Electronic Theses and Dissertation

Perkembangan hidroksiapatit selama beberapa dekade terakhir dalam aplikasi biomedis dan dental, terutama untuk perbaikan dan regenerasi jaringan tulang semakin pesat. Hidroksiapatit alami dapat meniru apatit tulang asli serta memiliki kelebihan akan biaya yang murah dan sumber yang mudah didapatkan, salah satunya dari tulang sapi Aceh yang merupakan ternak lokal Indonesia dengan kelimpahan limbah tulang dan belum dimanfaatkan secara maksimal. Hal ini menjadi urgensi untuk dikaji potensinya sebagai sumber hidroksiapatit alami dan aplikasi lanjutnya dalam rekayasa jaringan sebagai bahan baku biomaterial scaffold telah menjadi perhatian besar saat ini. Hidroksiapatit alami mempunyai sifat bioaktvfitas, bioafinitas dan biokompatibilitas yang dapat meningkatkan osteokonduktivitas dan osteoinduktivitas pada integrasi tulang sehingga menjadi keunggulannya sebagai scaffold tulang. Biomaterial scaffold harus dapat merangsang pembentukan tulang baru dan mempercepat proses penyembuhan jaringan tulang di area yang rusak. Kombinasi biokomposit hidroksiapatit-gelatin mampu menciptakan scaffold yang memiliki sifat mekanik yang baik, porositas optimal untuk pertumbuhan sel, efektif dalam memicu reaksi osteoblas, dan kemampuan untuk mengatur pelepasan faktor pertumbuhan yang diperlukan dalam regenerasi tulang serta mengurangi risiko penolakan tubuh karena sifatnya yang biokompatibel dan biodegradabel. Tujuan penelitian adalah untuk menganalisis potensi tulang sapi Aceh sebagai bahan baku biokomposit hidroksiapatit - gelatin (BHA-GEL) untuk kandidat material scaffold dalam regenerasi jaringan dan tulang. Metode ekstraksi hidroksiapatit alami dilakukan dengan teknik kalsinasi pada suhu tinggi. Konfirmasi terhadap bovine hidroksiapatit (BHA) yang diperoleh dilakukan melalui uji karakterisasi menggunakan fourier-transform infrared (FTIR), particle size analyzer (PSA), x-ray diffractometer (XRD), dan scanning electron microscopy (SEM)-energy dispersive x-ray (EDX). Sintesis biokomposit scaffold BHA-GEL menggunakan metode liofilisasi dilanjutkan dengan uji karakterisasi FTIR, termogravimetri, XRD dan SEM-EDX serta analisis terhadap sifat fisikokimia-mekanikal (degradasi, swelling, porositas, densitas dan kekuatan tekan). Pengujian tersebut mampu merekomendasikan kelayakan BHA-GEL sebagai biomaterial scaffold yang memiliki desain cocok untuk perlekatan sel, proliferasi, diferensiasi, dan pembentukan jaringan spesifik organ, khususnya pada organ tulang yang mengalami destruksi tentu membutuhkan penanganan yang tepat melalui teknologi scaffold dalam rekayasa jaringan tulang. Evaluasi terhadap efektivitas scaffold BHA-GEL pada regenerasi defek tulang dilakukan melalui uji in vivo pada hewan coba yang didahului oleh uji sitotoksisitas secara in vitro dengan metode MTT. Hasil penelitian ekstraksi BHA dari tulang femur sapi Aceh menggunakan kalsinasi pada suhu bervariasi 700, 800, 900 dan 1000 oC memperoleh rendemen bubuk BHA terendah 52,62% (suhu 700oC) dan tertinggi 60,54% (suhu 900oC). Karakterisasi FTIR dan XRD menunjukkan fase utama adalah BHA dengan kristalinitas >80% dan teridentifikasi adanya gugus fungsi spesifik dari BHA yaitu fosfat, karbonat dan hidroksil. Peningkatan suhu kalsinasi menghasilkan BHA dengan kristalinitas yang lebih tinggi, ukuran partikel yang lebih besar, dan kemurnian kimia yang lebih baik. Suhu kalsinasi 900°C memberikan hasil yang optimal dalam hal kristalinitas dan partikel yang seragam. Hasil sintesis dan karakterisasi komprehensif biokomposit kombinasi BHA dari tulang sapi Aceh dan gelatin sebagai biomaterial scaffold untuk perbaikan tulang dievaluasi berdasarkan sifat fisikokimia, mekanik, dan biologisnya. Spektroskopi FTIR mengonfirmasi keberadaan gugus fungsi fosfat, karbonat, hidroksil, amida, amina dan karboksil yang berasosiasi dengan BHA dan gelatin. Analisis EDX mendeteksi adanya unsur-unsur penting yang berkaitan dengan tulang, termasuk Ca, P, dan O, serta trace element seperti Na, Mg, dan Al. Analisis termogravimetri dan XRD menunjukkan stabilitas termal hingga 600 °C, dan kristalinitas tertinggi (59,2%) teramati pada rasio biokomposit BHA-GEL 7:3. Analisis morfologi dan porositas dengan SEM mengungkapkan struktur berpori yang saling interkonektif dengan ukuran pori berkisar antara 40–295 μm, yang kondusif untuk infiltrasi seluler dan pertukaran nutrisi. Scaffold tersebut juga menunjukkan degradasi yang baik (83–87%), swelling (675–836%), densitas (0,30–0,36 g/cm3), kekuatan tekan (0,22–0,44 MPa), dan porositas (65–86%). Penilaian sitotoksisitas in vitro menggunakan uji MTT mengonfirmasi viabilitas sel yang tinggi (95%) dari osteoblas MC3T3-E1, yang mengindikasikan biokompatibilitas. Hasil evaluasi in vivo pada hewan coba tikus wistar menunjukkan respons inflamasi normal tanpa tanda-tanda infeksi atau alergi, dan regenerasi tulang yang lebih cepat dibandingkan dengan kontrol tanpa implan scaffold, sebagaimana dibuktikan oleh peningkatan aktivitas osteoblas, osteoklas, dan osteosit dalam analisis histopatologi serta peningkatan kepadatan tulang relatif yang signifikan melalui analisis kualitatif dan kuantitatif pada radiograf rontgen sinar-X. Temuan ini mendukung potensi biokomposit BHA-GEL sebagai material scaffold yang ekonomis dan ramah lingkungan karena bahan baku bersumber dari lokal, serta biokompatibel untuk rekayasa jaringan tulang.

Hydroxyapatite has been rapidly developed in biomedical and dental applications over the past few decades, particularly for bone tissue repair and regeneration. Natural hydroxyapatite can mimic native bone apatite and offers the advantages of low cost and readily available sources. One such source is the bone of Acehnese cattle, a local Indonesian livestock species with abundant bone waste that remains underutilized. This urgency calls for its potential as a source of natural hydroxyapatite to be studied, and its further application in tissue engineering as a raw material for biomaterial scaffolds has received significant attention recently. Natural hydroxyapatite has bioactivity, bioaffinity, and biocompatibility properties that can increase osteoconductivity and osteoinductivity in bone integration, thus becoming its advantage as a bone scaffold. Scaffold biomaterials must be able to stimulate new bone formation and accelerate the healing process of bone tissue in damaged areas. The combination of hydroxyapatite-gelatin biocomposite is able to create a scaffold that has good mechanical properties, optimal porosity for cell growth, effective in triggering osteoblast reactions, and the ability to regulate the release of growth factors needed in bone regeneration and reduce the risk of body rejection due to its biocompatible and biodegradable nature. The purpose of this study was to analyze the potential of Aceh cattle bones as raw materials for hydroxyapatite-gelatin biocomposite (BHA-GEL) for scaffold material candidates in tissue and bone regeneration. The natural hydroxyapatite extraction method was carried out by calcination technique at high temperatures. Confirmation of the bovine hydroxyapatite (BHA) obtained was carried out through characterization tests using fourier-transform infrared (FTIR), particle size analyzer (PSA), x-ray diffractometer (XRD), and scanning electron microscopy (SEM)-energy dispersive x-ray (EDX). Synthesis of BHA-GEL scaffold biocomposite using lyophilization method was followed by FTIR, thermogravimetry, XRD and SEM-EDX characterization tests as well as analysis of physicochemical-mechanical properties (degradation, swelling, porosity, density and compressive strength). The test was able to recommend the feasibility of BHA-GEL as a scaffold biomaterial that has a suitable design for cell attachment, proliferation, differentiation, and formation of organ-specific tissue, especially in bone organs that experience destruction, which certainly requires proper handling through scaffold technology in bone tissue engineering. Evaluation of the effectiveness of BHA-GEL scaffold in bone defect regeneration was carried out through in vivo tests on experimental animals preceded by in vitro cytotoxicity tests using the MTT method. The results of the study of BHA extraction from Aceh cattle femur bones using calcination at varying temperatures of 700, 800, 900 and 1000oC obtained the lowest BHA powder yield of 52,62% (temperature 700oC) and the highest 60,54% (temperature 900oC). FTIR and XRD characterization showed that the main phase was BHA with crystallinity >80% and identified the presence of specific functional groups of BHA, namely phosphate, carbonate and hydroxyl. Increasing the calcination temperature produced BHA with higher crystallinity, larger particle size, and better chemical purity. The calcination temperature of 900°C provided optimal results in terms of crystallinity and uniform particles. The results of the synthesis and comprehensive characterization of a biocomposite from a combination of BHA derived from Acehnese bovine bones and gelatine as a scaffold biomaterial for bone repair were evaluated based on its physicochemical, mechanical, and biological properties. FTIR spectroscopy confirmed the presence of phosphate, carbonate, hydroxyl, amide, amine, and carboxyl functional groups associated with BHA and gelatine. EDX analysis detected the presence of essential bone-related elements, including Ca, P, and O, as well as trace elements such as Na, Mg, and Al. Thermogravimetric and XRD analysis demonstrated thermal stability up to 600°C, and the highest crystallinity (59,2%) was observed at a BHA-GEL biocomposite ratio of 7:3. Morphological and porosity analysis by SEM revealed an interconnected porous structure with pore sizes ranging from 40–295 μm, which is conducive to cellular infiltration and nutrient exchange. The scaffold also exhibited good degradation (83–87%), swelling (675–836%), density (0,30–0,36 g/cm3), compressive strength (0,22–0,44 MPa), and porosity (65–86%). In vitro cytotoxicity assessment using MTT assay confirmed high cell viability (95%) of MC3T3-E1 osteoblasts, indicating biocompatibility. In vivo evaluation results in Wistar rats showed a normal inflammatory response without signs of infection or allergy, and faster bone regeneration compared to controls without scaffold implants, as evidenced by increased osteoblast, osteoclast, and osteocyte activity in histopathological analysis and a significant increase in relative bone density through qualitative and quantitative analysis in X-ray radiographs. These findings support the potential of BHA-GEL biocomposite as an economical and environmentally friendly scaffold material due to its locally sourced raw materials, as well as its biocompatibility for bone tissue engineering.