Malaysian Journal of Analytical Sciences, Vol. 7, No. 1 (2001) 89-92

___________________________________________________________________________________________

Pencirian salutan Hidroksiapatit yang dihasilkan melalui kaedah Elektroporesis menggunakan XRD dan SEM

Abdul Razak Daud1, Yusof b. Abdullah2, Pairu b. Ibrahim1, Patni bt. Hassan1

1Program Sains Bahan, Universiti Kebangsaan Malaysia, 43600 UKM-Bangi, Malaysia.

2Institut Penyelidikan Teknologi Nuklear Malaysia, 43000 Kajang, Malaysia.

(Received 6 September 2000)

Abstrak. Hidroksiapatit (HA), Ca10(PO4)6(OH)2 mempunyai potensi besar menjadi bahan ortopedik yang penting dimasa hadapan memandangkan komposisinya yang hampir sama dengan komposisi mineral tulang manusia dan kemampuannya mengikat dengan baik pada tulang. Aloi logam bersalut HA sebagai bahan ganti tulang telah menjadi tumpuan penyelidikan oleh ramai penyelidik. Dalam kajian ini HA disalut pada keluli kalis karat melalui kaedah elektroporesis dengan mengenap lapisan kompleks apatit pada substrat keluli kalis karat dan diikuti dengan celupan di dalam larutan 0.1M NaOH bagi menukar kompleks apatit kepada hidroksiapatit. Kompleks apatit disediakan dengan mencampur 0.5M Ca(OH)2, 0.3M H3PO4 dan 1M C3H6O3 pada nisbah isipadu yang sama. Parameter penyalutan yang dikaji ialah suhu; 55oC dan 75oC, voltan; 2 hingga 8 volt dan tempoh penyalutan; 10 hingga 60 minit. Sampel yang disalut dianalisis dengan menggunakan teknik belauan sinar-X (XRD) dan mikroskop elektron imbasan (SEM). Salutan yang dihasilkan pada suhu 75oC dengan voltan 4 volt dan tempoh penyalutan diantara 15 – 20 minit didapati paling sempurna iaitu nipis dan seragam berbanding dengan salutan pada voltan lebih tinggi yang menunjukkan penimbunan HA berlaku. Manakala pada voltan lebih rendah, lapisan HA sangat nipis dan tidak menutupi permukaan substrat dengan baik. Abstract. Hydroxyapatite (HA), Ca10(PO4)6(OH)2 has a great potential to become an important orthopaedic material in the near future as its chemical composition is about similar to that of human bone and it is also able to bind with bone nicely. HA coated metal alloys as bone substitutes have been becoming a focus of research by many researchers. In this research, HA was coated on stainless steel plates by depositing a complex of apatite using electrophoresis method and followed by immersion in 0.1M NaOH solution to convert the apatite complex into hydroxiapatite. The apatite complex was prepared by mixing 0.5M Ca(OH)2, 0.3M H3PO4 and 1M C3H6O3 of a same volume fraction. Coating parametes studied were temperature; 55oC and 75oC, voltage; 2 to 8 volts, and coating time; 10 to 60 minutes. Coated samples were analyzed by means of X-ray diffraction technique (XRD) and scanning electron microscope (SEM). Coatings produced at 75oC with applied voltage 4V and coating time between 15 to 20 minutes was considered the best i.e thin and uniform compared with those produced at higher voltages which comprised a thick layer of HA, while at a lower voltages, HA layer was very thin and had not sufficiently covered the surface of substrate. ___________________________________________________________________________________________ Keywords: electrophoresis, stainless steel, coating parameters, hydroxyapatite

Pengenalan

Hidroksiapatit (HA), Ca10(PO4)6(OH)2 merupakan komponen mineral utama bagi tulang manusia dan gigi. Oleh itu HA sintetik tiada masaalah dari segi kesesuaian biologi dan ia bioaktif yakni dapat membentuk ikatan langsung dengan tulang. Oleh yang demikian HA boleh diguna sebagai bahan gantian tulang [1] misalnya untuk mengisi dan membina semula tulang yang cacat [2] atau melalui penyalutan pada aloi logam sebagai gantian tulang [3]. Bagaimanapun sifat mekaniknya yang lemah [4] telah membataskan kegunaannya apabila melibatkan situasi menanggung beban.

Terdapat beberapa teknik penyalutan HA diantaranya ialah celupan, semburan plasma, penekanan isostatik dan elektroporesis. Elektroporesis merupakan teknik yang mudah, murah dan mampu menyalut objek berbagai bentuk. Kelemahannya ialah

kekuatan ikatan salutan dengan substrat logam adalah lemah, walau bagaimanapun ia baik bagi bahan implan poros kerana membolehkan resapan zarah halus seramik ke dalam substrat berliang [5]. Dalam kajian ini teknik elektroporesis telah digunakan bagi menyalut permukaan keluli kalis karat dengan HA. Pengaruh suhu, voltan dan masa yang perlu bagi membentuk lapisan HA telah dikaji. Keadaan lapisan HA dikaji menggunakan teknik belauan sinar-x (XRD) dan mikroskop elektron imbasan (SEM).

Kaedah Eksperimen Penyediaan Larutan Kompleks Apatit Larutan-larutan 0.5M Ca(OH)2, 0.3M H3PO4 dan 1M asid laktik (C3H6O3) disediakan dan dicampurkan dengan nisbah isipadu masing-masing 1:1:1. Larutan-larutan 1M C3H6O3 dan 0.5M Ca(OH)2 dicampur dahulu dan dikacau selama 10 minit kemudian

ABDUL RAZAK DAUD et al.: PENCIRIAN SALUTAN HIDROKSIAPATIT

dicampur dengan larutan 1M 0.3M H3PO4 serta dikacau lagi selama 20 minit. Asid laktik digunakan bagi menghasilkan ion-ion kompleks apatit. Penyalutan Kepingan keluli kalis karat yang siap digilap dan bersih digunakan sebagai substrat. Kepingan keluli kalis karat dimasukkan kedalam bekas yang mengandungi larutan kompleks apatit disambung kepada kepingan platinum melalui satu unit pembekal kuasa. Keluli kalis karat bertindak sebagai katod sementara platinum sebagai anod. Parameter ujian ialah suhu; 55oC dan 75oC, masa salutan; 10 hingga 60 minit dan voltan diubah daripada 2V hingga 8V.

Penghasilan Salutan Hidroksiapatit Selepas proses penyalutan kepingan keluli kalis karat yang tersalut dengan kompleks apatit dicelup di dalam larutan 0.1M NaOH bagi menukarkan kompleks apatit kepada hidroksiapatit kemudian dikeringkan di dalam ketuhar pada suhu 65oC selama 24 jam. Pencirian Salutan Teknik belauan sinar-X (XRD) menggunakan X-Ray Diffractometer Siemens D5000 dengan sinar-X CuKα.

Jadual 1 Keadaan salutan mengikut suhu, voltan dan tempoh salutan.

Suhu oC Voltan, V Masa, minit Ulasan

2 <30 Tiada salutan 2 - 3 40 - 60 Penyalutan perlahan, salutan sangat nipis 4 - 6 20 - 30 Penyalutan cepat, salutan sangat nipis

55

7 - 8 10 - 15 Penyalutan cepat, salutan tebal

2 <30 Tiada salutan 2 - 3 35 - 55 Penyalutan perlahan, salutan sangat nipis 4 - 5 15 - 20 Penyalutan cepat, salutan nipis 6 - 7 10 - 15 Penyalutan cepat, salutan tebal

75

8 10 Penyalutan cepat, salutan tebal

Keputusan dan Perbincangan Ketebalan lapisan salutan HA bergantung pada suhu dan tempoh penyalutan serta nilai voltan atau beza keupayaan yang dikenakan di antara elektrod. Jadual 1 menunjukkan ringkasan keputusan secara kualitatif pada keadaan penyalutan mengikut parameter penyalutan yang dikaji iaitu suhu, masa dan voltan berdasarkan keputusan XRD dan SEM. Rajah 1 dan Rajah 2 masing-masing menunjukkan spektrum XRD dan mikrograf SEM tipikal bagi lapisan HA yang disalut pada suhu 55oC dan 75oC pada voltan yamg berbeza.

Nilai voltan yang digunakan mempengaruhi ketebalan lapisan HA. Ini dapat dilihat pada Rajah 1 dimana puncak XRD bagi lapisan HA pada keluli kalis karat yang disalut dengan HA pada voltan 4V menunjukkan keamatan yang lebih tinggi daripada puncak untuk voltan 8V. Keputusan ini bersetuju dengan keputusan yang dilaporkan oleh Sridhar et al.(1997) [6].

Pada voltan 8V, lapisan tebal HA telah terbentuk (Rajah 2). Mengikut Stea et. al (1995) [7]

semakin nipis salutan HA, semakin baik sifat mekaniknya. Oleh itu dicadangkan yang suhu 75oC dan voltan 4V merupakan parameter yang sesuai untuk menghasilkan lapisan HA yang nipis. Disamping sifat mekanik yang baik, lapisan yang nipis sudah memadai untuk menjadikan logam implan lebih sesuai dengan sistem tubuh dan membolehkan pertumbuhan tisu tulang yang baru. Lapisan tebal mudah merekah dan kekuatan ikatannya dengan substrat lebih lemah daripada lapisan nipis [5].

Kesimpulan Daripada hasil kajian ini dapat disimpulkan,

i. Suhu, voltan dan tempoh penyalutan mempengaruhi ketebalan lapisan hidroksiapatit pada permukaan keluli kalis karat.

ii. Salutan yang dihasilkan pada suhu 75oC

dengan voltan 4V dan tempoh penyalutan 15 hingga 20 minit menghasilkan salutan nipis dan seragam. Lapisan hidroksiapatit yang

90

ABDUL RAZAK DAUD et al.: PENCIRIAN SALUTAN HIDROKSIAPATIT

Rajah 1 : Difraktogram XRD bagi ,

(a) Permukaan keluli kalis karat tanpa salutan, (b) Disalut dengan HA pada suhu 55oC dan voltan 4V, (c) Disalut dengan HA pada suhu 55oC dan voltan 8V, (d) Disalut dengan HA pada suhu 75oC dan voltan 4V,

(e) Disalut dengan HA pada suhu 75oC dan voltan 8V.

91

ABDUL RAZAK DAUD et al.: PENCIRIAN SALUTAN HIDROKSIAPATIT

Rajah 2 : Mikrograf SEM bagi salutan hidroksiapatit pada permukaan keluli kalis karat, disalut pada,

(a) suhu 55 oC, voltan 4V, (b) suhu 55 oC, voltan 8V, (c) suhu 75 oC, voltan 4V, (d) suhu 75 oC, voltan 8V.

nipis telah dilaporkan menunjukkan pelekatan yang baik dengan substrat dan mempunyai sifat mekanik yang lebih baik berbanding dengan lapisan tebal.

Rujukan

1. A. Osaka, Y. Miura, K. Takeuchi, M. Asada, K. Takahashi, 1991. Calcium apatite prepared from calcium hydroxide and orthophosphoric acid. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 2: 51-55.

2. H. Oonishi,1991. Orthopaedic applications of hydroxyapatit. Biomaterials 12: 171-174.

3. E. Leitao, M.A. Barbosa, K.D. Groot, 1998. In vivo testing of surface-modified biomaterials.

Journal of Materials Science: Materials in Medicine 9: 543-548.

4. R.I. Martin, P.W. Brown,1995. Mechanical properties of hydroxyapatite formed at physiological temperature. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 6: 138-143.

5. I. Zhitomirsky, L. Gal-Or, 1997. Electrophoretic deposition of hydroxyapatite. Journal of Materials Science:Materials in Medicine 8: 213-219.

6. T.M. Sridhar, T.K Arumugam, S. Rajeswari, M. Subbaiyan, 1997. Electrochemical behaviour of hydroxyapatite-coated stainless steel implants. J. Mater. Sci. Lett. 16: 1964-1966.

7. S. Stea, M. Visentin, L. Savarino, M. E. Donati, A. Pizzoferrato, A. Moroni, V. Caja, 1995. Quantitative analysis of the bone-hydroxyapatite coating interface. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 6 : 455-459.

92