BETA-TCP/Ce DAN HA-SiO2 UNTUK PEMBUATAN SEMEN KALSIUM FOSFAT: POTENSI SEBAGAI PENGISI TULANG OSTEOPOROSIS

TRI WINDARTI, Prof. Dr.rer.nat. Nuryono M.S.; Prof. Dr. drg. Widjijono, S.U.

2021 | Disertasi | DOKTOR KIMIA

Tulang osteoporosis yang keropos dengan tingkat reactive oxygen species (ROS) tinggi, rentan mengalami patah dan inflamasi. Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan semen kalsium fosfat (calcium phosphate cement, CPC) yang biokompatibel, memiliki kekuatan mekanik setara tulang osteoporosis serta bersifat antioksidan regeneratif dengan menggunakan bahan dasar beta-trikalsium fosfat tersubstitusi isomorf Ce (beta-TCP/Ce) dan hidroksiapatit termodifikasi silika gel (HA-SiO2). Sintesis beta-TCP/Ce dikaji melalui metode sol-gel. HA-SiO2 disintesis melalui metode pengendapan kimia basah. CPC dibuat dengan variasi rasio berat (beta-TCP/Ce):(HA-SiO2). Substitusi Ce ke dalam struktur beta-TCP terjadi pada Ca dengan posisi Wyckoff 6a (0,0,-0,085) atau posisi Ca (4). Komposisi terbaik (beta-TCP/Ce: HA= 73:27) diperoleh pada sintesis dengan konsentrasi Ce 8%, waktu ageing 2 hari dan waktu firing 0,5 jam. Okupansi Ce sebesar 43% pada posisi Ca (4) terjadi pada sintesis dengan konsentrasi Ce 32%, waktu ageing 2 hari dan waktu firing 0,5 jam. Parameter kisi beta-TCP cenderung meningkat dengan peningkatan konsentrasi Ce. Ce mencegah transformasi beta-TCP menjadi HA selama penyimpanan. Partikel beta-TCP/Ce berbentuk sperik, permukaannya bermuatan negatif dan cenderung beraglomerasi di dalam air. Ce terdistribusi pada permukaan beta-TCP dengan rasio jumlah Ce3+/Ce4+ > 1 dan memiliki aktivitas antioksidan sebesar 0,26-0,36%. Beta-TCP/Ce bersifat luminesen dengan mengemisikan cahaya pada lamda maks= 330-400 nm. Sintesis HA-SiO2 menghasilkan komposit dengan HA berada pada permukaan. Partikel HA-SiO2 berbentuk batangan pendek dengan ukuran lebih kecil dari 100 nm, permukaannya bermuatan negatif dan nilai potensial Zetanya sama dengan HA murni. Kuat tekan komposit HA-SiO2 berflutuasi terhadap rasio Ca/Si. Penggunaan beta-TCP/Ce10 dan HA-SiO2 25 pada pembuatan CPC menghasilkan semen dengan kuat tekan sebesar 1,24 MPa pada perbandingan berat (beta-TCP/Ce10):(HA-SiO2 25)= 2:3. Uji sitotoksisitas dengan MTT assay menunjukkan bahwa CPC bersifat non-toksik. Dengan kuat tekan setara tulang osteoporosis, memiliki aktivitas antioksidan, bentuk partikelnya mendukung kemudahan untuk diinjeksikan, dan bersifat non-toksik, maka CPC yang dibuat dari beta-TCP/Ce dan HA-SiO2 berpotensi untuk digunakan sebagai pengisi tulang osteoporosis.

Porous osteoporotic bones with high reactive oxygen species (ROS) level are prone to fractures and inflammation. The aim of this study is to produce a biocompatible calcium phosphate cement (CPC) that has mechanical strength equivalent to osteoporotic bone and characteristic of a regenerative antioxidant, by using basic ingredients of beta-tricalcium phosphate substituted isomorph Ce (beta-TCP/Ce) and hydroxyapatite modified by silica gel (HA-SiO2). The Ce substitution into beta-TCP structure was carried out by sol-gel method. HA-SiO2 was synthesized by the wet chemical deposition method. CPC was made by varying the weight ratio of (beta-TCP/Ce):(HA-SiO2). The Ce substitution occurred at Ca with the Wyckoff position of 6a (0,0, -0.085) or Ca (4) position. The best composition (beta-TCP: HA= 73:27) was obtained at the synthesis process with a concentration of Ce 8%, the aging time of 2 days, and the firing time of 0.5 hours. Occupancy of 43% Ce at Ca (4) position occurs in the synthesis process with a concentration of Ce 32%, the aging time of 2 days, and firing time of 0.5 hours. The lattice parameter of beta-TCP tends to increase with the increase of Ce concentration. Ce prevents the transformation of beta-TCP to HA during storing period. Beta-TCP/Ce particles are spherical, have a negative surface charge, and tend to agglomerate in water. Ce is distributed on the beta-TCP surface with a number ratio of Ce3+/Ce4+ > 1 and antioxidant activity of 0.26-0.36%. Beta-TCP/Ce is luminescent by emitting light at lamdamax= 330-400 nm. Synthesis of HA-SiO2 produces composites with HA on the surface. HA-SiO2 particles are in a form of short rod with a size smaller than 100 nm, the surface is negatively charged and the Zeta potential value is same as pure HA. The compressive strength of the HA-SiO2 composites fluctuates along with the Ca/Si ratio. The use of beta-TCP/Ce10 and HA-SiO2 25 by weight ratio of (beta-TCP/Ce10): (HA-SiO2 25)= 2:3 as the powder component of CPC resulted cement in a compressive strength of 1.24 MPa. Cytotoxicity test by MTT assay showed that CPC was non-toxic. With the equivalent compressive strength to osteoporotic bones, having antioxidant activity, particle shape that supports the injectability, and with non-toxic property, CPC produced from beta-TCP/Ce and HA-SiO2 has a potency to be used as osteoporotic bone filler.

Kata Kunci : Osteoporosis, CPC, beta-trikalsium fosfat, hidroksiapatit, serium, silika gel, antioksidan regeneratif