Windarti dkk: Pengaruh Konsentrasi Ca 2+ dan PO 4 3- pada Pembentukan Hidroksipatit
PENGARUH KONSENTRASI Ca 2+ DAN (PO 4 ) 3- PADA PEMBENTUKAN

## HIDROKSIAPATIT DI DALAM MATRIKS SELULOSA BAKTERIAL

## Tri Windarti dan Yayuk Astuti
Jurusan Kimia FMIPA Universitas Diponegoro

## ABSTRAK
Pembentukan  hidroksiapatit  Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 dalam  matriks  selulosa  bakterial  dilakukan dengan  cara  merendam  selulosa  bakterial  dalam  larutan  CaCl 2 selama  18  jam,  dilanjutkan  dengan merendam dalam larutan KH 2 PO 4 selama 18 jam pada pH 9. Perendaman tersebut dilakukan dengan berbagai variasi konsentrasi Ca 2+ dan PO 4 2- . Kadar kalsium yang terdeposit dalam selulosa bakterial dianalisis  dengan  AAS.  Kadar  fosfat  dianalisis  dengan  Stannous  Chloride  methode  dan  untuk mengetahui  apakah  kalsium  fosfat  yang  terdeposit  membentuk  struktur  hidroksiapatit,  dilakukan analisis  dengan  difraksi  sinar  X.  Difraktogram  sinar  X  menunjukkan  telah  terbentuk  struktur hidroksiapatit dalam matriks selulosa bakterial dan rasio ideal C/P hidroksiapatit sebesar 1,676 terjadi pada perbandingan Ca 2+ : PO 4 3- = 125 : 25.
Kata kunci: hidroksiapatit, selulosa bakterial
THE INFLUENT OF Ca 2+ AND (PO 4 ) 3- CONCENTRATION TO THE BUILDING OF HYDROXYAPATITE IN BACTERIAL CELLULOSE MATRIX

## ABSTRACK
Building of hydroxyapatite Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 in bacterial cellulose matrix was done by immersing bacterial cellulose in CaCl 2 solution for 18 hours, and continued by immersing in KH 2 PO 4 solution for 18 hours in pH 9. The processes were done by variation of Ca 2+ and PO 4 2- concentrations. Calcium contents that deposited in cellulose bacterial were analyzed by AAS. Phosphate contents were analyzed by Stannous Chloride method and X ray diffraction was conducted to know that calcium phosphate has build hydroxyapatite structure. Diffractogram showed that hydroxyapatite structure has been build in cellulose matrix and the ideal ratio of C/P hydroxyapatite as 1,676 get from Ca 2+ : PO 4 3- = 125 : 25. Keywords: hydroxyapatite , bacterial cellulose

## PENDAHULUAN
Mineral Hidroksiapatit Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 sebagai komponen  utama  tulang  merupakan  kalsium fosfat  yang  paling  stabil  di  bawah  kondisi fisiologi  normal  (Sopyan, dkk ,  2002).  Material ini baik untuk transplantasi tulang karena dapat berikatan dengan tulang dan biokompatibel serta osteoinductive .  Namun  jika  digunakan  sendiri, hidroksiapatit tidak memiliki kekuatan mekanik (mechanical strength) dan tidak  tahan  terhadap tekanan (Hutchens, dkk , 2004). Untuk itu perlu dibuat  suatu  material  yang  mengandung hidroksiapatit  dengan  kekuatan  mekanik  setara
dengan  kekuatan  mekanik  tulang  serta  tahan terhadap tekanan.
Material  yang  paling  memungkinkan  untuk memenuhi  kriteria  tersebut  adalah  suatu komposit.  Material  komposit  ini  harus  tetap stabil pada saat kontak dengan cairan tubuh dan larutan berair lainnya (Ratner, 2003). Komposit adalah  suatu  material  yang  tersusun  dari  suatu matriks  polimer  yang  di  dalamnya  tertanam komponen kedua (Ward, 2004).
Selulosa bakterial memiliki aktivitas permukaan yang tinggi karena terdiri atas serat-serat fibril, sehingga selulosa bakterial merupakan material
yang  baik  untuk  matriks  suatu  komposit (Yamane dkk ,  2004).  Selulosa  bakterial  seperti dilaporkan oleh Yamanaka et al, 1989 modulus youngnya  dapat  mencapai  16-18  GPa  bahkan dapat  ditingkatkan  sampai  30  GPa  dengan pemurnian  lebih  lanjut.  Dengan  demikian selulosa  bakterial  memenuhi  kriteria  sebagai matriks  hidroksiapatit  karena  modulus  young tulang manusia biasanya ada pada rentang 12–24 GPa.  Menurut  Brown,  1983,  porositas  polimer selulosa bakterial memungkinkan untuk menjadi template bagi  pembentukan  komposit.  Selulosa bakterial mengandung 99,3% air yang terhidrat secara alami yang memungkinkan baik molekul besar  maupun  kecil  untuk  masuk  kedalam matriks tersebut. Polimer ini memiliki toksisitas yang  rendah  dan  biokompatibel  serta  dapat dibentuk sesuai dengan bentuk dan ukuran yang didinginkan (Hutchens, 2004).
Metoda yang telah dikembangkan oleh Wojciech dan Yoshimura (1998) untuk pembuatan serbuk biokeramik hidroksiapatit adalah dengan metode pengendapan. Reaksi pengendapan ini dilakukan pada suhu tidak lebih dari 100  C, dan kontrol pH agar selalu lebih besar dari 9 karena jika kurang maka  pada  tahap  akhir  proses  pembentukan hidroksiapatit  akan  terbentuk  struktur  apatit yang  mengalami  defisiensi  kalsium  dan  pada tahap  sintering  suhu  tinggi  akan  mengalami dekomposisi sehingga berubah menjadi trikalsiumfosfat.
Dengan  mendepositkan  Ca 2+ dan  (PO 4 ) 3- pada pH  9  ke  dalam  matriks  selulosa  bakterial diharapkan akan terbentuk struktur hidroksiapatit yang semakin meningkat jumlahnya  dengan  meningkatnya  konsentrasi Ca 2+ dan (PO 4 ) 3- .

## METODE PENELITIAN
Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahap, yaitu  preparasi  bahan,  pemurnian  selulosa bakterial,  pengendapan  hidroksiapatit,  dan analisis hasil

## Preparasi Bahan
Selulosa  bakterial  yang  digunakan  berasal  dari nata  de  coco  yang  diperdagangkan  dalam kemasan.  Karena  biasanya  produk  tersebut masih  mengandung  gula,  maka  dilakukan perendaman dalam akuades selama 2 hari untuk menghilangkan  gula.  Akuades  diganti  setiap  5 jam  sekali.  Ukuran  selulosa  bakterial  dibuat seragam yaitu 1 cm 3 .

## Pemurnian selulosa bakterial
Pemurnian  selulosa  bakterial  dilakukan  dengan merendam nata  de  coco dalam  larutan  NaOH 1M selama 2 jam yang diikuti dengan netralisasi dengan  asam  asetat.  Selanjutnya  direndam dalam  akuades  untuk  menghilangkan  garam yang  terbentuk.  Selulosa  bakterial  kemudian disimpan dalam etanol 20%.

## Pengendapan hidroksiapatit
Pengendapan  kalsium  fospat  ke  dalam  selulosa bakterial  dilakukan  dengan  cara  merendam seluosa bakterial dalam larutan CaCl 2 selama 18 jam. Hasilnya kemudian direndam dalam larutan KH 2 PO 4 selama  18  jam  pada  pH  9.  Proses perendaman  dilakukan  pada  temperatur  tidak lebih dari 100  C. Perendaman tersebut dilakukan  dengan  berbagai  variasi  konsentrasi Ca 2+ dan PO 4 2- .

## Analisis hasil
Kadar  kalsium  di  dalam  selulosa  dianalisis dengan  AAS.  Kadar  fosfat  dianalisis  dengan
Windarti dkk: Pengaruh Konsentrasi Ca 2+ dan PO 4 3- pada Pembentukan Hidroksipatit
Stannous Chloride methode dan untuk mengetahui  apakah  kalsium  fosfat  yang terdeposit  membentuk  struktur  hidroksiapatit, dilakukan analisis dengan difraksi sinar X.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Salah  satu  sifat  unik  selulosa  bakterial  adalah membrannya sangat kuat dan dapat mengikat air sampai lebih dari 100 kali berat dirinya sendiri. Analisis dengan mikroskop elektron menunjukkan  selulosa  tersusun  atas  mikrofibril yang  bergabung  membentuk  pita-pita.  Masing- masing  pita  ini  berukuran  1,6  x  5,8  nm  yang terdiri atas sekitar 46 mikrofibril (Brown, 1983).
Bilmeyer (1984) menyatakan, tensil strength dan modulus  polimer  serat  dapat  ditingkatkan dengan  meningkatkan  derajat  kristalinitasnya. Merserisasi  (perendaman)  selulosa  bakterial dengan  NaOH  1M  selama  2  jam  diharapkan dapat  menghasilkan  selulosa  dengan  dengan struktur  yang  makin  rapat  dan  kekuatan  tarik yang meningkat. Menurut Nishi dkk (1990), ada tiga faktor yang menentukan elastisitas lembaran selulosa,  yaitu:  (1)  modulus  elastisitas  serat. Untuk  lembaran  yang  tersusun  dari  serat  yang panjang  dan  lurus,  modulus  lembaran  secara eksperimen  memiliki  order  1/3  dari  modulus seratnya.  (2)  derajat  ikatan.  Makin  banyak derajat  ikatan  antar  fibril  akan  meningkatkan modulus, (3) adanya lengkungan, kekusutan atau kerut dapat menurunkan modulus lembaran.
Larutan  NaOH  diperkirakan  dapat  mengusir komponen  non  selulosa  dari  dalam  selulosa bakterial seperti protein dan asam nukleat (Nishi dkk, 1990).  Hilangnya  komponen  nonselulosa tersebut  akan  berakibat  meningkatnya  kontak langsung antar fibril selulosa sehingga
menghasilkan  pembentukan  ikatan  hidrogen yang  kuat  baik  inter  maupun  intra  fibrilar. Perubahan  ikatan  molekul  ini  menyebabkan meningkatnya  kekuatan  mekanik  selulosa bakterial.
Biokeramik  hidroksiapatit  adalah  keramik berbasis  kalsium  fosfat  dengan  rumus  kimia Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ,  yang  merupakan  paduan  dua senyawa  garam  trikalsium  fosfat  dan  kalsium hidroksida (Narasaruju, 1996). Dalam penelitian ini  pendepositan  hidroksiapatit  dalam  matrik selulosa  bakterial  dilakukan  dengan  cara merendam  selulosa  bakterial  dalam  larutan CaCl 2 selama  18  jam  dan  dilanjutkan  dengan merendam  selulosa  bakterial  tersebut  dalam larutan KH 2 PO 4 selama 18 jam pada pH 9 yang dibuat  dengan  menambahkan  NaOH  ke  dalam larutan. Dengan variasi konsentrasi ion Ca 2+ dan (PO 4 ) 3- diharapkan akan diketahui pembentukan hidroksiapatit di dalam matrik selulosa bakterial. Reaksi yang diharapkan terjadi adalah
10 CaCl 2 + 6 KH 2 PO 4 + 14 NaOH 
Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 + 6 KCl + 14 NaCl + 12H 2 O
Hasil  deposit  hidroksiapatit  dalam  matriks selulosa bakterial dianalisis dengan difraksi sinar X dan diperoleh difraktogram yang menyatakan bahwa  telah  terbentuk  hidroksiapatit  dalam matriks  selulosa  bakterial  yang  ditunjukkan dengan munculnya puncak pada daerah 2  = 30- 35 o (Aizawa, 1999).
20 30
40 50
2 
Gambar 1. difraktogram komposit hidroksi- apatit-selulosa bakterial
Tabel 1. Berat Ca 2+ yang terdeposit dalam selulosa bakterial pada berbagai konsentrasi Ca 2+ setelah 18 jam
perendaman
Konsentrasi Ca 2+ dalam larutan (mM) Ca 2+ dalam Selulosa Bakterial (mg) 125 0,1019 100 0,1169 75 0,1302 50 0,0984 25 0,1000
Dari tabel di atas terlihat bahwa berat Ca 2+ yang terdeposit  tidak  signifikan  dengan  tingginya konsentrasi larutan CaCl 2 . Pada konsentrasi Ca 2+ sebesar  75  mM  diperoleh  Ca 2+ terbanyak  yaitu 0,1302  mg.  Hal  ini  mungkin  dikarenakan mobilitas ion Ca 2+ memasuki daerah antar fibril selulosa  bakterial  tidak  hanya  ditentukan  oleh konsentrasi Ca 2+ dalam larutan.
Tabel 2. Berat PO 4 3- yang terdeposit dalam selulosa bakterial setelah 18 jam perendaman
Ca 2+ : PO 4 3-
(mM)
PO 4 3- dalam Selulosa Bakterial (mg) 125 : 25 0,1863 100 : 50 0,1969 75 : 75 9,2148 50 : 100 5,0306 25 : 125 7,2450 Banyaknya PO 4 3- yang terdeposit dalam selulosa bakterial  dapat  dilihat  pada  tabel  di  atas. Ternyata  deposit  PO 4 3- di  dalam  selulosa bakterial  dipengaruhi  oleh  konsentrasi  larutan
PO 4 3- yang digunakan untuk merendam selulosa bakterial. Pada perbandingan Ca 2+ :PO 4 3- sebesar 75:75  diperoleh  berat  PO 4 3- terbanyak  yaitu 9,2148 mg.
Tabel 3. Perbandingan Ca/P
Ca 2+ : PO 4 3- (mM) Ca (mg) P(mg) Ca/P 125 : 25 0,1019 0,0608  1,6760 100 : 50 0,1169 0,0642  1,8209 75 : 75 0,1302 3,0068  0,0433 50 : 100 0,0984 1,6415  0,0599 25 : 125 0,1000 2,3640  0,0423
Dengan persen berat ideal hidroksiapatit: 39,9% Ca,  18,5%  P  dan  3,38%  OH,  maka  rasio  ideal Ca/P hidroksiapatit adalah sebesar 1,67 (Chang, et al , 1992). Dari tabel perbandingan Ca/P yang terdeposit  di  dalam  matriks  selulosa  bakterial terlihat  bahwa  pada  perbandingan  Ca 2+ :PO 4 3- sebesar  125:25  diperoleh  rasio  Ca/P  sama dengan rasio ideal Ca/P hidroksiapatit. Rasio ini membesar pada perbandingan Ca 2+ :PO 4 3- sebesar 100:50 dan justru makin kecil pada konsentrasi Ca 2+ yang  makin  kecil.  Hal  ini  mungkin disebabkan  karena  terbentuk  senyawaan  fosfat lain selain hidroksiapatit.

## KESIMPULAN
Telah terbentuk hidroksiapatit di dalam matriks selulosa bakterial. Rasio ideal C/P hidroksiapatit dalam  matriks  selulosa  bakterial  sebesar  1,676 terjadi pada perbandingan Ca 2+ : PO 4 3- = 125 : 25.

## DAFTAR PUSTAKA
Aizawa,  M.,  1999,  Characaterization  of Hydroxyapatite  Powders  Prepared  By Ultrasonic  Spray-Pyrolysis  Technique, Journal of Material Science, 34, p. 2865- 2873.
Bilmeyer,  F.  W.,  1984,  Textbook  of  Polymer Science,  3 rd edition,  John  Wiley  &  sons, New York.
Windarti dkk: Pengaruh Konsentrasi Ca 2+ dan PO 4 3- pada Pembentukan Hidroksipatit
Brown,  Jr.,  1983,  Production  of  a  Cellulose- Synthetic  Polymer  Composite  Fiber, United States Patent 4,378,431 , March 29
Chang,  R.  W.,  Hansen,  P.,  and  Kraner,  E.  J., 1992, Material  Science  and  Technology (Comprehensive Treatment) , 14.
Hutchens,  S.  A.,  Woodward,  J.,  Evans,  B.  R., and  O’Neil,  H.  M.,  2004,  Composite material, United States Patent 20040096509 , May 20
Narasaruju,  T.  S.  B.,  and  Phebe,  D.  E,  1996,
Some Physico-Chemical Aspect of Hidroksiapatite, Journal  of  Material Science , 31, p. 1-21.
Nishi,  Y,  1990,  The  Structure  and  Mechanical Properties  of  Sheets  Prepared  From Bacterial  Cellulose, Journal  of  Material Sciense 25, p. 2997-3001.
Ratner, M., Ratner, D., 2003, Nanotechnology: a
Gentle Introduction to the Next Big Idea, Prentice hall PTR, New Jersey.
Sopyan,  I.,  Arianti,  M.,  Alhamidi,  A.A.,  2002, Pengembangan  Serbuk  Hidroksiapatit untuk Aplikasi Medis: Karakterisasi Awal dengan  FTIR  dan  XRD, Prosiding Pertemuan Ilmiah IPTEK Bahan’02 ,  22-
23 Oktober 2002, Serpong.
Ward, I. M., Sweeney, J., 2004, An Introduction to  the  Mechanical  Properties  of  Solid Polymers , John Wiley and sons, England Wojciech,  S  and  Yoshimura,  M.,  1998, Processing  Properties  of  Hidroxyapatit Based-  Biomaterials  for  Use  as  Hard Tissue Replacement Implants, Journal of Material Science , 13, p. 95-116
Yamanaka, 1989, J. Mat. Sci 24, p. 3141-3145
Yamane, C., Okajima, K., and Otsuka, M., 2004, Novel  Cellulose-Type  Material, United States Patent 20040267006 , Desember 30