Sintesis dan Karakterisasi Hidroksiapatit dan Trikalsium Fosfat - Laporan Praktikum Sintesis Kimia Anorganik

SINTESIS DAN KARAKTERISASI HIDROKSIAPATIT (HAp) DAN TRIKALSIUM FOSFAT (TCP)

Admin Q^[1], Dhea Demitri^[1], Khofifah^[1], Zaki Mubarok^[1], Ratna Salsa^[1], Syahrul Ramdhan^[1], Nyimas Qonitah^[1], Alvian Dea^[1], Elfa Aida^[1], Eva N. Sabila^[1], Ikhwan Khoerul^[1], Muhammad Khaffin^[1], Nabilah Mustika^[1] 

^[1]Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Institut Pertanian Bogor, Kampus IPB Dramaga, Bogor 16680, Indonesia

ABSTRAK 

Hidroksiapatit (HAp) adalah biokeramik yang mempunyai kandungan terbanyak berupa kalsium fosfat. Tricalsium phosphate (TCP) adalah biomaterial sintetik yang memiliki kemampuan untuk berinteraksi dengan jaringan tubuh manusia. Sintesis HAp dan TCP pada praktikum ini menggunakan metode presipitasi. Kadar kalsium yang diperoleh dari HAp yaitu sebesar 38,00%, sedangkan kadar fosfor yang diperoleh sebesar 13,33%. Kadar Ca pada TCP sebesar 44,08%, sedangkan kadar fosfor diperoleh sebesar 14,30%. Rasio Ca/P ditentukan dengan menggunakan kadar kalsium dan fosfor yang diperoleh, sehingga rasio Ca/P pada HAp adalah rasio 2,96. Rasio Ca/P pada TCP diperoleh sebesar 3,03. Karakterisasi produk menggunakan FTIR, menunjukkan bahwa HAp berhasil terbentuk, sedangkan TCP tidak.

Kata kunci: fosfor, FTIR, hidroksiapatit, kalsium, tricalsium phosphate

PENDAHULUAN

Biomaterial secara umum adalah suatu material tak-hidup yang digunakan sebagai perangkat medis dan mampu berinteraksi dengan sistem biologis (Citated). Adanya interaksi ini mengharuskan setiap biomaterial memiliki sifat biokompatibilitas, yaitu kemampuan suatu material untuk bekerja selaras dengan tubuh tanpa menimbulkan efek lain yang berbahaya. Bidang biomaterial mengarah pada ilmu material dan bidang ilmu biologi serta kimia. Jenis-jenis biomaterial berdasarkan bahan materialnya, antara lain biologam, biopolimer, biokeramik, dan biokomposit (Citated).

Hidroksiapatit (HAp) adalah biokeramik atau senyawa anorganik yang mempunyai kandungan terbanyak berupa kalsium fosfat. Tulang dan gigi manusia mengandung Hidroksiapatit dengan rumus kimianya Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Sifat-sifat dari hidroksiapatit adalah berpori, terserap tulang, bioaktif, tidak korosi, inert, dan tahan aus (Citated). Hidroksiapatit mempunyai kandungan kimia yang sama dengan tulang yaitu kalsium dan fosfat, sehingga mampu berikatan secara langsung dengan jaringan tubuh makhluk hidup. Hidroksiapatit adalah biokeramik yang paling banyak diteliti dan digunakan dalam berbagai aplikasi biomedis, terutama dalam bidang ortopedi dan kedokteran gigi (Citated). Tricalsium phosphate (TCP) adalah biomaterial sintetik yang memiliki kemampuan untuk berinteraksi dengan jaringan tubuh manusia (Citated). Jika dibandingkan dengan biomaterial lain, seperti alumina, zitkonia, dan HAp, sifat kimia TCP mirip dengan fase mineral tulang (Citated). Penggunaan TCP mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan metode-metode sebelumnya. Trikalsium fosfat banyak digunakan sebagai implan pada tulang manusia yang mengalami kekurangan kalsium. Sintesis Hap dan TCP dapat menggunakan beberapa metode, diantaranya metode presipitasi, metode kering, metode hidrotermal, dan lain-lain. Praktikum ini bertujuan menyintesis dan mengkarakterisasi hidroksiapatit (HAp) dan trikalsium fosfat (TCP) dari cangkang telur ayam, cangkang telur bebek, kapur tohor, dan kapur sirih.

METODE

Alat dan Bahan

            Alat-alat yang digunakan pada sintesis HAp dan TCP, yaitu oven, kapur tohor, cawan porselen, batang pengaduk, gelas piala, tanur, corong Buchner dan pompa vakum, hot plate dan magnetic stirrer, buret, neraca analitik, sentrifuse dan tabungnya, termometer, statif, labu takar, dan corong. Bahan-bahan yang digunakan pada sintesis HAp dan TCP, yaitu Na₂HPO₄.2H₂O, NaOH 3 M, akuades, cangkang telur ayam, cangkang telur bebek, HNO₃ pekat, dan indikator pH universal.

            Alat-alat yang digunakan pada penentuan kadar Ca dan P, yaitu erlenmeyer, buret, pipet Mohr, pipet volumetrik, bulp, gelas piala, hot plate, pengaduk kaca, pipet tetes, labu takar, corong, neraca analitik, sudip, spektrofotometer Vis dan AAS, tabung reaksi, ayakan 100 mesh, dan lumpang mortar. Bahan-bahan yang digunakan pada penentuan kadar Ca dan P, yaitu HCl pekat, larutan CaCO3 atau CaCl2 0.01 M, akuades, larutan HNO₃ 65%, amonium heptamolibdat, amonium metavanadat, KH₂PO₄, dan larutan H₂SO₄ pekat.

Prosedur 

            Percobaan dimulai dengan preparasi prekursor Ca dari cangkang telur. Cangkang telur dibersihkan dan dikeringkan dalam oven selama 1 jam. Kemudian ditumbuk menjadi serbuk. Serbuk cangkang diayak sehingga didapatkan serbuk berukuran 100 mesh. Kandungan CaCO₃ pada cangkang telur dikalsinasi menjadi CaO. Cawan porselin dibilas dengan HNO₃ pekat, kemudian serbuk cangkang dimasukkan ke dalam cawan porselin dan dipanaskan dalam tanur pada suhu 900 °C selama 3 jam. Padatan CaO disimpan ke dalam wadah kaca. Serbuk CaO yang telah diperoleh kemudian dikonversi menjadi Ca(OH)₂ melalui reaksi eksotermik dengan air. Larutan Ca(OH)₂ dibuat dengan konsentrasi yang sesuai untuk sintesis HAp 0,5 M dan TCP 0,5 M.

            Sintesis hidroksi apatit (HAp) diawali dengan larutan Na₂HPO₄ 0,3 M (A) dan Ca(OH)₂ 0,5 M (B) dibuat dari cangkang telur ayam dan bebek dalam labu takar 100 mL. Larutan A dimasukkan ke dalam buret dan larutan B ke dalam gelas piala. Ssecara perlahan larutan A diteteskan ke dalam larutan B menggunakan buret dengan kondisi suhu dijaga 60 ± 2 °C sambil diaduk dengan pengaduk magnet. Selama penambahan larutan A, nilai pH dijaga agar tetap 10 dengan menambahkan NaOH 3 M, pH dicek dengan menggunakan indikator pH universal. Campuran dibiarkan bereaksi pada suhu dan pH terkontrol serta tetap diaduk selama 45 menit. Campuran hasil reaksi dibiarkan dan diendapkan selama 1 jam pada suhu kamar. Endapan disaring dan dikeringkan di dalam oven selama 1 jam pada suhu 105 °C. Setelah kering kemudian endapan ditumbuk halus dengan mortar. Hasil yang sudah halus kemudian dimasukkan ke dalam tanur pada suhu 900 °C selama 2 jam. Serbuk HAp dibiarkan mendingin dalam tanur, setelah dingin HAp disimpan di dalam desikator.

            Sintesis trikalsium fosfat larutan Na₂HPO₄ 0,4 M (A) dan  Ca(OH)₂ 0,5 M (B) dibuat dari cangkang telur ayam dan bebek dalam labu takar 100 mL. Masukkan larutan A ke dalam buret dan larutan B ke dalam gelas piala. Secara perlahan larutan A diteteskan ke dalam larutan B menggunakan buret dengan kondisi suhu ruang sambil diaduk dengan pengaduk magnet. Selama penambahan larutan A, nilai pH dijaga agar tetap 8 dengan menambahkan NaOH 3 M, pH dicek dengan menggunakan indikator pH universal. Campuran dibiarkan bereaksi pada pH 8 serta tetap diaduk selama 45 menit. Campuran hasil reaksi dibiarkan dan diendapkan selama 1 jam pada suhu kamar. Endapan disaring dan dikeringkan di dalam oven selama 1 jam pada suhu 105 °C. Setelah kering kemudian endapan ditumbuk halus dengan mortar. Hasil yang sudah halus kemudian dimasukkan ke dalam tanur pada suhu 700 °C selama 2 jam. Serbuk TCP dibiarkan mendingin dalam tanur, setelah dingin TCP disimpan dalam desikator.

            Penentuan kadar kalsium HAp dan TCP dimulai dengan preparasi sampel. Sampel ditimbang sebanyak 0,1 gram ke dalam tabung digest, kemudian ditambahkan HNO₃ 5 mL. Campuran diaduk hingga homogen. Tabung digest tersebut diletakkan ke balok digest serta dioven dengan suhu 100 ^oC selama 1 jam. Setelah dioven balok digest tersebut didinginkan. Sampel tersebut dimasukkan ke dalam labu ukur 250 mL dan ditambahkan 10 mL akuades, lalu ditera menggunakan akuades. Proses berikutnya yaitu standardisasi EDTA dengan CaCl₂. Sebanyak 10 mL CaCl₂ 0,01 N dimasukkan ke dalam erlenmeyer 250 mL, lalu ditambahkan 0,5 mL larutan buffer amonium pH 10. Erio-T ditambahkan tiga tetes, kemudian dititrasi menggunakan EDTA hingga terjadi perubahan warna dari merah ke biru. Kadar kalsium ditentukan dengan cara, sampel diambil sebanyak 5 mL dan dimasukkan ke dalam Erlenmeyer 250 mL. Sampel tersebut ditambahkan 0,5 mL larutan buffer pH 10. Sebanyak tiga tetes Erio-T ditambahkan, lalu dititrasi menggunakan EDTA yang telah distandardisasi.

            Penentuan kadar fosfor HAp dan TCP menggunakan metode wet digest. Sebanyak 0,5 gram contoh ditimbang dalam tabung digest lalu ditambahkan 5 mL larutan H₂SO₄ dan diaduk secara perlahan. Tabung digest diletakkan di atas blok digest yang telah mencapai suhu 100^oC dan dibiarkan mengalami sirkulasi pelarut selama 30 menit, lalu aduk secara perlahan. Suhu ditingkatkan menjadi 200^oC dan dibiarkan selama 30 menit. Sebanyak 5 mL asam sulfat ditambahkan disertai dengan pembilasan pada dinding tabung digest. Pasang kembali tabung digest diatas blok digest yang suhunya telah dinaikkan menjadi 250^oC, lalu dibiarkan selama 1 jam. Suhu kembali dinaikkan menjadi 300^oC lalu dibiarkan selama 1 jam, kemudian pada suhu 430^oC digest dilakukan selama 2 jam. Tabung digest diangkat dari blok digest dan dibiarkan menjadi dingin dalam suhu ruang selama 15 menit, lalu tambahkan 10 mL air deionisasi. 

Larutan dalam tabung digest dituangkan ke dalam labu takar 100 mL secara kuantitatif lalu ditera dengan air deionisasi. Larutan disimpan dalam gelas piala 250 mL dan dibiarkan selama 1 jam, lalu larutan didekantasi. Larutan siap diukur kandungan P. Penentuan kadar fosfor dilakukan dengan sebanyak 2 mL larutan dari hasil digest dimasukkan ke dalam tabung reaksi lalu ditambahkan 1 mL pereaksi amonium vanadomolibdat dan ditera menjadi 10 mL dengan air deionisasi. Kurva standar dapat dibuat dengan memipet sebanyak 0,1 ;0,2; 0,3; 0,4; 0,5 mL, larutan stok standar lalu ditambahkan 1 mL pereaksi amonium-vanadomolibdat dan ditera menjadi 10 mL dengan air deionisasi. Standar dan sampel diukur absorbannya menggunakan spektrofotometer vis pada panjang gelombang 410 nm setelah didiamkan selama 30 menit dalam suhu ruang. Konsentrasi P dalam sampel dapat dihitung dengan memplotkan nilai absorban sampel terhadap kurva standar P. Karakterisasi HAp dan TCP dilakukan dengan menggunakan FTIR. Sampel yang telah ditimbang dicampurkan dengan KBr (yang sudah dikeringkan terlebih dahulu) dan dihaluskan. Campuran tersebut kemudian dibuat menjadi pelet dan dianalisis menggunakan FTIR pada bilangan gelombang 4000-400 cm^-1.

PEMBAHASAN

Hidroksiapatit adalah sebuah molekul kristalin yang intinya tersusun atas fosfor dan kalsium, molekul ini menempati 65% dari fraksi mineral yang ada pada tulang manusia. Material ini terdapat pada struktur gigi dan email gigi manusia terutama di dalam dentin dan enamel (Citated). Terdapat dua struktur krsital yang berbeda yang dijumpai pada HAp, yaitu monoklinik dan heksagonal. Hasil sintesis HAp umumnya menghasilkan HAp berstruktur heksagonal. Menurut Citated (20XX) triklasium fosfat merupakan garam kalsium dari asam fosfat dengan rumus kimia Ca₃(PO₄)₂. Keramik kalsium fosfat mempunyai peran penting dalam pengembangan material dikarenakan sifat dan kapasitas bioaktif yang tinggi untuk pertumbuhan tulang. Selain itu, TCP juga memiliki tingkat absorbsi yang baik. Sintesis HAp dan TCP pada praktikum ini menggunakan metode presipitasi.

Metode presipitasi digunakan dikarenakan metode ini mudah dilakukan serta kemurnian produk yang dihasilkan cukup tinggi. Pada tahap preparasi prekursor dari cangkang telur bebek dan ayam, cangkang telur dibersihkan terlebih dahulu untuk menghilangkan selaput-selaput serta kotoran yang menempel pada cangkang telur tersebut. Pengovenan dilakukan untuk menguapkan sisa air yang masih terdapat di cangkang telur setelah proses pembersihan. Kalsinasi dilakukan untuk mendapatkan CaO dari CaCO₃ dalam cangkang telur, dengan reaksi:

CaCO_{3 (s)} → CaO _(s) + CO_{2 (g)}

Cawan porselin dibilas dengan HNO3 pekat untuk menghilangkan logam berat atau senyawa lain agar sampel tidak bereaksi dengan senyawa lain. Serbuk CaO dikonversi menjadi Ca(OH)2 melalui reaksi eksotermik dengan air:

2CaO _(s) + 2H₂O _(l) à 2Ca(OH)_{2 (aq)}

            Tahap berikutnya yaitu sintesis HAp, dimana sintesis ini menggunakan metode titrasi. Saat titrasi digunakan magnetic stirrer agar larutan menjadi homogeny dengan cepat. Saat titrasi NaOH 3M ditambahkan agar pH larutan terjaga yaitu 10. Suhu yang digunakan saat proses titrasi 60 ^oC agar produk yang dihasilkan sesuai dengan yang diinginkan. Pada proses sintesis TCP, perlakuan yang dilakukan hampir sama pada proses sintesis HAp namun saat titrasi pH larutan dijaga agar 8 dan produk yang dihasilkan dimasukkan ke dalam tanur dengan suhu 700 ^oC. Kedua produk tersebut dimasukkan ke dalam desikator untuk mempercepat proses pendinginan. Pada tahap penentuan kadar kalsium, standardisasi EDTA dilakukan agar konsentrasi EDTA dapat diketahui secara pasti. EDTA distandardisasi secara kompleksometri dengan menggunakan larutan standar primer CaCl₂ 0,1 N. Larutan ammonium ditambahkan agar pH campuran dapat disangga. Indikator metalokromik digunakan agar dapat mengetahui titik ekuivalen dari titrasi dengan mengamati perubahan warna yang terjadi. 

Pada tahap penentuan kadar fosfor HAp dan TCP menggunakan metode wet digest. Penambahan H₂SO₄ sebagai agen digestor yaitu mendegradasi senyawa organik. Amonium vanadomolibdat digunakan untuk mereaksikannya dengan larutan sehingga membentuk senyawa kompleks amonium fosfomolibdat. Karakterisasi sampel menggunakan instrumen Fourier Transform Infrared (FTIR) menggunakan pelet KBr yang sebelumnya telah dikeringkan di dalam oven. Pelet tersebut dioven agar kandungan air yang terdapat didalamnya hilang. Air dapat mengganggu proses analisis dengan FTIR dikarenakan air memiliki gugus OH.

            Hidroksiapatit diperoleh dengan mereaksikan 10Ca(OH)₂ dengan 6(Na)₂HPO₄. Rendemen yang diperoleh cukup besar, yakni 91,12% dengan ketepatan 79,68%, seperti yang tertera pada Lampiran 1. Lampiran 2 menunjukkan kadar kalsium yang diperoleh dari HAp yaitu sebesar 38,00%. Kadar kalsium tersebut berbeda jauh dengan literatur, dimana berdasarkan penelitian yang dilakukan Citated (20XX) menunjukkan kadar kalsium dari HAp sebesar 71,23%. Kurva standar penentuan konsentrasi HAp dan TCP dapat dilihat pada Lampiran 3, dimana kurva tersebut menunjukkan semakin tinggi konsentrasi maka semakin tinggi pula nilai absorbans nya. Lampiran 3 juga memperlihatkan kadar fosfor yang diperoleh dari HAp yaitu sebesar 13,33%. Kadar fosfor tersebut berbeda jauh dengan literatur, dimana kadar fosfor menurut Citated (20XX) adalah 67,22%. Rasio Ca/P ditentukan dengan menggunakan kadar kalsium dan fosfor yang diperoleh, seperti pada Lampiran 4, sehingga menghasilkan rasio 2,96. Literatur menyebutkan rasio Ca/P pada HAp sebesar 1,06 (Citated).

            Trikalsium fosfat diperoleh dengan mereaksikan 3Ca(OH)₂ dengan 2(Na)₂HPO₄. Rendemen yang diperoleh cukup besar yakni 96,24% dengan ketepatan 79,40%, seperti yang terlampir pada Lampiran 5. Data penentuan kadar kalsium pada TCP dapat dilihat pada Lampiran 6, diperoleh kadar Ca sebesar 44,08%. Kadar kalsium tersebut tidak tepat dengan yang dilaporkan oleh literatur (Wadu et al. 2018). Literatur menyebutkan kadar kalsium dalam TCP sebesar 78,62%. Lampiran 7 menunjukkan kadar fosfor dalam TCP diperoleh sebesar 14,30%, meskipun begitu kadar fosfor tersebut berbeda jauh dengan yang diperoleh Citated (20XX). Kadar fosfor yang diperoleh literatur sebesar 73,75%. Rasio Ca/P pada TCP diperoleh sebesar 3,03, seperti yang terlampir pada Lampiran 8. Rasio tersebut berbeda dengan literatur, dimana literatur menyebutkan rasio Ca/P pada TCP diperoleh 1,07 (Citated).

 

Gambar 1 Hasil spektrum IR hidroksiapatit

Gambar 2 Hasil spektrum IR trikalsium fosfat

Karakterisasi HAp dan TCP menggunakan instrumen Fourier Transform Infrared (FTIR). Spektrum IR dari HAp menunjukkan beberapa puncak, diantaranya puncak pada bilangan gelombang 961,43 cm^-1; 1042,64 cm^-1; 603,14 cm^-1 menunjukkan bilangan gelombang untuk gugus fosfat. Puncak untuk karbonat terdapat pada panjang gelombang 1456,78 cm^-1 dan puncak gugus hidroksil pada panjang gelombang 633,51 cm^-1 dan 3572,79 cm^-1. Puncak-puncak yang dihasilkan tersebut telah sesuai dengan literatur (Citated). Meskipun begitu, gugus karbonat seharusnya tidak boleh ada dalam sampel tersebut. Hasil spektrum IR untuk TCP tidak sesuai dengan literatur sehingga sintesis TCP tidak berhasil dilakukan. Hasil dari percobaan yang tidak sesuai dengan literatur disebabkan oleh beberapa faktor kesalahan. Faktor-faktor kesalahan yang terjadi, yaitu pembersihan cangkang telur yang tidak baik, titrasi yang tidak sesuai titik ekuivalen, dan terdapat pengotor pada saat analisis dengan FTIR.

SIMPULAN

Hidroksiapatit (HAp) telah berhasil disintesis menggunakan metode presipitasi, sedangkan trikalsium fosfat (TCP) tidak berhasil disintesis. Rendemen yang diperoleh untuk kedua produk cukup besar. Kadar fosfor dan kalsium untuk kedua sampel diperoleh tidak begitu banyak. Rasio Ca/P HAp dan TCP yang diperoleh tidak sesuai dengan literatur, disebabkan oleh beberapa kesalahan yang terjadi saat praktikum. Karakterisasi HAp dan TCP berhasil dilakukan menggunakan instrumen FTIR.

[Note]
- Sitasi sengaja tidak ditampilkan karena alasan tertentu
- Lampiran dapat diunduh dengan mengklik di sini
- Bagi kalian yang belum paham cara menggunakan link, bisa buka tutorial di sini ya
- Jika ada yang ingin ditanyakan silakan komen di bawah gaes
- Format belum seluruhnya sesuai standar IPB ya
- Semoga bermanfaat! Barakallah

Cheers!
-Admin Q