BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Nanopartikel magnetik adalah partikel yang bersifat magnetik, berukuran dalam kisaran 1 nm sampai 100 nm. Ukuran partikel dalam skala nanometer hingga mikrometer identik dengan kisaran ukuran unit biologi (sel, virus, protein dan gen) sehingga nanopartikel magnetik dapat digunakan untuk berinteraksi dengan unit biologi yang bersesuaian. Nanopartikel magnetik cukup biokompatibel dengan sistem tubuh manusia menjadikannya sangat potensial untuk diaplikasikan dalam biomedis. Contohnya adalah aplikasi sebagai drug delivery, magnetic resonance imaging (MRI), mediasi magnetik hyperthermia untuk pengobatan kanker dan bioseparation magnetik (Zhang dkk., 2013). Untuk tujuan tersebut diperlukan nanopartikel yang stabil secara kimiawi dengan ukuran dan bentuk yang seragam. Salah satu material nanopartikel magnetik yang menarik untuk dikaji adalah magnetite Fe 3 O 4 yang merupakan salah satu material magnetik sangat penting karena dianggap sebagai material ideal untuk aplikasi magnetik secara biologi, seperti drug delivery untuk terapi antitumor, pengobatan hyperthermia dari kanker, dan sebuah perantara aktivitas untuk diagnostik secara medis, karena memiliki sifat hydrofilik yang bagus, biocompatible, memiliki sifatsifat tidak beracun, dan stabilitas kimia yang tinggi. (Lv, 2010). Selain itu, magnetite Fe 3 O 4 banyak dikaji dan digunakan untuk aplikasi biomedis karena magnetisasi saturasinya yang tinggi serta mudah disintesis. (Lin, 2009) Magnetite Fe 3 O 4 memiliki sifat yang unik, yaitu adanya fenomena superparamagnetik. Sifat superparamagnetik merupakan sifat material yang memiliki magnetisasi tinggi ketika diberi medan magnet eksternal, namun ketika tidak ada medan magnet eksternal nilai magnetisasi rata-ratanya adalah nol. Bahan superparamagnetik timbul dari bahan ferromagnetik yang berukuran sangat 1
2 kecil (nano) yang membentuk domain magnetik yang mempunyai derajat kebebasan yang tinggi. Chun-Rong Lin dan teman-temannya pada tahun 2009 mensintesis dan mengkarakterisasi nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang dimuatkan pada fiber lapisan tipis Polyvinyl Pyrrolidone (PVP) dengan metode elektrospining. Namun, dari hasil VSM menunjukkan bahwa nilai magnetisasi saturasi (M s ) dari fiber yang dihasilkan masih rendah, yaitu sekitar 4 emu/g dan nilai Ms untuk nanopartikel Fe 3 O 4 adalah 36,6 emu/g, sedangkan nilai untuk medan koersivitas (H c ) dan magnetisasi remanen (M r ) adalah nol. (Lin, 2009) Pada tahun 2011 Yan Wei dan teman-temannya juga telah berhasil membuat membran nanofiber dengan magnetik biodegradable Fe 3 O 4 /chitosan (CS)/PVA untuk regenerasi tulang. Hasil VSM juga menunjukkan nilai M s fiber Fe 3 O 4 /CS/PVA yang masih rendah, dengan konsentrasi nanopartikel Fe 3 O 4 1% adalah 0,67 emu/g, 3% adalah 1,79 emu/g, 5% adalah 3,19 emu/g dan nilai M s untuk nanopartikel Fe 3 O 4 adalah 56,05 emu/g (Wei, 2011). Rendahnya nilai M s pada sampel fiber dibandingkan nilai M s untuk nanopartikel Fe 3 O 4 disebabkan oleh polimer yang membungkus partikel Fe 3 O 4 dalam bentuk fiber. Magnetisasi saturasi merupakan besarnya magnetisasi maksimum yang dicapai pada saat seluruh momen magnetiknya selaras. Sehingga jika nilai dari M s rendah, mengindikasikan bahwa partikel Fe 3 O 4 yang termuat dalam fiber masih rendah. Pada penelitian ini nanopartikel Fe 3 O 4 akan dikombinasikan dengan larutan polimer polyvinyil alcohol (PVA/Gohsenol) yang bersifat isolator untuk dikaji lebih lanjut tentang fenomena superparamagnetiknya. Larutan PVA akan digunakan sebagai larutan uji yang akan membentuk nanofiber berisi nanopartikel superparamagnetik Fe 3 O 4. Pada penelitian ini menggunakan jenis polimer Polyvinyl Alcohol (PVA) karena PVA merupakan polimer tidak berbau, tidak beracun, larut air, bisa membentuk plastik film yang baik, kekuatan mekanik serta fleksibilitas yang baik. (Zhang, 2009)
3 Beberapa metode telah dikembangkan untuk fabrikasi nanofiber, seperti template, self-assembly, pemisahan fase, dan elektrospining. Elektrospining merupakan metode sederhana dan efektif untuk fabrikasi nanofiber. Elektrospining dapat menghasilkan nanofiber yang kontinyu pada skala besar dan diameter fibernya dapat disesuaikan dari nanometer sampai mikrometer (Fang, 2011). Secara sederhana proses elektrospining menggunakan arus listrik tegangan tinggi dan kemudian larutan di charging dengan tegangan tinggi tersebut. Kemudian apabila daya dorong mekanik dan listrik mampu mengalahkan gaya tegangan permukaan maka terbentuk polimer jet. Polimer jet ini bergerak kearah kolektor. Dalam perjalan menuju kolektor terjadi pengurangan diameter jet dan pada saat sampai dikolektor polimer sudah hampir kering dan diameter fiber sudah dalam ukuran nano. Wang dkk pada tahun 2010 telah berhasil membuat nanofiber Fe 3 O 4 /PVA dengan cara mengkombinasi secara in situ menggunakan metode elektrospining, dimana polimer PVA dikombinasikan secara langsung saat pembuatan nanopartikel Fe 3 O 4. Sumber tegangan yang digunakan untuk menghasilkan fiber dengan metode elektrospining adalah 20 kv. Hasil penelitiannya menunjukkan bahwa dengan semakin bertambahnya konsentrasi larutan magnetik Fe 3 O 4, maka akan semakin besar pula ukuran diameter nanopartikel yang terdistribusi dalam fiber. Hasil uji kemagnetannya menunjukkan nilai M s, H c dan M r sampel nanopartikel Fe 3 O 4 adalah 67,91 emu/g, 0,33 koe dan 14,67 emu/g. sedangkan untuk M s, H c dan M r sampel fiber Fe 3 O 4 /PVA 4% adalah 2,42 emu/g, 0,31 koe dan 0,45 emu/g. Hasil uji kemagnetan dengan VSM ini menunjukkan bahwa nilai magnetisasi saturasi, medan koersivitas serta magnetisasi remanen memiliki nilai yang lebih rendah dibandingkan dengan hasil uji kemagnetan nanopartikel Fe 3 O 4. Hasil uji kemagnetan Wang menunjukkan nilai magnetisasi saturasi (M s ) masih relatif rendah dan medan koersivitas (H c ) relatif tinggi, yang menandakan bahwa sifat superparamagnetik dari fiber yang dihasilkan masih relatif kecil dan diharapkan pada penelitian ini dapat menghasilkan fiber dengan sifat
4 superparamagnetik yang lebih tinggi yang akan ditunjukkan dengan nilai M s yang lebih tinggi dan H c yang lebih rendah. Dalam penelitian ini akan mengkaji secara rinci untuk mengetahui ketergantungan polimer PVA yang digunakan sebagai larutan uji terhadap nanofiber yang dihasilkan terhadap variasi konsentrasi, viskositas, jarak ujung jarum dengan kolektor dan sumber tegangan yang diberikan saat elektrospining. Sumber tegangan yang digunakan mempunyai keterbatasan, yaitu maksimal 15 kv. PVA yang akan digunakan juga merupakan jenis polimer teknis yang mudah didapatkan di pasaran. Diharapkan dengan sumber tegangan yang terbatas serta PVA jenis teknis ini sudah dapat menghasilkan fiber yang halus, lurus, dan homogen. Pada penelitian ini juga akan dipelajari sifat kemagnetan serta kristalinitas pembuatan nanofiber dengan cara mengkombinasikan polimer PVA yang dilarutkan dalam dionized water dengan nanopartikel Fe 3 O 4 yang sudah siap pakai. Nanopartikel Fe 3 O 4 yang terdapat dalam nanofiber akan memberi reaksi dengan adanya medan magnet luar yang diharapkan dapat digunakan dalam bidang biomedis. Dengan demikian diharapkan hasil penelitian ini kelak akan menambah informasi dalam upaya pembuatan nanofiber Fe 3 O 4 /PVA yang efektif untuk pengaplikasiannya. 1.2 Rumusan Masalah Dengan berlandaskan pada latar belakang di atas, maka diperoleh rumusan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimanakah cara menempatkan nanopartikel superparamagnetik Fe 3 O 4 pada fiber PVA. 2. Bagaimanakah pengaruh variasi rasio massa Fe 3 O 4 /PVA terhadap diameter fiber. 3. Bagaimanakah pengaruh variasi konsentrasi larutan uji, viskositas, jarak antara jarum dan kolektor, dan tegangan yang diberikan saat elektrospining terhadap fiber yang dihasilkan.
5 4. Bagaimanakah cara fiber Fe 3 O 4 /PVA dapat bersifat superparamagnetik. 1.3 Batasan Masalah Penelitian ini mempunyai batasan masalah sebagai berikut : a. Polimer yang digunakan adalah Polyvinyl alcohol/gohsenol. b. Nanopartikel Fe 3 O 4 yang digunakan merupakan bahan yang sudah siap pakai. c. Sumber tegangan tinggi hanya dapat digunakan maksimal 15kV. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah : a. Membuat nanofiber dengan metode elektrospining. b. Mengetahui karakteristik dari fiber yang dibuat. 1.5 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat, diantaranya untuk : a. Membuka peluang pembuatan nanofiber untuk manfaat fibernya, seperti untuk drug delivery, tissue engineering scaffold dan lainnya b. Membuka peluang untuk pembuatan nanofiber dengan kombinasi sampel lainnya c. Memberi informasi tentang pembuatan nanofiber beserta karakterisasi dan sifat kemagnetannya 1.6 Sistematika Penulisan Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut: a. Bab I menjelaskan tentang latar belakang penelitian mengenai pembuatan nanofiber Fe 3 O 4 /PVA dengan metode elektrospining, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat penelitian dan sistematika penelitian.
6 b. Bab II berisi tinjauan pustaka yang menjelaskan tentang penelitian sebelumnya mengenai pembuatan nanofiber Fe 3 O 4 dengan metode elektrospining. c. Bab III berisi dasar teori yang berkaitan dengan terminologi sifat magnetik, klasifikasi sifat magnetik material, superparamagnetik, domain dan kurva histeresis, nanopartikel magnetite (Fe 3 O 4 ), PVA (Polyvinyil Alcohol) dan elektrospining. d. Bab IV menjelaskan tentang metode penelitian mencakup alat dan bahan yang digunakan untuk eksperimen, skema dan prosedur penelitian serta metode karakterisasi sampel. e. Bab V menunjukkan hasil eksperimen yang diperoleh dan pembahasannya. f. Bab VI memuat kesimpulan hasil penelitian dan saran untuk penelitian selanjutnya.