https://dx.doi.org/10.20961/mekanika.v19i1.39913
Karakterisasi dan Laju Biodegradasi Biokomposit Serbuk Tulang Sapi/Shellac/Tepung Tapioka sebagai Material Pengisi Tulang
Joko Triyono 1* , Bhorin Tantomo Christiawan 1 , Abu Masykur 2
1 Teknik Mesin, Universitas Sebelas Maret
2 Kimia, Universitas Sebelas Maret *e-mail address: jokotriyono@staff.uns.ac.id
Keywords:
Abstrak: Karakterisasi, tulang sapi,shellac, tepung tapioca, biodegradasi. Hasil  RISKESDAS  menyatakan  kasus  patah  tulang  di  Indonesia  cukup tinggi untuk setiap tahunnya akibat dari kecelakan, jatuh, dan trauma  benda tumpul.  Salah  satu  metode  penyelesaian  dari  patah  tulang  adalah  dengan melakukan implan material bone filler dengan komponen dasarnya adalah hidroksiapatit. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk  mengetahui apakah tepung  tapioka  dan  shellac  akan  hilang  setelah  proses  sintering,  dan mengetahui  pengaruh  tepung  tapioka  pada  pembentukan  porositas    dan degradasi  pada  material  biokomposit  BHA.  Penelitian  ini  menggunakan metode kalsinasi untuk menghilangkan  zat organik  pada serbuk tulang sapi, kompaksi untuk membentuk sebuah tablet biokomposit BHA/ Shellac /Tapioka, dan  proses sintering  untuk menghasilkan porositas pada tablet spesimen uji. Berdasarkan hasil analisis data uji yang dilakukan, dapat disimpulkan bahwa pengamatan SEM memperlihatkan porositas yang terjadi  pada  spesimen  uji.  Pengamatan  pola  difraktogram  XRD menunjukkan 2θ nilai sampel sesuai dengan pola difraktogram standar HA JCPDS 9-432. Pengamatan spektrum FTIR menunjukkan adanya tiga titik puncak utama yang berupa gugus fungsi fosfat ( PO 4 3− ), karbonat ( CO 3 2− ) dan hidroksil  (OH - ).  Dari  ketiga  pengamatan  tersebut  menunjukkan  bahwa kandungan tapioka dan shellac telah hilang sepenuhnya saat proses sintering dan  hanya  menyisakan  kandungan  BHA  dan  semakin  banyak  campuran tapioka yang digunakan akan mempercepat  laju degradasi.

## PENDAHULUAN
Fraktur  merupakan  suatu  kondisi  dimana kontinuitas  tulang  hilang,  baik  bersifat  lokal maupun  sebagian  [1].  Keadaan  patah  tulang secara  klinis  dapat  diklasifikasikan  menjadi fraktur  tertutup (simple  fracture) yang  fragmen tulangnya  tidak  menembus  kulit  dan  fraktur terbuka (compound  fracture) yang  tulangnya menembus kulit dan terjadi luka pada kulit serta jaringan  lunak  [2].  Tulang  secara  alami  terdiri dari 70% mineral anorganik, 20% bahan organik, dan  10%  air.  Bahan  organik  ini  sebagian  besar terbuat  dari  kolagen  tipe  I,  sedangkan  mineral anorganik  terdiri  dari  kalsium  berkarbonat (CaCO 3 )  [3].  Hidroksiapatit  dengan  rumus molekul Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) adalah salah satu bahan bioceramic kalsium  karbonat  (CaCO 3 )  yang merupakan  bagian  besar  komponen  anorganik dari  tulang  dan  gigi  manusia  [4].  Kelebihan hydroxyapatite (HA)  sebagai  bahan  pengganti
tulang karena tidak mengandung bahan beracun, biokompatibel,  dan  dapat  menyatu  dalam jaringan hidup [5].
Pada  penelitian  ini,  hidroksiapatit  ditambah dengan  bahan  lain  yaitu  tepung  tapioka  untuk pembuatan bone filler. Tepung tapioka digunakan  sebagai  pembentuk  porus  pada material  bone  filler  dan  dapat  mengisi  rongga cacat  tulang,  mempercepat  pertumbuhan  tulang dan memfasilitasi pertukaran komponen gizi [6].
Hasil  dari  penelitian  diharapkan  dapat digunakan  untuk  bahan  pengisi  tulang  ( bone filler )  dan  dapat  diimplementasikan  terhadap penderita penyakit tulang dan gigi.

## METODOLOGI PENELITIAN

## Bahan
Bahan  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini adalah  hidroksiapatit  dari  tulang  sapi  bagian
Volume 19 Nomor 1, Maret 2020
femur (BHA) , tepung  tapioka,  dan  larutan shellac. Tepung  tapioka  digunakan  sebagai material  pembentuk  porus  dan  larutan shellac digunakan  sebagai  pengikat  antar  serbuk  BHA dengan  cara  merendam  BHA  kedalam  larutan shellac kemudian dikeringkan.

## Proses Persiapan
Proses  pembuatan  BHA  dimulai  dari perebusan  tulang  sapi  bagian  femur,  kemudian tulang sapi dijemur selama 7 hari agar tulang sapi menjadi kering dan sumsum pada tulang hilang. Tulang sapi kemudian dipotong kecil–kecil dan dihaluskan  menggunakan  mesin crushing .
Tulang  sapi    yang  telah  menjadi  serbuk kemudian  diayak  dengan  ukuran    -200/+270. Serbuk tulang sapi yang telah diayak kemudian dikalsinasi pada temperatur 700 o C dengan waktu penahanan selama 2 jam agar zat organik dalam serbuk  tulang  sapi  menghilang  dan  berubah menjadi  serbuk  BHA  ( bovine hidroksiapatit). Penelitian ini menggunakan BHA/ shellac /tapioka. Tapioka berfungsi sebagai pembentuk  porus  ,dan shellac sebagai  pengikat serbuk  hidroksiapatit  dan  dapat  meningkatkan compression strength [7].
Pembuatan  larutan shellac dengan  cara menghaluskan sekresi dari kutu lak menggunakan  mortar  hingga  ukuran  butirnya menjadi lebih kecil dari sebelumnya. Butir–butir sekresi  kutu  lak  dicampur  dengan  etanol  97% menggunakan magnetic stir selama 4 jam dengan perbandingan  etanol  dan  butir  sekresi  kutu  lak adalah  10  :  1.  Campuran  tersebut  kemudian didiamkan hingga mengendap kemudian dilakukan  penyaringan  dan  didapat  larutan shellac .  Serbuk  tulang  sapi  yang  telah  diayak dengan  ukuran  -200/+270  kemudian  direndam dengan larutan shellac dan kemudian dikeringkan  secara  alami . Tahap  selanjutnya adalah  proses  pencampuran  BHA, shellac ,  dan tapioka  dengan  variasi  perbandingan  volume BHA  dan  tepung  tapiokaberturut  –  turut  adalah 70:30,  75:25,  80:20,  85:15,  dan  90:10.  Serbuk yang telah dicampur dilakukan proses kompaksi pada tekanan 60 Bar selama 5 menit. Spesimen
yang dihasilkan berbentuk tablet dengan ukuran 13mm x 4mm.
Spesimen  yang  telah  dikompaksi  hingga berbentuk  tablet  selanjutnya  dilakukan  proses sinter  dengan  suhu  1000 o C  dengan  waktu penahanan  selama  2  jam  [8]  yang  bertujuan untuk proses pengikatan antar butir serbuk BHA, menghilangkan kandungan tapioka serta shellac , dan dapat terbentuknya porositas pada spesimen.

## Pengamatan
Pengamatan  yang  dilakukan  pada  spesimen BHA/ shellac /tapioka adalah sebagai berikut:
a. Pengamatan SEM
Pengamatan  ini  meliputi  pengambilan  foto SEM  untuk  mengetahui  bentuk  porus  pada material BHA/ shellac /tapioka.
b. Pengamatan biodegradasi
Pengamatan  biodegradasi  dilakukan  dengan menghitung  penurunan  berat  sampel  berbentuk tablet selama 2 bulan di dalam botol kecil berisi 20  ml  PBS  dan  diinkubasi  pada  37°C  dengan penggantian larutan dan pengambilan data setiap 7  hari  sekali.  Pengambilan  data  dilakukan dengan mengeringkan spesimen di dalam mesin oven dengan  suhu  125°C  dan  penahanan temperatur selama 1 jam.
c. Pengamatan pola difraksi XRD Pengamatan  pola  difraksi  XRD  ditunjukkan dengan  30  kV,  30  mA  dengan  target  Cu. Pengujian  ini  meliputi  pengambilan  data spesimen dalam bentuk serbuk untuk mengetahui struktur kristal, fasa dan derajat kristalinitas. d. Pengamatan gugus fungsi dengan FTIR Pengamatan  ini  meliputi  pengambilan  data spesimen dalam bentuk serbuk untuk mengetahui gugus fungsi yang terkandung dalam spesimen.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengamatan foto SEM
Hasil pengamatan foto SEM memperlihatkan bentuk  porositas  dari  variasi  sampel  yang diperoleh  dari  sampel  BHA/ shellac /tapioka setelah  proses sintering. Hasil  foto  SEM  dapat dilihat  pada  Gambar  2-7.  Pada  bagian  kanan menunjukkan  warna  hitam  adalah  porositas material dengan menggunakan software ImageJ.
Gambar 2 Pengamatan uji SEM BHA/ Shellac /Tepung tapioka dengan variasi
70/30
Gambar 3 Pengamatan uji SEM
BHA/ Shellac /Tepung tapioka dengan variasi
75/25 Gambar 4 Pengamatan uji SEM
BHA/ Shellac /Tepung tapioka dengan variasi
80/20
Gambar 5 Pengamatan uji SEM
BHA/ Shellac /Tepung tapioka dengan variasi
85/15 Gambar 6 Pengamatan uji SEM
BHA/ Shellac /Tepung tapioka dengan variasi 90/10
Gambar 7 Pengamatan uji SEM BHA kontrol
Gambar  2-6  dapat  dilihat  bahwa  terbentuk porus  pada  spesimen  BHA/s hellac /tapioka. Porositas  terbentuk  akibat  adanya  campuran tapioka  yang  menguap  saat  proses  sintering. Variasi  70/30  hingga  90/10,  porositas  yang dihasilkan  semakin  sedikit.  Hal  ini  karena semakin  sedikitnya  campuran  tapioka,  porus yang dihasilkan juga semakin sedikit. Gambar 7 menunjukkan  porositas  pada  spesimen  BHA kontrol,  ukuran  porositas  yang  tercipta  pada spesimen BHA kontol sangat kecil dibandingkan dengan  spesimen  BHA/ shellac /tapioka  karena pada spesimen BHA kontrol tidak menggunakan pencampur  tapioka  sebagai  pembentuk  porus. Pada  tabel  1  memperlihatkan  tingkat  porositas dari  material  BHA/Shellac/Tapioka  dan  BHA kontrol dengan menggunakan software ImageJ. Tabel 1. Tingkat Porositas Variasi Tingkat Porositas (%) 70/30 24,30 75/25 21,02 80/20 19,10 85/15 14 90/10 9,95 BHA kontrol 5,45
Hasil pengamatan uji SEM BHA/ shellac /tapioka dengn BHA kontrol memperlihatkan  terbentukanya  porus  yang dialami  oleh  spesimen  dengan  variasi  70/30, 75/25, 80/20, 85/15, 90/10 dan tanpa penambahan pencampur tapioka. Variasi spesimen  BHA/ shellac /tepung  tapioka  70/30 dapat  dilihat  bahwa  porus  yang  tercipta  lebih nampak dan terlihat lebih besar daripada variasi yang  lain,  sedangkan  spesimen  BHA  kontrol porositas  yang  tercipta  lebih  kecil  daripada porositas yang tercipta pada variasi BHA/ shellac /tapioka  90/10.  Hasil  pengamatan uji  SEM  didapat  kesimpulan  bahwa  semakin banyaknya  campuran  tepung  tapioka  yang digunakan maka semakin banyak porositas yang terlihat.

## Hasil pengamatan laju degradasi
Hasil pengamatan laju degradasi menunjukkan penurunan berat sampel BHA/ shellac /tapioka  setelah  proses sintering yang  direndam  pada  larutan  PBS  ( Phospate Buffered  Saline )  selama  8  minggu.  Penurunan berat sampel dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8. Laju degradasi selama 8 minggu
Dari  Gambar  8  dapat  dilihat  bahwa  semua jenis  sampel  memiliki  sifat biodegradable dan selama  8  minggu  mengalami  penurunan  berat yang  berbeda-beda. Biodegradable masing- masing  dari  yang  paling  lambat  ke  yang  paling cepat  berturut-turut  yaitu  90/10,  85/15,  80/20, 75/25,  dan  70/30.  Dapat  dilihat bahwa  semakin banyak  variasi  campuran  dari  tapioka  maka kemampuan  degradasi  dari  material  semakin
cepat.  Kemampuan  degradasi  ini  dipengaruhi oleh semakin banyaknya variasi campuran maka persentase  porositas  semakin  meningkat  dan kerapatan semakin menurun sehingga menyebabkan  semakin  luasnya  permukaan  dari spesimen yang bersentuhan dengan larutan PBS.
Variasi  sampel  dibandingkan  dengan  HA komersil  dan  BHA  kontrol.  Laju  degradasi menunjukkan  sampel  70/30,  75/25,  dan  80/20 lebih cepat terdegradasi hal ini disebabkan ketika proses  perendaman  dan  pengambilan  berat sampel ada sebagian sampel yang mulai hancur sehingga  berat  yang  hilang  lebih  banyak  dari sampel 85/15 dan 90/10. Sedangkan pada sampel 85/15 dan 90/10 membutuhkan waktu lebih lama untuk terdegradasi. BHA kontrol memiliki waktu degradasi paling lama dari semua variasi sampel hal  ini  disebabkan  karena  pada  BHA  kontrol tidak  terdapat  campuran  tapioka  pembentuk porus  sehingga  larutan  PBS  yang  bersentuhan dengan  permukaan  spesimen  semakin  sedikit, dan  jika  dibandingkan  dengan  HA  komersil, BHA  kontrol  lebih  lama  untuk  terdegradasi karena  HA  komersil  memiliki  persentase porositas yang lebih besar.

## Hasil pengamatan pola difraksi XRD
Hasil  pengamatan  pola  difraksi  XRD menunjukkan  puncak-puncak  dari  fasa  kristalin HA.  Difraktogram  XRD  diperoleh  dari  sampel BHA murni, BHA/ shellac /tapioka setelah proses sintering yang  dibandingkan  dengan  standard HA  JCPDS  9-432.  Difraktogram  dari  masing- masing  sampel  dapat  dilihat  pada  Gambar  9, Gambar 10, dan Gambar 11.
Gambar 9.  Difraktogram XRD BHA murni
Gambar 10. Difraktogram BHA/ shellac /tapioka
Gambar 11. Pola difraksi XRD standard HA JCPDS 9-432 Difraktogram dari BHA murni dan BHA/ shellac /tapioka  memiliki  titik  puncak  dan intensitas yang hampir sama dengan standard HA JCPDS  9-432.  Perbandingan  titik  puncak tertinggi dari BHA murni, BHA/ shellac /tapioka dan HA JCPDS 9-432 dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Perbandingan titik puncak tertinggi dari BHA murni, BHA/ shellac /tapioka dan HA JCPDS 9-432
Difraktogram  BHA  murni  dikonfirmasi dengan pola difraksi standard HA JCPDS 9-432. Difraktogram BHA murni menghasilkan intensitas  tertinggi  pada  nilai  2θ:  31.760°,
32.160°,  32.900°[9].  Jika  dibandingkan  dengan intensitas  tertinggi  dari  standard  HA  JCPDS  9- 432 yang mempunyai nilai 2θ: 31.773°, 32.196°, 32.902°  maka  bisa  dikatakan  BHA  murni  telah menjadi  hidroksiapatit  (HA).  Difraktogram BHA/ shellac /tapioca  menghasilkan  intensitas tertinggi  pada  nilai  2θ:  32.2503°,33.3904°, 32.6660°.  Jika  dibandingkan  dengan  pola difraksi  BHA  murni,  HA  JCPDS  9-432  dan penelitian  Herliansyah  dkk  [10]  maka  bisa dikatakan  bahwa  kandungan  dari  tapioka  dan shellac telah  mengalami  penghilangan  secara sempurna  ketika  BHA/ shellac /tapioka  disinter dengan suhu 1000°C.

## Hasil pengamatan gugus fungsi FTIR
Hasil  pengamatan  gugus  fungsi  FTIR menunjukkan  kandungan  gugus  fungsi  yang terkandung  dalam  HA.  Gugus  fungsi  FTIR diperoleh dari sampel BHA murni,
BHA/ shellac /tapioka  sebelum  proses sintering , dan BHA/ shellac /tapioka setelah proses sintering . Spektrum hasil uji FTIR dapat dilihat pada Gambar 12 dan ditabelkan pada Tabel 2.
Gambar 12. Spektrum gugus fungsi BHA murni, BHA/ shellac /tapioka setelah siintering, dan BHA/ shellac /tapioka setelah siintering .
Tabel 3. Spektrum hasil uji FTIR BHA murni, BHA/ shellac /tapioka setelah siintering, dan BHA/ shellac /tapioka setelah siintering .
Spektrum  FTIR  BHA  murni  menunjukkan adanya  tiga  titik  puncak  utama  yang  berupa gugus fungsi fosfat ( PO 4 3− ), karbonat ( CO 3 2− ) dan hidroksil (OH - ).
Penelitian Rehman, dkk meneliti tentang hasil titik  vibrasi  dalam  gugus  fungsi  dari  HA  yang disintes dan HA komersil berbeda menunjukkan hasil dengan titik vibrasi yang sama yaitu [10] : 1. Gugus  fungsi PO 4 3− terletak  pada  bilangan gelombang  sekitar  961  cm -1 ,  bilangan gelombang sekitar 475-440 cm -1 ,  bilangan gelombang  sekitar  1190-976  cm -1 dan bilangan gelombang sekitar 660-520 cm -1 . 2. Gugus  fungsi CO 3 2− terletak  pada  bilangan gelombang  sekitar  1650-1300      cm -1 ,  dan sekitar 875 cm -1 .
3. Gugus  fungsi  OH - terletak  pada  bilangan gelombang sekitar 3569 cm -1 .
Hasil  dari  spektrum  FTIR  pada  spesimen BHA murni dan BHA/Shellac/ Tepung Tapioka menunjukkan  adanya  tiga  titik  puncak  utama yang  berupa  gugus  fungsi  fosfat  ( PO 4 3− ), karbonat ( CO 3 2− ) dan hidroksil (OH - ) pada BHA murni dan BHA/ Shellac /Tepung Tapioka setelah sintering,  namun  pada  BHA/Shellac/Tepung Tapioka  sebelum  proses  sintering  terdapat puncak yang berupa gugus fungsi dari ikatan C- H  alkana  pada  bilangan  gelombang  2932.89; 2859.59  1/cm,  dan  ikatan  C=O  pada  bilangan gelombang  1718,65  1/cm,  gugus  fungsi  dari ikatan  C-H  dan  C=O  tersebut  adalah  pengotor
karena  pencampur  dari  bahan  tapioka  tersebut belum  menguap  dan  belum  mengalami  proses sintering  1000 o C.  Tidak  adanya  puncak  utama selain  fosfat  ( PO 4 3− ),  karbonat  ( CO 3 2− )  dan hidroksil (OH - ) menunjukkan bahwa kandungan dari shellac dan  tepung  tapioka  benar-benar menghilang setelah proses sintering dengan suhu 1000°C dan yang tersisa hanya hidroksiapatit.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  proses  pengujian,  pengamatan serta  hasil  pembahasan  yang  telah  dilakukan dalam  penelitian  dapat  diambil  kesimpulan sebagai berikut:
1. Pengamatan  foto  SEM  memperlihatkan terbentuknya porositas pada BHA/ Shellac /Tepung tapioka dengan variasi  70/30,  75/25,  80/20,  85/15,  dan 90/10.  Porus  yang  terbentuk  tidak beraturan dan  tidak  merata  serta  semakin banyak  campuran  tepung  tapioka  yang digunakan maka semakin banyak porositas yang terihat.
2. Pengamatan  laju  degradasi  menunjukkan bahwa semua jenis variasi sampel bersifat biodegradable dan  semakin  banyak campuran tepung tapioka yang digunakan maka  semakin  lama  sampel  untuk terdegradasi.  Laju  degradasi  dari  yang paling  cepat  ke  yang  paling  lambat berturut-turut  yaitu  70/30,  75/25,  80/20, 85/15, dan 90/10.
3. Analisa  gugus  fungsi  dengan  FTIR menunjukkan
BHA/ shellac/ tepung tapioka  memiliki  tiga  titik  puncak  utama yang  berupa  gugus  fungsi  fosfat  ( PO 4 3− ), karbonat  ( CO 3 2− )  dan  hidroksil  (OH - ). Tidak adanya puncak utama lain, menunjukkan  bahwa  kandungan  dari shellac dan tepung tapioka telah menghilang  setelah  proses sintering sampai  suhu  1000°C  dan  yang  tersisa hanya hidroksiapatit (HA).
4. Pengamatan pola difraksi XRD menunjukkan BHA/ shellac/ tepung tapioka  sebagai  fasa  kemurnian  dari hidroksiapatit  (HA).  Nilai  2θ  untuk
senyawa  HA  sesuai  dengan  pola  difraksi standar  HA  JCPDS  9-432.  Maka  bisa dikatakan  bahwa  kandungan  dari  tepung tapioka  dan shellac telah  menghilang secara  sempurna  setelah  proses sintering sampai suhu 1000°C.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] C. Rasjad, "Pengantar Ilmu Bedah Orthopaedi, Trauma,  12th  Edition".  Bintang  Lamupatue, 1998.
[2] Mustaqim, "Psikologi Pendidikan." Semarang: Pustaka Pelajar, 2008.
[3] A.A. White, S.M. Best,"Hydroxyapatitecarbon nanotube composites for biomedical applications: a review." International Journal of Applied Ceramic Technology, vol. 4, no. 1,
pp. 1-13, 2007.
[4] A. Rustam,   F. Tatengkeng, A.M. Fahruddin, A.I.  Djais,  "Kombinasi  perancah  silk-fibroin dari kepompong ulat sutera ( Bombyx mori ) dan konsentrat  platelet  sebagai  inovasi  terapi regenerasi tulang alveolar" , Makasar . 2015.
[5] ARahmawati,  I.N.  Ilmi,  H.  Setyawan,  S. Affandi,  "Sintesis Hydroxyapatite Nano dengan  Metode  Elektrokimia  Menggunakan Pulse Direct Curent (PDC) Sebagai Bioimplan Tulang dan Gigi." Jurnal Teknik POMITS, vol.
1, No. 1, 2012.
[6] Arabnejad,  "A  Guideline  to  Calculate Erosional Velocity due to Liquid Droplets for Oil and Gas Industry," in : proceeding of the
SPE  Annual  Technical  Conference  and
Exhibition . 2014.
[7] J. Triyono, S. Susmartini, E. Susilowati, S.A.
Murdiyantara, "Shellac Coated Hydroxyapatite  (HA)  Scaffold  for  Increasing Compression  Strength," Advanced  Material Research , vol. 1123, pp. 378-382. 2015
[8] E. Kusrini, and M. Sontang, "Characterization of  X-Ray  Diffraction  and  Electron  Spin Resonance:  Effects  of  Sintering  Time  and Temperatur  on  Bovine  Hydroxyapatite,"
Radiation Physical and Chemistry , vol. 81, no. 1, pp. 118-125, 2012.
[9] M.K. Herliansyah, "Development and Fabrication  of  Bovine  Hydroxyapatite  Bone
Graft  for  Biomedical  Application," Thesis, University of Malaya , 2009
[10] I. Rehman, W. Bonfield, “Characterization of Hydroxyapatite  and  Carbonated  Apatite  by Photo Acoustic FTIR Spectroscopy,” J. Mater.
Sci.  Mater.  Med., vol.  8,  no.  1–4,  1997. doi:10.1023/A:1018570213546