bakterial, diharapkan  akan  menghasilkan  produk  kalsium  fosfat dengan karakteristik spesifik seperti keseragaman jenis, fase dan ukuran bulir kristal kalsium fosfat.
Reaksi  pembentukan  kalsium  fosfat  pada  sistem membran  dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor  seperti ukuran  pori  membran,  jenis  reaktan,  konsentrasi reaktan,  pH,  dan  waktu  kontak.  Pada  penelitian  ini dilakukan  variasi  waktu  untuk  mengetahui  pengaruh waktu  terhadap  berat  produk,  jenis,  fase,  dan  ukuran bulir kristal.

## 2. Metodologi

## Sintesis Selulosa Bakterial
Bakteri  Acetobacter  xylinum  dimasukkan  ke  dalam media  air  kelapa  (100  mL  :  1000  mL).  Media  air  kelapa yang digunakan terdiri dari 1000 mL air kelapa, 100 g gula pasir, 0,6 g (NH 4 ) 2 SO 4 . Proses pembuatan dilakukan pada pH  3,5  dan  pengaturan  pH  dilakukan  dengan menambahkan 18 mL CH 3 COOH 80%. Inkubasi dilakukan sampai diperoleh selulosa bakterial dengan ketebalan ± 1 cm.

## Pembuatan Membran Selulosa Bakterial
Selulosa bakterial  hasil  fermentasi  berupa  hidrogel selanjutnya  dicuci  dengan  akuades  hingga  pH=6. Membran  dibuat  dengan  cara  menempatkan  selulosa bakterial pada dua plat kaca dan diberi beban sekitar 6 kg selama  24  jam  sampai  membentuk  lembaran  tipis, selanjutnya  dikeringkan  pada  udara  terbuka  selama  12 jam dan dicetak dengan ukuran diameter 5 cm.

## Pembentukan Kalsium Fosfat dengan Variasi Waktu Kontak
Pembentukan  kalsium  fosfat  dilakukan  dengan menggunakan reaktor sistem membran. Reaktor sistem membran dibagi menjadi tiga bagian, yaitu kompartemen  bawah  untuk  larutan  CaCl 2 1M, kompartemen atas untuk larutan KH 2 PO 4 0,6 M dengan pH 9 dan diantara kompartemen atas dan bawah terdapat membran selulosa bakterial. Pembuatan larutan KH 2 PO 4 dengan  pH  9  dilakukan  dengan  menambahkan  NaOH. Proses  pembentukan  kalsium  fosfat  ini  dilakukan  pada temperatur kamar. Variasi waktu yang digunakan adalah 5, 6 ,12, 24, dan 48 jam. Produk yang diperoleh kemudian dicuci dengan akuades dan dikeringkan dalam desikator sampai diperoleh berat konstan.

## Karakterisasi Hasil
Karakterisasi  hasil  menggunakan  Spektrometer FTIR untuk identifikasi gugus fungsi kalsium fosfat yang dihasilkan dan Difraksi sinar X (XRD) untuk mengetahui jenis,  fase  serta  ukuran  kristalit  kalsium  fosfat  yang dihasilkan.

## 3. Hasil dan Pembahasan

## Sintesis Selulosa Bakterial
Selulosa  bakterial  disintesis  secara  ekstrasel  oleh Acetobacter  xylinum  yang  merupakan  bakteri  aerob. Bakteri Acetobacter  xylinum  dapat  menghasilkan selulosa bakterial karena memiliki enzim isomerase yang dapat  mempolimerisasi  gula  hingga  200.000  molekul glukosa  dalam  bentuk  rantai  1,4 β -glikosida.  Selulosa bakterial  yang  dihasilkan  berupa  hidrogel  (gambar  1). Selulosa bakterial berupa hidrogel karena memiliki kadar air tinggi yakni sebesar 98-99%.

## Gambar 1. Selulosa bakterial hasil inkubasi

## Pembuatan Membran Selulosa Bakterial
Pembuatan  membran  selulosa  bakterial  adalah melalui  proses  pengeringan  selulosa  bakterial  berupa hidrogel.  Proses  pengeringan  merupakan  proses penyusutan  selulosa  atau  penghilangan  air.  Membran selulosa bakterial yang telah dikeringkan, dicetak dengan diameter 5 cm, diukur ketebalannya kemudian ditimbang (gambar  2).  Membran  yang  diperoleh  berwarna  putih, permukaannya  halus  dan  tidak  berkerut  dengan  tebal 0,8.10 -2 cm  dan  berat  membran  2,446.10 -1 -  3,152.10 -1 gram.

## Gambar 2. Membran selulosa bakterial 5 cm

## Pembentukan Kalsium Fosfat dengan Variasi Waktu Kontak
Pengaruh  waktu  terhadap  pembentukan  kalsium fosfat adalah sebagai berikut:
Gambar 3. Produk kalsium fosfat yang terbentuk variasi waktu (a) 5 jam, (b) 6 jam, (c) 12 jam, (d) 24 jam (e) 48 jam
Variasi waktu 5, 6, 12, 24 jam menghasilkan bentuk kalsium  fosfat  berupa  fibrous  sedangkan  variasi  waktu 48  jam  menghasilkan  bentuk  kalsium  fosfat  berupa fibrous dan partikulat.
Gambar 4. Grafik perbandingan variasi waktu terhadap berat produk
Berdasarkan  gambar  4,  semakin  lama  waktu  yang digunakan  untuk  pembentukan  kalsium  maka  berat produk  kalsium  fosfat  yang  dihasilkan  semakin meningkat.  Meningkatnya  berat  produk  menunjukkan bahwa  waktu  sangat  berpengaruh  pada  pembentukan kalsium fosfat.
Gambar 5. Grafik perbandingan variasi waktu terhadap perubahan ketebalan membran
Grafik  perbandingan  variasi  waktu  terhadap perubahan  ketebalan  membran  menunjukkan  bahwa waktu  berpengaruh  terhadap  ketebalan  membran cenderung  naik.  Hal  ini  disebabkan  karena  terjadi swelling  atau  penggembungan  terhadap  ketebalan membran.  Selama  proses  difusi  berlangsung,  ion  Ca 2+ akan  terus  berdifusi  ke  atas  meninggalkan  membran kemudian bereaksi dengan ion PO 4 3- membentuk kalsium fosfat  dan  digantikan  oleh  molekul-molekul  H 2 O sehingga ketebalan membran akan naik.
Gambar 6. Grafik perbandingan variasi waktu terhadap perubahan pH
Gambar 6 menunjukkan, semakin lama waktu difusi ion Ca 2+ menuju  ion PO 4 3- dalam pembentukan  kalsium fosfat  maka  pH  sistem  mengalami  penurunan. Penurunan  pH  disebabkan  karena  semakin  banyak  ion OH - yang  merupakan  penyumbang  nilai  pH  basa  telah berikatan  dengan  ion  Ca 2+ dan  ion  PO 4 3- membentuk kalsium fosfat dan H 2 O. Penurunan nilai pH dari larutan KH 2 PO 4 didukung  oleh  semakin  banyaknya  produk kalsium  fosfat  yang  terbentuk  dengan  meningkatnya waktu pembentukan kalsium fosfat (gambar 3).

## Karakterisasi Hasil
Hasil  analisis  produk  kalsium  fosfat  menggunakan spektrometer Fourier Transform Infrared (FTIR) adalah sebagai berikut:
Gambar 7. Gabungan spektra FTIR kalsium fosfat variasi waktu
Absorbansi tertinggi tipe vibrasi ulur  O-H dari H 2 O sebesar 0,2 dimiliki oleh sampel 24 jam dan tipe vibrasi ulur  O-H  dari  H 2 O  dan HA  dengan  absorbansi  tertinggi adalah sampel 48 jam. Hal ini didukung oleh penurunan pH  tertinggi  pada  pembentukan  kalsium  fosfat  variasi waktu 24 jam dan 48 jam (gambar 6). Vibrasi tekuk H – O – H dari H 2 O dimiliki oleh sampel variasi waktu 24 dan 48 jam. Karbonat dengan absorbansi paling tinggi adalah pada sampel 6 jam dan 24 jam. Vibrasi ulur P – O dari HA memiliki absorbansi tertinggi pada sampel 24 jam. Tipe vibrasi PO 4 3- memiliki absorbansi tertinggi pada sampel 24 jam. Absorbansi tertinggi vibrasi H – O – P dalam HPO 4 adalah pada sampel 24 jam. Setiap sampel variasi waktu memiliki tipe vibrasi ulur O – P – O dan P – O dari HA dan intensitas absorbansi tertinggi pada sampel 48 jam. Tipe vibrasi  khas  O-P-O dalam TCP dimiliki  sampel 5  dan 6 jam. Berdasarkan spektra FTIR, jenis kalsium fosfat yang mungkin  terbentuk  adalah  kalsium  hidrogen  fosfat dihidrat  ( CHPD),  trikalsium  fosfat  (TCP),  dan hidroksiapatit ( HA).
Analisa XRD kalsium fosfat mendukung analisa FTIR untuk menentukan jenis kalsium fosfat yang dihasilkan serta  menunjukkan  jenis,  fase  dan  ukuran  kristalit produk  kalsium  fosfat  yang  dihasilkan.  Jenis  kalsium fosfat yang dihasilkan adalah berdasarkan sudut 2 θ yang terbentuk  pada  difaktogram XRD  dan  disesuaikan dengan JCPDS  International  Center  for Diffraction Data ( JCPDS-ICDD).
Gambar 8. Difaktogram XRD kalsium fosfat variasi waktu 5 jam Gambar 9. Difaktogram XRD kalsium fosfat variasi waktu 6 jam Gambar 10. Difaktogram XRD kalsium fosfat variasi waktu 12 jam Gambar 11. Difaktogram XRD kalsium fosfat variasi waktu 24 jam
Gambar 12. Difaktogram XRD kalsium fosfat variasi
waktu 48 jam
Difaktogram XRD  menunjukkan  bahwa  intensitas jenis kalsium fosfat yang terbentuk setiap variasi waktu adalah berbeda-beda. Pada tiap variasi waktu, intensitas tertinggi dimiliki oleh sudut 2 θ = 11 ˚ yang menunjukkan adanya  senyawa CHPD.  Berdasarkan  penelitian Dickenhorst  (2010), TCP  dapat  bereaksi  dengan monokalsium  fosfat  monohidrat  ( MCPM)  membentuk CHPD.
β -Ca 3 (PO 4 ) 2 + Ca(H 2 PO 4 ) 2 .H 2 O → 4CaHPO 4 .2H 2 O
Penurunan  intensitas CHPD  pada  variasi  waktu  6 dan  48  jam,  menunjukkan  adanya  transformasi CHPD. Hal  ini  ditunjukkan  dengan  semakin  meningkatnya jumlah hidroksiapatit ( HA) yang terbentuk pada variasi waktu  6  dan  48  jam.  Variasi  waktu  12  dan  24  jam menunjukkan  peningkatan  intensitas  puncak  11 ˚ dibandingkan pembentukan kalsium fosfat pada variasi waktu  5  dan  6  jam  sedangkan  intensitas  jenis  kalsium fosfat  yang  lainnya  adalah  tetap.  Meningkatnya intensitas CHPD  menunjukkan  semakin  lama  waktu pembentukan  kalsium  fosfat  maka  jumlah  ion  HPO 4 - sebagai  pembentuk  senyawa CHPD  semakin  banyak. Berdasarkan analisa FTIR dan XRD, jenis kalsium fosfat yang terbentuk pada variasi waktu 5, 6, dan 24 jam adalah CHPD, TCP, CHA dan HA sedangkan variasi waktu 12 dan 48  jam  adalah CHPD,  TCP,  dan  HA.  Di  setiap  variasi waktu,  senyawa CHPD  adalah  produk  utama  karena memiliki intensitas tertinggi dibandingkan jenis kalsium fosfat lainnya. Semakin lama waktu, fase kalsium fosfat adalah  semakin  semikristalin  karena  semakin  lama waktu  pembentukan  kalsium  fosfat  maka  partikel- partikel akan membentuk gabungan dengan partikel lain (aglomerat)  sehingga  susunan  partikel  menjadi  kurang teratur  (Jones,  2002).  Keadaan  tersebut  menyebabkan sifat  kristalin  kalsium  fosfat  berkurang  dan  terjadi pelebaran garis pada difaktogram XRD.
Gambar 13. Grafik perbandingan variasi waktu terhadap perubahan ukuran kristalit
Berdasarkan  gambar  13,  semakin  lama  waktu pembentukan  kalsium  fosfat  maka  ukuran  kristalit cenderung semakin besar karena partikel-partikel akan membentuk gabungan dengan partikel lain (aglomerasi) dengan  semakin  lamanya  waktu  pembentukan  kalsium fosfat yang digunakan.

## 4. Kesimpulan
Pembentukan kalsium fosfat menggunakan membran selulosa bakterial, pada variasi waktu 5, 6, dan 24  menghasilkan  kalsium  hidrogen  fosfat  dihidrat ( CHPD), trikalsium fosfat (TCP), karbonat hidroksiapatit ( CHA), dan hidroksiapatit (HA) dan variasi waktu 12 dan 48 jam adalah CHPD, TCP dan HA. Semakin lama waktu pembentukan  kalsium  fosfat,  fase  kalsium  fosfat semakin  semikristalin. Selain itu,  semakin  lama  waktu, ukuran kristalit CHPD sebagai produk utama cenderung semakin  besar  yaitu  variasi  waktu  5  jam  sebesar  30,28 nm,  variasi  waktu  6,  12,  24  jam  sebesar  32,60  nm  dan variasi waktu 48 jam sebesar 33,90 nm.

## 5. Daftar Pustaka
[1]  Burkhard Dickenhorst, Preparation and characterization of DCPD-forming calcium
phosphate  cements  and  of  cement-protein  drug microparticle composites for bone tissue engineering, Freie Universität Berlin,
[2]  Mohammadreza  Tahriri,  Mehran  Solati-Hashjin, Hossein  Eslami,  Synthesis  and  characterization  of hydroxyapatite nanocrystals via chemical precipitation  technique, Iranian  Journal  of Pharmaceutical Sciences, 4, 2, (2008) 127-134
[3]  Jennifer L Giocondi, Bassem S El-Dasher, George H Nancollas, Christine A Orme, Molecular mechanisms of  crystallization  impacting  calcium  phosphate cements, Philosophical  Transactions  of  the  Royal Society  of  London  A:  Mathematical,  Physical  and Engineering  Sciences,  368,  1917,  (2010)  1937-1961 http://dx.doi.org/10.1098/rsta.2010.0006
[4]  Asep  Sofwan  Faturohman  Alqap,  Low  temperature hydrothermal  synthesis  of  calcium  phosphate ceramics:  effect  of  excess  Ca  precursor  on  phase behavior, Indian Journal of Chemistry, 48, 11, (2009) 1492-1500
[5]  J Mulder, Basic principles of membrane technology,
Springer Science & Business Media, 2012.
[6]  Barbara  Surma- Ślusarska,  Sebastian  Presler, Dariusz  Danielewicz,  Characteristics  of  bacterial cellulose obtained from Acetobacter xylinum culture for application in papermaking, Fibres & Textiles in Eastern Europe, 16, 4, (2008) 108-111
[7]  Johnsy George, K. V. Ramana, S. N. Sabapathy, A. S. Bawa, Physico-Mechanical Properties of Chemically Treated  Bacterial  (Acetobacter  xylinum)  Cellulose Membrane, World  Journal  of  Microbiology  and Biotechnology, 21, 8, (2005) 1323-1327 http://dx.doi.org/1007/s11274-005-3574-0