SINTESIS NANOSFER BERBASIS FERROFLUID DAN POLY LACTIC ACID (PLA) DENGAN METODE SONIKASI
BRIGITA WIDYA HAPSARI
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2009
ALHAMDULILLAH… Puji syukur hanya kepada-Mu, Allah SWt… Karena kasih sayang-Mu tak pernah terputus untukku… Karena anugerah-Mu tak pernah berhenti, selalu datang kepadaku… Ketika aku lelah akan semua yang kulakukan… Ketika aku terjatuh dan sulit untuk bangkit… Ketika aku berpikir bahwa hal “itu” tak mungkin terjadi… Namun aku masih tetap percaya bahwa Engkau mampu mengubahnya… Karya ini kupersembahkan untuk Mama dan Papa… Yang menyayangiku tanpa syarat… Yang menjadi alasan utamaku untuk menjadi kuat… Yang paling kucintai… Setelah Allah SWT…
ABSTRAK
BRIGITA WIDYA HAPSARI. Sintesis Nanosfer Berbasis Ferrofluid dan Poly Lactic Acid (PLA) dengan Metode Sonikasi. Dibimbing oleh MERSI KURNIATI dan MUJAMILAH Pemanfaatan nanopartikel magnetik telah meluas di berbagai bidang, salah satu aplikasi nanopartikel magnetik yang sedang dikembangkan yaitu dalam bidang biomedis. Untuk dapat digunakan dalam bidang biomedis, nanopartikel magnetik harus bersifat biokompatibel dan biodegradabel. PLA digunakan untuk melapisi nanosfer sehingga dapat bersifat biokompatibel dan biodegradabel. Ukuran dalam skala nano dan distribusi ukuran yang homogen menjadikan nanopartikel magnetik dapat terdispersi stabil dalam tubuh, sehingga lebih efektif dalam pemanfaatannya. Komposisi yang terkontrol antara pelapis PLA dengan partikel magnetik oksida Fe (dalam penelitian ini digunakan ferrofluid sebagai sumber oksida Fe) juga merupakan hal yang perlu diperhatikan, hal ini terkait dengan sifat magnet nanopartikel yang harus cukup tinggi untuk aplikasi biomedis (misalnya sebagai pengontras MRI) namun juga masih harus dalam jangkauan yang dapat diterima tubuh. Dalam proses pembuatan nanopartikel magnetik ini melibatkan proses pembasahan (wetting), emulsifikasi dengan proses sonikasi dan evaporasi. Pada proses pembasahan ferrofluid dilarutkan dengan PLA sebagai fasa minyak, emulsifikasi yang terjadi dalam sonikasi merupakan proses mikroemulsi di mana fasa minyak terkungkung dalam fasa air, yang terdiri dari PVA (sebagai pengemulsi/stabilizer) dan aquadest. PVA kemudian dihilangkan melalui proses evaporasi, sehingga partikel yang terbentuk yaitu nanosfer dengan ferrofluid terlapis PLA dan berbentuk sphere. Parameter yang divariasikan adalah waktu sonikasi dalam proses emulsifikasi, yaitu 3, 4, 5, 6 dan 7 menit. Dari hasil analisis fasa dengan XRD, menunjukkan bahwa terjadi perubahan intensitas PLA menuju ketakteraturan, namun pergeseran fasa tidak terjadi pada PLA maupun Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid. Analisis distribusi ukuran dengan SEM menunjukkan bahwa semakin lama waktu sonikasi, distribusi ukuran nanopartikel cenderung mengecil dan semakin homogen. Dari analisis sifat magnetik dengan kurva histeresis VSM, terlihat bahwa nanopartikel magnetik memang sudah terlapisi polimer PLA, dengan adanya loading factor. Semakin lama waktu sonikasi, maka loading factor juga menurun, hal ini menunjukkan bahwa tidak semua nanopartikel terkungkung polimer PLA. Secara garis besar dari ketiga hasil karakterisasi tersebut, sampel dengan waktu sonikasi 4 menit paling optimal, dari segi ukuran, kehomogenan dan sifat magnetiknya, di mana loading factor-nya mencapai 40 %.
Kata kunci : biokompatibel, biodegradabel, ferrofluid, emulsifikasi, evaporasi, peak, loading factor
SINTESIS NANOSFER BERBASIS FERROFLUID DAN POLY LACTIC ACID (PLA) DENGAN METODE SONIKASI
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sajana Sains pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Oleh:
Brigita Widya Hapsari
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2009
Judul Nama NRP
: Sintesis Nanosfer Berbasis Ferrofluid dan Poly Lactic Acid (PLA) dengan Metode Sonikasi : Brigita Widya Hapsari : G74050919
Menyetujui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Mersi Kurniati, M.Si NIP. 19681117 199802 2 001
Dra. Mujamilah, M.Sc NIP. 19640311 198810 2 001
Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. drh. Hasim, DEA NIP. 19610328 198601 1 002
Tanggal Lulus :
KATA PENGANTAR Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Rabb yang telah melimpahkan nikmat iman dan islam. Sholawat serta salam semoga tetap tercurahkan kepada suri tauladan, Rosulullah Muhammad SAW. Merupakan suatu anugerah yang berlimpah, karya ini akhirnya dapat diselesaikan. Skripsi ini berjudul Sintesis Nanosfer Berbasis Ferrofluid dan Poly Lactic Acid (PLA) dengan Metode Sonikasi. Dalam prosesnya, penulis tidak lepas dari peran berbagai pihak, dalam kesempatan ini penulis ingin menghaturkan terima kasih kepada : 1. Mama dan Papa yang doa, nasehat, kasih sayang dan motivasinya tidak pernah terputus untuk penulis. 2. Ibu Mersi Kurniati, M. Si. selaku pembimbing I yang telah membimbing penulis dengan penuh kesabaran. Terima kasih atas nasehat dan motivasinya. 3. Ibu Dra. Mujamilah, M. Sc., pembimbing II atas bimbingan, nasehat, keceriaan, senyum yang selalu bersemangat. Terima kasih sudah diberi kesempatan untuk belajar banyak hal dari Ibu. 4. Ibu Dra. Grace, M. Sc dan bapak Dr. Ridwan atas ilmu dan pengalaman tak terlupakan di lab. 5. Bapak Drs. M. Nur Indro, M. Sc atas nasehat, bimbingan dan motivasinya. 6. Bapak Faozan Ahmad, M.Si atas bimbingan dan kesabarannya dalam menghadapi penulis. 7. Bapak/Ibu dosen fisika, Bapak Irzaman, Bapak Dahlan, Bapak Irmansyah, Bapak Husin, Bapak Indro, Bapak Sidik, Bapak Faozan, Bapak Jamil, Bapak Akhir, Ibu Mersi, Ibu Anik, Ibu Yessie, Bapak Agus, Bapak Mahfuddin, Bapak Hanedi, Bapak Edward, Bapak Jajang, Bapak Umar, Bapak Ardian, Bapak Amin, Bapak Doddy terima kasih atas ilmunya. 8. PTBIN-BATAN, atas ijin dan bantuan bagi penulis dari awal hingga akhir. 9. Staff Batan yang telah banyak membantu : Bapak Yosef (XRD), Bapak Adel (VSM), Ibu Ari (SEM), Bapak Sumardjo (Freeze Drying), dan segenap staff Batan di gedung 42, 43 dan 71, Keluarga besar bis Batan. Terima kasih atas ilmu, keceriaan dan pengalamannya. 10. Departemen Fisika IPB, terutama kepada Bapak Firman, Bapak Maulana, Bapak Asep, Bapak Jun, Ibu Dini. 11. Mba Lina, yang membuka jalan bagi penulis, yang juga merupakan tempat sandaran bagi penulis, terima kasih atas doa, motivasi dan keceriaannya. 12. Mba Fina dan si kecil yang belum bernama, yang senantiasa mendoakan penulis. 13. Mas Igun, terima kasih atas kasih sayang, doa, motivasi, dan kesabarannya untuk mendampingi penulis. 14. Teman seperjuangan di Batan : Amel, Eka dan Sary, terima kasih motivasi dan kerja samanya. 15. Fisika 42 : ais, wenny, nanny, neneng, dewi, eka, nita, linda, mena, lili, jessi, amel, mitha, oby, astri, niken, faiz, pipit, cinot, ahmad, agung, ario, aji, andri, fahmi, azam, dahrul, hasan, deni, mahe, cucu, dhian, roni, andre, hartip, radot, azki, izal, terima kasih atas keceriaannya. 16. Harmony home family: pungky, niken, resty, nisa, mba ine dan mba wid atas motivasi dan keceriaannya. 17. Fisika 40, fisika 41 khususnya mba rahmi, ka TB, ka Aep terima kasih ilmunya, fisika 43 terima kasih keceriaannya. 18. Seluruh pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu, terima kasih dan mohon maaf atas perbuatan yang kurang berkenan. Semoga karya ini dapat bermanfaat. Bogor, Juli 2009 Brigita Widya Hapsari
DAFTAR RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Gresik pada tanggal 8 April 1987 sebagai putri kedua dari pasangan Tri Siwi Hermanu Adji dan Tinuk Atminiati. Penulis menyelesaikan pendidikan dasar di SD Negeri II Randuagung Gresik pada tahun 1999, pendidikan menengah tingkat pertama di SLTP Negeri 1 Gresik 2002, dan melanjutkan ke SMA Negeri 1 Gresik. Pada tahun 2005, penulis diterima di Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Pada tahun kedua penulis masuk jurusan mayor Fisika, Fakultas Matemetika dan Ilmu Pengetahuan Alam dengan minor Tumbuh Kembang Anak, IKK. Selama menempuh pendidikan di IPB, penulis sempat mengikuti beberapa kegiatan kepanitiaan, seperti Event Organizer (EO) tingkat Nasional diantaranya Pesta Sains Nasional (Kompetisi Fisika)2006-2007, The 2007 Regional Symposium on Biophysics and Medical Physics 2007, Workshop on Theoretical Physics 2K8.
DAFTAR ISI Halaman
.
DAFTAR TABEL.................................................................................................... DAFTAR GAMBAR................................................................................................ DAFTAR LAMPIRAN............................................................................................
viii ix x
PENDAHULUAN...................................................................................................... Latar Belakang........................................................................................... Hipotesis..................................................................................................... Perumusan Masalah.................................................................................... Tujuan Penelitian........................................................................................ Manfaat Penelitian......................................................................................
1 1 2 2 2 3
TINJAUAN PUSTAKA.............................................................................................. Ferrofluid…………………………………………………………………. Polimer Polilaktat (PLA)…….…………………………………………… Polimer Polyvinil Alkohol (PVA)………………………........................ Metode Emulsi…………………………………………………………… Metode Sonikasi………………………………………………………… Identifikasi Fasa dengan XRD…………………….…………………….. Mikrostruktur Fasa dengan SEM…………………………………………. Identifikasi Sifat Magnetik dengan VSM….……………………………...
3 3 4 5 5 6 7 7 8
BAHAN DAN METODE .......................................................................................... Waktu dan Tempat Penelitian.................................................................... Alat dan Bahan............................................................................................. Metode Penelitian........................................................................................ Sintesis.................................................................................................. Ferrofluid.................................................................................. Nanosfer berbasis Ferrofluid dan PLA...................................... Karakterisasi.......................................................................................... Karakterisasi Fasa dengan XRD................................................ Karakterisasi Morfologi dan Distribusi Ukuran dengan SEM.. Karakterisasi Sifat Magnetik dengan VSM...............................
8 8 8 9 9 9 9 9 9 10 10
HASIL DAN PEMBAHASAN.................................................................................... Sintesis Partikel Magnetik Terlapis Polilaktat (PLA).................................. Analisis Fasa Nanopartikel Magnetik Menggunakan XRD......................... Analisis Distribusi Ukuran dengan SEM..................................................... Kurva Histeresis dan Analisis Sifat Magnetik dengan VSM.......................
10 10 11 12 16
KESIMPULAN............................................................................................................ SARAN......................................................................................................................... DAFTAR PUSTAKA................................................................................................... LAMPIRAN................................................................................................................. .
18 19 19 21
DAFTAR TABEL Halaman 1. 2. 3.
Respon Magnetik beberapa Fasa Oksida Fe........................................................ Sifat kristal dan magnetik dari -Fe2O3 dan Fe3O4............................................. Perlakuan sampel dengan karakterisasi...............................................................
4. 5.
Ukuran Nanosfer pada berbagai variasi waktu Sonikasi..................................... Nilai Magnetisasi Saturasi (Ms) dan Medan Koersiv (Hc) pada berbagai variasi waktu........................................................................................................
3 3 9 16 18
DAFTAR GAMBAR Halaman 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.
Inovasi baru dalam Drug Delivery System menggunakan mikrosfer, yang dikontrol dengan medan magnet menuju sel sasaran (tumor atau kanker).......... Foto TEM ferrofluid dengan perbesaran 150.000 x........................................ Ferrofluid dengan surfaktan................................................................................ Kurva Histeresis.................................................................................................. Skema Domain terkait Ukuran Partikel.............................................................. Struktur PLA...................................................................................................... Struktur PVA....................................................................................................... Asam oleat menstabilkan permukaan nanopartikel magnetik............................. Skema Proses Emulsifikasi.................................................................................. Proses rapatan dan regangan dalam kaitannya dengan osilasi kavitasi............... Prinsip pada Tabung Sinar-X............................................................................. Hukum Bragg...................................................................................................... Skema SEM........................................................................................................ Skema Prinsip Kerja VSM.................................................................................. Hubungan persentase tiap gram massa dengan waktu sonikasi.......................... Pola XRD ferrofluid sebelum proses pelapisan.................................................. Pola XRD komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 1000 rpm.................................................. Pola XRD komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 5000 rpm.................................................. SEM Nanopartikel Magnetik dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 1000 rpm dengan perbesaran 10.000 x............................................ SEM Nanopartikel Magnetik dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 5000 rpm dengan perbesaran 20.000 x............................................ SEM Nanopartikel Magnetik dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 9000 rpm dengan perbesaran 20.000 x............................................ Hubungan waktu Sonikasi dengan diameter Nanosfer........................................ Kurva Histeresis Ferrofluid................................................................................. Kurva Histeresis komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 1000 rpm........................................
25. Kurva Histeresis komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 5000 rpm........................................ 26. Kurva Histeresis komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 9000 rpm........................................ 27. Hubungan waktu Sonikasi dengan Magnetisasi.........................................
1 3 4 4 4 4 5 5 5 6 7 7 8 8 11 12 12 12 13 14 15 16 17 17 17 17 18
DAFTAR LAMPIRAN Halaman 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Flow Chart Penelitian.......................................................................................... Skema Penelitian………………………............................................................. Alat Penelitian..................................................................................................... Komposisi massa setelah proses sonikasi............................................................ Pola XRD nanosfer berbasis PLA dan ferrofluid................................................ Pola XRD Fe3O4 dari JCPDS-ICDD................................................................... Pola XRD γ-Fe2O3 dari JCPDS-ICDD............................................................... Kurva Histeresis Nanosfer berbasis PLA dan ferrofluid.....................................
22 23 24 25 26 28 28 29
PENDAHULUAN Latar Belakang Material dalam skala nano dalam beberapa dekade terakhir ini menjadi sangat menarik, dan telah memiliki banyak metode sintesis yang dikembangkan. Berbagai penelitian yang dilakukan dengan sangat cermat terus menerus dilakukan. Penelitian dilakukan berdasar pada pemikiran/ide yang sangat sederhana, yaitu menyusun sebuah material yang terdiri atas blok-blok partikel homogen dengan ukuran nanometer. Hasilnya sebuah material baru lahir dengan sifat-sifat fisis yang berbeda dari material penyusunnya. Hal ini memicu perkembangan material nanopartikel di segala bidang dengan memanfaatkan ide yang sangat sederhana tersebut (Kortshagen, 2009). Salah satu pemanfaatan nanopartikel adalah dalam bidang biomedis, yang harus memenuhi tuntutan dispersi stabil dalam larutan fisiologis sehingga memudahkan sistem transport dalam darah agar partikel yang akan disisipkan dapat mencapai target dalam jaringan tubuh yang berukuran mikron atau nanometer (Ariyandi et al., 2007). Nanopartikel magnetik memiliki ukuran yang dapat dikontrol dalam pembentukannya dari ukuran 1 nanometer hingga mikrometer. Ukuran nanopartikel yang sebanding dengan sel (10-100 μm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm) atau gen (2 nm lebar dan 10-100 nm panjang) menjadikannya dapat berinteraksi dengan satuan biologi, sehingga dapat digunakan lebih lanjut sesuai dengan kebutuhan (Pankhurst et al., 2003). Dalam aplikasi di bidang biomedis ini, nanopartikel dapat digunakan sebagai pengontras dalam teknik diagnosa Magnetic Resonance Imaging (MRI) (Mujamilah, 2008), sistem penghantaran obat (Drug Delivery System, DDS), serta manipulasi suhu dalam hipertermia (Duncan et al., 2004). Sebagai pengontras, nanopartikel magnetik yang memiliki momen magnetik dapat mempengaruhi daerah sekitar sel sehingga menimbulkan kontras yang lebih tinggi. Dengan adanya bahan magnetik maka sistem penghantaran obat dapat dikendalikan dari luar dengan pemberian medan magnet eksternal (Duncan et al., 2004). Dalam hipertermia, nanopartikel magnetik dapat digetarkan oleh suatu medan magnet AC dengan frekuensi tertentu, sehingga akan dapat memanaskan jaringan sasaran ke suatu nilai suhu tertentu yang diinginkan, misalkan untuk terapi kanker, suhu jaringan perlu dipertahankan pada 42oC selama 30 menit
maka sel kanker akan hancur (Pankhurst et al., 2003). Besi (Fe), nikel (Ni), dan kobal (Co) merupakan bahan magnet yang memiliki momen magnet tinggi namun bersifat racun (toxic). Magnetite (Fe3O4) dan maghemite ( -Fe2O3) dalam jumlah tertentu merupakan fasa oksida Fe dengan sifat magnet yang masih dapat diterima oleh tubuh dan bersifat biokompatibel (Pankhurst et al., 2003). Selain itu, Fe2+ juga terdapat dalam darah (hemoglobin) (Perutz, 1978). Karena alasan inilah nanosfer magnetik berbasis oksida Fe (Fe3O4/ -Fe2O3) akan digunakan. Penggunaan nanosfer magnetik dalam bidang biomedis terutama untuk in vivo harus memenuhi persyaratan tertentu, diantaranya tidak bersifat racun (non-toxic), terdispersi stabil dalam larutan, dan memiliki sifat magnetik yang masih dalam jangkauan yang diterima tubuh namun tidak melupakan fungsinya sebagai aplikasi biomedis. Sifat non-toxic dapat diperoleh dengan penggunaan polimer yang biodegradabel dan biokompatibel sebagai pelapis nanosfer magnetik, seperti yang terlihat pada Gambar 1 (Harris, 2002). Alasan penggunaan polimer Polilaktat (PLA) sebagai pelapis adalah karena PLA merupakan komponen organik yang tidak bersifat racun (nontoxic), memiliki kemampuan yang baik dalam pertukaran ion dalam strukturnya (Sudaryanto, et al., 2007), serta merupakan pelapis yang akan menjadikan sumber Fe terdispersi stabil dalam larutan (Sudaryanto, 2008).
Gambar 1 Inovasi baru dalam Drug Delivery System menggunakan mikrosfer, yang dikontrol dengan medan magnet menuju sel sasaran (tumor atau kanker).
2
Pelapisan dengan polimer biodegradabel PLA akan membuat nanopartikel berinteraksi dengan satuan biologi dan dapat dikenali serta dialamatkan pada jaringan sasaran (Pankhurst et al., 2003). Oleh karena itu upaya pelapisan dengan PLA biodegradabel merupakan hal yang sangat menarik untuk dilakukan. Distribusi ukuran nanosfer juga tidak kalah penting dalam aplikasi biomedis. Nanosfer yang homogen akan lebih terdispersi stabil dalam larutan tubuh. Dalam fungsinya sebagai penyampai obat, sifat magnetik dari materi harus optimal, cukup tinggi untuk DDS namun masih dapat diterima tubuh dan dapat digunakan sebagai pengontras MRI (Duncan et al., 2004), sehingga penggunaan Fe3O4/ -Fe2O3 dengan komposisi yang tepat, berukuran kecil serta homogen akan semakin mengoptimalkan aplikasi biomedis. Terdapat beberapa metode dalam pembentukan materi nanopartikel. Penggunaan gelombang ultrasonik dalam pembentukan materi berukuran nano merupakan salah satu metode yang sangat efektif. Kavitasi yang muncul akibat gelombang ultrasonik merupakan proses pecahnya gelembung pada fluida akibat penurunan tekanan secara tiba-tiba dalam suhu konstan (Brennen, 1995). Kavitasi tersebut dapat mengkonsentrasikan energi yang terdifusi oleh gelombang suara dan menghasilkan efek yang kemudian dimanfaatkan dalam berbagai macam aplikasi. Efek ini juga dapat dimanfaatkan dalam reaksi kimia yang lebih dikenal dengan sonokimia. Ultrasonik merupakan salah satu alat yang umum digunakan dalam sintesis material nano di mana ukuran partikel diharapkan dapat dikendalikan dari berbagai parameter-parameter proses sonikasi yang menggunakan prinsip dasar gelombang ultrasonik dalam kaitannya dengan pembentukan kavitasi (Suslick, 1994). Dalam penelitian sebelumnya, telah dilakukan upaya pembuatan partikel PLA dengan menggunakan mixer yang menghasilkan partikel berukuran mikrometer (Mou, 2003), kemudian dilakukan pembuatan partikel berbasis PLA dan oksida besi dengan kombinasi penggunaan mixer dan ultrasonik yang ternyata masih menghasilkan komposisi yang belum terkontrol dengan ukuran ± 500 nm (Afandi et al., 2007). Dari penelitian tersebut, dilakukan upaya untuk memperkecil ukuran partikel dan menjadikannya homogen dalam pembuatan partikel PLA dengan ultrasonik dengan variasi waktu (Ariyandi et al., 2007). Komposisi yang
terkontrol ternyata dapat dicapai dengan penggunaan sumber Fe liquid (ferrofluid) menggunakan ultrasonik (Yulianti, 2008). Dalam penelitian ini, dengan menggunakan variabel tetap dari penelitian sebelumnya yang menunjukkan hasil yang paling optimal dan didukung dengan penggunaan ultrasonik diharapkan nanosfer dapat berukuran kecil dan homogen. Sumber Fe yang berupa ferrofluid diharapkan dapat semakin mengoptimalkan pencapaian ukuran yang lebih kecil dan homogen. Semakin lama waktu sonikasi, diharapkan seluruh partikel mendapatkan energi yang sama besar sehingga ukuran partikel hasilnya akan menjadi homogen. Pembuatan nanosfer magnetik berbasis ferrofluid dan PLA ini dilakukan dengan proses emulsifikasi menggunakan ultrasonik. Pengaruh kondisi sonikasi yakni waktu sonikasi (emulsifikasi) terhadap ukuran dan kehomogenan partikel akan dipelajari. Selanjutnya nanosfer magnetik akan dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD) untuk identifikasi fasa sampel, Scanning Electron Microscope (SEM) untuk mengetahui morfologi dan distribusi ukuran sampel serta Vibrating Sample Magnetometer (VSM) untuk mengetahui sifat magnetiknya. Hipotesis 1. Metode sonikasi dan penggunaan ferrofluid diharapkan akan menghasilkan nanosfer magnetik dengan komposisi yang terkontrol. 2. Dengan peningkatan waktu sonikasi, diharapkan akan semakin memperkecil ukuran dan meningkatkan kehomogenan nanosfer magnetik. Perumusan Masalah Penelitian ini difokuskan pada pengaruh variasi waktu sonikasi dalam proses emulsifikasi nanosfer magnetik berbasis ferrofluid dan PLA terhadap komposisi yang terkontrol, ukuran serta tingkat kehomogenan nanosfer magnetik. Tujuan Penelitian Tujuan umum penelitian ini adalah sintesis dan karakterisasi nanosfer magnetik berbasis ferrofluid dan PLA dengan PVA sebagai stabilizer. Sedangkan tujuan khusus dari penelitian ini adalah : 1. Mensintesis partikel magnetik berbasis ferrofluid dan polimer Polilaktat (PLA).
3
2. Menganalisis sifat magnetik sebelum dan sesudah dipadukan dengan polimer PLA. 3. Mempelajari efek parameter berupa waktu proses sonikasi (emulsifikasi). Hasil yang diharapkan adalah terbentuknya nanosfer yang homogen, komposisi terkontrol, serta ukuran semakin kecil dapat diperoleh dengan peningkatan waktu sonikasi.
Tabel 2. Sifat kristal dan magnetik dari -Fe2O3 dan Fe3O4. (Harris, 2002)
Manfaat penelitian Nanosfer magnetik berbasis ferrofluid dan PLA yang dihasilkan dari penelitian ini akan digunakan dalam aplikasi biomedis yang lebih lanjut dapat digunakan dengan materi lain sesuai kebutuhan.
TINJAUAN PUSTAKA Ferrofluid Ferrofluid merupakan larutan magnetik yang dibuat dari partikel magnetik berukuran nano (± 10 nm) —berbentuk agak bulat, tersusun dari besi atau besi oksida— seperti ditunjukkan pada Gambar 2, yang terdispersi dalam larutan dan membentuk koloid stabil. Ferrofluid tersusun dari partikel magnetik single domain dalam larutan non-magnetik (Ewijk et al., 2002). Terdapat beberapa bahan magnetik di alam, di antaranya Fe, Co, dan Ni yang memiliki sifat magnetik tinggi namun juga memiliki toksisitas yang tinggi. Ion Fe2+/Fe3+ merupakan salah satu bahan magnetik yang dapat dikenali tubuh karena terdapat dalam hemoglobin dan dapat bersifat non-toksik hingga jumlah tertentu. Sebagai oksida, Fe dapat mempunyai beberapa bentuk fasa di antaranya yaitu FeO, α-Fe2O3, -Fe2O3 dan Fe3O4. Pada Tabel 1 ditampilkan respon magnetik fasa-fasa oksida diatas dan pada Tabel 2 sifat kristal dan magnetik dari -Fe2O3 dan Fe3O4. Terlihat bahwa di antara beberapa fasa Fe, magnetite dan hematite memiliki sifat magnetik yang tinggi, oleh karena itu magnetite (Fe3O4) dan maghemite ( -Fe2O3) lebih optimal digunakan dalam aplikasi biomedis (Harris, 2002). Tabel 1. Respon magnetik beberapa fasa oksida Fe (Harris, 2002).
Gambar 2 Foto TEM ferrofluid dengan perbesaran 150.000 x (Yulianti, 2008) Ferrofluid dalam pembuatannya membutuhkan surfaktan (surface active substance) untuk membuat permukaan besi oksida bersifat hidrofobik, yang dapat menjadikannya terdispersi tanpa membutuhkan energi mixing yang besar dari sonikasi. Surfaktan memiliki sisi hidrofilik dan sisi hidrofobik, maka ketika surfaktan melapisi permukaan besi oksida, sisi hidrofilik yang polar akan menempel pada permukaan besi oksida, sedangkan sisi hidrofobik yang non-polar akan menempel pada pelarutnya, sehingga besi oksida yang awalnya memiliki sifat mudah teroksidasi akan menjadi stabil dan membentuk magnetic fluid atau ferrofluid yang secara skematik ditunjukkan pada Gambar 3. Surfaktan akan mencegah terjadinya aglomerasi. Surfaktan harus sesuai sebagai tipe pembawa dan harus dapat mengatasi gaya magnet antar partikel. Ferrofluid dengan asam oleat sebagai surfaktan merupakan larutan oil base yang juga akan larut pada larutan yang bersifat oil base misalnya kloroform. (Leamy, 2003). Untuk memenuhi tuntutan aplikasi biomedis, maka partikel yang digunakan haruslah bersifat superparamagnetik yang akan bersifat magnet jika terdapat medan magnet luar, dan akan bersifat non-magnetik
4
Kristal Fe3O4 Molekul Asam Oleat +
Gambar 3 ferrofluid dengan surfaktan. ketika medan magnet dihilangkan. Sifat superparamagnetik akan dimiliki Fe3O4/ -Fe2O3 dalam ukuran nano. Hal ini terkait dengan konsep domain dan multidomain. Dalam ukuran besar, partikel akan tersusun dalam struktur multi domain. Domain di sini didefinisikan sebagai satu dari beberapa daerah muatan magnetik dalam materi yang terdiri dari atom bermuatan dan bersama menentukan sifat magnet dengan susunannya. Domain ini memiliki dinding yang memisahkannya dengan daerah tetangganya, domain akan termagnetisasi spontan seragam dan berbeda dengan daerah tetangganya (Mifflin, 2009). Di bawah pengaruh medan magnet luar, H momen magnet dalam domain ini akan terarah sesuai arah medan magnet H dan pada kondisi maksimal/jenuh akan memberikan nilai magnetisasi saturasi, Ms. Pada saat medan magnet luar dihilangkan akan tersisa magnetisasi sebesar MR (magnetisasi remanence). Untuk mencapai nilai M = 0 diperlukan medan balik sebesar HC (medan koersif). Partikel berukuran nano hanya dapat memiliki satu domain (single domain particle) tiap partikelnya. Domain ini akan terarah secara independen terhadap domain lain atau tidak terjadi interaksi antar domain sehingga domain lebih mudah diarahkan dengan medan magnet luar. Demikian juga pada waktu medan magnet luar dihilangkan, maka keterarahan akan lebih mudah hilang, dengan kata lain MR dan HC mendekati nol (Harris, 2002). Sifat magnet di atas dijelaskan pada Gambar 4 dan 5.
Gambar 5 Skema domain terkait ukuran partikel (Harris, 2002) Polimer Polilaktat (PLA) PLA merupakan polimer sintetik yang dihasilkan dari pembukaan cincin laktida menggunakan katalis PbO, SbF, atau Sb2O3 secara perlahan dengan suhu 100-130oC. Polimer ini tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik seperti kloroform dan diklorometana. Proses terjadi melalui pemutusan ikatan pada sambungan ester dari tulang punggung polimer. Struktur PLA ditunjukkan pada Gambar 6 (Alger, 1989). Polimer ini sangat efektif digunakan dalam aplikasi biomedis karena dapat didegradasi oleh proses hidrolisis dalam tubuh (biodegradabel), dan dalam waktu sekitar satu bulan akan diabsorbsi sehingga tidak meracuni tubuh (biokompatibel). Selain itu PLA dapat digunakan dalam targeted jaringan sasaran pengobatan dalam tubuh, sehingga pelepasan obat secara bertahap dapat dikendalikan dalam jangka waktu yang dapat dikendalikan. Telah banyak aplikasi PLA dalam biomedis, diantaranya : pembuatan organ buatan, benang bedah, dan sebagainya (Sudaryanto et al., 2007).
Gambar 6 Struktur PLA
Gambar 4 Kurva Histeresis
5
Polimer Polyvynil Alcohol (PVA) Polyvynil Alcohol adalah polimer yang terbentuk dari vinil alkohol. Ketika banyak vinil alkohol terhubung secara bersama membentuk polimer PVA yang panjang, yang ditunjukkan pada Gambar 7 (Mifflin, 2009). PVA berfungsi sebagai surfaktan yang membuat emulsi berjalan efektif. Gugus hidroksi dari PVA yang bersifat polar akan berikatan dengan molekul air, sedangkan rantai vinilnya yang bersifat non polar akan berikatan dengan molekul kloroform sehingga emulsi menjadi lebih stabil. Dalam penelitian ini PVA digunakan sebagai stabilizer atau pengemulsi. PVA digunakan untuk memisahkan antar bahan partikel magnetik yang terlapis polimer polilaktat (PLA) (Afandi et al., 2007). Metode Emulsi Metode emulsi merupakan metoda penggabungan antara dua atau lebih fluida yang immiscible (tidak tercampur secara sempurna) (Hielscher, 2005). Dalam emulsi terdapat dua fasa atau lebih, misalnya fasa air dan minyak. Fluida fasa pertama akan terdispersi dalam fluida fasa kedua dan membentuk koloid. Emusi air dalam minyak terbentuk ketika partikel air disebarkan (didispersikan) dalam minyak. Sedangkan emulsi minyak dalam air terbentuk ketika partikel minyak disebarkan (didispersikan) dalam air, hal ini tergantung dari perbandingan volume antar kedua fasa tersebut. Terdapat banyak produk industri yang merupakan emulsi minyak dalam air (o/w) atau air dalam minyak (w/o), diantaranya susu (o/w), mentega (w/o), cat latex (o/w), bahan dasar lantai (o/w), dan berbagai produk kosmetik dan medis. Untuk menjadikan emulsifikasi berjalan efektif, maka diperlukan pengemulsi atau surfaktan (surface active substance) dalam proses tersebut (Sudaryanto et al., 2007).
Emulsi dapat dibuat dengan mengocok bersama dua fluida atau dengan penambahan tetes demi tetes fluida dengan fasa tertentu ke fluida lain yang berbeda fasa dengan beberapa gangguan, seperti irradiasi oleh gelombang ultrasonik dengan intensitas yang tinggi. Instensitas ultrasonik menghasilkan daya yang diperlukan untuk membubarkan fasa fluida (fasa terdispersi) dalam fasa kedua (Hielscher, 2005). Dalam penelitian ini proses emulsi minyak dalam air digunakan untuk membentuk nanosfer magnetik berbasis oksida besi-PLA. Dalam hal ini PLA dan ferrofluid berperan sebagai fasa minyak (fasa 1), sedangkan PVA dan aquadest berperan sebagai fasa air (fasa 2). Dalam pembentukan ferrofluid diperlukan penstabil (surfaktan) agar dapat larut dan membentuk fasa minyak, salah satu pelarutnya adalah kloroform yang mana agar dapat larut di dalamnya, surfaktan yang tepat digunakan adalah asam oleat, permukaan nanopartikel magnetik distabilkan dengan asam oleat seperti pada Gambar 8 sehingga tidak mudah teroksidasi dan dapat larut dalam kloroform. Skema proses emulsifikasi ditunjukkan pada Gambar 9. Dalam proses emulsifikasi dengan menggunakan metode sonikasi, terbentuk gelembung yang mengembang-kempis, menyerap dan melepaskan energi sehingga nanopartikel magnetik dalam fasa minyak akan sehingga menjadi kecil (skala nanometer). Dengan penggunaan surfaktan, maka terbentuk emulsi stabil antara dua fasa dan terbentuklah nanopartikel.
Gambar 8 Asam oleat menstabilkan permukaan nanopartikel magnetik
Gambar 7 Struktur PVA Fasa 1
Fasa 2
Gambar 9 Skema proses emulsifikasi
6
Metode Sonikasi Gelombang ultrasonik merupakan gelombang longitudinal yang memiliki frekuensi 20 kHz ke atas. Gelombang ultrasonik merupakan rambatan energi dan momentum mekanik, sehingga membutuhkan medium untuk merambat sebagai interaksi dengan molekul. Medium yang digunakan antara lain padat, cair dan gas (Tipler, 1990). Penggunaan gelombang ultrasonik (sonikasi) dalam pembentukan materi berukuran nano sangatlah efektif. Gelombang ultrasonik banyak diterapkan pada berbagai bidang antara lain dalam instrumentasi, kesehatan dan sebagainya. Salah satu yang terpenting dari aplikasi gelombang ultrasonik adalah pemanfaaatannya dalam menimbulkan efek kavitasi akustik. Efek ini akan digunakan dalam pembuatan bahan berukuran nano dengan metode emulsifikasi (Nakahira, 2007). Ketika gelombang ultrasonik menjalar pada fluida, terjadi siklus rapatan dan regangan. Tekanan negatif yang terjadi ketika regangan menyebabkan molekul dalam fluida tertarik dan terbentuk kehampaan, kemudian membentuk gelembung yang akan menyerap energi dari gelombang suara sehingga dapat memuai. Gelembung berosilasi dalam siklus rapatan dan regangan seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 10. Selama osilasi, sejumlah energi berdifusi masuk atau keluar gelembung. Energi masuk terjadi ketika regangan dan keluar ketika rapatan, di mana energi yang keluar lebih kecil daripada energi yang masuk, sehingga gelembung memuai sedikit demi sedikit selama regangan kemudian menyusut selama rapatan. Ukuran kritis gelembung ini disebut ukuran resonan yang tergantung pada fluida dan frekuensi suara. Dalam kondisi ini, gelembung tidak dapat lagi menyerap energi secara efisien. Tanpa energi input, gelembung
Sound pressure
Compression waves
Changes in bubble size time
Gambar 10 Proses rapatan dan regangan dalam kaitannya dengan osilasi kavitasi.
tidak dapat mempertahankan dirinya, fluida di sekitarnya akan menekannya dan gelembung akan mengalami ledakan hebat, yang menghasilkan tekanan sangat besar hingga dianalogkan dengan tekanan di dasar lautan dan suhu yang sangat tinggi dianalogkan dengan suhu pada permukaan matahari. Gelembung inilah yang disebut sebagai gelembung kavitasi. Fenomena kavitasi ini terjadi pada satu titik dalam fluida. Tekanan dalam kavitasi diubah menjadi panas dengan sangat cepat, sedangkan fluida di sekitar kavitasi memiliki suhu yang jauh lebih rendah. Ketika panas dilepaskan saat kavitasi pecah, fluida di sekitarnya akan dengan sangat cepat mendingin dalam waktu kurang dari mikrosekon. Pemanasan dan pendinginan dalam waktu yang singkat ini memiliki kecepatan perubahan suhu 109 oC/s. Aliran turbulen dan gelombang kejut akibat kavitasi menyebabkan terjadinya tumbukan antar partikel dan pemanasan lokal pada titik tumbukan (Suslick, 1994). Dalam penelitian ini, efek kavitasi digunakan dalam proses emulsifikasi yang melibatkan polimer di dalamnya. Efek ultrasonik pada polimer adalah pemutusan dan pembentukan ikatan, sehingga memungkinkan terjadi perubahan struktur. Dalam proses kavitasi terbentuk gelembung yang berasal dari salah satu fasa yang didispersikan dalam fasa yang lain, di mana gelembung kavitasi merupakan fasa minyak yang didispersikan dalam fasa air karena memiliki volume yang lebih rendah. Dengan efek pecahnya kavitasi, maka emulsifikasi yang disebabkan oleh penjalaran ultrasonik akan efektif dengan terdispersinya fasa minyak yang mengandung agregat nanosfer dalam fasa air, sehingga nanosfer yang telah terbentuk dapat terdispersi stabil. Bentuk dan ukuran gelembung akan mempengaruhi bentuk dan ukuran nanopartikel yang terbentuk (Hielscher, 2005). Gelombang kejut dapat memisahkan penggumpalan partikel (agglomeration) dan terjadi dispersi sempurna dengan penambahan pengemulsi/surfaktan sebagai penstabil. Ukuran gelembung kavitasi saat kesetimbangan (R0) terkait dengan proses ultrasonik dipengaruhi oleh beberapa parameter, diantaranya waktu (t), tekanan akustik (PA), kerapatan fluida (ρ), jarak radial (r), viskositas fluida (μ) dan frekuensi angular resonansi radial (ωr) yang ditunjukkan dengan Persamaan 1. Dalam penelitian ini, parameter yang dipelajari keterkaitannya
7
dengan ukuran gelembung kavitasi yaitu waktu sonikasi. (1) Persamaan di atas sesuai dengan persamaan dasar gelombang teredam, dan adanya elemen frekuensi angular resonansi radial (ω) menunjukkan bahwa dalam sistem juga terjadi resonansi (Neppiras, 1980). Dalam proses sonikasi terjadi siklus peredaman gelombang di mana terjadi penurunan energi mekanik terhadap waktu dan resonansi, ketika frekuensi gelombang mendekati frekuensi gelembung kavitasi ( ), gelembung akan pecah (Tipler, 1990). Suspensi dalam larutan menghasilkan kecepatan tumbuk antar partikel yang dapat merubah morfologi permukaan, komposisi, dan reaktivitas (Suslick, 1990). Semakin lama proses sonikasi ini akan menyamaratakan energi yang diterima partikel di seluruh bagian sisi larutan, sehingga ukuran partikel semakin homogen. Identifikasi Fasa dengan XRD Fasa sampel ditentukan dengan teknik difraksi sinar-X (X-Ray Diffraction) menggunakan emisi (pemancaran) gelombang elektromagnet yang dihasilkan dari tumbukan antara elektron dan sasaran, di antaranya Cr, Fe, Co, Cu, Mo atau W (Cullity, 1956). Ketika foton sinar-X bertumbukan dengan elektron, beberapa foton hasil tumbukan akan mengalami pembelokan dari arah datang awal. Pada Gambar 11 terlihat bahwa sinar-X didistribusikan secara kontinyu dan spesifik untuk setiap panjang gelombang sasaran. Sinar-X ini yang digunakan untuk pengukuran sebagai hamburan sinar-X yang membawa informasi distribusi elektron dalam material. Struktur sampel yang dapat dianalisis meliputi kekristalan, parameter kisi, dan orientasi khusus. Analisis ini juga digunakan untuk mengidentifikasi campuran sampel yang berada pada fasa semi kuantitatif. Ketika sinar-X ditransmisikan, sampel dapat terkarakterisasi. Hal ini menunjukkan bahwa sinar-X akan diubah dan diserap menjadi beberapa bentuk energi (Connolly, 2007).
Gambar 11 Prinsip pada Tabung Sinar-X
Gambar 12 Hukum Bragg Interaksi sinar-X dengan sampel menimbulkan difraksi sekunder yang dihubungkan dengan jarak interplanar dalam serbuk kristal sesuai dengan Hukum Bragg pada Persamaan 2 yang mengacu pada Gambar 12 : (2) di mana merupakan bilangan bulat, merupakan panjang gelombang sinar-X, merupakan jarak interplanar penyebab difraksi, merupakan sudut difraksi. Besaran dan dihitung dalam satuan yang sama (pada umumnya dalam angstroms) (Cullity, 1956). Difraksi sekunder akibat interaksi sinar-X dengan sampel akan memiliki intensitas yang mana semakin teratur struktur kristal, semakin tinggi puncak (peak) intensitas yang diperoleh. Intensitas tersebut kemudian dikonversi untuk kemudian didapatkan jarak interplanar (d) dalam serbuk kristal sesuai dengan Hukum Bragg. Jarak tersebut kemudian dibandingkan dengan data JCPDS-ICDD sehingga dapat diketahui fasa suatu bahan. Mikrostruktur Fasa dengan SEM Mikroskop elektron adalah alat deteksi yang menggunakan sinar elektron berenergi tinggi untuk melihat objek pada skala yang sangat kecil, yang secara skematik digambarkan pada Gambar 13. Scanning Electron Microscope (SEM) memberikan penjelasan yang detail dari permukaan, memberikan informasi mengenai ukuran dan bentuk yang homogen atau tidak dari bahan nanopartikel. Terdapat pemercepat elektron (electron gun) dalam SEM untuk memproduksi elektron dengan menghasilkan pancaran elektron, serta lensa-lensa elektromagnetik yang dihubungkan dengan sistem kondensor. Lensa-lensa tersebut dioperasikan fokus pada permukaan sampel.
8
Electron gun
vibrator
Vibrator control
Electron beam
Amplificator
Condenser lens
Temperature control Magnet control COMPUTER
Detector Sample
Gambar 13 Skema SEM Lensa pemfokus pertama menghasilkan pancaran dan batas arus, pada celah lensa berfungsi untuk mengurangi pembelokan sudut. Lensa pemfokus kedua membentuk pelemahan (pancaran sinar koheren), celah lensa dikendalikan untuk mengurangi pembelokan sudut dari pancaran lensa pertama (Gabriel, 1985). Tembakan elektron hanya mengenai sampel pada daerah yang sangat kecil. Elektron direfleksikan dari sampel atau diserap oleh sampel secara elastis dan memberinya elektron sekunder dengan energi sangat rendah bersamaan dengan sinar-X. Elektron-elektron tersebut terserap dan meningkatkan emisi cahaya tampak, kemudian meningkatkan arus listrik pada sampel. Hal ini dapat menghasilkan gambar yang terbentuk dari elektron sekunder yang berenergi rendah (Gabriel, 1985). Identifikasi Sifat Magnetik dengan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) Vibrating Sample Magnetometer (VSM) merupakan salah satu jenis peralatan yang digunakan untuk mempelajari sifat magnetik bahan. Dengan alat ini akan dapat diperoleh informasi mengenai besaran-besaran sifat magnetik sebagai akibat perubahan medan magnet luar yang digambarkan dalam kurva histeresis, sifat magnetik bahan sebagai akibat perubahan suhu, dan sifat-sifat magnetik sebagai fungsi sudut pengukuran atau kondisi anisotropik bahan. Skema prinsip kerja VSM digambarkan pada Gambar 14 (Mujamilah et al., 2000).
sample
coil
magnet
Gambar 14 Skema prinsip kerja VSM Salah satu keistimewaan VSM adalah merupakan vibrator elektrodinamik yang dikontrol menggunakan arus balik. Sampel dimagnetisasi dengan medan magnet homogen. Jika sampel bersifat magnetik, maka medan magnet akan memagnetisasi sampel dengan meluruskan domain magnet. Momen dipol magnet sampel akan menciptakan medan magnet di sekitar sampel, yang biasa disebut magnetic stray field. Ketika sampel bergetar, magnetic stray field dapat ditangkap oleh coil. Medan magnet tersebar tersebut akan menginduksi medan listrik dalam coil yang sebanding dengan momen magnetik sampel. Semakin besar momen magnetik, maka akan menginduksi arus yang makin besar. Dengan mengukur arus sebagai fungsi medan magnet luar, suhu maupun orientasi sampel, berbagai sifat magnetik bahan dapat dipelajari (Niazi, 2000). Dalam penelitian ini, nilai magnetisasi diukur selain untuk mengetahui kemampuan magnetik nanosfer yang dihasilkan juga untuk mendapatkan informasi komposisi nanosfer.
BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan di Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional (PTBIN-BATAN) kawasan PUSPITEK Serpong. Waktu yang diperlukan untuk penelitian ini yaitu dari Februari hingga Juni 2009. Alat dan Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu 10 gram PLA, 5 gram PVA, 6 gram ferrofluid, 150 mL kloroform dan aquadest. Alat yang digunakan antara lain ultrasonic probe (ultrasonic processor model 750 VCX), neraca analitik (electronic balance ER 180 A),
9
1 set pengaduk (laboratory stirrer model 50001-92), beaker glass (50 mL, 200 mL, dan 500-1000 mL), sentrifuge medifriger-BL-S, freeze dryer (Snijders Scientific) dan microbalance Sartorius. Karakterisasi sampel dalam penelitian ini dilakukan menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD) Phillips Electronics Instruments APD 3520, Scanning Electron Microscope (SEM) Phillips dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) tipe Oxford VSM 1.2H. Metode Penelitian Sintesis Ferrofluid Ferrofluid diperoleh dari penelitian sebelumnya (Yulianti, 2008) dengan melarutkan serbuk Fe3O4/ -Fe2O3 yang sudah stabil (terlapisi asam oleat) dalam kloroform. Ferrofluid yang digunakan berukuran ± 10 nm. Nanosfer berbasis ferrofluid dan PLA Preparasi sampel mengacu pada prosedur yang dilakukan oleh Yulianti, 2008. Diawali dengan pembuatan larutan induk yaitu larutan PLA 10% yang dibuat dengan melarutkan 10 gram PLA dalam 100 mL kloroform dan PVA 5% yang dibuat dengan melarutkan 5 gram PVA dalam 100 mL aquadest. Tahap berikutnya adalah pembuatan fasa minyak (fasa 1) yaitu larutan PLA dalam kloroform yang dibuat dengan melarutkan 3 mL PLA 10% dalam 3 mL kloroform kemudian dicampur dengan ferrofluid sebanyak 0,12 gram dan ditambahkan lagi kloroform 6 mL. Kemudian dilakukan sonikasi selama 1 menit agar partikel magnetik terdispersi dalam larutan PLA. Proses dilanjutkan dengan pembuatan fasa air (fasa 2) yaitu larutan PVA dalam aquadest yang dibuat dengan melarutkan 5 mL PVA 5% dalam 50 mL aquadest. Proses yang digunakan adalah pembasahan (wetting), emulsifikasi dan evaporasi. Pembasahan terjadi ketika ferrofluid dilarutkan pada larutan PLA, dengan dilakukan sonikasi selama 1 menit pada fasa minyak, sehingga terjadi deaglomerasi. Waktu yang dipilih berdasarkan dari penelitian sebelumnya yang menunjukkan hasil optimal (Ariyandi et al., 2007). Emulsifikasi yang digunakan adalah mikroemulsi menggunakan prinsip sistem minyak dalam air yang dibuat stabil dengan penambahan surfaktan. Hal ini bertujuan agar
terjadi pendispersian larutan PLA dengan ferrofluid dengan terjadinya gelembung (kavitasi). Surfaktan yang digunakan yaitu PVA, yang akan mengungkung nanosfer ferrofluid terlapis PLA, sehingga terjadi deaglomerasi. Fasa air dan minyak disonikasi dengan variasi waktu yakni 3, 4, 5, 6 dan 7 menit. Masing-masing sampel kemudian segera dievaporasi dengan menambahkan aquadest sebanyak 500 mL dan diaduk dengan stirrer dengan kecepatan 1000 rpm selama 1 jam, waktu pengadukan ini dilakukan agar kloroform dalam air menguap dan memberi waktu bagi nanosfer ferrofluid terlapis PLA untuk mengering dalam fasa air. Setelah kloroform menguap, maka akan terbentuk butiran yang tersebar dalam air. Proses dilanjutkan dengan pencucian sebanyak 3 kali, menggunakan sentrifuse dalam pemisahan fasanya dengan kecepatan 9000 rpm selama 15 menit. Kemudian untuk mengetahui penyebaran partikel yang dihasilkan, maka dilakukan separasi menggunakan sentrifuse sehingga partikel akan mengendap sesuai dengan skala ukurannya. Kecepatan sentrifuse yang digunakan yaitu 1000 rpm, 5000 rpm dan 9000 rpm. Proses diakhiri dengan freeze drying sehingga sampel menjadi bentuk serbuk. Tabel 3. Perlakuan karakterisasi
sampel
dengan
Karakterisasi Karakterisasi Fasa dengan XRD Analisis difraksi sinar-X dengan tujuan identifikasi fasa magnetik nanosfer berbasis oksida besi. Preparasi sampel yang akan di karakterisasi yaitu sebagai berikut :
10
1.
Disiapkan sampel yang sudah dikeringkan ± 3 gram. 2. Sampel ditaburkan ke dalam holder yang berasal dari kaca preparat dibagi dua, sampel ditaburkan pada bagian holder berukuran 2 x 2 cm2, diratakan tipis hingga kaca holder pada bagian tersebut tertutup serbuk sampel secara sempurna. 3. Holder berisi sampel dikait pada difraktometer. 4. Pada komputer diset nama sampel, sudut awal (5o), sudut akhir (40o), dan kecepatan analisis 0.01o/detik . 5. Di-run. Data yang diambil merupakan fungsi perubahan posisi detektor terhadap sinar datang (2 ) yang akan menghasilkan intensitas difraksinya. Sehingga data yang diperoleh merupakan puncak-puncak intensitas difraksi terhadap posisi (2 ). Proses selanjutnya dilakukan peak search dengan program expert high score sehingga diperoleh puncak-puncak tertinggi yang kemudian dibandingkan dengan data JCPDS-ICDD. Melalui data tersebut dapat diketahui fasa sampel. Karakterisasi Morfologi dan Distribusi Ukuran dengan SEM Pada pengukuran menggunakan SEM, sampel haruslah merupakan zat yang dapat menghantarkan arus listrik seperti halnya logam. Karena nanopartikel magnetik tidak dapat menghantarkan arus listrik, maka sebelum dianalisis, terlebih dahulu dilapisi logam. Logam emas lebih disukai karena emas merupakan logam inert dan bersifat konduktif. Preparasi sampel dengan SEM : 1. Sampel diletakkan sangat tipis merata pada plat aluminium yang memiliki dua sisi. 2. Kemudian dilapisi dengan lapisan emas dengan waktu coating ± 30 detik. 3. Sampel yang telah dilapisi, diamati menggunakan SEM dengan tegangan 20 kV dan perbesaran 10.000 x dan 20.000x. Dari gambar berupa foto SEM yang diperoleh, morfologi dan distribusi ukuran nanosfer dianalisis dengan menggunakan metode statistik. Karakterisasi Sifat Magnetik dengan VSM VSM (Vibrating Sample Magnetometer) merupakan salah satu alat ukur magnetisasi yang bekerja berdasarkan metode induksi. Pada metode ini, preparasi sampel meliputi : 1. Sampel dimasukkan pada tempat sampel berbentuk silinder dengan diameter
± 2 mm yang kemudian ditutup dua sisinya dengan parafin sehingga sampel di dalamnya akan padat dan stabil. 2. Sampel yang akan diukur magnetisasinya dipasang pada ujung bawah batang kaku yang bergetar secara vertikal dalam lingkungan medan magnet luar H. 3. Pengukuran dilakukan dengan melihat respon magnet (magnetisasi) sampel akibat peubahan medan magnet luar, H. 4. Jika cuplikan termagnetisasi, secara permanen ataupun secara respon dari adanya medan magnet luar, getaran ini akan mengakibatkan perubahan garis gaya magnetik. Perubahan ini akan menginduksikan atau menimbulkan suatu sinyal tegangan AC pada kumparan pengambil (pick up coil atau sense coil) yang ditempatkan secara tepat dalam sistem medan magnet ini. 5. Dengan mengukur arus sebagai fungsi medan magnet luar, sifat magnetik bahan dapat diketahui dari magnetisasi sampel. 6. Data magnetisasi yang diperoleh dinormalisasi dengan membaginya dengan massa masing-masing sampel. Data yang diperoleh dari karakterisasi sifat magnet ini berupa kurva histeresis dengan sumbu x merupakan medan magnet yang menginduksi sampel dalam satuan Tesla dan sumbu y merupakan magnetisasi sampel dalam satuan emu/gram. Data kemudian diolah dengan membandingkan magnetisasi sampel dengan kontrol. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis Partikel Magnetik Terlapis Polilaktat (PLA) Telah dibuat sintesa nanopartikel magnetik yang dilapisi oleh polimer polilaktat (PLA). Sumber magnetik yang digunakan merupakan magnetic fluid atau dikenal dengan istilah ferrofluid bersifat stabil karena terlapis oleh asam oleat dalam pembuatannya (Leamy, 2003). Dengan penggunaan sumber Fe berupa liquid ini maka partikel magnetik lebih mudah terdispersi dalam polimer sehingga akan mendukung terbentuknya partikel dengan ukuran kecil. Dalam proses pembasahan yang dilakukan menggunakan ultrasonik, partikel magnetik terdispersi di dalam polimer dengan merata. Proses sonikasi dalam emulsifikasi yang digunakan mengikuti Persamaan 1, di mana terjadi peredaman gelombang ultrasonik. Beberapa parameter yang sangat kompleks
11
nanopartikel skala ukuran besar (1000 rpm). Hal ini dapat dimengerti bahwa penambahan waktu setelah 4 menit justru semakin menuju saturasi, dan menjadikannya beraglomerasi sehingga ukuran nanopartikel membesar. Waktu sonikasi 4 menit menunjukkan hasil optimal, di mana persentase massa terhadap massa total pada 1000 rpm bernilai 18.9%, pada 5000 rpm 80.3% dan pada 0.7% pada 9000 rpm. Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi pengecilan ukuran nanosfer pada waktu sonikasi 4 menit.
% massa tiap gram
turut mempengaruhi proses ini. Parameter yang divariasikan dalam pembuatan nanosfer adalah waktu sonikasi dalam proses emulsifikasi. Emulsi yang terbentuk terdiri dari fasa air dan minyak. Mula-mula fasa air dan minyak terpisah satu sama lain di mana minyak di bagian atas dan air di bagian bawah, hal ini terkait dengan berat jenis masing-masing fasa. Fasa air berwarna bening dan fasa minyak berwarna coklat tua pekat mendekati hitam, setelah sonikasi, maka emulsi yang terbentuk berwarna coklat susu dan tidak terdapat endapan. Dalam proses emulsifikasi ini terbentuk gelembung kavitasi yang berasal dari kloroform dengan partikel magnetik terlapis PLA di dalamnya. Variasi waktu sonikasi ini dilakukan agar partikel magnetik yang terlapis PLA dapat berukuran homogen. Dalam proses evaporasi kloroform diuapkan selama pengadukan dan terbentuk butiran-butiran nanosfer, kemudian emulsi berubah warna menjadi lebih kecoklatan daripada saat emulsifikasi. PVA hanya digunakan sebagai pengemulsi atau stabilizer dalam proses emulsifikasi dan dihilangkan dalam 3 kali pencucian yang dalam prosesnya semakin lama buih berkurang hingga habis, buih ini menunjukkan keberadaan PVA dalam larutan. Pemisahan fasa dalam pencucian dilakukan dengan sentrifuse 9000 rpm agar tidak ada nanopartikel yang terbuang. Penggunaan tiga variasi kecepatan sentrifuse (1000 rpm, 5000 rpm dan 9000 rpm) digunakan untuk separasi nanopartikel berdasarkan skala ukurannya, sehingga dapat diketahui penyebaran ukuran sampel, di mana sentrifuse ini memanfaatkan gravitasi yang dipercepat dengan gaya sentrifugal, sehingga partikel besar membutuhkan gaya sentrifugal yang lebih kecil untuk mengendap. Begitu pula sebaliknya partikel dengan ukuran lebih kecil maka membutuhkan gaya sentrifugal yang lebih besar untuk mengendap. Massa yang diukur bukan merupakan massa seluruh sampel, melainkan merupakan massa dalam satu kali siklus sentrifugasi dengan mempertimbangkan volume total yang dapat dicakup dan keseragaman volume antar sampel. Massa yang diukur merupakan massa sampel yang terisolasi, karena tidak seluruh sampel terpisahkan fasanya dengan freeze drying. Massa yang diukur kemudian dinormalisasi untuk mendapatkan persentase (%) massa sampel tiap gram. Dari Gambar 15 dapat terlihat bahwa massa terbanyak dimiliki oleh nanopartikel pada skala ukuran sedang (5000 rpm) dan sebagian lagi pada
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
1000 5000 9000
2
4 6 waktu (menit)
8
Gambar 15 Hubungan persentase tiap gram massa dengan waktu sonikasi Analisis Fasa Nanopartikel Magnetik menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) Pada pola XRD dapat dilihat terbentuknya peak pada sudut 2θ antara 10o hingga 80o dengan variasi waktu sonikasi. Pada polimer polilaktat, puncak difraksi terbentuk pada 16,49o dan 23o, polimer PVA pada 19,275o (Afandi et al., 2007). Dari Gambar 16 terlihat bahwa pada ferrofluid terbentuk pola difraksi dengan puncak pada 35,52o, hal ini bersesuaian dengan data Fe3O4 dalam JCPDS-ICDD nomor 030863 dan -Fe2O3 nomor 391346, kedua fasa ini memiliki fasa yang mirip, memiliki posisi puncak yang sama sehingga untuk mengidentifikasi lebih lanjut fasa yang terdapat dalam ferrofluid diperlukan karakterisasi lebih lanjut. Pada Gambar 17 dan 18 pola yang terbentuk merupakan gabungan dari fasa Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid dan polimer polilaktat. Fasa PLA cenderung menuju ketakteraturan dengan semakin lamanya waktu sonikasi. Hal ini disebabkan karena PLA, sebagaimana bahan polimer lainnya memiliki suhu transisi fasa yang cukup rendah (156o) (Ariyandi et al., 2007), sehingga akan mengalami perubahan struktur dengan semakin besarnya energi dari proses sonikasi yang semakin lama. Perubahan struktur tersebut dikarenakan pemberian gelombang
12
ultrasonik dapat menghasilkan suhu yang besar yang terjadi dengan pemanasan dan pendinginan yang singkat. Pada suhu yang meningkat tajam menyebabkan atom-atom pada sampel bergerak secara acak, dan penurunan suhu yang singkat menyebabkan atom yang bergerak tidak memiliki waktu yang cukup untuk menata ulang atom-atom ke posisi semula (Ariyandi et al., 2007), hal ini menyebabkan menurunnya keteraturan atom yang dapat diamati dengan semakin landainya kurva yang terbentuk. Semakin lama proses sonikasi maka semakin lama PLA dikenai suhu tinggi dengan kenaikan dan penurunan suhu yang tajam, sehingga semakin lama sonikasi, atom-atom penyusun PLA semakin bergerak acak dan semakin sulit untuk kembali ke kondisi semula. Perubahan struktur PLA yang menuju ke arah ketakteraturan jika disonikasi lebih lama terkait dengan sifat biodegradabel, karena semakin amorf strukturnya maka akan semakin mudah untuk diuraikan dalam tubuh. Dari peak polimer PLA hanya mengalami perubahan intensitas, pergeseran peak PLA tidak terjadi secara signifikan, sedangkan pada peak Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid tidak mengalami pergeseran. Hal ini dapat diartikan bahwa tidak terjadi perubahan fasa, sehingga tidak berpengaruh pada perhitungan derajat kristalinitas. Dari peak PVA diketahui bahwa PVA sudah hilang pada proses pencucian. Hal ini sesuai dengan tujuan aplikasi biomedis, di mana PVA tidak digunakan dalam aplikasi biomedis, PVA hanya digunakan sebagai penstabil dalam proses emulsifikasi.
Gambar 16 Pola XRD ferrofluid sebelum proses pelapisan
PLA
Fe3O4/ -Fe2O3
Gambar 17 Pola XRD komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 1000 rpm PLA
Fe3O4/ -Fe2O3
Gambar 18 Pola XRD komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid) –PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 5000 rpm Analisis distribusi ukuran dengan Scanning Electron Microscope (SEM) Hasil karakterisasi dengan SEM terhadap nanosfer yang dibuat dengan menggunakan metode sonikasi diperoleh gambar berupa bulatan seperti bola (sphere). Perbesaran yang digunakan yaitu sebesar 10.000 kali dan 20.000 kali. Pada proses pembasahan terjadi pemisahan agregat ferrofluid hingga mencapai ukuran terkecil, sedangkan pada emulsifikasi, diharapkan partikel yang sudah terpisah agregatnya dapat menjadi homogen dengan variasi waktu sonikasi. Distribusi nanopartikel ferrofluid terlapis PLA dengan berbagai variasi waktu sonikasi diperlihatkan pada hasil foto SEM pada Gambar 19 hingga 21. Setelah dilakukan pengukuran diameter berdasarkan foto SEM diperoleh data yang ditunjukkan pada Tabel 3 dan grafik yang ditunjukkan pada Gambar 22. Dari Tabel 3 dan Gambar 22 terlihat bahwa waktu sonikasi cenderung memperkecil ukuran nanosfer dan meningkatkan kehomogenan ukurannya. Meningkatnya kehomogenan ukuran nanosfer juga dapat dilihat pada Gambar 19 hingga 21.
13
b
a
c
d
e
Gambar 19. SEM Nanopartikel Magnetik dengan variasi waktu sonikasi : (a) 3 menit. (b) 4 menit (c) 5 menit (d) 6 menit (e) 7 menit pada kecepatan sentrifuse 1000 rpm dengan perbesaran 10.000 x
14
a
b
c
d
e
Gambar 20. SEM Nanopartikel Magnetik dengan variasi waktu sonikasi: (a) 3 menit. (b) 4 menit (c) 5 menit (d) 6 menit (e) 7 menit pada kecepatan sentrifuse 5000 rpm dengan perbesaran 20.000 x .
15
a
b
c
d
e
Gambar 21 SEM magnetik Nanopartikel dengan variasi waktu sonikasi : (a) 3 menit (b) 4 menit (c) 5 menit (d) 6 menit (e) 7 menit pada kecepatan sentrifuse 9000 rpm dengan perbesaran 20.000 x .
16
Dari foto SEM terlihat bahwa semakin lama waktu sonikasi dalam emulsifikasi berpengaruh terhadap distribusi ukuran partikel, secara garis besar dapat dikatakan bahwa semakin lama waktu sonikasi, ukuran partikel cenderung lebih homogen dan mengecil yang akhirnya akan menuju ukuran nanopartikel yang stabil. Ukuran terkecil dibatasi oleh sejauh mana material tersebut dapat menyimpan gelombang ultrasonik sebelum pecah menjadi gelembung yang lebih kecil. Dalam proses emulsifikasi dengan menggunakan ultrasonik, ukuran gelembung kavitasi dipengaruhi oleh waktu sonikasi, karena partikel terbentuk dalam gelembung, maka ukuran partikel juga dipengaruhi oleh ukuran gelembung terkait dengan waktu sonikasi, yang relasinya analog dengan persamaan gelombang teredam yang dituliskan dalam Persamaan 1. Dalam proses sonikasi terjadi rapatan dan regangan tekanan ketika gelombang sonic menjalar, sehingga energi mekanik gerak osilasi berkurang terhadap waktu (Tipler, 1990) dan terdapat gaya eksternal (gaya paksa) yang menyebabkan osilasi tidak berhenti, di mana dalam kasus ini penjalaran gelombang sonic menjadi gaya eksternal terhadap penjalaran gelombang sonic yang lain, karena adanya regangan tersebut muncul gelembung kavitasi yang dalam prosesnya mengembang-kempis. Dalam proses sonikasi juga terjadi resonansi, ketika frekuensi ( ) gelombang sonic mendekati frekuensi gelembung kavitasi Tabel 4. Ukuran nanosfer pada berbagai variasi waktu sonikasi
diameter (nm)
500 400
1000 rpm
300
5000 rpm
200
9000 rpm
100 0 2
4 6 waktu (menit)
8
Gambar 22 Hubungan waktu sonikasi dengan diameter nanosfer
yang pada waktu tertentu dianalogikan pecah, karena pada saat itu sistem memiliki energi maksimal yang dapat diserap oleh gelembung kavitasi. Hal inilah yang menyebabkan nanopartikel yang terkungkung di dalamnya juga akan dapat terpisah satu sama lain sehingga didapatkan nanosfer dengan ukuran kecil. Dari relasi tersebut, terlihat bahwa peredaman gelombang pada sistem sangatlah kompleks dan dipengaruhi oleh beberapa faktor, dalam penelitian ini yang dipelajari hanyalah relasi antara waktu sonikasi dengan ukuran partikel. Meskipun ultrasonik dapat memperkecil ukuran dan distribusi ukurannya menjadi homogen, namun ukuran partikel yang kecil dan homogen ini akan dibatasi oleh kemampuan alat ultrasonik ketika diterapkan pada nanopartikel ferrofluid terlapis PLA. Kurva Histeresis dan Analisis Sifat Magnetik dengan VSM Kurva histeresis magnetik hasil karakterisasi Vibrating Sample Magnetometer (VSM) ditunjukkan pada Gambar 23 hingga 26, di mana Gambar 23 merupakan kurva histeresis ferrofluid sebelum pelapisan dengan magnetisasi, MS sebesar 68.74898 emu/gram, dan tiga gambar selanjutnya merupakan kurva histeresis nanosfer setelah pelapisan. Dalam gambar tersebut terlihat bahwa sebelum pelapisan ferrofluid sudah bersifat superparamagnetik, begitu pula setelah pelapisan oleh PLA. Hal ini sesuai dengan tujuan aplikasi biomedis di mana nanopartikel bersifat non-magnetik ketika masuk dalam tubuh, namun saat diterapkan medan magnet eksternal, nanopartikel akan dapat bersifat magnet sehingga dapat mengoptimalkan fungsinya sebagai aplikasi biomedis, baik untuk DDS, MRI dan manipulasi suhu dalam hipertermia (Duncan et al., 2004). Sumbu y dalam kurva histeresis menyatakan momen magnetik yang dimiliki oleh 1 gram nanopartikel terlapis PLA dan sumbu x menyatakan medan magnet dalam satuan Tesla. Dari hasil karakterisasi VSM yang ditunjukkan oleh kurva histeresis dapat diketahui bahwa nanopartikel magnetik terlapis oleh PLA. Hal ini dapat terlihat dengan membandingkan kurva histeresis ferrofluid pada Gambar 23 dengan kurva histeresis nanosfer terlapis PLA pada Gambar 24 hingga 26 yang menunjukkan faktor pengisian (loading factor) nanopartikel magnetik dalam PLA. Variasi waktu sonikasi cenderung menurunkan loading factor. Nilai
17
momen magnet saturasi, Ms dan medan koersiv, HC dari beberapa variasi waktu sonikasi ditunjukkan pada Tabel 4.
Gambar 23 Kurva histeresis ferrofluid
Gambar 24 Kurva histeresis komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 1000 rpm
Gambar 25 Kurva histeresis komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 5000 rpm
Gambar 26 Kurva histeresis komposit (Fe3O4/ -Fe2O3 ferrofluid)–PLA dengan variasi waktu sonikasi pada kecepatan sentrifugasi 9000 rpm. Dalam proses awal sebelum pelapisan, 0.12 gram ferrofluid dan 0.3 gram PLA digunakan dalam setiap sampelnya, diharapkan menghasilkan loading factor 28.6% yang ditunjukkan oleh magnetisasi, MS sebesar 19.66 emu/gram. Faktor pengisian mengalami kenaikan terkait dengan ukuran partikel yang ditunjukkan dengan semakin bertambahnya kecepatan sentrifuse, dimana semakin kecil ukuran nanopartikel maka semakin tinggi pula loading factor. Pada sampel dengan waktu sonikasi 3 menit terjadi penurunan loading factor dengan kenaikan rpm. Hal ini menunjukkan bahwa dalam waktu tersebut belum cukup untuk nanopartikel magnetik terkungkung dalam polimer PLA. Pada waktu 4, 5, 6, dan 7 menit terjadi kenaikan loading factor seiring dengan kenaikan rpm, hal ini cukup baik di mana ketika partikel mengecil loading factor meningkat. Dari data yang diperoleh menunjukkan bahwa pada 1000 rpm, komposisi tidak terkontrol, dan pada 9000 rpm komposisi terkontrol, sedangkan pada 5000 rpm komposisi berada di antara keduanya. Yulianti, 2008 menyatakan bahwa penggunaan ferrofluid dan ultrasonik saja belum cukup untuk menjadikan komposisi semakin terkontrol seiring semakin mengecilnya ukuran nanosfer, namun dari hasil karakterisasi VSM dengan variasi waktu dapat dibuktikan bahwa dengan mengikuti prosedur sebelumnya dan menggunakan variasi waktu sonikasi, komposisi dapat semakin terkontrol seiring dengan semakin kecilnya ukuran nanosfer. Loading factor tertinggi dicapai pada waktu 4 menit yaitu mencapai 23.6% (1000 rpm), 40% (5000 rpm) dan 34% (9000 rpm). Hasil komposisi yang ditunjukkan oleh waktu sonikasi 4 menit yang melebihi persentase awal dapat dimengerti
18
Magnetisasi (Ms)
Tabel 5. Nilai magnetisasi saturasi (Ms) dan medan koersiv (Hc) pada berbagai variasi waktu sonikasi. (dengan MS sampel awal = 19.66 emu/gram)
30 25 20 15 10 5 0
komposisi awal, sehingga dapat diperoleh nanopartikel dengan ukuran sekecil mungkin namun dengan sifat magnetik tetap tinggi. Selain itu volume antara PLA, ferrofluid dan PVA juga harus diperhatikan karena mempengaruhi pelapisan PLA yang mempengaruhi ukuran nanopartikel, seberapa banyak PLA yang melapisi ferrofluid dan seberapa banyak PVA sebagai stabilizer yang mengungkung ferrofluid terlapis PLA sehingga dispersi stabil dapat dicapai dalam proses pelapisan.
KESIMPULAN 1000 5000 9000
2
4 6 waktu sonikasi (t)
8
Gambar 26 Hubungan waktu sonikasi dengan magnetisasi karena PLA yang melapisi nanopartikel magnetik semakin menipis, namun secara garis besar waktu sonikasi 4 menit yang paling optimal untuk nanopartikel magnetik terkungkung dalam polimer PLA. Hasil ini menunjukkan peluang pemanfaatan ferrofluid terlapisi polimer biodegradabel dalam biomedis. Mengacu pada pembahasan sebelumnya secara umum waktu sonikasi akan menentukan struktur PLA sebagai pelapis, tingkat homogenitas, ukuran sampel dan faktor pengisian, walaupun ukuran sampel hanya menuju pada skala ukuran tertentu saja. Dari hasil yang diperoleh dari XRD, SEM dan VSM, ukuran nanopartikel magnetik juga mempengaruhi faktor pengisian (loading factor) partikel magnetik dalam nanosfer tersebut. Loading factor semakin meningkat dengan semakin kecilnya ukuran nanopartikel, hal ini dapat dipahami terkait dengan struktur PLA yang menuju ketakteraturan sehingga partikel magnetik lebih mudah terkungkung di dalamnya. Semakin lama waktu sonikasi, maka loading factor semakin menurun. Waktu sonikasi 4 menit menunjukkan loading factor yang paling optimal dan memiliki massa terbanyak untuk nanosfer ukuran terkecil. Komposisi dan keoptimalan ukuran nanopartikel dapat didekati dengan variasi konsentrasi, viskositas, waktu sonikasi dan
Telah dilakukan proses pelapisan nanopartikel ferrofluid dengan polimer PLA dengan variasi waktu sonikasi. Penggunaan metode sonikasi sangat tepat diterapkan dalam proses emulsifikasi sintesa nanopartikel berbasis PLA dan ferrofluid, didukung juga dengan penggunaan sumber Fe berupa ferrofluid, sehingga partikel Fe dapat terdispersi stabil dalam larutan dan terbentuk partikel dalam skala nanometer. Hal ini dapat dilihat dari ukuran partikel yang semakin mengecil dan homogen seiring dengan bertambahnya waktu sonikasi yang kemudian mengalami saturasi pada ukuran tertentu. Ukuran terkecil dibatasi oleh sejauh mana material tersebut dapat menyimpan gelombang ultrasonik sebelum pecah menjadi gelembung yang lebih kecil. Komposisi massa terbanyak dimiliki oleh sampel 4 menit, dengan penyebaran massa meningkat pada 1000 rpm, menurun pada 5000 rpm dan konstan pada 9000 rpm. Pola XRD menunjukkan semakin lama waktu, PLA semakin menuju ketakteraturan, meskipun pergeseran PLA tidak terlalu signifikan. Ferrofluid tidak mengalami pergeseran, struktur PLA yang menuju ketakteraturan menjadikannya lebih biodegradabel, sehingga sesuai dengan aplikasi biomedis. Waktu sonikasi juga menurunkan ukuran nanosfer dan meningkatkan kehomogenan sampel, hal ini terlihat dari foto SEM pada masing-masing sampel. Sifat magnetik ferrofluid sebelum pelapisan sudah menunjukkan sifat superparamagnetik, begitu pula dengan setelah pelapisan. Loading factor cenderung menurun seiring semakin lamanya waktu sonikasi, namun meningkat seiring dengan mengecilnya ukuran nanosfer. Dari kurva histeresis hasil pengukuran magnetisasi dengan VSM diketahui bahwa sampel 4 menit menunjukkan loading factor tertinggi, hingga
19
mencapai 40%. Hasil pelapisan menunjukkan struktur PLA sebagai pelapis, tingkat homogenitas, ukuran nanopartikel dan faktor pengisian ditentukan oleh waktu sonikasi, walaupun ukuran terbatas pada skala tertentu. Dalam variasi waktu sonikasi tersebut, diperoleh sampel dengan waktu sonikasi 4 menit menunjukkan hasil paling baik, komposisi yang terbanyak, loading factor tertinggi, didukung juga dengan sifat menuju ketakteraturan dan ukuran serta distribusi ukuran yang akan disesuaikan lebih lanjut pada aplikasinya. SARAN Penggunaan ultrasonik dan ferrofluid harus didukung oleh komposisi awal PLA dan ferrofluid yang tepat, sehingga konsentrasi dan viskositas optimal dapat diperoleh dalam sintesa nanopartikel magnetik. Perbandingan volume antara PLA, ferrofluid dan PVA juga harus diperhatikan agar proses pelapisan berjalan lebih efektif sehingga ukuran optimal nanosfer terkecil dapat dicapai.
DAFTAR PUSTAKA
Afandi S, Mujamilah, Kurniati M dan Sudaryanto. 2007. Efek Kondisi Pembasahan dalam Pembentukan Nanosfer berbasis Oksida Besi dan PLA. Jurnal Sains Materi Indonesia, Edisi Khusus Oktober 2007:156-161. Alger MSM. 1989. Polymer Science Dictionary. London : Elsevier Applied Science Hielscher, T. (2005): Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, dalam: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS'05. Ariyandi N, Sudaryanto, Kurniati M, Mujamilah, dan H Ari. 2007. Pembuatan Nanosfer Berbasis Biodegradabel Polilaktat dengan Metode Sonifikasi. Jurnal Sains Materi Indonesia 8(2):182-186. Brennen, C E. 1995. Cavitation and Bubble Dynamics. New York: Oxford University Press. Connolly JR. 2007. Introduction to X-Ray Powder Diffraction. EPS400-002. Cullity BD. 1956. Element of X-Ray Diffraction. Addison Wesley Publishing Company, Inc.
Duncan R et al. 2004. Nanomedicine. An ESF – European Medical Research Councils (EMRC) Forward Look report Ewijk G.A.V., Vroege G.J., Kuipers B.W.M., and Philipse AP. 2002. Thermodynamic (in)stability of ferrofluid–polymer mixtures. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 252:32–34. Gabriel BL. 1985. SEM : A user’s Manual for Materials Science. Ohio : Packer Engineering Associates, Inc Harris L.A. 2002. Polymer Stabilized Magnetite Nanoparticles and Poly(propylene oxide) Modified Styrene-Dimethacrylate Networks. Virginia Polytechnic Institute and State University : Dissertation. Hielscher, T. 2005. Ultrasonic Production of Nano-Size Dispersions and Emulsions, dalam: Proceedings of European Nanosystems Conference ENS'05. Hjøllum J. 2004. A Study of Iron Oxide Nano-particles Manufactured by Reverse Micelles. University of Copenhagen : Thesis. Kortshagen U. Nanoparticle Technology Program. Industrial Partnership for Research in Interfacial and Materials Engineering, University of Minnesota. (http:// www.iprime.umn.edu), [12 Februari 2009] Leamy PJ. 2003. Preparation, Characterization, and In Vitro Tresting of Poly (Lactide-co-Glycolide) and Dextran Magnetic Microsphere for In Vivo Applications. University of Florida : Dissertation. Mifflin H. 2009. The American Heritage Science Dictionary of The English Language fourth ed. Houghton Mifflin company. Mou LC.Synthesis and Characterisation of Poly (Lactid Acid) Micro/Nanospheres for Potential Drug Delivery. http://staff.science.nus.edu.sg/~scilooe/s rp_2003/sci_paper/mat_Sci/ r e s e a r c h _ p a p e r / lim_chang_mou.pdf)[2 Maret 2009]. Mujamilah, et al. 2000. Vibrating Sample Magnetometer (VSM) tipe Oxford VSM 1.2H, dalam Prosiding Seminar Nasional Bahan Magnet I, Puslitbang Iptek Bahan (P3IB)-BATAN, Serpong 11 Oktober 2000. Mujamilah. 2008. Teknologi Pembuatan Nanosphere Magnetik sebagai Contrast Agent NMRI. http://nhc.batan.go.id/
20
sudaryanto-emil-1.php.htm [15 Maret 2009]. Nakahira A, Nakamura S, Horimoto M. 2007. Synthesis of Modified Hydroxyapatite (HAP) Substituted with Fe Ion for DDS Application. Osaka : IEEE Transactions on Magnetic 43(6):2465-2467. Neppiras, EA. 1980. Acoustic Cavitation. Physics Report, North-Holland Publishing Company. 61(3):159-251. Niazi A. Poddar P. dan Rastogi AK. 2000. A precision, low-cost vibrating sample magnetometer. Current Science 79(1):99-109. Pankhurst QA, Connolly J, Jones SK, and Dobson J. 2003. Applications of Magnetic Nanoparticles in Biomedicine. Institut of Physics Publishing. J. Phys. D: Appl. Phys. 36:167–181. Perutz MF. 1978. Hemoglobin Structure and Respiratory Transport. Scientific American 239 (6). Sudaryanto, Mujamilah, Wahyudianingsih, Handayani A, Ridwan, dan Muthalib A. 2007. Pembuatan Nanopatikel Magnetik Berlapis Polimer Biodegradable dengan Metode Sonokimia. Jurnal Sains Materi Indonesia 8(2):134-138. Sudaryanto. 2008. Paket Teknologi Pembuatan Microsphere Biodegradabel sebagai Bahan Radiofarmaka untuk Terapi Kanker Hati. http://nhc.batan.go.id/sudaryanto-emil1.php.htm [15 Maret 2009]. Suslick KS. 1994. The Chemistry of Ultrasound from The Yearbook of Science and The Future. Chicago : Encyclopedia Britannica. 138-155. Suslick, K.S, Price G.J. 1999. Application of Ultrasound to Materials Chemistry. Annu. Rev. Mater. Sci. 29:295-326 Tipler PA. 1990. FISIKA Untuk Sains dan Teknik Edisi 3,jilid 1. Jakarta : Erlangga. Terjemahan dari : PHYSICS for Scientists and Engineers, Third Edition. Yulianti E. 2008. Enkapsulasi Nanopartikel Magnetik Fe3O4 menggunakan Polimer Poly Asam Laktat dengan Ultrasonik Probe. Universitas Indonesia : Thesis.
LAMPIRAN
22
Lampiran 1. Flow Chart Penelitian
Penelusuran literatur dan penyusunan proposal
Pembuatan fasa 1 (PLA + kloroform + Fe3O4/ -Fe2O3)
Pembuatan fasa 2 (PVA + aquades)
Emulsifikasi (Sonikasi)
Evaporasi selama 1 jam
Dicuci dengan aquades 500 ml
Separasi 1000 rpm, 5000 rpm dan 9000 rpm
Freeze Drying
Diperoleh powder
XRD
SEM
Pengolahan dan analisis data
Penyusunan Laporan
VSM
23
Lampiran 2. Skema Penelitian
1000 rpm 5000 rpm
9000 rpm
1000 rpm
5000 rpm
9000 rpm
24
Lampiran 3. Alat Penelitian
Ultrasonik
Freeze Dryer
VSM
Sentrifugasi
XRD
SEM
25
Lampiran 4. Komposisi massa setelah proses sonikasi
Sampel
3 menit
4 menit
5 menit
6 menit
7 menit
Separasi
Jumlah massa
1000 rpm
0.037121
5000 rpm
0.070858
9000 rpm
0.002219
1000 rpm
0.021269
5000 rpm
0.089920
9000 rpm
0.000788
1000 rpm
0.041859
5000 rpm
0.054747
9000 rpm
0.004174
1000 rpm
0.064147
5000 rpm
0.039824
9000 rpm
0.006047
1000 rpm
0.088649
5000 rpm
0.067759
9000 rpm
0.000765
26
Lampiran 5. Pola XRD nanosfer berbasis PLA dan ferrofluid 1000 RPM
5000 RPM
PLA
PLA
3 menit
3 menit Fe3O4 Fe3O4
PLA
4 menit
PLA
4 menit
Fe3O4 Fe3O4
PLA
5 menit
PLA
Fe3O4
Fe3O4
PLA
PLA
6 menit
6 menit Fe3O4
Fe3O4
.
5 menit
PLA
PLA
7 menit Fe3O4
7 menit Fe3O4
27
3 menit
4 menit
5 menit
6 menit
7 menit
28
Lampiran 6 Pola XRD Fe3O4 dari JCPDS-ICDD
Lampiran 7 Pola XRD γ-Fe2O3 dari JCPDS-ICDD
29
Lampiran 8. Kurva Histerisis nanosfer berbasis PLA dan ferrofluid
3 menit
4 menit
5 menit
6 menit
7 menit
30
