Sifat Mekanik dan Sifat Termal Komposit Nano-Hidroksiapatit-Chitosan-Carboxymethyl Cellulose sebagai Scaffold Tulang

Share on facebook
Share on google
Share on twitter
Share on linkedin
Ilustrasi Klik Dokter

Scaffold merupakan salah satu metode rekayasa jaringan tulang yang berfungsi sebagai template untuk interaksi sel dan pembentukan matriks ekstraseluler tulang yang memberikan dukungan struktural dalam pembentukan jaringan baru. Scaffold harus memenuhi beberapa kriteria antara lain biodegradable, biokompatibel, osteokonduktif dan tidak menghasilkan respon imun yang negatif. Scaffold dapat dibuat dengan menggabungkan beberapa material seperti nanohidroksiapatit (n-HA) dan kitosan (Ch). n-HA memiliki potensi untuk membangun ikatan yang erat dengan jaringan tulang, bersifat osteokonduktif, stabil terhadap penyerapan biologis dan tidak memiliki efek buruk pada tubuh manusia. n-HA memiliki suhu leleh sebesar 1570°C. Ch memiliki suhu leleh 270°C dan bersifat bioresorbabel, biokompatibel, antibakterial, non-antigenik, biofungsional dan osteokonduktif Ch. Ch bersifat hidrofilik, sehingga penambahannya pada HA melalui metode freeze-drying dapat meningkatkan porositas scaffold. Peningkatan porositas ini di satu sisi menguntungkan karena dapat menyediakan tempat untuk pertumbuhan sel dengan baik. Akan tetapi di sisi lain mengakibatkan  sifat mekaniknya menurun. Hal ini dapat diatasi dengan menambahkan polimer alami carboxymethyl cellulose (CMC) yang memiliki muatan yang berlawanan dengan Ch sehingga CMC dapat berikatan kuat dengan Ch dan terjadi ikatan ion serta adanya cross link antar ikatan. CMC memiliki suhu leleh sebesar 284 °C. 

Karakteristik fisika-kimia scaffold komposit n-HA/Ch/CMC perlu diketahui untuk menentukan kelayakannya sebagai scaffold tulang. Karakteristik fisika-kimia setidaknya meliputi sifat mekanik, morfologi permukaan, ukuran pori, porositas, laju degradasi dan viabilitas sel. Selain itu sebagai scaffold tulang, perlu diketahui juga bagaimana respon scaffold terhadap perubahan suhu. Hal perlu diketahui karena scaffold memerlukan kondisi terkontrol terutama dalam proses pembuatan, penyimpanan dan aplikasi. Pada tahap pembuatan scaffold perlu diketahui karakteristik spesifiknya seperti suhu uap (Tb), suhu dekomposisi, suhu transisi gelas (Tg), suhu kristalisasi (Tc). Pada tahap penyimpanan sampel harus dihindarkan pada kisaran suhu leleh dari sampel tersebut, karena pelelehan akan merusak mutu sampel sebagai bahan scaffold. Pada tahap aplikasi, karakteristik termal dapat memberikan informasi tingkat kenyamanan pada pemakaiannya sehingga scaffold yang dibuat tidak menimbulkan rasa sakit. Analisis termal pada scaffold komposit n-HA/Ch/CMC dilakukan dengan 3 jenis uji yaitu uji Differential Scanning Calorimetry (DSC), uji Thermogravimetry Analysis (TGA) dan uji Thermomechanical Analysis (TMA).

Scaffold dibuat dengan menggabungkan material nano-Hidroksiapatit (n-HA), Kitosan (Ch) dan penambahan Carboxymethyl cellulose (CMC) dengan variasi komposisi n-HA/Ch/CMC berturut-turut (%wt) yaitu 40:60:0, 40:55:5, 40:50:10, 40:45:15, 40:40:20 yang menggunakan metode freeze drying pada suhu pembekuan -80oC. Penambahan CMC pada sampel komposit, memiliki peran sebagai cross linker untuk memperkuat sampel komposit dengan cara mengikat Ch. Efek dari penambahan CMC ini kemudian dikaji dalam pengujian porositas, sifat mekanik (compressive strength) dan laju biodegradasinya yang secara umum dihasilkan bahwa semakin bertambahnya kandungan CMC maka nilai porositas semakin menurun dan compressive strength yang semakin meningkat. Hasil terbaik dari penelitian ini diperoleh pada komposisi n-HA:Ch:CMC yaitu 40:50:10 (wt%) yang memiliki rentang ukuran  pori 92,10 – 136,00 µm, nilai porositas 49,77%, compressive strength 3,9 MPa serta persen massa hilang pada minggu ke-4 sebesar 29,92%, sehingga dapat disimpulkan bahwa scaffold tersebut berpotensi untuk digunakan sebagai tempat bertumbuhnya sel tulang dengan porositas dan compressive strength yang memadai.  

Hasil dari uji sifat termal diperoleh Tb 117,55°C – 178,57°C, Tg 236,49 – 266,04°C, suhu dekomposisi Ch dan CMC 290,8°C – 309,6°C, suhu dekomposisi HA 570°C – 780°C, Tc 629,66°C – 789,17°C. Pada suhu 25°C – 800°C sampel terdegradasi sebesar 2,05% – 25,12%. Koefisien ekspansi termal terjadi pada suhu 110ºC, 282ºC dan 713ºC. Koefisien ekspansi pada 110 ºC diidentifikasi sebagai evaporasi air. Pada suhu 282ºC diidentifikasi sebagai penyusutan Ch dan CMC. Pada suhu 713°C diidentifikasi sebagai penyusutan n-HA. Berdasarkan uji sifat termal pada suhu 25°C – 75°C sampel tidak mengalami ekspansi termal. Dengan demikian dapat disimpulkan  bahwa pada suhu tubuh manusia 37 °C scaffold dapat berfungsi dengan baik tanpa mengalami ekspansi termal.

Penulis: Dr. Ir. Aminatun, M.Si

Informasi selengkapnya dapat dibaca pada artikel di bawah ini: Aminatun, Dyah Hikmawati, Prihartini Widiyanti, Tahta Amrillah, Astri Nia W., Ilena Tio Firdania and Che Azurahanim Che Abdullah., Study of Mechanical and Thermal Properties in Nano-Hydroxyapatite/Chitosan/Carboxymethyl Cellulose Nanocomposite-Based Scaffold for Bone Tissue Engineering: The Roles of Carboxymethyl Cellulose., Journal Applied Science, 2020, Vol 10, Issue 19, 10.3390/app10196970 https://www.mdpi.com/2076-3417/10/19/6970

Berita Terkait

UNAIR News

UNAIR News

Media komunikasi dan informasi seputar kampus Universitas Airlangga (Unair).

Leave Reply

Close Menu