## HIDROKSIAPATIT, ALGINAT, DAN KITOSAN SEBAGAI BAHAN SCAFFOLD TULANG: STUDI SPEKTROSKOPI
(HYDROXYAPATITE, ALGINATE, AND CHITOSAN FOR BONE SCAFFOLDS: SPECTROSCOPY STUDY)
Lalita El Milla*, Decky Joesiana Indrani**
*Departemen Ilmu Material Kedokteran Gigi, Fakultas Kedokteran Gigi, Universitas Brawijaya, **Departemen Ilmu Material Kedokteran Gigi, Fakultas Kedokteran Gigi, Universitas Indonesia, Email: deckyji@gmail.com

## Abstract
Scaffolds is three dimensional structure that serves as a framework for bone growth. Natural materials are often used in synthesis of bone tissue engineering scaffolds with respect to compliance with the content of the human body. Among the  materials  used  to  make  scafffold  was  hydroxyapatite,  alginate  and  chitosan.  Hydroxyapatite  powder  obtained  by mixing  phosphoric  acid  and  calcium  hydroxide,  alginate  powders  extracted  from  brown  algae  and  chitosan  powder acetylated from crab. The purpose of this study was to examine the  functional groups of hydroxyapatite, alginate and chitosan.  The  method  used  in  this  study  was  laboratory  experimental  using  Fourier  Transform  Infrared  (FTIR) spectroscopy for hydroxyapatite, alginate and chitosan powders. The results indicated the presence of functional groups PO 4 3- ,  O-H  and  CO 3 2- in  hydroxyapatite.  In  alginate  there  were  O-H,  C=O,  COOH  and  C-O-C  functional  groups, whereas in chitosan there were O-H, N-H, C=O, C-N, and C-O-C. It was concluded that the third material containing functional groups as found in humans that correspond to the scaffolds material in bone tissue engineering.
Key words : hydroxyapatite, alginate, chitosan, FTIR

## Abstrak
Scaffold merupakan struktur tiga dimensi yang berfungsi sebagai kerangka atau template untuk pertumbuhan sel tulang. Bahan-bahan  alam  sering digunakan untuk pembuatan scaffold rekayasa jaringan tulang  karena kesesuaiannya dengan kandungan tubuh manusia. Di antara bahan yang digunakan untuk membuat scafffold adalah hidroksiapatit, alginat dan kitosan.  Serbuk  hidroksiapatit  diperoleh  dengan  mencampurkan  asam  fosfat  dan  kalsium  hidroksida,  serbuk  alginat diekstrak dari alga coklat dan serbuk kitosan merupakan asetilasi dari kepiting. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk melihat gugus-gugus fungsi yang terkandung di dalam hidroksiapatit, alginat dan kitosan. Metode yang digunakan dalam penelitian  ini  adalah  eksperimental  laboratoris  yaitu  dengan  menguji  serbuk  hidroksiapatit,  alginat  dan  kitosan menggunakan  spektroskopi Fourier Transform  Infrared (FTIR).  Hasil  menunjukkan  adanya  gugus  fungsi  PO 4 3- , O-H dan  CO 3 2- dalam  hidroksiapatit,  pada  alginat  terdapat  gugus  fungsi  O-H,  C=O,  COOH  dan  C-O-C,  sedangkan  pada kitosan terdapat gugus fungsi gugus O-H, N-H, C=O, C-N, dan C-O-C. Disimpulkan bahwa pada hidroksiapatit, alginat dan  kitosan  mengandung  gugus  fungsi  sebagaimana  ditemukan  pada  tulang  manusia  sehingga  sesuai  untuk  bahan scaffold dalam rekayasa jaringan tulang.
Kata kunci : hidroksiapatit, alginat, kitosan, FTIR

## PENDAHULUAN
Upaya  perbaikan  tulang  dibutuhkan  ketika  tulang mengalami  defek  akibat  trauma,  infeksi,  reseksi tumor,  kelainan  kerangka  dan  pada  kasus  di  mana proses regenerasi  tidak  seimbang dengan  kerusakan tulang. 1,2 Salah satu alternatif perbaikan tulang yang saat  ini  menjadi  perhatian  adalah  dengan  rekayasa
jaringan.  Dalam  rekayasa  jaringan  terdapat  tiga komponen  utama  yaitu  sel,  faktor-faktor  pertumbu- han  dan scaffold harus  memiliki  sifat  biomimetik dengan jaringan tulang sehingga biokompabilitas da- pat  tercapai. Scaffold yang  sesuai  untuk  rekayasa jaringan  tulang  dibuat  dari  material  yang  berbeda-
beda. Tulang terdiri dari bahan apatit, oleh karena itu salah  satu  bahan  yang  telah  dimanfaatkan  sebagai bahan scaffold adalah  hidroksiapatit  yang  memiliki kesamaan kimia dan fisika dengan mineral penyusun tulang  dan  gigi  dengan  elemen  utama  berupa  kal- sium dan fosfor. 4 Pada hidroksiapatit terdapat gugus hidroksil (O-H) dan fosfat (PO 4 3- ) sebagaimana pada Gambar 1.
Upaya  perbaikan  tulang  dibutuhkan  ketika  tulang mengalami  defek  akibat  trauma,  infeksi,  reseksi  tu- mor, kelainan kerangka dan pada kasus di mana pro- ses regenerasi tidak seimbang dengan kerusakan tu- lang. 1,2 Salah  satu  alternatif  perbaikan  tulang  yang saat  ini  menjadi  perhatian  adalah  dengan  rekayasa jaringan.  Dalam  rekayasa  jaringan  terdapat  tiga komponen  utama  yaitu  sel,  faktor-faktor  pertumbu- han dan scaffold . 3 Scaffold merupakan  struktur  tiga dimensi  yang  berfungsi  sebagai  kerangka/ template untuk  pertumbuhan  sel  tulang.  Untuk  mendukung pertumbuhan  sel  tulang, scaffold harus  memiliki  si- fat biomimetik dengan jaringan tulang sehingga bio- kompatibilitas  dapat  tercapai. Scaffold yang  sesuai untuk  rekayasa  jaringan  tulang  dibuat  dari  material yang berbeda-beda. Tulang terdiri dari bahan apatit, oleh  karena  itu  salah  satu  bahan  yang  telah  di- manfaatkan  sebagai  bahan scaffold adalah  hid- roksiapatit yang memiliki kesamaan kimia dan fisika dengan  mineral  penyusun  tulang  dan  gigi  dengan elemen  utama  berupa  kalsium  dan  fosfor. 4 Pada hidroksiapatit  terdapat  gugus  hidroksil  (O-H)  dan fosfat (PO 4 3- )  sebagaimana pada Gambar 1.
Gambar 1. Struktur kimia hidroksiapatit 5
Namun,  hidroksiapatit  memiliki  sifat  biomekanik yang lemah yaitu kuat tarik yang rendah dan bersifat brittle . 6 Oleh  karena  itu,  saat  ini  hidroksiapatit  ba- nyak  dikombinasikan  dengan  bahan  biopolimer  un- tuk membentuk scaffold komposit.
Biopolimer dari alam lebih banyak dipilih sebagai material scaffold karena  memiliki  sifat  biokompa- tibel,  biodegradabel,  non  toksik  dan  lebih  banyak ketersediaannya  dibanding  polimer  sintetik. 7 Bio- polimer dari alam tersebut di antaranya adalah algi- nat dan kitosan. Alginat merupakan polisakarida asi- dik yang diekstrak dari alga cokelat ( Phaeophyceae ), termasuk  di  antaranya Sargassum  sp  yang banyak ditemukan di perairan Indonesia. 8 Alginat terdiri dari (1-4)  β-D-mannuronic  acid  (M)  dan  α-L-guluronic
acid  (G) yang  merupakan  asam-asam  karbosiklik (R-COOH),  yaitu  mengandung  gugus-gugus  O-H, C=O, COOH dan C-O-C sebagaimana pada Gambar 2.
Gambar 2. Struktur Sodium Alginat 9
Pada scaffold komposit  hidroksiapatit/alginat,  ter- jadi ikatan ionik antara gugus COO - pada alginat dan Ca 2+ dari  hidroksiapatit. 10,11 Namun,  sel  sulit  terikat langsung  pada  alginat  karena  gel  alginat  yang  ber- sifat anionik dan tidak ada absorpsi protein pada gel dengan muatan negatif. Oleh karena itu, dalam peng- gunaan  sebagai scaffold ,  dibutuhkan  molekul  lain yang  bersifat  kationik  untuk  mengikat  molekul  al- ginat. 12 Beberapa  peneliti  menambahkan  polimer yang memiliki sifat kationik bersama dengan alginat untuk  meningkatkan  perlekatan  sel. 13,11,14 Polimer yang saat ini banyak digunakan salah satunya adalah kitosan. Kitosan adalah polisakarida linear yang ter- diri dari β-(1-4)-linked D-glucosamine (unit deacety- lated )  yang  mengandung  gugus-gugus  N-H,  O-H, C=O,  C-N  dan  C-O-C  sebagaimana  pada  Gambar 3. 11,15
Gambar 3. Struktur kimia kitosan 16
Kitosan diperoleh melalui proses deasetilasi zat ki- tin yang merupakan struktur eksoskeleton dari krus- tasea  seperti  kepiting  dan  udang.  Selain  dapat  me- ningkatkan perlekatan  sel,  kitosan juga memiliki si- fat  antimikrobial  yang  bermanfaat  dalam  aplikasi scaffold . 16
Karakterisasi  biomaterial  perlu  dilakukan  untuk mengidentifikasi  bahan scaffold .  Karakterisasi  ba- han dapat dilakukan dengan  analisis  FTIR ( Fourier Transform  Infrared). Analisis  ini  merupakan  teknik spektroskopi  inframerah  yang  dapat  mengiden- tifikasi  kandungan  gugus  dalam  suatu  senyawa. 15
Oleh  karena  itu,  penelitian  ini  bertujuan  untuk melihat  gugus-gugus fungsi  yang terkandung di da- lam  hidroksiapatit,  alginat dan  kitosan  sehingga da- pat  dinilai  kesesuaiannya  untuk  digunakan  sebagai bahan scaffold pada rekayasa jaringan tulang.

## Gambar 4. Spekrum  FTIR hidroksiapapatit
Alginat  menunjukkan  spektrum  FTIR  dengan  be- berapa bilangan gelombang sebagaimana pada Gam- bar 5. Bilangan gelombang  3547 cm -1 menunjukkan adanya  gugus  O-H.  Bilangan  gelombang  1616  me- rujuk  pada  gugus  C=O.  Bilangan  gelombang  1411 cm -1 merupakan gugus COOH. Bilangan gelombang 1091 cm −1 merupakan gugus C-O-C.
Gambar 5. Spektrum FTIR alginat
Kitosan menghasilkan spektrum  FTIR dengan be- berapa bilangan gelombang sebagaiman pada Gam- bar 6. Bilangan gelomang 3356 cm -1 merupakan gu- gus O-H. Bilangan gelombang 1665 cm -1 merupakan gugus  amida  I  (C=O).  Bilangan  gelombang  1588 cm -1 merujuk pada amida II (C=N). Bilangan gelom- bang 1376 cm -1 menunjukkan gugus CH 2 , 1318 cm -1 menunjukkan CH 3 dan 1020 cm -1 merujuk pada gu- gus  C-O-C.  Gugus  C-O  (amino)    muncul  pada  bi- langan  gelombang 1154  cm −1 . Bilangan  gelombang 3450 – 3200 cm -1 termasuk di dalamnya gugus O-H dapat tumpang tindih dengan gugus N-H.
Gambar 6. Spektrum FTIR kitosan

## PEMBAHASAN
Hidroksiapatit  pada  penelitian  ini  memperlihatkan spektrum  FTIR  dengan  bilangan  gelombang  yang berada  pada  kisaran  beberapa  penelitian  lain.  Pada penelitian ini gugus fungsi O-H, PO 4 3- dan CO 3 2- se- suai  dengan  kisaran  bilangan  gelombang  dari  hid- roksiapatit yang dihasilkan oleh penelitian Mir, yaitu gugus  O-H  pada  1000  cm -1 ,  PO 4 3- pada  3570  cm -1 dan  CO 3 2- pada  1490  cm -1 . 19 Pada  penelitian  Arsad, tidak  ditemukan  adanya  bilangan  gelombang  yang menunjukkan gugus CO 3 2- , namun gugus O-H mun- cul pada 3571  cm -1 dan PO 4 3- pada 1093  cm -1 seba- gaimana  kisaran  bilangan  gelombang  penelitian ini. 20 Gugus fungsi  CO 3 2- merupakan substitusi dari ion fosfat yang menunjukkan terbentuknya apatit ti- pe B.  Apatit  tipe B merupakan  apatit  yang  terdapat pada  hidroksiapatit  pada  tulang  biologis. 2 Selain  itu hidroksiapatit dengan substitusi CO 3 2- diketahui me- miliki  kelarutan  yang  lebih  tinggi  dan  kristalinitas yang  lebih  rendah. 2,8 Adanya  gugus  CO 3 2- pada  pe- nelitian ini menguntungkan dalam aplikasi scaffold . Alginat  pada  penelitian  ini  menghasilkan  spektrum FTIR dengan bilangan gelombang yang berada pada kisaran  bilangan  gelombang  beberapa  penelitian  la- in. Zailanie menghasilkan spektrum FTIR dengan O- H pada bilangan gelombang 3354  cm -1 ,  C=O  pada 1618  cm -1 dan  COOH    pada  1413  cm -1 . 18 Golami- poor  (2013)  menghasilkan  spektrum  FTIR  dengan O-H  pada  3443    cm -1 ,  C=O  pada  1627  cm -1 dan COOH  pada  1421  cm -1 . 21 Mahbub menunjukkan adanya O-H  pada 3466 cm -1 , C=O pada 1634 cm -1 dan COOH pada 1418 cm -1 . 22 Adanya gugus COOH menyebabkan alginat mudah membentuk gel karena dengan  menambahkan  senyawa  yang  mengandung kation divalent seperti Ca 2+ , Ba 2+ atau Sr 2+ dapat ter- bentuk jembatan ionik di antara rantai polimer yaitu dengan kondisi terikatnya gugus-gugus COOH yang disebut sebagai proses crosslinking . Oleh karena itu, hal  tersebut  berguna  dalam  aplikasi  rekayasa  jari- ngan  tulang  terutama  untuk  defek  yang  berbentuk iregular. 23
Kitosan  pada  penelitian  ini  juga  menunjukkan spektrum  FTIR  dengan  bilangan  gelombang  yang berada  pada  kisaran  bilangan  gelombang  beberapa penelitian  lain.  Salah  satunya  adalah  Limam  yang memperlihatkan spektrum FTIR dengan gugus fung- si  C=O  pada  bilangan  gelombang  1651  cm -1 ,  C-N pada  1618  cm -1 dan  C-O    pada  1153  cm -1 . 24 Selain itu  Sakthivel menunjukkan  gugus fungsi C=O pada bilangan gelombang 1655 cm - , C-N pada 1555 cm -1 dan C-O  pada 1170 cm -1 . 25 In-tensitas C-N (amida II) pada  kitosan penelitian  ini lebih besar dibanding C=O (amida I) sebagaimana terlihat pada Gambar 6. Intensitas amida II yang lebih besar dibanding amida
5 0 0 7 5 0 10 00 12 50 15 00 17 50 20 00 25 00 30 00 35 00 40 00 1/c m 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 % T OH - C- H C= O - CO O - C- O-C 5 0 0 7 5 0 10 00 12 50 15 00 17 50 20 00 25 00 30 00 35 00 40 00 1/ c m 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 % T O- H C O 3 2 - C O 3 2- P O 4 3- PO 4 3- CO 3 2- CO 3 2- PO 4 3- PO 4 3- 5 0 0 7 5 0 10 00 12 50 15 00 17 50 20 00 25 00 30 00 35 00 40 00 1/ c m 6 0 67 .5 7 5 82 .5 9 0 97 .5 1 0 5 % T OH - , NH C- H C= O C- N C H 2 C H 3 . C- O C- O-C
I  menunjukkan  adanya  deasetilasi  yang  efektif. 25 Deasetilasi sendiri merupakan perubahan gugus ase- til  menjadi  amino.  Pada  kitosan,  gugus  amino yang bermuatan  positif  berguna  dalam  peningkatan  per- lekatan  sel  dan  sifat  antimikrobial,  sehingga  me- nguntungkan dalam proses regenerasi tulang. 13,14
Hasil  karakterisasi  FTIR  terhadap  hidroksiapatit, alginat dan kitosan pada penelitian ini, menunjukkan bahwa gugus-gugus fungsi yang diperlihatkan sesuai dengan  yang  terkandung di  tulang manusia.  Tulang manusia  dikatakan  merupakan  biokomposit  yang merupakan  fasa  inorganik  yang  terbenam  di  dalam fasa  organik  kolagen.  Fasa  inorganik  tulang  terdiri
dari apatit tulang yang mengandung gugus PO 4 3- , O- H  dan  CO 3 2- ,  sedangkan  fasa  organik  tulang  terdiri dari protein kolagen, yang mengandung gugus C=O (amida  I),  C-N  (amida  II),  C-O-C  dan  O-H  yang mana  gugus-gugus  tersebut  terlihat  pada  spektrum FTIR ketiga bahan. Selain itu, pada ketiga bahan ter- dapat gugus fungsi yang menguntungkan dalam ap- likasi scaffold yaitu  gugus  CO 3 2- pada  hidrok- siapatit, COOH pada alginat dan gugus amino pada kitosan.  Dengan  demikian,  dapat  dikatakan  bahwa hidrokiapatit, alginat dan kitosan yang digunakan di penelitian ini sesuai jika akan  digunakan sebagai ba- han scaffold dalam rekayasa jaringan tulang.

## DAFTAR PUSTAKA
1. Bose  S,  Roy  M,  Bandyopadhyay  A.  Recent  adv- ances  in  bone  tissue  engineering  scaffolds.  Trends Biotechnol 2012; 30(10): 546-54.
2. Wu  S,  Liu  X,  Yeung  KWK,  Liu  C,  Yang  X.  Bio- mimetic  porous  scaffolds  for  bone  tissue  engi- neering. Mater Sci Eng R Reports 2014; 80: 1-36.
3. Shrivats  AR,  McDermott  MC,  Hollinger  JO.  Bone tissue engineering: State of the union.  Drug Discov Today 2014; 19(6): 781-86. .
4. Krishnamurithy G, Science M, Medicine CC. A re- view on  hydroxyapatite-based  scaffolds  as a  poten- tial bone graft substitute for bone tissue engineering applications. JUMMEC 2013; 16(2): 1-6.
5. Iannazzo  D,  Pistone  A,  Espro  C.  Biomimetic  Ap- proaches  for  Tissue  Healing  Drug  Delivery  Stra- tegies  for  Bone  Tissue  Regeneration.  Omi  ebooks Gr. 2015: 4.
6. Tripathi  G,  Basu  B.  A  porous  hydroxyapatite  scaf- fold  for  bone  tissue  engineering :  Physico-mecha- nical  and  biological  evaluations.  Ceram  Int  2012; 38(1): 341-9.
7. Venkatesan J, Bhatnagar I, Manivasagan P, Kang K, Kim  S.  Alginate  composites  for  bone  tissue  engi- neering :  A  review.  Int  J Biol  Macromol  2015; 72: 269-81.
8. Aufan  MR,  Daulay  AH,  Indriani  D,  Nuruddin  A. Sintesis  scaffold  alginat-kitosan-karbonat  apatit  se- bagai bone graft. J Biofisika 2012; 8(1): 16-24.
9. Roy  T.  Preparation  and  Characterization  of  nano- composites Hydroxyapatite-Chitosa-Alginate micro- thin nanocomposites. Thesis, Odisha: Department of Ceramic  Engineering  National  Institute  of  Tech- nology Rourkela, 2014: 38
10. Teng S. Science and The effect of alginate addition on  the  structure  and  morphology  of  hydroxy- apatite/gelatin  nanocomposites.  Compos  Sci  Tech- nol. 2006; 66: 1532-8.
11. Kim H, Jung G, Yoon J, et al. Preparation and cha- racterization  of  nano-sized  hydroxyapatite/algi- nate/chitosan  composite  scaffolds  for  bone  tissue engineering. Mater Sci Eng C. 2015; 54: 20-5.
12. Rinaudo M. Main properties and current applications
of some polysaccharides as biomaterials  Polym Int. 2008; 57: 397-430
13. Han  J,  Zhou  Z,  Yin  R,  Yang  D,  Nie  J.  Alginate  – chitosan  /  hydroxyapatite  polyelectrolyte  complex porous  scaffolds :  Preparation  and  characterization. Int J Biol Macromol. 2010; 46: 199-205.
14. Jin H, Kim D, Kim T, et al. International Journal of Biological  Macromolecules  In  vivo  evaluation  of porous  hydroxyapatite / chitosan  –  alginate compo- site scaffolds for bone tissue engineering. Int J Biol Macromol.  2012; 51(5): 1079-85.
15. Silva SML, Braga CRC, Fook MVL, Raposo CMO, Carvalho  LH,  Canedo  EL.  Application  of  Infrared Spectroscopy to Analysis of Chitosan  /  Clay Nano- composites.  In:  Theopile.  Infrared    spectroscopy    - material  science,  engineering  and  technology, Athens: Intech, 2011: 43-62.
16. Croisier F, Jérôme C. Chitosan-based Bio-materials for  Tissue  Engineering.  Eur  Polym  J.  2013;  49(4): 780-92.
17. Indrani  DJ.  Komposit  hidroksiapatit  kalsinasi  suhu rendah dengan sebagai material scaffoldk. Disertasi, Jakarta:  Program  Doktor  Bidang  Ilmu  Material FMIPA, 2012: 169.
18. Zailanie K. Study of Alginate Sargassum Filipendula with  FTIR  Confirmation.  J.Life  Sci  Biomed  2015; 5(6): 167-70.
19. Mir  M,  Lima  F,  Sérgio  P,  Herrmann  DP,  Luiz  F. XRD, AFM, IR and TGA Study of Nanostructured Hydroxyapatite. 2012; 15(4): 622-7.
20. Arsad  MSM,  Lee  PM,  Mara  UT.  Synthesis  and Characterization  of  Hydroxyapatite  Nanoparticles and β -TCP Particles. 2011; 7: 184-8.
21. Gholamipoor  S,  Oromiehie  AR,  Moham-madi  M. Extraction  and  Characterization  of  Alginate  from Sargassum  angustifolium  collected  from  northern coasts  of  Persian  Gulf  ,  Bushehr.  In:  Khavaran  In- stitute  of  Higher  Education,  International  Sym- posium  of  Advances  in  Science  and  Techology, 7th
SASTech. Bandar Abbas. 2013
22. Mahbub  AM.  Studi  Ekstraksi  Alginat  Dari  Bio- massa  Rumput  Laut  Coklat  (Sargassum  Cras-
sifolium)  sebagai  Adsorben  dalam  Biosorpsi  Ion Logam  Cadmium.  Skripsi,  Depok:  Fakultas  MIPA Program Studi Kimia, UI. Fakultas MIPA Program Studi Kimia UI, 2012: 104.
23. Lee KY. Alginate : properties and biomedical appli- cations.  NIH  Public  Access.  2013;  37(1):  106-26. Limam  Z,  Selmi  S,  Sadok  S,  et  al.  Extraction  and Characterization  of  chitin  and  chitosan  from  crus-
tacean  by-products :  Biological  and  physico-che- mical properties. 2011; 10(4): 640-7.
24. D. Sakthivel  NV and  VA. Extraction of  Chitin  and Chitosan  from  Mangrove  Crab  Sesarma  plicatum from  Thengaithittu  Estuary  Pondicherry  Southeast Coast  of  India.  Int  J  Pharm  &Pharmaceutical  Res. 2015; 4(1): 12-24.