Fabrikasi dan Karakterisasi Mikrosfer Bioactive Glass Berpori Terdoping Yttrium

Abstract

Kanker tulang primer masih menjadi tantangan dalam penanganan klinis karena terapi konvensional, seperti pembedahan, kemoterapi, dan radioterapi eksternal, memiliki keterbatasan dalam mengeliminasi sel kanker residual serta berpotensi merusak jaringan sehat. Mikrosfer bioactive glass berpori terdoping yttrium berpotensi dikembangkan sebagai pembawa radionuklida untuk terapi radiasi internal karena memiliki sifat bioaktif dan struktur berpori. Karakteristik pori menjadi faktor penting yang memengaruhi luas permukaan, kapasitas pemuatan radionuklida, dan interaksi material dengan lingkungan biologis. Salah satu pendekatan untuk mengendalikan struktur pori adalah melalui pengaturan jumlah porogen yang digunakan selama proses fabrikasi. Penelitian ini bertujuan menganalisis pengaruh rasio porogen terhadap karakteristik mikrosfer bioactive glass berpori terdoping yttrium yang difabrikasi menggunakan metode flame spray spheroidization. Serbuk bioactive glass borat terdoping yttrium dicampur dengan CaCO3 sebagai porogen pada rasio massa 3:1 dan 4:1, kemudian disferoidisasi menggunakan nyala oksi-asetilena. Karakterisasi dilakukan menggunakan X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), dan energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). Analisis citra menggunakan ImageJ dilakukan untuk menentukan ukuran mikrosfer, distribusi ukuran pori, dan porositas permukaan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa seluruh sampel mempertahankan karakter amorf khas bioactive glass setelah proses flame spray spheroidization. Peningkatan rasio porogen menghasilkan distribusi ukuran mikrosfer yang lebih seragam serta meningkatkan homogenitas struktur pori. Sampel dengan rasio porogen 4:1 memiliki distribusi ukuran pori yang lebih sempit, nilai koefisien variasi dan span yang lebih rendah, serta porositas permukaan yang lebih tinggi dibandingkan sampel dengan rasio 3:1. Analisis EDX menunjukkan bahwa unsur-unsur penyusun utama bioactive glass tetap terdeteksi setelah proses fabrikasi, sedangkan perbedaan kandungan unsur antar sampel dipengaruhi oleh keterbatasan sensitivitas EDX terhadap unsur ringan serta keberadaan residu porogen. Hasil XRD juga menunjukkan bahwa residu CaCO3 masih teridentifikasi pada beberapa sampel, sementara sampel dengan rasio porogen 4:1 menunjukkan eliminasi porogen yang lebih efektif. Penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan rasio porogen menjadi 4:1 mampu menghasilkan mikrosfer bioactive glass berpori terdoping yttrium dengan struktur pori yang lebih homogen tanpa mengubah karakter amorf material. Pengaturan rasio porogen merupakan parameter penting dalam mengendalikan morfologi dan karakteristik pori sehingga berpotensi mendukung pengembangan mikrosfer bioactive glass sebagai pembawa radionuklida untuk terapi radiasi internal pada kanker tulang.

Primary bone cancer remains a major clinical challenge because conventional treatments, including surgery, chemotherapy, and external beam radiotherapy, have limitations in eliminating residual cancer cells while minimizing damage to healthy tissues. Porous yttrium-doped bioactive glass microspheres have attracted considerable interest as potential radionuclide carriers for internal radiation therapy owing to their bioactivity and porous structure. The pore architecture is a critical factor influencing surface area, radionuclide loading, and biological interactions. One practical approach to tailoring the pore structure is to regulate the amount of porogen incorporated during the fabrication process. This study investigated the effect of porogen ratio on the characteristics of porous yttrium-doped bioactive glass microspheres fabricated by flame spray spheroidization. Borate-based yttrium-doped bioactive glass powder was mixed with calcium carbonate (CaCO3) as a porogen at mass ratios of 3:1 and 4:1. The resulting microspheres were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). ImageJ was used to analyze microsphere size, pore size distribution, and surface porosity. The results demonstrated that all fabricated microspheres retained the amorphous structure characteristic of bioactive glass after the flame spray spheroidization process. Increasing the porogen ratio produced a more uniform microsphere size distribution and improved pore homogeneity. Microspheres prepared with a 4:1 porogen ratio exhibited a narrower pore size distribution, lower coefficient of variation and span values, and higher surface porosity than those fabricated with a 3:1 ratio. EDX analysis confirmed the presence of the principal constituent elements of the bioactive glass after fabrication, whereas variations in elemental composition among the samples were influenced by the limited sensitivity of EDX to light elements and the presence of residual porogen. XRD analysis further revealed residual CaCO3 crystalline phases in several samples, while the 4:1 specimen showed more effective porogen removal. The findings indicate that increasing the porogen ratio to 4:1 improves pore homogeneity while preserving the amorphous nature of yttrium-doped bioactive glass microspheres. The porogen ratio is therefore an important processing parameter for controlling microsphere morphology and pore architecture. These results provide useful insights for the development of porous yttrium-doped bioactive glass microspheres as radionuclide carriers for internal radiation therapy in bone cancer treatment.