Edisi Khusus Material untuk Kesehatan 2012, hal : 36 - 39 ISSN : 1411-1098
Akreditasi LIPI Nomor : 395/D/2012 Tanggal 24 April 2012
PREPARASI NANOKRISTALIN HIDROKSIAPATIT UNTUK SCAFFOLD REKAYASA JARINGAN TULANG
Decky J. Indrani 1 dan Wisnu Ari Adi 2
1 Departemen Ilmu Material Kedokteran Gigi, FKG-UI Jl. Salemba Raya No. 4, Jakarta Pusat
2 Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN)-BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang Selatan e-mail: decky@ui.ac.id
Diterima: 16 Mei 2012 Diperbaiki: 17 September 2012 Disetujui: 4 Oktober 2012

## ABSTRAK
PREPARASI NANOKRISTALIN HIDROKSIAPATIT UNTUK SCAFFOLD REKAYASA JARINGAN TULANG . Telah dilakukan sintesis dan karakterisasi nanopartikel Hidroksiapatit (HA) menggunakan metode presipitasi. Hasil pencampuran serbuk Ca(OH) 2 dan cairan H 3 PO 4 dengan perbandingan mol sebesar 10 : 6 selanjutnya dikalsinasi pada suhu bervariasi sampai dengan 900 o C masing-masing selama 3 jam. Hasil refinement pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa hidroksiapatit hasil sintesis dengan berbagai suhu kalsinasi merupakan fasa tunggal Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 yang memiliki struktur heksagonal (P63/m). Berdasarkan hasil refinement diperoleh bahwa seiring dengan semakin rendahnya suhu kalsinasi HA maka diperoleh volume, kerapatan atomik dan derajat kristalinitas yang semakin menurun dan ukuran kristalit yang semakin kecil. Disimpulkan bahwa pada suhu kalsinasi HA hasil sintesis terendah, maka diperoleh volume, kerapatan atomik dan derajat kristalinitas paling rendah dengan ukuran kristalit paling kecil.
Kata kunci : Sintesis, Hidroksiapatit, Struktur kristal, Derajat kristalinitas, Ukuran kristalit

## ABSTRACT

## PREPARATION OF HYDROXYAPATITE NANOCRYSTALINE FOR SCAFFOLD BONE
TISSUE ENGINEERING. The synthesis and characterization of hydroxyapatite nanoparticles by using precipitation method have been carried out. Hydroxyapatite samples were prepared by mixing Ca(OH) 2 powder and H 3 PO 4 liquid with a mole ratio of 10 : 6. The samples were calcined at temperatures varying from 100 - 900 °C, each for 3 hours. The refinement results of X-Ray Diffraction patterns showed that all samples are single phase of Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 . The Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 and has a hexagonal structure (P63/m). Based on the refinement results, increasing the calcination tempertatures of HA from 100 to 900 °C, HA exists in higher volume, atomic density and crystalinity, as well as smaller of crystalites diameter. It is concluded that at the lowest calcination temperature of HA, the lowest volume, atomic density and crystallinity and the diameter of crystallites as well.
.
Keywords : Synthesis, Hydroxyapatite, Crystal structure, Crystallinity, Crystallite size

## PENDAHULUAN
Paska pencabutan gigi, infeksi ataupun tumor rahang merupakan defek yang paling sering dijumpai di rahang. Penyembuhan defek tulang dengan transplantasi sel tulang menggunakan metode tissue engineering (rekayasa jaringan) telah dikembangkan sebagai alternatif untuk perawatan penyembuhan defek secara konvensional. Metode rekayasa jaringan tulang memerlukan scaffold sebagai tempat sel merangkak dan bertumbuh menjadi jaringan tulang [1].
Berbagai penelitian Hidroksiapatit (HA) banyak dilakukan untuk memperoleh material pengganti tulang
dalam bidang ortopaedi. Untuk memperoleh material kristalin dengan sifat mekanik tinggi maka dalam sintesis dilakukan kalsinasi suhu tinggi [2]. Oleh sebab itu, HA kristalin stabil sehingga tidak mudah larut (degradasi), sifat degradasi merupakan kemampuan yang diperlukan oleh material scaffold [1]. Oleh karenanya, karakteristik material scaffold perlu sesuai dengan karakteristik dengan sel tulang yang akan ditumbuhkan.
Komponen material scaffold rekayasa jaringan tulang harus sesuai dengan komponen penyusun tulang. Tulang tersusun terutama dari kalsium (Ca ) dan fosfor
(P) yang mengalami biomineralisasi dan membentuk senyawa kalsium fosfat. Material biokeramik berbasis kalsium fosfat yang sesuai dengan senyawa kalsium fosfat di dalam tulang dirumuskan dengan Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , disebut hidroksiapatit (HA). HA merupakan senyawa kalsium fosfat yang paling banyak dipelajari karena menunjukkan kristalografi paling sesuai dengan kristalografi hidroksiapatit biologik. Tulang memiliki kristal mineral skala nano, area permukaan sangat luas dan ikatan sesama kristal tulang tidak kuat.
Dalam aplikasi rekayasa jaringan tulang, scaffold HA telah memperlihatkan pertumbuhan sel. Namun, masih ditemukannya sisa HA di sekitar lokasi defek walaupun implantasi scaffold telah lama dilakukan [3]. Hal ini diperkirakan karena kelarutan material yang rendah sebagai akibat dari tingginya derajat kristalinitas [4,5]. Dari peneliti sebelumnya dijelaskan bahwa tingginya derajat kristalinitas HA terjadi seiring dengan meningkatnya suhu perlakuan panas material [5]. Dari berbagai studi sintesis hidroksiapatit dapat diketahui bahwa sintesis HA selalu disertai dengan perlakuan panas sampai dengan 1300 ºC [6,7].
Usaha untuk memperoleh HA amorf telah dilakukan dengan mengatur komposisi kimiawi, dengan melakukan sintesis kalsium fosfat bifasa. Dalam hal ini, HA dikombinasi dengan biokeramik berbasis kalsium fosfat lainnya yang memiliki derajat kristalinitas lebih rendah, seperti trikalsium fosfat atau tetra kalsium fosfat [8]. Dari deteksi adanya ion-ion Ca atau P dalam larutan perendam diperoleh bahwa degradasi terjadi pada fasa trikalsium fosfat atau tetra kalsium fosfat, namun masih meninggalkan fasa HA yang kurang dapat mengalami degradasi [9]. Dari hasil ini, pengaturan komposisi kimiawi melalui sintesis struktur bifasa kurang dapat menghasilkan degradasi scaffold HA secara signifikan. Usaha lain untuk memperoleh HA amorf , sintesis HA telah disertai dengan menurunkan suhu kalsinasi. Pada HA dengan kalsinasi suhu 1200 °C diperlihatkan terjadinya grain growth sedangkan dengan menurunkan suhu kalsinasi HA menjadi 1100 °C terlihat penurunan ukuran partikel dan peningkatan area muka [6]. Namun, studi sintesis HA dengan kalsinasi suhu lebih rendah dari 1000 °C belum banyak dilakukan. Disamping itu, karakteristik HA amorf pada suhu rendah juga belum banyak dipelajar. Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah melakukan sintesis HA yang disertai dengan kalsinsi suhu rendah dan memahami karakteristik HA ditinjau dari struktur kristal, kristalinitas dan panjang ikatan Ca(2)-OH sebagai fungsi suhu kalsinasi.

## METODE PERCOBAAN
Sintesis HA dilakukan menggunakan metode presipitasi [4]. Serbuk Ca(OH) 2 dan cairan H 3 PO 4 dicampur dengan perbandingan mol sebesar 10 : 6. Serbuk Ca(OH) 2 dilarutkan di dalam 100 mL
aquademineral dengan menggunakan magnetic stirrer pada kecepatan ± 900 rpm pada suhu kamar. Larutan H 3 PO 4 diteteskan ke dalam suspensi Ca(OH) 2 , yang dihabiskan dalam waktu 1 jam, dengan pengadukan sampai 24 jam. Pada akhir pengadukan, dilakukan kontrol pH dengan penambahan larutan H 3 PO 4 sampai diperoleh pH=7. Setelah dilakukan ageing (penuaan) selama 24 jam, larutan HA dibuang dan presipitat basah yang terbentuk di dasar gelas disaring dengan kertas hisap yang diletakkan pada corong Büchner selama 12 jam. Padatan (serbuk) HA yang diperoleh dicuci dengan aquademineral dan dilanjutkan dengan pengeringan kembali pada suhu kamar selama 12 jam dan dilanjutkan dengan pengeringan di dalam oven 100 ºC selama 12 jam. Serbuk HA kemudian di sinter pada rentang suhu bervariasi, yaitu 100 ºC, 200 ºC, 400 ºC, 600 ºC, 800 ºC dan 900 ºC dengan laju pemanasan 5 o C/menit selama 3 jam. Analisis kualitas dan kuantitas fasa-fasa yang ada di dalam sampel diukur menggunakan alat X-Ray Diffractometer ( XRD ) Philip PW1710, USA). Pengukuran pola difraksi sampel dilakukan dengan berkas sinar-X dari tube anoda Cu ( copper ) dengan panjang gelombang,    = 1,5406 Å, mode = continuous-scan, step size = 0,02  , dan time per step = 0,5 detik. Profil difraksi sinar-X dianalisis dengan Rietveld Analysis menggunakan perangkat lunak General Structure Analysis System ( GSAS ) [10]. Karakterisasi ini dilakukan di laboratorium Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN). Volume sel dan kerapatan atomik sampel diperoleh dari hasil refinement pola difraksi sinar-X, derajat kristalinitas dikalkulasi dengan formula seperti Persamaan (1) [11] :
a x c c x c, I K I I W
  ............................................. (1)
Dimana:
I c = Luasan intensitas fasa kristalin I a = Luasan intensitas fasa amorf K x = Konstanta (0,95)

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pencampuran serbuk Ca(OH) 2 dan cairan H 3 PO 4 dengan perbandingan mol sebesar 10 : 6 menghasilkan
Gambar 1 . Pola difraksi sinar-X sampel HA yang dikalsinasi dengan variasi suhu pemanasan.
serbuk HA dan digunakan sebagai sampel. Hasil pengukuran pola difraksi sinar-X dari sampel tanpa ataupun dengan perlakuan panas dengan suhu dari 100 ° C hingga 900 ° C ditunjukkan pada Gambar 1. Dari Gambar 1 terlihat bentuk pola difraksi sinar-X yang memiliki fasa yang seragam dari sampel tanpa dan dengan perlakuan panas.
Berdasarkan hasil identifikasi dengan menggunakan Tabel Hanawalt , puncak-puncak indek Miller dari sampel berimpit dengan fasa Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 dari ICDD 09-0432 [12].
Dari Gambar 2 dapat diamati hasil refinement sampel yang diberi kalsinasi suhu 100 o C. Hasil refinement ini menunjukkan bahwa pada sampel terbentuk puncak difraksi Bragg dan memperlihatkan terbentuknya single phase (fasa tunggal) dari Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , yaitu HA. Hasil refinement pola difraksi sinar-X dari sampel menunjukkan bahwa kurva observasi (kurva hasil pengukuran) dan kurva kalkulasi (kurva hasil perhitungan) dengan menggunakan hasil percobaan dari referensi terlihat sangat berimpit. Dari selisih kedua kurva tampak bahwa kurva normalized error distribution hanya meninggalkan puncak-puncak background . Kualitas fitting tampak mendekati garis lurus yang idealnya merupakan garis lurus dengan tingkat kesesuaian lebih dari 95 % [13]. Sedangkan, faktor R yang merupakan criteria of fit dan  faktor  χ 2 yang merupakan goodness of fit tersusun pada Tabel 1. Hasil refinement pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa semua sampel memiliki struktur heksagonal (P63/m) dengan parameter kisi a = b = 9,4209(3) Å dan c = 6,8821(2) Å, α = β = 90 o dan γ = 120 o , V = 528,97(4) Å 3 dan ρ = 3,113 g.cm -3 .
Hasil refinement sampel dengan suhu kalsinasi 100 °C hingga 900 °C tersusun pada Tabel 2. Berdasarkan Tabel 2, pola difraksi sinar-X untuk sampel dengan suhu kalsinasi 100 °C hingga 400 o C mengalami peningkatan kristalisasi pada strukturnya. Sebagai akibatnya, kisi- kisi kristal mengalami keteraturan yang pada akhirnya sebagian fasa amorf berubah menjadi fasa kristal. Perubahan dari fasa amorf ke fasa kristalin ditunjukkan dengan adanya perubahan volume dan kerapatan atomik pada masing-masing sampel dengan kalsinasi pada suhu berbeda-beda. Pada HA dengan kalsinasi suhu 100 ° C struktur sampel belum sempurna sehingga hasil refinement menunjukkan volume unit sel rendah (527,7 Å 3 ) dengan kerapatan atomik tinggi (3,113 g.cm -3 ). Setelah suhu pemanasan dinaikkan hingga 400 o C, volume unit sel meningkat menjadi 528,8 Å 3 , dan walaupun suhu dinaikkan hingga 900 ° C volume ini relatif tidak berubah (528,97 Å 3 ).
Demikian halnya dengan volume, kerapatan atomik menurun dari 3,113 g.cm -3 menjadi 3.109 g.cm -3 seiring dengan suhu kalsinasi dri 100 °C hingga 900°C dan nilai tertinggi, sebesar 3,106 g.cm -3 , terjadi pada suhu kalsinasi 400 ° C. Keadaan demikian menunjukkan bahwa suhu kalsinasi 400 ° C ini merupakan titik kulminasi struktur kristal dari HA.
Kerapatan atomik memberi arti bahwa keteraturan kristal dari sampel semakin membaik. Hal ini menunjukkan
Gambar 2 . Refinement pola difraksi sinar-x sampel HA dengan suhu kalsinasi 100 o C.
No Sampel a = b (Å) c (Å) V (Å 3 )  ρ (gr.cm -3 )
1. HA T = 100 o C 9.405(3) 6.888(2) 527.7(4) 3.113 2. HA T = 200 o C 9.411(1) 6.889(1) 527.8(2) 3.112 3. HA T = 400 o C 9.421(2) 6.889(1) 529.0(3) 3.103 4. HA T = 600 o C 9.421(2) 6.889(1) 528.8(3) 3.106 5. HA T = 800 o C 9.4207(3) 6.8875(2) 529.15(4) 3.108 6. HA T = 900 o C 9.4209(3) 6.8820(2) 528.97(4) 3.109 Tabel 2 . Parameter struktur hasil refinement pola difraksi sinar-X sampel dengan suhu kalsinasi 100 o C hingga 900 o C. Suhu kalsinasi Derajat kristalinitas (%)
100 o C 46,97 200 o C 49,46 400 o C 57,17 600 o C 61.77 800 o C 69,53
900 o C 71,99 Tabel 3 . Derajat kristalinitas sampel HA dengan suhu kalsinasi 100 ° C hingga 900 ° C.
Tabel 1 . Parameter struktur, criteria factor (R) dan goodness of fit (  2 ) dari hasil refinement pola difraksi sinar-X sampel HA dengan suhu kalsinasi 100 ° C.
Fasa Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Grup ruang ( space group ) : P 63/m (176) Sistem kristal : Heksagonal Parameter kisi : a = b = 9.405(3) Å dan c = 6.888(2) Å,  α=β = 90 o dan γ = 120 o V = 527.7(4) Å 3 dan   ρ = 3.113 gr.cm -3
Factor R w Rp = 19.56 χ 2 (chi-squared) = 1.190
Rp = 14.65
Gambar 3 . Ukuran partikel dan ukuran kristalit dari sampel HA 400 ° C.
telah terjadi kristalisasi yang ditandai juga dengan meningkatnya intensitas dari profil difraksi sinar-X. Asumsi ini didukung dengan adanya hasil hasil pengukuran derajat kristalinitas sampel pada suhu kalsinasi yang berbeda-beda, seperti yang tersusun pada Tabel 3.
Dari Tabel 3 dapat dilihat bahwa derajat kristalinitas sampel meningkat dari 46,97% menjadi 71,99% seiring dengan meningkatnya suhu kalsinasi HA dari 100 °C hingga 900 °C.
Hasil refinement juga diperoleh ukuran kristalit sampel HA. Ukuran kristalit ini dihitung berdasarkan analisis metode Williamson Hull dari pola difraksi sinar-X, sesuai Persamaan (2):
θ sin 4ε D Kλ θ cos (rad)
FWHM   ................. (2) Dimana: FWHM= Lebar setengah puncak K = Konstanta Scherrer  = Panjang gelombang sinar-X D = Diameter kristalit
 = Regangan kisi
Hasil perhitungan ukuran kristalit menunjukkan sebuah kurva Williamson Hull seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Berdasarkan perhitungan diperoleh bahwa ukuran kristalit sampel HA dengan suhu kalsinasi dari 100 ° C hingga 900 ° C meningkat dari 40 nm hingga 150 nm. Dengan makin meningkatnya suhu kalsinasi HA terjadi difusi dari kristalit HA. Dengan demikian ukuran kristalit HA pada suhu kalsinasi relatif lebih tinggi menghasilkan ukuran kritalit lebih besar pula.
Pada HA hasil sintesis, seiring dengan makin rendahnya suhu kalsinasi, maka diperoleh volume, kerapatan atomik semakin rendah dan derajat kristalinitas dan ukuran kristalit semakin kecil. Pada suhu rendah lebih rendah, dimungkinkan bahwa HA mudah mengalami degradasi jika dibandingkan dengan HA dengan kalsinasi suhu lebih tinggi yang mana diperoleh karakteristik HA yang sebaliknya. Oleh karena itu, HA dengan kalsinasi suhu lebih rendah diperkirakan dapat digunakan sebagai kandidat material scaffold rekayasa jaringan tulang.

## KESIMPULAN
Pada penelitian ini telah berhasil dilakukan sintesis dan karakterisasi struktural dan mikrostruktur
nanokristalin hidroksiapatit menggunakan metode presipitasi. Hasil refinement pola difraksi sinar-X menunjukkan bahwa semua sampel merupakan fasa tunggal dari Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 yang memiliki struktur hexagonal (P63/m). Pada suhu kalsinasi rendah, dapat diperoleh HA dengan volume, kerapatan atomik dan derajat kristalinitas rendah dan ukuran kristalit kecil.

## DAFTAR ACUAN
[1]. VACANTI C.A., BONNASSAR L. J., VACANTI J. P., Structural Tissue Engineering. In : LANZA R. P., LANGER R., VACAN J. P., Editors, Principles of Tissue Engineering , San Diego Academic Press, 671-682, (2000)
[2]. PRAMANIK S., AGARWAL A. K., RAI K. N., Trends Biomater Artif Organs, 19 (1) (2005) 46-51 [3]. DUDA M., PAJA F., Ann Univ Mariae Curie Sklodawska, 59 (2004) 269-277
[4]. INDRANI D. J., SOEGIJONO B., Indonesia Journal of Materials Science, 12 (2) (2010) 137-140 [5]. WANG Q., WANG J., ZHANG X., YU X., WAN C., Materials Research , 12 (4) (2009) 495-501 [6]. NAZARPAK H. N., SOLATI-HASJIN, MOZTARZADEH, J. of Ceramica Processing Research, 10 (1) (2009) 54-57
[7]. PATTANAYAK D.K., DIVYA P., UPADHYAY., PRASAD R.C., RAO B.T., MOHAN T.R.R., Trends Biomater Artif Organ , 8 (2) (2005)
[8]. KOMLEV VS,MASTROGIANCOMO M, PERCEIR RC, PEYRIN F, RUSTICHELLI F, CANCEDDAR, European Cells and Materials, 19 (2010) 136-146l [9]. KONG Y-M. KIM H-E, KIM H-W, J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater, 84B (2008) 334-339
[10]. F. IZUMI, “A Rietveld-Refinement Program RIETAN-94 for Angle-Dispersive X-Ray and Neutron Powder Diffraction”, National Institute for Research in Inorganic Materials 1-1 Namiki, Tsukuba, Ibaraki 305, Japan, (1996)
[11]. J. SONG, M. REN, Q. CHEN, S. WANG, Q. ZHAO, H. ZHANG, Z. MO, Chinese Journal of Polymer Science , 22 (2004) 491-496
[12]. BRIAN H. TOBY, EXPGUI, Journal of Applied Crystallography , (2000)
[13]. LEE Y. J., STEPHENS P. W., TANG Y., LI W., PHILLIPS B. L., PARISE J. B., REEDER R. J., American Mineralogist , 94 (2009) 666-675