Tugas Kekuatan Material Semester 5 :))

Komposit Calcium Phospate Cement (CPC) – Chitosan.

Arindha Reni Pramesti (080810115) ; Miranda Zawazi Ihsan (080810136) ; Nurul Istiqomah (080810144)

Biomedical Engineering Airlangga University

 

Abstrak

Calcium Phospate Cement (CPC) memiliki struktur yang lebih keras daripada Hidroksiapatit (HA). HA merupakan hasil bentukan dari CPC. Penelitian baru-baru ini, komposit CPC-Chitosan memiliki kekuatan mekanik yang tinggi dan tanpa resistansi. Pada makalah ini, untuk mengoptimalkan waktu adaptasi pasta semen ke rongga tulang dan sifat mekanik dari CPC-Chitosan komposit dengan mengubah-ubah komposisi chitosan dan menilai kemampuan bioresorbable nya dengan menggunakan model-model. Ada 6 macam massa chitosan yang diujikan menjadi campuran dalam CPC : 0, 10, 15, 20, 25, dan 30%. Bahan percobaan dicelupkan dalam larutan dengan kisaran pH antara 3,5 sampai 5 untuk menirukan lingkungan asam yang diproduksi oleh osteoclasts. Dapat dihitung massa yang hilang dan waktu pencelupan adalah dari 7hari sampai 28hari. Komposit CPC-Chitosan yang mengandung 20% chitosan mempunyai waktu adaptasi 13±1menit, lebih cepat daripada CPC control tanpa chitosan yang memiliki waktu adaptasi 87±7 menit. Kekuatan lentur komposit CPC-Chitosan adalah 14,2Mpa, lebih tinggi daripada CPC control yang memiliki kekuatan lentur 4,1 Mpa. Dan pada pH 4,5, massa yang hilang untuk CPC dengan 20% chitosan dan CPC kontrol tanpa chitosan tidak ada perbedaan yang terlalu mencolok. Rata-rata kehilangan (Kehilangan massa perhari, %/hari) adalah 1,05 untuk CPC kontrol dan 1,08 untuk CPC-Chitosan. Jadi, CPC yang mengandung kitosan dan tanpa kitosan , keduanya dapat larut dilingkungan asam. Ini mengindikasikan penambahan chitosan tidak membahayakan kemampuan bioresorbable dari CPC. Kekuatan dan resorbable komposit CPC-Chitosan dapat digunakan pada perbaikan tulang craniofacial,gigi, dan orthopedi.

Pendahuluan

Calcium phospate cement (CPC) yang digunakan pada perbaikan tulang craniofacial dan pada penambalan gigi memiliki sifat yang dapat mengeras dan membentuk hidroksiapatit (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, HA). CPC memiliki sifat kimia dan struktur mineral yang sama dengan tulang kerangka manusia, karena CPC memiliki sifat biocompatible dan osteoconduktivity. Dibandingkan dengan implan HA yang sudah disintering (dipanaskan pada temperature tertentu agar menjadi keras), CPC mempunyai kemantapan bentuk yang baik untuk kerusakan tulang dan dengan demikian dapat mencegah enkapsulasi jaringan lunak. Namun, CPC, seperti bahan keramik lainnya, memiliki sifat yang rapuh dan dapat patah secara bersamaan pada regangan yang relatif kecil. Akibatnya, CPC tidak bagus untuk digunakan pada aplikasi dengan mikromotion (gerakan kecil) seperti perbaikan tulang periodontal. Oleh karena itu, gabungan CPC yang tidak kaku dan resorbable elastomer matrik polimer yang diinginkan untuk aplikasi ini. Chitosan dan turunannya merupakan biopolimer alami yang bisa digunakan sebagai matriks elastomer. Chitosan memiliki sifat biokompatibel, biodegradabel, dan osteokonductive. Chitosan memiliki kelarutan yang baik dalam berbagai macam larutan asam seperti asam malat (yang membentuk malat chitosan) dan asam laktat (yang membentuk laktat chitosan). Chitosan telah digunakan pada bedah pengurangan kantong periodontal dan sebagai komponen senyawa kalsium phospat pada berbagai penelitian.

CPC dan chitosan relatif stabil dalam kondisi lingkungan fisiologis yang normal dan belum diujikan pada kondisi asam yang diciptakan oleh osteoklas dan sel-sel asam. pH terendah cairan ekstraseluler adalah sekitar 3, sedangkan cairan yang kontak langsung dengan tulang dapat memiliki pH sekitar 5. Tingkat penyerapan bahan cangkok tulang tergantung pada kedua sifat fisiologi lingkungan yaitu pH dan sifat bahan (kelarutan). Tingkat penyerapan (resorpsi) sangat penting untuk pertumbuhan tulang baru. Tingkat resorpsi yang relative lambat dapat diterima untuk beberapa aplikasi klinis seperti cranioplasty, tetapi tidak untuk aplikasi lain yaitu seperti perbaikan tulang periodontal dan prosedur sinus lift. Telah diketahui bahwa tingkat penyerapan awal kalsium phospat untuk bahan cangkok tulang berhubungan erat dengan tingkat disolusi. Pada saat disolusi demineralizing memiliki komposisi ionic meniru lingkungan asam yang dihasilkan oleh osteoklas. HA dan chitosan larut pada pH rendah, namun masih dipengaruhi oleh kadar kitosan, pH, dan periode waktu tertentu setelah operasi.

Pembahasan

Komposit CPC-Chitosan memiliki kekuatan dan ketangguhan yang lebih tinggi dibandingkan dengan CPC control. Penambahan kitosan 20 % menunjukkan hasil yang signifikan pada sifat mekanik CPC, oleh sebab itu kitosan dipilih sebagai komposisi penunjang CPC. Berikut ini analisis sifat mekanik komposit CPC-Chitosan :

Gambar 1

 

Gambar 1 menunjukkan waktu adaptasi pasta semen ke rongga tulang antara CPC-Chitosan dan CPC control. Waktu semakin berkurang seiring dengan peningkatan massa kitosan. Yang paling signifikan pengurangan terjadi dari 68,3 menit menjadi 13,1 menit ketika massa kitosan meningkat dari 15% menjadi 20%. Kecepatan waktu adaptasi ini disebabkan karena saat CPC dicampur dengan larutan kitosan asam, seperti larutan chitosanmalate, kenaikan pH yang dihasilkan dari pengaturan reaksi CPC menyebabkan pasta lembut CPC-kitosan berubah menjadi massa yang keras. Ini mengarah pada pengerasan awal komposit CPC-Chitosan yang diikuti dengan menetapkan lebih lanjut antara TTCP dan DCPA untuk membentuk HA. Namun, Sintering HA berpori (Pemanasan HA agar menjadi keras), mempunyai bentuk yang tidak selaras, dan membutuhkan dokter bedah untuk membentuk HA sesuai dengan kebutuhan. Selain itu, penggunaan HA dapat menyebabkan kehilangan tulang, trauma pada jaringan sekitar dan sekaligus membutuhkan waktu yang cukup lama untuk melakukan operasi pembedahan. Oleh karena itu, komposit CPC-Chitosan memiliki karakteristik penanganan yang lebih diinginkan untuk perbaikan tulang.

Gambar 2

 

Efek massa kitosan terhadap Kekuatan lentur dari CPC ditampilkan pada gambar 2. Kekuatan lentur pertama meningkat dari 4,1 MPa untuk CPC control (0% chitosan) menjadi 14,2 MPa untuk CPC dengan 20% massa kitosan dan kemudian menurun. Kekuatan lentur CPC-Chitosan jauh lebih tinggi (3-4 kali) dibandingkan dengan kontrol CPC.

Gambar 3

 

Elastisitas modulus dapat dilihat pada gambar 3. Modulus elastic meningkat dari 2,5 GPa untuk CPC control menjadi 40,5 GPa pada CPC-kitosan 20% . Kekuatan lentur danSimakBaca secara fonetik modulus elastisitas yang baik dapat dikaitkan dengan sifat elastomer kitosan, yang berfungsi sebagai 'lem' untuk partikel HA. Oleh karena itu, komposit CPC-Chitosan jauh lebih padat (dengan porositas kurang) dan dapat mempertahankan penekanan lebih tinggi dibanding kontrol CPC. Akan tetapi, penggunaan kitosan yang berlebih (25% atau lebih) dapat menyebabkan kekuatan lentur dan modulus elastisitas menurun. Hal ini dikarenakan sebagian besar stress ditopang oleh matriks kitosan sehingga akan menyebabkan penurunan kekuatan dalam komposit.

 

Gambar 4

 

Gambar 4 menunjukkan pola XRD. Membandingkan fase konversi antara CPC-kitosan 20% dengan CPC control. HA terbentuk di CPC-Kitosan.

Gambar 5

 

Gambar 5 menunjukkan struktur mikro yang dilihat dengan SEM antara CPC control dan CPC-kitosan. Dapat dilihat bahwa ukuran Kristal untuk CPC control adalah sekitar 50-250 nm dan ukuran Kristal CPC-kitosan adalah 30nm. Semakin kecil ukuran kristalnya semakin padat (compact) strukturnya sehingga lebih kuat. Selain itu tingkat resorbsinya juga semakin tinggi. Tingkat resorpsi sangat penting untuk pertumbuhan tulang dan penyembuhan.

Gambar 6

 

Gambar 6 menunjukkan pengaruh pH terhadap hilangnya massa CPC. Antara CPC control dan CPC-chitosan keduanya terlarut lebih pada pH 3,5 dan hilangnya massa menurun seiring dengan meningkatnya pH. Komposit CPC-chitosan kehilangan massa kurang dari CPC control pada pH rendah dan hilangnya massa menjadi sedikit lebih tinggi daripada CPC control setelah mencapai pH 4,5 dan pH 5. Hal ini mungkin terjadi karena malat kitosan memiliki kelarutan lebih rendah di banding dengan HA pada saat pH lebih rendah dari 4,5. Selain itu, kitosan bila dilarutkan akan membentuk gel yang sebagian besar akan menyelubungi partikel HA dan oleh sebab itu akan menghambat pemutusan HA pada kondisi pH rendah. Pemutusan secara lambat komposit CPC-chitosan pada pH rendah sangat menguntungkan dalam aplikasi klinis karena akan mencegah terjadinya bencana disintegrasi semen pada pH rendah.

Gambar 7

 

Gambar 7 membandingkan morfolgi permukaan dari semen yang mengindikasikan pemutusan homogen dari HA setelah perendaman pada pH 4,5 selama 28 hari (4minggu). CPC control menunjukkan permukaan yang relatif halus setelah 4 minggu perendaman pada pH 4,5. Namun beberapa retakan besar dan pengelupasan muncul. Hal ini dapat menyebabkan semen hancur atau patah secara serempak, terutama dalam keadaan menahan beban. Sebaliknya, struktur mikro komposit CPC-chitosan menjadi relative kasar karena pemutusan yang tidak seimbang dari kitosan dan CPC. Secara parsial dihancurkan antara matrik kitosan dan Kristal HA membentuk struktur berpori di permukaan. Komposit CPC-chitosan yang berpori lebih menguntungkan dan stabil sebagai tulang baru, sehingga osteoblast dapat tumbuh ke dalam struktur berpori.

 

Rankuman

 

Ikatan antar atom yang rapat dan kekuatan yang tinggi Calcium Phospate Cement (CPC) dikembangkan dengan memasukkan malat kitosan ke dalam cairan semen dari berbagai fraksi massa sehingga menghasilkan komposit CPC-Chitosan.

Waktu adaptasi pasta semen ke rongga tulang berkurang dari 87 menit untuk CPC control tanpa kitosan sedangkan CPC-Chitosan 20% membutuhkan waktu 13,1 menit.

Sementara itu, Kekuatan lentur meningkat dari 4,1 MPa untuk CPC control (0% chitosan) menjadi 14,2 MPa untuk CPC dengan 20% massa kitosan. Dengan demikian, perbaikan sifat fisik dan sifat mekanik dicapai tanpa mengorbankan berat resorbability dari semen,.

Baik control CPC tanpa chitosan dan CPC dengan chitosan 20 % direndam selama 28 hari pada pH 4,5, menunjukkan bahwa penambahan chitosan untuk CPC tidak membahayakan pada pH ini. Hasilnya terjadi keretakan yang besar dan pengelupasan untuk CPC control selama 28 hari perendaman pada pH 4,5 sedangkan pada CPC-chitosan 20% terbentuk permukaan mikroporous. Pembentukkan permukaan mikroporous di komposit CPC-chitosan bermanfaat untuk pertumbuhan kembali tulang baru. Komposit CPC-Chitosan dapat mengeras sendiri dengan kekuatan yang tinggi dan mungkin menjadi metode baru yang menjanjikan untuk memperbaiki kerusakan craniofacial, gigi dan orthopedi.

 

Daftar Pustaka

 

Sun, Limin, dkk. 2007. Fast Setting Calcium Phospate Cement-Chitosan Composite : Mechanical Properties and Dissolution. Journal of Biomaterials Applications. http:/jba.sagepub.com