Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal of Materials Science
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 228 - 232 ISSN : 1411-1098 Akreditasi LIPI Nomor : 536/D/2007 Tanggal 26 Juni 2007
PENGARUH FORMULASI EMULSI TERHADAP HASIL ENKAPSULASI NANOPARTIKEL MAGNETIK Fe3O4 DENGAN POLY(LACTIC ACID) Evi Yulianti1, Sudaryanto1, Yoki Yulizar2 dan Mujamilah1 1
Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang 2 Departemen Kimia, FMIPA - UI Kampus Baru UI, Depok 16424
ABSTRAK PENGARUH FORMULASI EMULSI TERHADAP HASIL ENKAPSULASI NANOPARTIKEL MAGNETIK Fe3O4 DENGAN POLY(LACTIC ACID). Telah dilakukan penelitian untuk mengetahui pengaruh formulasi emulsi terhadap hasil enkapsulasi nanopartikel magnetik Fe3O4 dengan Poly(Lactic Acid) (PLA). Proses enkapsulasi dilakukan dengan metode mikroemulsi dilanjutkan dengan penguapan pelarut. Pada metode ini sistem emulsi dibuat dengan menggunakan ultrasonik probe. Parameter yang divariasikan adalah formulasi emulsi dengan mengubah volume fasa minyak pada sistem emulsi minyak dalam air (o/w) dari 6 mL, 8 mL, 10 mL, 12 mL dan 14 mL, sedangkan volume fasa air dibuat tetap (55 mL). Karakterisasi dilakukan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) untuk mengetahui morfologi dan ukuran sampel yang dihasilkan. Difraktomer Sinar-X untuk mengidentifikasi fasa, Vibrating Sample Magnetometer (VSM) untuk mengetahui kemagnetannya serta Neutron Activation Analysis (NAA) untuk mengetahui tingkat keberhasilan proses enkapsulasi. Hasil SEM menunjukkan formulasi emulsi m/a = 14/55 menghasilkan nanosfir dengan ukuran rata-rata terkecil yaitu 382 nm. Nilai magnetisasi jenuh nanosfir Fe3O4 + PLA tertinggi adalah 2,556 emu/g dengan persen enkapsulasi 24,94% . Kata kunci : Formulasi emulsi, Fe3O4, Poly(Lactic Acid) (PLA), Nanopartikel magnetik, Enkapsulasi
ABSTRACT THE EFFECT OF EMULSION FORMULATION TO ENCAPSULATION OF Fe3O4 MAGNETIC NANOPARTICLE WITH POLY(LACTIC ACID). The research to study the effect of emulsion formulation to encapsulation Fe3O4 magnetic nanoparticle with Poly(Lactic Acid) (PLA) has been done. Microemulsion by ultrasonic probe is used in encapsulation process and continued by solvent evaporation. Emulsion formulation has been varied by changing oil phase volume in the oil in water (o/w) emulsion system from 6 mL, 8 mL, 10 mL, 12 mL and 14 mL, whereas water phase volume is constant (55 mL). Sample characterization is carried on by Scanning Electron Microscope (SEM) to know the morphology and sample size. X-Ray Diffractometer (XRD) is used to identify the phase, Vibrating Sample Magnetometer (VSM) is used to measure magnetic saturation while Neutron Activation Analysis (NAA) is used to measure encapsulation percentage of Fe3O4 with PLA. The smallest nanosphere is resulted by emulsion formulation (o/w) of 14/55 with the main sample size 382 nm. The maximum magnetic saturation of Fe3O4 + PLA nanosphere is 2.556 emu/g and encapsulation percentage is 24.94%. Key words : Emulsion formulation, Fe3O4, Poly(Lactic Acid) (PLA), Magnetic nanoparticle, Encapsulation
PENDAHULUAN Penelitian tentang nanopartikel magnet membuka peluang yang sangat menjanjikan untuk diaplikasikan dalam berbagai bidang, khususnya dalam penelitian biomedis dan teknologi perlindungan lingkungan (contoh : pengolahan senyawa berbahaya dari air limbah). Di bidang biomedis, nanopartikel magnet digunakan di bidang kesehatan antara lain untuk treatment hyperthermia untuk menyembuhkan 228
penyakit tumor, drug delivery system, sebagai contrast agent dalam diagnosa penyakit menggunakan Magnetic Resonance Imaging (MRI) dan pelabelan sel [1,2]. Agar bisa diaplikasikan nanopartikel magnetik harus bersifat superparamagnetik, bisa terdispersi atau membentuk koloid stabil dalam air berlingkungan pH netral dan garam fisiologis. Kestabilan partikel
Pengaruh Formulasi Emulsi Terhadap Hasil Enkapsulasi Nanopartikel Magnetik Fe3O4 dengan Poly(Lactic Acid) (Evi Yulianti)
magnetik di dalam air bergantung pada beberapa faktor diantaranya ukuran partikel, muatan dan kimia permukaan. Semakin kecil ukuran partikel, pengaruh gaya gravitasi semakin dapat diabaikan. Sedangkan peningkatan muatan dan kimia permukaan memungkinkan adanya gaya tolak menolak antar partikel sehingga partikel dapat terdispersi dengan stabil dalam cairan tubuh. Demikian pula sifat superparamagnetik akan dapat dicapai bila ukuran partikel magnet makin kecil yang mengakibatkan makin kecil pula interaksi antar partikel [3,4]. Untuk itu disamping upaya pembuatan partikel berskala nanometer, enkapsulasi (pengungkungan) partikel magnetik dengan polimer organik dalam bentuk mikrosfer atau nanosfir merupakan cara yang efektif untuk memenuhi berbagai tuntutan penggunaan bidang medis tersebut. Berbagai metode telah dilaporkan untuk pembuatan nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 dan proses enkapsulasi (pengungkungan) nanopartikel untuk membentuk mikro atau nanosfir. Pembuatan nanopartikel magnet dengan reaksi pengendapan, di samping telah diteliti juga metode mikroemulsi, serta teknik penghalusan dengan high energy milling [5]. Sedangkan proses enkapsulasi yang telah dikembangkan yang telah melakukan nanokapsulasi polimer menggunakan sistem emulsi air-minyak-air (w/o/w) dalam bentuk mikrosfir albumin, pati dan partikel magnet [6]. Telah disintesis nanokapsul PLGA dan nanopartikel besi oksida dengan teknik emulsifikasi difusi [7]. Berbagai teknik lain yang juga telah dikembangkan antara lain penguapan pelarut, polimerisasi emulsi dan polimerisasi disperse [1]. Di antara metode tersebut, mikroemulsi merupakan metode yang relatif sederhana dan memungkinkan untuk melakukan pelapisan partikel magnet dengan polimer biodegradable. Metode mikroemulsi pada prinsipnya adalah pemanfaatan sistem emulsi air dalam minyak (w/o) atau minyak dalam air (o/w) yang distabilkan oleh surfaktan [8]. Dalam metode ini partikel magnet terjebak dalam kavitasi (gelembung) yang ditimbulkan dalam proses pengadukan dan distabilkan oleh surfaktan. Bentuk dan ukuran kavitasi akan sangat menentukan bentuk dan ukuran partikel magnetik terlapis polimer sebagai hasil akhirnya. Ada banyak cara untuk mendapatkan kavitasi berukuran kecil. Penelitian yang dilakukan sebelumnya membandingkan penggunaan teknik pengadukan berkecepatan tinggi dengan penggunaan ultrasonik probe untuk pembuatan mikrosfir Fe 3O 4-PLA [9]. Penggunaan ultrasonik probe ternyata menghasilkan mikrosfir yang jauh lebih kecil dan seragam. Selain itu lamanya proses pengadukan juga mempengaruhi ukuran kavitasi yang pada akhirnya mempengaruhi ukuran mikrosfir yang dihasilkan[10].
Pada makalah ini akan dilaporkan pengaruh formulasi emulsi terhadap hasil enkapsulasi nanopartikel magnetik Fe 3O 4 (magnetit) menggunakan polimer biodegradable poli laktat (PLA). Proses enkapsulasi dilakukan dengan metode mikroemulsi memanfaatkan ultrasonik probe atau proses sonikasi. Variasi formulasi emulsi dilakukan dengan mengubah volume fasa minyak dalam sistem emulsi minyak dalam air (o/w), sedangkan fasa air dibuat tetap.
METODE PERCOBAAN Bahan dan Alat Bahan-bahan kimia yang digunakan pada penelitian ini adalah : polimer biodegradable poli laktat (PLA) dengan BM 100.000 Da, kloroform untuk melarutkan PLA dengan standar pro analisis, Polyvinyl Alcohol (PVA) dengan BM 72.000 Da sebagai surfaktan. Partikel magnetik Fe 3O 4 murni berukuran 20 nm diperoleh dari Aldrich. Peralatan yang digunakan adalah Ultrasonik tipe probe (Sonics & Material, INC., USA, Model VCX 750, Ti Horn, 20 kHz). Peralatan pendukung lain yang digunakan dalam penelitian adalah peralatan gelas yang biasa digunakan dalam laboratorium kimia, pengaduk magnet dan pengaduk biasa, centrifuge dan oven.
Cara Kerja Pada prinsipnya proses pengungkungan (enkapsulasi) dilakukan dengan tiga tahap yaitu pembasahan partikel magnetik dengan larutan PLA agar Fe 3O4 terdispersi dengan merata, proses emulsifikasi dan penguapan pelarut kloroform dalam air. Pertama disiapkan larutan PLA dalam kloroform dengan konsentrasi tertentu. Ke dalam larutan PLA ditambahkan serbuk magnet Fe3O4 dan disonikasi selama 1 menit. Campuran hasil sonikasi kemudian dituangkan ke dalam aquadest yang di dalamnya telah terlarut PVA . Kemudian disonikasi kembali selama 2 menit Setelah proses sonikasi, emulsi yang terbentuk dituangkan ke dalam gelas beaker berisi 500 mL air sambil diaduk selama 1 jam dengan kecepatan 1000 rpm. Serbuk yang terbentuk selanjutnya dipisahkan dengan cara sentrifugasi selama 30 menit pada kecepatan 4000 rpm. Serbuk dicuci lagi dengan 300 mL aquadest dan disentrifugasi. Serbuk yang dihasilkan kemudian dikeringkan pada suhu ruang, selanjutnya dilakukan pengeringan dalam oven pada suhu 50 C selama 1 jam. Sampel dalam bentuk serbuk kering selanjutnya dikarakterisasi dengan Scanning Electron Microscope (SEM) untuk menentukan bentuk, ukuran mikrosfir dan X-Ray Difractometry (XRD), Vibrating Sampel Magnetometry (VSM) dan Neutron 229
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 228 - 232 ISSN : 1411-1098
Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal of Materials Science
Activation Analysis (NAA) untuk menentukan keberadaan Fe3O4. Formulasi emulsi yang dibuat dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Komposisi bahan dalam proses enkapsulasi Fe 3 O 4 dengan PLA No. Sampel
Lar PLA 5% (ml)
Lar PVA 5% (ml)
Air
Fe3O4 (g)
m/a
PLA:Fe3O4
1
6
5
50
0.06
6:55
5:1
2
8
5
50
0.08
8:55
3
10
5
50
0.10
4
12
5
50
0.12
5
14
5
50
0.14
Tabel 2 menunjukkan peningkatan perbandingan fasa minyak terhadap air dari 6/55-14/55 menyebabkan ukuran nanosfir mengecil dari rata-rata 573 nm menjadi 382 nm. Tabel 2. Ukuran serbuk hasil enkapsulasi Fe3O4 dengan PLA variasi formulasi emulsi No.
Formulasi emulsi (m/a)
Ukuran rata-rata
Standar deviasi
5:1
1
6/55
573
171
10:55
5:1
2
8/55
466
147
12:55
5:1
3
10/55
419
89
14:55
5:1
4
12/55
407
119
5
14/55
382
103
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hal ini dapat dilihat dari foto SEM (Gambar 1)
Analisis Bentuk dan Ukuran Nanosfir bahwa makin tinggi volume fasa minyak maka Fe3O4 + PLA dengan SEM distribusi ukuran nanosfir semakin merata yang Hasil analisis SEM untuk mengetahui pengaruh variasi perbandingan fasa minyak (kloroform) dan fasa air terhadap morfologi dan ukuran hasil enkapsulasi Fe 3O 4 dengan PLA ditunjukkan pada Gambar 1. Pengukuran dengan SEM dilakukan dengan perbesaran 10.000X. Serbuk hasil enkapsulasi Fe3O4 dengan PLA berbentuk bulat dengan ukuran di bawah 1 mikron.
terlihat dari nilai standar deviasi yang makin kecil. Peningkatan volume fasa minyak menyebabkan sistem emulsi menjadi lebih encer, akibatnya tetesan lebih mudah dipecah menjadi tetesan yang lebih kecil, sehingga menghasilkan nanosfir yang lebih kecil [7]. Selain itu, dalam sistem emulsi minyak dalam air (o/w), penambahan fasa minyak akan mempengaruhi kestabilan emulsi. Untuk mempertahankan kestabilan,
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Gambar 1. Hasil SEM Fe3O4 + PLA variasi formulasi emulsi (a). m/a = 6/55 (b). m/a = 8/55 (c). m/a = 10/55 (d). m/a = 12/55 (e). m/a = 14/55
230
Pengaruh Formulasi Emulsi Terhadap Hasil Enkapsulasi Nanopartikel Magnetik Fe3O4 dengan Poly(Lactic Acid) (Evi Yulianti)
tetesan-tetesan emulsi harus lebih kecil dengan ukuran yang seragam [8]. Grafik Perubahan ukuran sebagai fungsi volume fasa minyak hasil analisis dari foto SEM ditampilkan pada Gambar 2. 600 550
dalam sistem emulsi (w/o), maka proses penguapan kloroform dalam air pada tahap akhir proses enkapsulasi makin lambat. Dengan demikian memberi kesempatan kepada molekul-molekul PLA untuk menata diri membentuk struktur kristalin yang teratur.
Analisis Sifat Kemagnetan dan Tingkat Keberhasilan Proses Enkapsulasi
500 450 400 350 300 4
6
8
10
12
14
16
Volume fasa minyak (ml)
Gambar 2. Grafik perubahan ukuran serbuk akibat perubahan formulasi emulsi
Analisis Fasa Nanosfir Fe3O4 + PLA Pola difraksi sinar-X Fe3O4 dan Fe3O4 + PLA yang dihasilkan pada berbagai formulasi emulsi ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 3 (a) menunjukkan pola difraksi sinar-X Fe 3O 4 sebelum dienkapsulasi, sedangkan Gambar 3(b), Gambar 3(c), Gambar 3(d), Gambar 3(e) dan Gambar 3(f) menunjukkan pola difraksi Fe3O4 yang sudah dienkapsulasi dengan PLA. Untuk polimer polilaktat, puncak difraksi terbentuk pada sudut 16,49 , 19,04 dan 23 , sedangkan serbuk Fe3O4 membentuk beberapa puncak difraksi antara lain pada sudut 31,25 dan 36,82 .
Keberadaan Fe 3 O 4 dalam sistem nanosfir Fe3O4 + PLA selain teridentifikasi pada profil XRD (Gambar 3), juga dipastikan dengan pengukuran VSM. Kurva histeresis dari partikel Fe 3 O 4 yang sudah terenkapsulasi PLA diperlihatkan pada Gambar 4. Terlihat terbentuknya struktur superparamagnetik dengan nilai saturasi magnetisasi yang semakin besar dengan bertambahnya volume fasa minyak dari 6 mL hingga 14 mL. Sumbu Y menyatakan momen magnetik yang dimiliki oleh 1 gram nanopartikel magnet terlapis PLA. Nilai magnetisasi saturasi (Ms) akibat perubahan volume fasa minyak dapat dilihat pada Gambar 4. 3
m/a = 14/55 2
m/a = 12/55
1
m/a = 8/55 m/a= 6/55
0 -1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-1
-2
6000 (a) Fe3O4 (b) Fe3O4 + PLA (m/a= 6/55) (c) Fe3O4 + PLA (m/a= 8/55) (d) Fe3O4 + PLA (m/a=10/55) (e) Fe3O4 + PLA (m/a=12/55) (f) Fe3O4 + PLA (m/a=14/55 )
5000 PLA 4000
-3
Medan H (Tesla)
Gambar 4. Kurva histeresis Fe3O4+PLA variasi formulasi emulsi
PLA PLA Fe3O4
3000 (f)
(e)
2000
(d) (c)
1000
(b)
(a) 0 10
15
20
25
30
35
40
45
50
2 theta Gambar 3. Pola difraksi sinar-X Fe 3O4 dan Fe3O4 yang telah dienkapsulasi dengan PLA variasi formulasi emulsi
Intensitas puncak difraksi pada sudut 36,82 (Fe 3O 4) meningkat dengan makin besarnya perbandingan fasa minyak dan air yang menunjukkan peningkatan keberadaan Fe3O4 dalam serbuk. Perubahan perbandingan volume fasa minyak terhadap pada perbandingan PLA : Fe3O4 tetap (5 : 1) menunjukkan perubahan pola difraksi PLA maupun Fe3O4 (Gambar 3 (b) sampai dengan Gambar 3 (f))). Puncak difraksi PLA makin nyata pada perbandingan fasa minyak terhadap fasa air yang makin tinggi. Hal ini menunjukkan bertambahnya kecenderungan terbentuknya fasa kristalin polilaktat. Makin tinggi kadar kloroform
Mengacu pada pengamatan selama proses enkapsulasi, terlihat bahwa tidak semua nanopartikel magnetik dapat terkungkung oleh PLA. Nilai magnetisasi saturasi Fe3O4 tanpa dienkapsulasi adalah 72 emu/gram Fe 3O4.[9]. Secara teori apabila semua Fe 3O 4 yang ditambahkan berhasil dienkapsulasi maka nilai magnetisasi saturasi sampel serbuk yang dihasilkan adalah 12 emu/gram karena komposisi awal Fe3O4 dan PLA dalam serbuk adalah 1 : 5. Nilai magnetisasi saturasi serbuk akan sebanding dengan makin banyaknya Fe3O4 yang berhasil dienkapsulasi. Untuk mengkonfirmasi tingkat keberhasilan enkapsulasi partikel Fe3O4 dengan PLA dilakukan analisis kuantitatif dengan menggunakan metode Neutron Activation Analysis (NAA) dengan mengukur kadar Fe total yang terkandung dalam serbuk. Hasil analisis kadar Fe dalam bentuk Fe3O4 dengan NAA dapat dilihat pada Tabel 3. Makin besar volume fasa minyak maka nano partikel Fe3O4 yang terenkapsulasi juga semakin banyak. Semakin banyak kloroform, pendispersian partikel magnetik terjadi lebih efektif, karena ruang untuk mendispersikan nanopartikel magnet juga semakin besar. 231
Edisi Khusus Desember 2008, hal : 228 - 232 ISSN : 1411-1098
Jurnal Sains Materi Indonesia Indonesian Journal of Materials Science Tabel 3. Pengaruh formulasi emulsi terhadap %enkapsulasi Fe3O4 dengan PLA Kadar Fe3O4 Awal Setelah (PLA : Fe3O4 = 5/1 enkapsulasi
No.
m/a
% enkapsulasi
1.
6/55
166,7
14,40
8,64
2.
8/55
166,7
27,90
16,74
3.
10/55
166,7
29,74
17,84
4.
12/55
166,7
28,57
17,14
5.
14/55
166,7
41,58
24,94
KESIMPULAN Dari penelitian ini diperoleh kesimpulan bahwa formulasi emulsi mempengaruhi hasil enkapsulasi nanopartikel magnet Fe3O4 dengan PLA. Makin besar perbandingan fasa minyak terhadap fasa air maka ukuran nanosfir yang dihasilkan makin kecil dan seragam dengan ukuran rata-rata terkecil 382 nm. Selain itu makin besar volume fasa minyak (kloroform) maka kemagnetan serta persen enkapsulasi juga semakin meningkat. Nilai magnetisasi jenuh tertinggi dari nanosfir yang dihasilkan adalah 2,556 emu/g sampel sedangkan persen enkapsulasi tertinggi adalah 24,94%.
DAFTAR ACUAN [1].
HORAK, D., LEDNICKY F., PETROVSKY E., KAPICKA A., J. Macromolecular Materials and Engineering, 289 (2004) 341-348 [2]. PANKHURST, Q.A., CONNOLYJ, JONES S.K., and DOBSON, J. Phys. D: Appl. Phys., 36 (2003) R167-R181 [3]. JOHNSON, J., Magnetic Targeted Carriers : An Innovative Drug Delivery Technology, Magnetic Magazine, (2004) [4]. GUPTA, A. K., GUPTA, M., Biomaterials, 26 (2005) 3995-4021 [5]. SULUNGBUDI, G.T., MUJAMILAH dan RIDWAN, Jurnal Sains Materi Indonesia, 9 (1) (2007) 132-135 [6]. GUERRO, DG., et al., Pharmaceut. Res., 15 (1998) 1056 [7]. LEE, S.J., et.al., Journal Colloids and Surface A: Physicochemical Engineering Aspects, (2005) 19-25 [8]. ROSEN, M.J., Surfactant and Interfacial Phenomena, John Wiley & Sons, Inc., New York, (1978) [9]. SUDARYANTO, MUJAMILAH, WAHYU DIANINGSIH, HANDAYANI, A., RIDWAN dan MUTALIB, A., Jurnal Sains Materi Indonesia, 8 (2) (2007) 134-138 [10]. AFFANDI, S., MUJAMILAH, KURNIATI, M. dan SUDARYANTO, Efek Kondisi Pembasahan dalam Pembentukan Nanosfir berbasis Oksida Besi dan PLA, Jurnal Sains Materi Indonesia, 9 (1) (2007) 156-161 232
