CPC - Chitosan Composite

Makalah Kekuatan Material 2010 | Komposit Calcium Phospate Cement (CPC) Chitosan. 1

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 131menit, lebih cepat daripada CPC

control tanpa chitosan yang memiliki waktu adaptasi 877 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 dan

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

Documents

CPC - Chitosan Composite