Tugas Biomaterial, Ujian Lisan Semester Ganjil Angkatan 2008

FABRIKASI KOMPOSIT KALSIUM FOSFAT – KITOSAN UNTUK APLIKASI ORTHOPEDIC DAN DENTAL

 

Arindha Reni Pramesti (080810115) ; Miranda Zawazi Ichsan (080810136)

Biomedical Engineering Airlangga University

2011

 

ABSTRACT

Penyakit pada gigi (Periodontal Disease), osteoporosis, kecelakaan kerja, kecelakaan lalu lintas, dan berbagai kecelakaan lainnya kerap menimbulkan luka dan hilangnya beberapa serpih tulang. Sel-sel tulang sebenarnya memiliki kemampuan memulihkan diri, tetapi pemberian pengganti tulang yang hilang bisa mempercepat pemulihan secara lebih sempurna. Disini kami akan memaparkan tentang pengembangan pengganti tulang dengan biomaterial cangkang telur dan chitosan dari cangkang kepiting.

Cangkang telur mengandung 94 persen kalsium karbonat. Untuk mendapatkan hanya unsur kalsium yaitu dengan memanaskan cangkang telur dengan suhu sampai 1.000 derajat celsius. Kemudian kalsium ini harus disenyawakan lagi dengan diamonium fosfat atau fosfat sintetik dengan pemanasan sampai suhu 1.000 derajat celsius pula. Jadilah serbuk senyawa kalsium fosfat atau hidroksiapatit dengan karakter yang sama dengan penyusun tulang manusia

Hidroksiapatit yang diperoleh kemudian digunakan sebagai mineral pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan. Selain hidroksiapatit, mineral lain yang juga ditambahkan adalah apatit karbonat. Fungsi apatit karbonat adalah sebagai penyeimbang sifat kalsium fosfat yang keras dan padat. Apatit karbonat ini memiliki sifat mudah diserap oleh larutan tubuh sehingga memudahkan pertumbuhan tulang.

 

PENDAHULUAN

Selama ini, setelah isi telur ayam diambil dan digunakan untuk keperluan konsumsi harian, misalnya dengan memasaknya, kita seringkali membuang cangkangnya begitu saja. Padahal potensi limbah cangkang atau kerabang telur di Indonesia cukup besar. Sebagai gambaran, produksi telur ayam ras nasional pada tahun 2009 sebesar 1.071.398 ton. Jika rata-rata berat telurnya 60 g, cangkang telur yang dihasilkan dalam setahun adalah 178.566,33 ton. Cangkang telur dapat menyebabkan pencemaran lingkungan karena sulit didegradasi oleh mikroba tanah. Untuk itu perlu metode alternatif untuk memproses dan menggunakan cangkang telur dengan cara yang bermanfaat bagi lingkungan misal dengan mengembangkan pengganti tulang menggunakan biomaterial cangkang telur.

    Mineral yang banyak terdapat dalam cangkang telur adalah Calsium. Dibawah ini tabel kandungan bahan dalam cangkang telur ayam ras komersil.

Tabel 1. Bahan yang terkandung dalam Cangkang Telur Ayam Ras Komersil

    Cangkang telur ayam yang membungkus telur umumnya beratnya 9-12% dari berat telur total, dan mengandung 94% Calsium karbonat, 1% Kalium Phosphat, 1% Magnesium karbonat dan 4% bahan organic. Cangkang telur mengandung hampir 95.1% terdiri atas garam-garam organik, 3.3% bahan organik (terutama protein), dan 1.6% air. Sebagian besar bahan organik terdiri atas persenyawaan Calsium karbonat (CaCO₃) sekitar 98.5% dan Magnesium karbonat (MgCO₃) sekitar 0.85% Jumlah mineral didalam Cangkang telur beratnya 2,25 gram yang terdiri dari 2,21 gram Calsium, 0,02 gram Magnesium, 0,02 gram Phosphor serta sedikit besi dan Sulfur.

    Calsium erat sekali dengan pembentukan tulang. Phosphor berfungsi sebagai pembentuk tulang, persenyawaan organic yaitu yang berfungsi dalam pembentukan senyawa organik dan sebagian besar metabolisme energi. Sehingga Phospor sebagai fosfat memegang peranan penting dalam struktur dan fungsi semua sel hidup. Mineral kalsium (Ca) dan fosfat (P) merupakan mineral yang menyusun tulang dan gigi manusia.

    Calsium dan fosfat, seperti bahan keramik lainnya, memiliki sifat yang rapuh sehingga perlu ditambahkan elastomer matrik polimer agar menghasilkan karakteristik yang tidak terlalu kaku sehingga cocok digunakan dalam aplikasi dental maupun orthopedic.

    Chitosan merupakan biopolimer alami yang bisa digunakan sebagai matriks elastomer. Chitosan memiliki sifat biokompatibel, biodegradabel, dan osteokonductive. Chitosan bisa diperoleh melalui sintesa kitin dari limbah cangkang kepala udang maupun cangkang kepiting. Kitosan merupakan senyawa dengan rumus kimia poli(2-amino-2-dioksi-β-D-Glukosa) yang dapat dihasilkan dengan proses hidrolisis kitin menggunakan basa kuat.

 

PEMBAHASAN

 

Metode Ekstraksi Kalsium dari Cangkang Telur

Cangkang telur mengandung 94 persen kalsium karbonat. Untuk mendapatkan hanya unsur kalsium yaitu dengan memanaskan cangkang telur dengan suhu sampai 1.000 derajat celsius dengan menggunakan tungku pembakaran. Kemudian kalsium ini harus disenyawakan lagi dengan diamonium fosfat atau fosfat sintetik dengan pemanasan sampai suhu 1.000 derajat celsius pula untuk menghasilkan apatit karbonat.

Langkah-langkah :

1. Menghancurkan cangkang telur menjadi ukuran yang lebih kecil. Ukuran yang biasa digunakan adalah diameter ¼ inci.
   
2. Setelah sizing , cangkang telur kemudian di sentrifugasi . tujuannya adalah untuk menghilangkan sisa-sisa cairan telur dan kelembaban sebab cangkang telur memiliki tingkat kelembaban 11,5%.
   
3. Cangkang telur kemudian ditempatkan dalam alat pemanas untuk kalsinasi.
   
4. Pemanasaan cangkang telur dimulai. Suhu pemanasan tergantung pada komponen cangkang yang diinginkan untuk dikalsinasi.
   
5. Dalam kurun waktu pemanasan pertama, suhu kalsinasi sekitar 350⁰C dapat digunakan untuk kalsin oksida seng dalam cangkang. Seng karbonat diubah menjadi ZnO yang memiliki efek menguntungkan sebagai agen antibakteri. pH seng oksida yang terbentuk pada suhu sekitar 350⁰ sampai 400⁰C adalah sebesar 8,25. Konsentrasi seng oksida yang terkandung didalam cangkang memiliki kegunaan yang berharga. Pada suhu ini , protein dari bahan organic pada cangkang tidak rusak yang dapat digunakan untuk produk nutrisi pakan ternak dan sebagai bahan pengawet.
   
6. Suhu kalsinasi yang digunakan dalam zona pemanasan kedua adalah sekitar 600⁰C yang dapat menghasilkan magnesium oksida. Pada suhu 500⁰C cangkang tersebut dapat memuat sekitar 75% magnesium karbonat dan 25% magnesium oksida. Sedangkan pada 600⁰C ada konversi penuh magnesium oksida dari karbonat. pH dari magnesium oksida adalah sekitar 10-11 yang memberikan kualitas bakteriostatik ke magnesium oksida.
   
7. Suhu kalsinasi konvensional untuk Kalsium adalah 900⁰C. Konversi lengkap Kalsium karbonat menjadi kalsium oksida terjadi pada suhu sekitar 1200⁰C. aktivitas anti-mikroba terlihat pada cangkang telur yang dikalsinasi pada suhu berkisar antara 1000⁰C sampai 1200⁰C. pemanasan pada suhu sekitar 1200⁰C ini menyebabkan hilangnya oksigen sehingga meningkatkan porositas dan luas permukaan senyawa untuk membuat lebih bioavailable.
   
8. Masing-masing pemanasan ditiap zona dilakukan selama 50 menit.
   
9. Setelah itu masuk tahap pendinginan . pada tahap ini suhu yang digunakan dikurangi menjadi 50⁰C.
   
10. Produk yang dihasilkan oleh cangkang telur nanti adalah berwarna putih.
    
11. Produk yang telah didinginkan kemudian digiling dengan ukuran 1-50 mikron.
    

 

Kalsinasi adalah pemanasan yang solid di bawah titik leleh untuk menciptakan keadaan dekomposisi termal atau transisi fasa lain dari mencair. Reaksi yang mungkin terjadi saat pemanasan yang solid dibawah titik leleh termasuk disosiasi termal dan rekristalisasi termal, Cangkang sendiri mengalami fase dari padat ke keadaan amorf sebelum didinginkan, dikeringkan, dan ditumbuk menjadi bubuk. Bubuk cangkang telur yang telah jadi memilik komposisi sebagai berikut :

 

Table dibawah ini menunjukkan hasil kalsinasi dalam 3 zona :

	1000C	4000C	5000C	6500C	7000C	8500C	9000C	10000C	12000C
CaCO3 (Kalsium Karbonat)	pH 6,5		pH 7,78	pH 8,0		pH 11,5 50% CaCO4 50% CaO			100% CaO (kalsium oksida) dengan porositas yang meningkat, dan area permukaan yang lebih luas.
MgCO3 (Magnesium Karbonat)	pH 6,9		75% MgC4 25% MgO	pH 10-11	Bakteriostatik properties, ukuran pori meningkat, kelarutan meningkat
ZnCO3 (Seng Karbonat)		Pd suhu 3640C terbentuk ZnO (Seng oksida) 100%, bakterioastatik, pH 8,25

 

Gambar 1. Grafik korelasi antara suhu dan pH :

Dari gambar diatas dapat dijelaskan bahwa suhu mempengaruhi perubahan yang sinifikan dalam konversi garam karbonat ke oksida logam. Pada suhu 364⁰C ditemukan bahwa ZnO terbentuk. Pada suhu 650⁰C-700⁰C, MgO benar-benar diubah oleh panas ke garam oksida. Kalsium, garam karbonat dan oksida masih ada pada suhu 850⁰C, dengan konversi lengkap untuk oksida pada suhu 1200⁰C.

Gambar 2. Diagram alur pembuatan bubuk cangkang telur

Keterangan : Cangkang telur yang telah dikalsinasi dapat keluar masing –masing bentukannya (ZnO, MgO, CaO) , dalam diagram diatas dapat dilihat pada periode 3a, 4a, dan 5a , kemudian harus didinginkan, dikeringkan, dan digiling untuk membentuk bubuk.

 

Metode pembuatan kitosan dari cangkang kepiting

 

    Untuk membuat chitosan dari cangkang kepiting langkah kerjanya adalah sebagai berikut :

1. Cara kerja
   

(Tahap I)

1. Menyiapkan cangkang (dipotong 50 gram)
   
2. Merebus dengan NaOH 10 % = berat/berat
   

   Cangkang     :     larutan
   

   1        :    10
   

   30        :    300 ml
   

   Larutan NaOH 10 %
   

   Bekker Glass 500 ml
   

   50 gram     menjadi 500 ml
   

   1. air + 50 gram NaOH
      

   (Selama ±2 jam).
   

3. Mencuci dengan air PDAM
   
4. Merendam dalam HCl 3,2%. HCl di cairkan dengan Bekker Glass 500 ml (Selama 2 jam).
   
5. Mencuci dengan menggunakan air PDAM ±3 kali lalu menggunakan aquades (menghemat aquades).
   

(Tahap II)

1. Melarutkan 225 gram NaOH dalam 200 ml air agar bisa menjadi 500 ml (tahap I)
   
2. Merebus larutan NaOH dan cangkang kepiting selama 2,5 jam
   
3. Mencuci cangkang setelah 2,5 jam dan membuat larutan NaOH 500 ml untuk tahap ke dua
   
4. Merebus cangkang kepiting dalam larutan NaOH 500 ml (tahap II)
   
5. Mencuci cangkang dengan air PDAM hingga bersih dari NaOH (tidak licin) kemudian mengeringkan dengan cara diangin-anginkan.
   

(Tahap III)

1. Menimbang cangkang yang telah kering ± 0,15 gram sebanyak 4 kali.
   
2. Membuat larutan asam asetat 1% dan 5 %.
   
3. Memasukkan 0,15 gram cangkang ke dalam 1% dan 5% asam asetat kemudian diamati (diaduk dengan pengaduk kaca agar lebih cepat larut).
   
4. Mengeringkan sisa kitin yang tidak larut lalu menimbang sehingga diketahui jumlah kitosan yang terbentuk dari 50 gram cangkang kepiting.
   

 

Chitosan yang telah jadi bisa diubah menjadi bentuk bubuk untuk di campur dengan bubuk kalsium fosfat dari cangkang telur. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik, komposit kalsium fosfat-kitosan dapat ditambah dengan apatit karbonat. Fungsi apatit karbonat adalah sebagai penyeimbang sifat kalsium fosfat yang keras dan padat. Apatit karbonat ini memiliki sifat mudah diserap oleh larutan tubuh sehingga memudahkan pertumbuhan tulang. Apatit karbonat dihasilkan dengan mereaksikan senyawa kalsium dari cangkang telur dan fosfor dari diamonium hydrogen fosfat dengan metode presipitasi. Metode presipitasi adalah pencampuran asam dengan basa yang menghasilkan padatan kristalin dan air.

    Komposit kalsium fosfat-kitosan dibuat dengan menggunakan getaran gelombang ultrasonic agar pencampuran kalsium fosfat, apatit karbonat, dan kitosan terjadi sempurna. Komposit dengan komposisi 64 persen kalsium fosfat, 16 persen apatit karbonat, dan 20 persen kitosan merupakan komposit pengganti tulang berbahan biomaterial cangkang telur yang paling baik.

    Kekuatan dan resorbable komposit kalsium fosfat – kitosan dapat digunakan pada perbaikan tulang gigi dan orthopedic. Dalam bidang dental untuk perbaikan tulang alveolar, kemudian dalam bidang orthopedic dapat digunakan dalam vertebroplasty yaitu suatu prosedur yang menempatkan materi lembek yang dapat memadat dalam beberapa detik di dalam badan tulang belakan dengan tujuan untuk memperkuat tulang belakang. Prosedur ini biasanya diterapkan pada tulang orang tua yang mengalami osteoporosis.

 

KESIMPULAN

Pengembangan material pengganti tulang untuk mempercepat pemulihan dapat diperoleh dari biomaterial cangkang telur dan chitosan dari cangkang kepiting

Cangkang telur mengandung 94 persen kalsium karbonat. Kalsium didapatkan dengan memanaskan cangkang telur dengan suhu sampai 1.000 derajat celsius. Kemudian kalsium disenyawakan lagi dengan diamonium fosfat atau fosfat sintetik dengan pemanasan sampai suhu 1.000 derajat celsius menjadi serbuk senyawa kalsium fosfat atau hidroksiapatit. Hidroksiapatit yang diperoleh kemudian digunakan sebagai mineral pembuatan komposit kalsium fosfat-kitosan dan juga ditambahkan adalah apatit karbonat.

Komposit dengan komposisi 64 persen kalsium fosfat, 16 persen apatit karbonat, dan 20 persen kitosan merupakan komposit pengganti tulang berbahan biomaterial cangkang telur yang paling baik.

 

DAFTAR PUSTAKA

Administrator. 2010. Teknologi Biomaterial : Cangkang Telur Pengganti Tulang. http://humasprotokoler.ipb.ac.id/index.php?option=com_content&view=article&id=420&catid=57 di akses tanggal 8 januari 2010

 

Indonesiapround. 2010. Mahasiswa UGM Manfaatkan Limbah Cangkang Telur Menjadi Pakan Unggas. http://indonesiaproud.wordpress.com/2010/11/19/mahasiswa-ugm-manfaatkan-limbah-cangkang-telur-menjadi-pakan-unggas/ di akses tanggal 8 januari 2010

 

Wang, Pie-Yi, dkk. 2004. Method Of Producing Eggshell Powder. http://www.wipo.int/pctdb/images1/PATENTSCOPE/41/0b/6b/000b6b.pdf di akses tanggal 8 Januari 2011

 

Universitas Sumatera Utara. http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/19401/4/Chapter%20II.pdf