Pengaruh Nanosilika terhadap Kekerasan dan Porositas Nanokomposit HA-SiO 2 Berbasis Batuan Onyx Bojonegoro
Yudyanto 1* ,  Y. D. Sugara 2 , Hartatiek 1
1. Jurusan Fisika FMIPA Universitas Negeri Malang
2. Program Studi Fisika Universitas Negeri Malang Jl Semarang 5 Malang
* E-mail : yudyanto.fmipa@um.ac.id

## Abstract
Hydroxyapatite  (HA)  is  one  of  bioceramics  which  used  in  many  biomedic  applications. However, HA has poor mechanical properties. HA has be composited with material which has  a  good  mechanical  properties,  such  as  nanosilica.  In  this  study,  synthesis  HA  was prepared  by  co-precipitation  method.  Base  material  to  synthesis  HA  is  onyx  rock  from Bojonegoro  which  contain  94.33  %  Ca.  While  phosphate  obtainable  from Ammonium Dihydrogen Phosphate . The vickers hardness result using micro hardness vikers show that adding  nanosilica  is  influence  the  mechanical  properties  of  HA.  The  value  of  vikers hardness at adding nanosilica 10, 20, 30% respectively are 38.2; 42.3; 43.1 HVN while the porosity are 44.4; 40.7; 39.3 %.
Keywords : nanosilica, HA-SiO 2 nanocomposites , porosity, Vickers Hardness, co- precipitation method

## Abstrak
Hidroksiapatit  (HA)  merupakan  biokeramik  yang  digunakan  dalam  aplikasi  biomedis. Namun,    HA  memiliki  sifat  mekanik  yang  rapuh  sehingga  HA  dikompositkan  dengan material yang memiliki sifat mekanik baik yaitu nanosilika. Pada penelitian ini, sintesis HA dilakukan dengan menggunakan metode kopresipitasi. Bahan dasar pembuatan HA adalah batuan  onyx  Bojonegoro  yang  dijadikan  sebagai  sumber  Ca  dengan  kemurnian  94,33% sedangkan sumber fosfat diperoleh dari Ammonium Dihidrogen Fosfat . Hasil uji kekerasan menggunakan microhardness  vikers menunjukkan  adanya  pengaruh  penambahan nanosilika  pada  kekerasan  nanokomposit  HA-SiO 2 .  Besarnya  nilai  kekerasan  untuk masing-masing  kadar nanosilika  10, 20, 30% berturut-turut adalah 38,2; 42,3; 43.1 HVN sedangkan nilai porositasnya adalah  44,4; 40,7; 39,3 %.
Kata Kunci : nanosilika, nanokomposit  hidroksiapatit-SiO 2 , porositas, kekerasan, metode kopresipitasi.

## 1. Pendahuluan
Dewasa  ini  perkembangan  biomedis  untuk  perbaikan  tulang  terus  meningkat.  Hal  ini disebabkan  oleh  bertambah  luasnya  pemakaian  graft  tulang,  tidak  hanya  untuk  bahan  rehabilitasi tulang tetapi graft juga telah banyak digunakan pada rehabilitasi gigi [4]. Saat ini penggunaan bone graft  pada  jaringan  tulang  masih  menggunakan  autografts  dan  allografrats.  Autografts  merupakan bagian tulang yang diperoleh dari bagian tubuh manusia itu sendiri sedangkan allografts merupakan bagian tulang yang diperoleh dari tulang mayat.
Penggunaan  kedua  bone  graft  tersebut  memiliki  banyak  kelemahan  diantaranya  adalah persediaan terbatas, mahal dan berpotensi menularkan penyakit. Oleh karena itu perlu suatu alternatif untuk  mengganti  graft  tulang  dengan  bahan  sintetik  yang  mempunyai  sifat  menyerupai  tulang  asli. Salah satu biomaterial yang dapat dijadikan sebagai bahan dasar rehabilitasi jaringan tulang dan gigi adalah biokeramik.
Biokeramik  merupakan  bahan  keramik  biokampoaktibel  yang  digunakan  dalam  bidang  medis [6].  Salah  satu  jenis  biokeramik  yang  banyak  digunakan  karena  sifat-sifatnya  yang  unggul  adalah
http://journal2.um.ac.id/index.php/jpse EISSN: 2541-2485
Received 8 October 2016
Revised 1  December 2016
Accepted for Publication 1 December 2016
Published 14 December 2016

## JPSE
(Journal of Physical Science and Engineering)
hidroksiapatit (HA, Ca10(PO4)6(OH)2). HA merupakan material yang memiliki kesamaan komposisi dan struktur kristal dengan tulang dan gigi [12].
Rekayasa jaringan tulang menggunakan bahan dasar alam menjadi terobosan baru yang sangat menjajikan,  mengingat  keberadaan  sumber  daya  alam  Indonesia  sangat  melimpah  khususnya  bahan tambang  mineral.  Sejauh  ini  penelitian  tentang  sintesis  HA  dilakukan  dengan  menggunakan  batu kapur  [7],  tulang  sotong  [14],  cangkang  telur  [5]  dan  cangkang  kerang  [11].  Oleh  karena  itu  pada penelitian ini, HA disintesis menggunakan bahan yang belum termanfaatkan kandungannya yaitu batu onyx.  Batuan  Onyx  banyak  ditemukan  di  wilayah  Bojonegoro  dan  Gresik.  Batuan  Onyx  memiliki cadangan yang melimpah, yaitu sekitar 33.750.000M³ setiap wilayah. Komposisi kimia batuan Onyx yaitu  SiO2,  CaCO3,  CaO  dan  lain-lain.  Hasil  difraksi  sinar-X  batu  onyx  menunjukkan  adanya senyawa CaCO3 dengan kemurnian yang tinggi yaitu sebesar 98,23% [9]. HA memiliki sifat mekanik yang rapuh dalam menahan beban sehingga aplikasi dari HA hanya terbatas pada implan yang tidak sepenuhnya  menahan  beban.  Untuk  memenuhi  syarat  sebagai  material  substitusi  tulang,  serbuk  HA perlu dikompositkan dengan material yang memiliki sifat mekanik baik. Salah satu bahan yang dapat meningkatkan sifat mekanik suatu material adalah SiO2.
SiO2  merupakan  salah  satu  bahan  yang  melimpah  di  Indonesia.  Keberadaan  SiO2  di  alam terdapat  pada  pasir  [10]  dan  sekam  padi.  SiO2  memiliki  kekuatan  mekanik  relatif  tinggi,  koefisien termal  ekspansi  rendah,  dielektrisitas  yang  baik  dan  biokompaktibel  [2].  SiO2  berukuran  nano memiliki  beberapa  keunggulan  dibandingkan  dengan  kristal  ukuran  besar  diantaranya  kemampuan adhesi  yang  lebih  baik  pada  banyak  subtrat,  ketahanan  korosi  yang  tinggi  dan  ketahanan  terhadap retakan  [1].  Oleh  karena  itu,  pada  penelitian  ini  HA  dikompositkan  dengan  nanosilika  guna meningkatkan sifat mekanik dari HA.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1. Ekstraksi Raw Material
Batu  onyx  digerus  mengunakan  mortar  untuk  mendapatkan  serbuk.  Serbuk  diayak  menggunakan ayakan 200 mesh dan dikalsinasi pada suhu 500 0 C.

## 2.2. Sintesis Hidroksiapatit
Sintesis HA dilakukan dengan menggunakan metode kopresipitasi. Sumber kalsium untuk sintesis HA yaitu batu onyx, sedangkan sumber fosfat diperoleh dari NH 4 H 2 PO 4 Merck 101126. Serbuk onyx ke dalam  HNO 3 2M  dan  distirer  dengan  kecepatan  700  rpm  selama  30  menit,  selanjutnya  ADP ditambahkan  ke  dalam  larutan  distirer  selama  700 rpm  selama  1  jam  sambil  ditetesi  NH 4 OH  untuk mengontrol  pH  9-10.    Hasil  yang  didapatkan  diendapkan  selama  24  jam.  Endapan  dicuci menggunakan DI water  dan dikeringkan pada suhu 100 0 C selama 1 jam.

## 2.3. Sintesis Nanokomposit HA-SiO 2
Serbuk  HA  yang  telah  jadi  dikompositkan  dengan  nano-silika.  Besarnya  komposisi  HA-SiO 2 yang digunakan dalam penelitian ini adalah 90:10%, 80:20% dan 70:30%.
Serbuk HA dimasukkan ke dalam air sebagai media pen-campuran HA dan nanosilika. HA- SiO 2 distirer  dengan  kece-patan  1000  rpm  selama  3  jam.  Selanjutnya,  hasil  direndam  dan  disaring untuk menghilangkan kadar airnya. Hasil saring-an dikeringkan pada suhu 100 0 C selama 24 jam. Nanokomposit HA-SiO 2 dikarakterisasi menggunakan XRD untuk melihat struktur kristal yang terbentuk. Untuk memperoleh ukuran kristal dihitung dengan menggunakan persamaan Schererr .
cos k D B    (1)
dengan D adalah ukuran kristal, B adalah pelebaran intensitas maksimum (FWHM) dalam radian, k adalah  konstanta Scherrer bernilai  0,9, λ adalah  panjang  gelombang  sinar  dari  radiasi  CuKα  yakni 0.154056 nm,  dan θ adalah  sudut  Bragg.  Morfologi HA  dan  HA-SiO 2 diamati menggunakan  SEM. Perbandingan Ca/P dapat dilihat menggunakan EDX.
2.4. Uji PorositasNanokomposit HA-SiO 2 Tahap  pertama  pengujian  yaitu  komposit  HA-SiO 2 dalam  bentuk  tablet.  Sampel  ditimbang menggunakan  neraca  digital  untuk  mendapatkan  nilai  berat  keringnya  (Wp).  Selanjutnya  sampel
disintering suhu 500 0 C selam 1 jam dan ditimbang berat bakarnya (Wb). Tahap selanjutnya sampel direndam  dalam  air  selama  48  jam.  Setelah  48  jam  sampel  dikeluarkan  dan  ditimbang  untuk mendapatkan nilai berat bakar jenuh (Wbj). Besarnya nilai porositas diketahui dengan menggunakan Persamaan 2.
100% bj b p w w P w    (2)

## 3. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Hidroksiapatit
Pola XRD hasil sintesis HA yang telah dianalisis meng-gunakan highscore disajikan pada Gambar 1. Dengan  menggunakan  software  PCW,  diketahui  pula  nilai  parameter  kisi  dan  ukuran  butir  HA. Besarnya  nilai  parameter  kisi  HA  adalah  a=b=  9.4594  dan  c=6.8638  dengan  nilai  Rp=14.24, Rwp=18.03 dan Rexp=0.87, sedangkan ukuran kristal yang diperoleh adalah 22.5 nm.
Dari  data  XRD  diketahui  juga  besarnya  derajat  kristalinitas  HA.  Derajat  kristalinitas  dicari dengan melakukan fitting background dan amorf menggunakan software fullprof . Selanjutnya untuk mengetahui  luas background total  dan  luas  amorf  dilakukan  perhitungan  menggunakan  software origin pro 8. Derajat kristalinitas dihitung dengan menggunakan Persamaan 3 sebagai berikut.
Luas Kristalin % 100% Luas Kristalin Luas Amorf    (3)
Dari hasil perhitungan besarnya derajat kristalinitas HA adalah 74,1 %.
Karakterisasi  morfologi  HA  dilakukan  dengan  menggunakan  SEM  Merk  FEI  Type  Inspect-S50. Gambar 2 menunjukkan morfologi dari HA.
Selain  morfologi,  dengan  menggunakan  SEM-EDX  diketahui  pula  Ca/P  dari  HA.  Ca/P merupakan perbandingan atom Ca dan atom P dalam senyawa HA. Hasil dari penelitian menunjukkan besarnya nilai rasio Ca/P adalah 1,46. Ca/P yang diperoleh dalam penelitian ini lebih rendah dari teori yang ada yaitu sebesar 1,67. Hal ini dimungkinkan karena tidak homogenya fasa-fasa yang terdapat dalam endapan hasil sintesis.
3.2 Nanokomposit HA-SiO 2 Pola  perbandingan  HA  murni  dan  komposit  ditunjukkan  pada  Gambar  3.  Berdasarkan  Gambar  3 diketahui bahwa adanya penambahan nano SiO 2 tidak mempengaruhi fasa dari hidroksiapatit dengan kata  lain  puncak-puncak  dari  SiO 2 tidak  terlihat  secara  jelas.  Hal  ini  dikarenakan  nano  SiO 2 yang ditambahkan bersifat amorf .
Berdasarkan  Gambar  4  diketahui  bahwa  penambahan  nanosilika  tidak  mempengaruhi  ukuran butir dari komposit. Rata-rata ukuran butir komposit adalah kurang dari 100 nm. Hal ini dikarenakan pada saat sintesis dari ketiga komposit diberikan perlakuan yang sama.
Gambar 1. Pola XRD HA analisis highscores
Gambar 2. Morfologi HA Hasil SEM
Gambar 3. Perbandingan Pola XRD HA Murni dan Komposit
Gambar 4. Morfologi nanokomposit HA-SiO 2
3.3 Uji Posoritas Nanokomposit HA-SiO 2 Pengujian porositas dilakukan untuk mengetahui pengaruh besarnya nanosilika yang mengisi rongga kecil HA. Pengaruh penambahan nanosilika ditunjukkan pada Gambar 5.
Berdasarkan Gambar 5 disimpulkan bahwa penambahan nanosilika dapat menurunkan porositas HA.  Penambahan nanosilika pada dasarnya adalah  menyisipkan nanopartikel ke dalam pori-pori HA sehingga mereduksi mobilitas dari HA. Susunan partikel HA akan menjadi lebih rapat dan jarak antar partikel yang lebih dekat, akibatnya interaksi antar partikel akan menjadi lebih kuat. Selain itu, ukuran nanosilika  yang  kecil  menyebabkan  luas  muka  interaksi  semakin  besar  akibatnya  interaksi  antar partikel semakin banyak.
Gambar 5. Grafik Hubungan Penambahan Nanosilika terhadap Porositas
Gambar 6. Grafik pengaruh komposisi nanosilika terhadap kekerasan komposit HA-SiO 2

## 3.4 Kekerasan Nanokomposit HA-SiO 2
Gambar  6  menunjukkan  adanya  pengaruh  komposisi  nanosilika  pada  vikerrs  hardnes.  Berdasarkan Gambar  6,  bahwa  besanya  komposisi  nanosilika  memberikan  pengaruh  pada  tingkat  kekerasan nanokomposit  HA-SiO 2 .  Sesuai  dengan  penelitian  yang  dilakukan  oleh  Rahman  (2014)  dan  Liu (2013)  bahwa  sifat  mekanik  HA  meningkat  seiring  penambahan  SiO 2 .  Hal  ini  berkaitan  dengan penambahan  nanosilika  dapat  menurunkan  porositas  dari  nanokomposit  HA-SiO 2 .  Porositas  akan menurun  menyebabkan  jarak  antar  partikel  semakin  dekat.  Hal  ini  berakibat  ketika  nanokomposit diberikan  gaya  dan tekanan  dari luar  maka  kekerasannya  akan  meningkat.  Dari  hasil  uji  kekerasan, besarnya nilai kekerasan sesuai dengan nilai kekerasan pada human teeth dentin yaitu berkisar 0.28- 0.8 Gpa [6].

## 4 Simpulan dan Saran
Hidroksiapatit  telah  berhasil  disintesis  menggunakan  ba-han  dasar  batu  onyx.  Hasil  analisis  High Score menunjukkan HA yang terbentuk adalah 100%. Hidroksiapatit yang dihasilkan dengan metode kopresipitasi berukuran nanometer yaitu 22.5 nm dengan rasio Ca/P sebesar 1.46. Selain itu besarnya derajat kristalinitas dari HA sebesar 22.6 %.
Penambahan nanosilika akan berpengaruh pada porositas HA. Semakin banyak nanosilika maka porositas dari HA akan menurun. Hal ini dikarenakan nanosilika berfungsi sebagai filler yang mengisi ruang kosong dari HA.
Nilai  kekerasan  nanokomposit  HA-SiO2    juga  dipengaruhi  oleh  penambahan  nanosilika, semakin  banyak  nanosilika  maka  nilai  kekerasannya  semakin  besar.    Hal  ini  berkaitan  dengan kesimpulan pada poin 2 yang menyatakan bahwa semakin banyak nanosilika yang ditambahkan, maka porositas  akan  menurun.  Dengan  menurunnya  porositas  maka  kekerasan  nanokomposit  akan meningkat.

## Daftar Rujukan
[1] Bhattacharya  (2014) . Study  on  Structural,  Mechanical  and  Functional  Properties  of  Polyester Silica Nanocomposite Fabric . Int. J. Pure Appl. Sci. Technol ., 21(1) (2014), pp. 43-52
[2] D.  W.  Callister  (2010). Fundamental  of  Materials  Science  and  engineering .  The  University  of Utah: Department of Metallurgical Engineering.
[3] Chiara (2012). Nanostructured Biomaterials for Tissue Engineered Bone Tissue Reconstruction . Int. J. Mol. Sci . 2012, 13, 737-757
[4] Darwis  (2008).  Sintesis  Dan  Karakterisasi  Komposit  Hidroksiapatit  (Ha)  Sebagai  Graft  Tulang Sintetik. Jurnal Ilmiah Aplikasi Isotop dan Radiasi A Scientific Journal for The Applications of Isotopes and Radiation . Vol. 4 No. 2 Desember 2008
[5] M.  Ibrahim  (2011).  Chemical  characterization  of  some  substituted  hydroxyapatites .  Chemistry Central Journal , 5:74
[6] T.  Kokubo  (2008). Bioceramics  and  Their  Clinical  Applications. Cambrigde  England  dan  Boca Raton. USA: Woodhead Publishing LimiteddanCRC Press LLC
[7] F. Kusumawati (2014). Pengaruh Lama Sonikasi Pada Sintesis Nano Hidroksiapatit Dari Batuan Calcite Druju Malang Dengan Metode.
[8] Liu  (2013).  Effect  of  Filler  Ratio  on  Properties  of  Nano-hydroxyapatite/SiO 2 Based  Bioactive Dental Resin Composites. Materials Science Forum . Vols. 745-746 (2013) pp 466-472
[9] Munasir  (2012) . Uji  Xrd  Dan  Xrf  Pada  Bahan  Meneral  Batuan  Dan  Pasir)  Sebagai  Sumber Material Cerdas (CaCO3 Dan SiO 2 ) . Jurnal Penelitian Fisika dan Aplikasinya (JPFA) . Vol 2 No1 [10] Munasir  (2013).    Pengaruh  Molaritas  Naoh  Pada  Sintesis  Nanosilika  Berbasis  Pasir  Bancar Tuban. Jurnal  Penelitian  Fisika  Dan  Aplikasinya  (JPFA) .  Vol  3  No  2,  Nopember  2013  ISSN: 2087-9946
[11] Ningsih  (2014).  Sintesis  Hidroksiapatit  Dari  Cangkang  Kerang  Kepah  (Polymesoda  Erosa) Dengan Variasi Waktu Pengadukan. JKK ,Tahun 2014,Volum 3(1), halaman 22-26
[12] J. Park (2008). Bioceramics Properties, Characterizations, and Applications. USA : University of Iowa
[13] Rahman  (2014).  One-pot  synthesis  of  hydroxyapatite–silica  nanopowder  composite  for hardness enhancement of glass ionomer cement (GIC). Bull. Mater. Sci ., 37, 213–219.
[14] A.  Rahmawati, N.  Z . Ilmi,  H.  Seyawan,  Affandi,  Samsudin.  2012.  Sintesis  Hydroxiapatite Berukuran  Nano  dengan  Metode  Elektrokimia  Menggnakan  Pulse  Direct  Current  (Pdc)  sebagai Bioimplan Tulang dan Gigi . Jurnal Teknik Pomfits . 1, 1-4 .