Research and Development on Nanotechnology in Indonesia, Vol.2, No.2, 2015, pp ISSN :

Transkripsi

1 Research and Development on Nanotechnology in Indonesia, Vol.2, No.2, 2015, pp ISSN : ENKAPSULASI NANOPARTIKEL SUPERPARAMAGNETIK Fe 3 O 4 MENGGUNAKAN KITOSAN DAN ALGINAT YANG DIIMPREGNASI MANGOSTEEN SERTA MODIFIKASI MORFOLOGI MENGGUNAKAN KITOSAN DAN TAPIOKA Sri Indah Ihsani 1, Primadhya Arif Ekaputra 2, Lia Amelia Tresna Wulan Asri 3, Suyatman 4 5, Bambang Sunendar Purwasasmita Institut Teknologi Bandung 1 sriindahihsani@gmail.com, 2 primadhya.ekaputra@gmail.com, 3 tresna.asri@gmail.com, 4 yatman@tf.itb.ac.id, 5 purwa@tf.itb.ac.id Received : 19 January 2015 Accepted : 20 February 2015 ABSTRACT Fe 3 O 4 particles possesses a super-paramagnetic trait which could be utilized as a type of New Drug Delivery System (NDDS) material in hyperthermia therapy for cancer treatment, as well as contrast agent in cancer detection process using Magnetic Resonance Imaging (MRI). In this research, the synthesizing process of Fe 3 O 4 nanoparticles is done with and without the use of tapioca as a template through co-precipitation method. Fe 3 O 4 nanoparticles synthesized without tapioca as a template produced sphere like nanostructures with smallest diameters around 27 nm. On the other hand, Fe 3 O 4 nanoparticles synthesized using tapioca as a template produced rod like nanostructures with smallest lengths around 200 nm. The synthesized Fe 3 O 4 is then encapsulated using chitosan and alginate, and also impregnated with mangosteen. The result of the Fourier Transform Infra-Red (FTIR) test shows the existence of certain functional groups, such as Fe-O, C=O, C-C, C-O, N-H etc., in both types of samples which originated from chitosan, alginate and mangosteen. Vibrating Sample Magnetometer (VSM) test shows that both types of samples possess a superparamagnetic trait. Keywords : Fe 3 O 4 Nanoparticles, Co-precipitation, Encapsulation, Nanorod, Nanosphere 91 CAS Center for Advanced Sciences

2 ABSTRAK Partikel Fe 3 O 4 memiliki sifat superparamagnetik yang dapat digunakan sebagai material New Drug Delivery System (NDDS) dalam terapi hipertermia pada kanker dan juga sebagai contrast agent dalam pencitraan Magnetic Resonance Imaging (MRI). Pada penelitian ini, dilakukan sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 dengan dan tanpa template tapioka menggunakan metode ko-presipitasi. Nanopartikel Fe 3 O 4 tanpa template tapioka menghasilkan morfologi nanosphere dengan ukuran diameter sekitar 27 nm. Sedangkan nanopartikel Fe 3 O 4 dengan template tapioka menghasilkan morfologi nanorod dengan ukuran panjang sekitar 200 nm. Fe 3 O 4 yang dihasilkan kemudian dienkapsulasi menggunakan kitosan dan alginat serta diimpregnasi denganmangostin. Hasil Fourier Transform Infra-Red (FTIR) menunjukkan adanya gugus-gugus karakteristik Fe-O, C=O, C-C, C-O, N- H dan lainnya, pada kedua jenis sampel yang berasal dari kitosan, alginat dan mangostin. Hasil uji Vibrating Sample Magnetometer (VSM) pada kedua jenis sampel menunjukkan adanya sifat superparamagnetik. Kata kunci : Nanopartikel Fe 3 O 4, Metode ko-presipitasi, Enkapsulasi, Nanorod, Nanosphere PENDAHULUAN Kanker adalah suatu penyakit mutasi pada sel dan terklasifikasi sebagai tumor ganas [1]. Terapi yang umum dilakukan sampai saat ini meliputi operasi pembedahan, radioterapi, dan obat-obatan anti kanker. Sayangnya, pengobatan semacam ini justru memiliki efek samping yang dapat membahayakan pasien,contohnya obat-obatan yang digunakan dalam kemoterapi dapat merusak jaringan tubuh yang sehat dan mengakibatkan kerontokan [1].Salah satu metode yang potensial sebagai pengobatan kanker adalah melalui hipertermia atau pemanasan jaringan.kendala dari hipertermia itu sendiri adalah sulitnya melakukan pemanasan secara selektif agar jaringan yang sehat tidak ikut terpanaskan dan menjadi rusak [2].Agar proses hipertermia berjalan dengan lancar, dibutuhkan mekanisme penghantaran obat yang efektif dan efisien dan solusinya adalah sistem penghantaran obat terbaru atau disebut juga New Drug Delivery System (NDDS). NDDS memiliki keunggulan dibandingkan sistem penghantaran obat konvensional yaitu kemampuan controlled release dan drug targeting [3]. Selain pengobatan, tahap yang tidak kalah penting dalam pengobatan kanker adalah pendeteksian tumor itu sendiri, dan ini bisa dicapai menggunakan MRI (Magnetic Resonance Imaging). Untuk mendapatkan 92 CAS Center for Advanced Sciences

3 hasil pencitraan yang memiliki tingkat kejelasan lebih tinggi, digunakan contrast agent berfungsi memberi kontras pada daerah tertentu dalam MRI [4]. Karena itu, dibutuhkan suatu material yang dapat memenuhi seluruh kebutuhan tersebut yang mana dalam penelitian ini digunakan Fe3O 4 yang terenkapsulasi kitosan dan alginat, serta diimpregnasi mangosteen, karena mangosteen memiliki senyawa xanthone yang merupakan suatu zat antioksidan sebagai obat kanker alami [5]. METODOLOGI PENELITIAN Sintesisnanosphere dan nanorod Fe 3 O4 Fe3O 4 disintesis dengan metode kopresipitasi oleh ion-ion pembentukanya yaitu Fe 3+ berasal dari Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O (Mr = 404 gr/mol) dan Fe 2+ berasal dari FeCl 2.4H 2 O (Mr = 198,83 gr/mol). Larutan prekursor disiapkan dengan melarutkan FeCl 2.4H 2 O sebanyak 0,2985 gram ke dalam 150 ml aqua dm dan melarutkan Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O sebanyak 1,21 gram dilarutkan ke dalam 150 ml aqua dm secara terpisah. Setelah masing-masing larutan diaduk sampai tercampur rata, kedua larutan kemudian dicampurkan secara perlahan dan diaduk kembali sekitar 5 menit. Larutan Kitosan 2 % yang telah dibuat dituang sebanyak 10% dari total volume larutan prekursor diaduk selama 15 menit. Khusus untuk jenis sampel nanorod, setelah penambahan larutan Kitosan 2%, ditambahkan larutan kanji 0,5% sebanyak 5% dari total volume prekursor dan diaduk selama 15 menit. Setelah 15 menit maka untuk mendapat Fe 3 O 4 maka perlu ditambahkan beberapa tetes NH 3 sampai larutan berwarna hitam dan larutan berada dalam kondisi basa (ph 9). Dialiri Nitrogen selama 30 menit dalam suhu 70 C agar proses ini dalam kondisi maksimum. Setelah 30 menit, larutan diangkat lalu disentrifugasi. Endapan kemudian dipisahkan dari cairannya. Endapan yang dihasilkan berwarna hitam, kemudian dibilas sebanyak 5x dengan Aqua dm dan disentrifugasi. Endapan berwarna hitam dikeringkan dengan vacuum drying selama 24 jam lalu digerus menggunakan mortar, menghasilkan serbuk berwarna hitam. Serbuk Fe 3 O 4 kemudian dibakar dalam tungku nitrogen selama 2 jam dengan suhu 500 C.Serbuk yang telah dibakar agar benar-benar halus maka perlu digerus kembali. Proses Enkapsulasi dan Entrapment Proses enkapsulasi nanopartikel Fe 3 O 4 sebanyak 0,4 gram didispersikan dalam 30 ml buffer asetat (0,2 M; ph = 3,5) dan diultrasonifikasi selama 10 menit. Larutan Kitosan 1% sebanyak 10 ml ditambahkan kedalam larutan tersebut kemudian diaduk selama 1 jam. Hasil enkapsulasi Fe 3 O 4 dengan kitosan didapatkan dengan cara separasi magnetik menggunakan magnet 93 CAS Center for Advanced Sciences

4 permanen dan kemudian dibilas menggunakan aqua dm dan ethanol lalu dikeringkan.proses enkapsulasi selanjutnya adalah dengan larutan alginat 0,5%, melakukan hal yang sama seperti enkapsulasi sebelumnya. Begitupun proses entrapment dengan larutan mangostin dan enkapsulasi kembali dengan larutan kitosan 1%. Perbandingan serbuk Fe3O4 dengan masingmasing larutan adalah 1:100. Karakterisasi Pada penelitian ini digunakan alatscanning Electron Microscope(SEM) dengan tipe JEOL-JSM-6510LV. Alat karakterisasi yang digunakan untuk Fourier Transform Infra-Red (FTIR) adalah Prestige 21 Shimadzu. KarakterisasiX-Ray Diffraction (XRD) ini dilakukan di Laboratorium Instrumen Analisis, Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri ITB dan Laboratorium Pusat Survei Geologi, Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi Kelautan (PPGL) Bandung.Karakterisasi Vibrating Sample Magnetometer (VSM) dilakukan di PTBIN-BATAN, Serpong. HASIL PEMBAHASAN Partikel nanomagnetik Fe 3 O 4 disintesis melalui metode kopresipitasi.dengan perbandingan 1 : 2 antara Fe 2+ dan Fe 3+. Dengan metode ini didapatkan endapan Fe 3 O 4 yang berwarna hitam. Reaksi umum yang terjadi pada proses sintesis Fe 3 O 4 adalah sebagai berikut: Fe Fe OH - Fe 3 O 4 + 4H 2 O Gambar 1 merupakan hasil SEM menunjukkan bahwa morfologi Fe 3 O 4 tanpa tapioka membentuk nanosphere dengan ukuran partikel sekitar 27 nm. Morfologi dari Fe 3 O 4 nanosphere yang dienkapsulasi kitosan dan alginat serta di-entrapment mangostin, terbentuk sphere dengan ukuran partikel 0,2 µm dan flower like structure dengan ukuran partikel 0,5 µm. Morfologi Fe 3 O 4 dengan template tapioka yang membentuk nanorod dengan ukuran 200 nm. Hasil enkapsulasi Fe 3 O 4 nanorod menggunakan kitosan dan alginat serta entrapment mangostin membentuk kumpulan cluster dengan ukuran sekitar 100 µm. Hal ini terjadi karena bongkahan hasil sampel nanorod yang terbentuk masih relatif besar dan menggumpal. 94 CAS Center for Advanced Sciences

5 Gambar 1. Morfologi Fe 3 O 4 nanosphere, nanorod sebelum dan setelah enkapsulasi Gambar 2. Spektra Fourier Transform Infra Red Fe 3 O 4 nanosphere dan nanorod Gambar 2 adalah hasil FTIR menunjukkan bahwa Fe 3 O 4 murni (yang belum dienkapsulasi)nanosphere dan nanorod memiliki gugus fungsi Fe-O di sekitar bilangan gelombang 600 cm cm -1. Setelah tahap 95 CAS Center for Advanced Sciences

6 enkapsulasi dan entrapment, Fe 3 O 4 nanosphere dan nanorod terbukti memiliki gugus fungsi dari kitosan, alginat dan mangostin yang melingkupi gugus fungsi O-H, N-H, C=O, C-O, C-C aromatik dan Fe-O. Gambar 3. Hasil X-Ray Diffraction Fe 3 O 4 nanosphere dan nanorod Gambar 3 menunjukkan hasil XRD Fe 3 O 4 nanosphere sebelum dan setelah enkapsulasi menunjukkan adanya fasa Fe 3 O 4 pada puncak (2θ) di 30 o, 36 o dan 63 o. Sedangkan hasil XRD Fe 3 O 4 nanorod sebelum enkapsulasi terdapat puncak (2θ) pada 35 o, 61 o,dan 71 o. Fe 3 O 4 nanorod setelah enkapsulasi menunjukkan adanya fasa Fe 3 O 4 pada puncak (2θ) pada 24 o, 30 o,dan 35 o. Seluruh hasil puncak-puncak yang didapatkan sesuai dengan puncak karakteristik dari Fe 3 O 4 menurut referensi JC-PDS CAS Center for Advanced Sciences

7 Gambar 4. Hasil Vibrating Sample Magnetometer Fe 3 O 4 nanosphere dan nanorod Pada Gambar 4 merupakan kurva histerisis Fe 3 O 4 nanosphere murni, Fe 3 O 4 -Alginat, Fe 3 O 4 akhir yang menunjukkan besar magnetisasi dan kuat medan magnet. Fe 3 O 4 murni memiliki nilai momen magnet yang besar yakni sekitar 78 emu/gram. Sedangkan ada penurunan nilai momen magnet menjadi sekitar 32 emu/gram saat dienkapsulasi kitosan dan alginat. Dan terjadi pula penurunan momen magnet menjadi 27 emu/gram setelah penambahan enkapsulasi menggunakan mangostin dan kitosan.penurunan yang sangat drastis setelah enkapsulasi dengan kitosan dan alginat disebabkan meningkatnya persentase gram per volum larutan alginat. Hal ini dapat terjadi karena polimer yang terkandung semakin besar sedangkan pada pengujian ini nilai magnetisasi diperoleh dari partikel yang bersifat magnet saja.selain nilai momen magnet, nilai remanensi menjadi penentu sifat suatu material dan hasil pengujian ini nilai remanensi dari Fe 3 O 4 murni sebesar 20 emu/gram. Mengalami penurunan menjadi 10 emu/gram setelah dienkapsulasi kitosan-alginat. Begitu pula penambahan enkapsulasi mangostin-kitosan menjadi 10 emu/gram, hal ini menunjukkan sifat material menuju superparamagnetik.selanjutnya yang dapat dianalisis dari kurva diatas adalah perbandingan dari hasil Fe 3 O 4 murni, Fe 3 O 4 -alginat dan Fe 3 O 4 akhir menunjukkan adanya pergeseran koersivitas kearah yang ingin dicapai. Fe 3 O 4 murni memiliki nilai koersivitas sebesar 0,02 T. Kemudian ada pergeseran koersivitas yang lebih jauh setelah dienkapsulasi kitosan-alginat menjadi sebesar 0,1 T. Namun saat penambahan enkapsulasi mangostin-kitosan, nilai koersivitas menjadi lebih kecil yakni sebesar 0,001 T. Sedangkan pada sampel Fe3O 4 nanorod murni, didapatkan momen magnetisasi sebesar 48,7 emu/gram, remanensi sebesar 10 emu/gram, dan koersifitas sebesar 0,02 Tesla.Pada sampel Fe 3 O 4 yang telah dienkapsulasi 97 CAS Center for Advanced Sciences

8 hingga tahap akhir, didapatkan momen magnetisasi sebesar 47,5 emu/gram, remanensi sebesar 10,8 emu/gram, dan koersifitas sebesar 0,01 Tesla. Keduanya mendekati sifat superparamagnetik ideal, dengan nilai remanensi hanya sekitar 20% dari momen dan koersifitas mendekati 0. Dapat terlihat nilai koersifitas dari Fe 3 O 4 nanosphere dan nanorod, sebelum dan setelah enkapsulasi, seluruhnya mendekati nol. Hal ini menunjukkan material memiliki sifat superparamagnetik. KESIMPULAN Sintesis Fe 3 O 4 dengan morfologi nanosphere dengan ukuran partikel sekitar 27 nm dan Fe 3 O 4 template tapioka yang menghasilkan morfologinanorod telah berhasil dibuat dengan ukuran partikel sekitar 200 nm. Enkapsulasinanopartikel superparamagnetik Fe 3 O 4 menggunakan alginat dan kitosan serta penambahan senyawa aktif mangostin telah berhasil dilakukan dibuktikan dengan salah satu karakterisasi FTIR.Hasil XRD pada Fe 3 O 4 tanpa tapioka, sebelum dan setelah enkapsulasi menunjukkan adanya fasa Fe 3 O 4 pada puncak 2θ yakni 30 o, 36 o dan 63 o. Sedangkan untuk hasil dari Fe 3 O 4 dengan tapioka adalah 35 o, 61 o, dan 71 o pada sampel murni dan 24 o, 30 o, dan 35 o pada sampel terenkapsulasi. Hasil VSM partikel Fe 3 O 4 tanpa tapioka dan dengan tapioka menunjukkan superparamagnetik. DAFTAR PUSTAKA [1] Malcolm R Alison, Cancer, Imperial College School of Medicine, London, UK, Encyclopedia of Life Sciences, [2] Gian Franco Baronzio and E. Dieter Hager, Hyperthermia in Cancer Treatment : A Primer, Landes Bioscience, [3] Stephanie Farrell, Robert P.Hesketh, Mariano J.Savelski, and C.Stewart Slater, Fundamentals, Design and Applications of Drug Delivery System, American Society for Engineering Eduacation, [4] Sungwook Hong, Yongmin Chang, and Ilsu Rhee, Chitosan-coated Ferrite (Fe3O4) Nanoparticles as a T2 Contrast Agent for Magnetic Resonance Imaging, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 56, No. 3, March [5] S.-K. Kim, Chitin, Chitosan, Oligosaccharides and Their Derivatives : Biological Activities and Application, CRC Press, CAS Center for Advanced Sciences