## MODIFIKASI WAKTU AGING DAN KONSENTRASI KITOSAN PADA ENKAPSULASI MIKROKAPSUL SILIKA-CHLORHEXIDINE 2% UNTUK APLIKASI DRUG DELIVERY ROOT CANAL TREATMENT

## MODIFICATION OF AGEING TIME AND CONCENTRATION OF CHITOSAN ON SILICA MICROCAPSULES ENCAPSULATION OF CHLORHEXIDINE 2% FOR DRUG DELIVERY APPLICATIONS ROOT CANAL TREATMENT
Denny Nurdin 1 , Enggar Dwi Kusuma 2 , Bambang Sunendar Purwasasmita 2
1 Departemen Konservasi Gigi Fakultas Kedokteran Gigi–Universitas Padjadjaran
2 Program Studi Teknik Fisika–Institut Teknologi Bandung Email: 1 denny.nurdin@fkg.unpad.ac.id, 2 purwa@tf.itb.ac.id
Diterima: 3 November 2014 Direvisi: 25 November 2014 Disetujui: 18 Desember 2014

## ABSTRAK
Perkembangan kehidupan manusia telah menuntut ilmu pengetahuan dan teknologi untuk menemukan cara terbaru  bagi perawatan kesehatan dan teknik penyaluran obat.  Silika sebagai sumber daya mineral terbesar di Indonesia bahkan di dunia berpotensi sebagai metal yg dapat menyalurkan zat aktif ke dalam tubuh tanpa batasan efektivitas karena  pengaruh suhu  ataupun  kestabilan kimia bahan itu sendiri.  Pada penelitian ini dilakukan enkapsulasi  zat aktif chlorhexidine 2%  melalui  proses  Stober  agar  partikel  yang dihasilkan  berbentuk spherical dengan ukuran yang dapat dikontrol dan terdispersi secara merata. Sodium silikat digunakan  sebagai precursor . Mikrokapsul yang dihasilkan ditujukan untuk perawatan saluran akar gigi. Proses Stober dilakukan dengan variansi waktu aging dan konsentrasi kitosan sebagai dispersan untuk mengontrol ukuran partikel. Waktu aging bervariasi mulai 72 jam, 36 jam, 24 jam, 8 jam, dan 4 jam. Dari variasi waktu aging, mikrokapsul terbaik akan dilakukan impregnasi chlorhexidine 2% dan dienkapsulasi dengan 6% kitosan  dan 2% alginat sehingga didapatkan mikrokapsul dengan ukuran kurang dari 1 µm. Pada hasil sintesis kemudian dilakukan karakterisasi SEM, dan FTIR. Melalui UV-Vis diketahui waktu aktifdari zat aktif bertambah 40 menit dengan enkapsulasi.
Kata kunci: drug delivery system , proses stober, enkapsulasi, silika

## ABSTRACT
The rising complexity and needs of healthcare nowadays is demanding the science and engineering to bring out the new concept of health treatment that enabled more effective drug administration. Silica, known as one of the most potential resources in Indonesia even in the whole world, can cope with poor temperature and chemical stability limitations. Silica has a good compatibility and stability which can lead it to be a promising metal  to encapsulate bioactive or drug and effectively deliver them to human body. The used of sodium silicate as precursor was intended to encapsulate the active substance, in this case was chlorhexidine 2%. The encapsulation was done by Stober process. By Stober process it is possible to produce spherical and monodispersed nanoparticles with controlable particle size and drug release rate in ambient temperature. This study was purposed to generate approximately  1  µm sized microcapsules of silica containing chlorhexidine digluconate 2% encapsulated with alginate and chitosan. Microcapsules were intended to be used in medicament  root canal treatment. The Stober process was modified with aging time and consentration of chitosan solution to control the size of microcapsules. Varied aging times are 72 hours, 36 hours, 24 hours, 8 hours, and 4 hours. The most suitable modified result, which was 4 hours aging time with 100-500 nm particle size then soaked in chlorhexidine 2% and combined with alginate and chitosan in ratio 6%:2% to form clustered encapsulated microcapsule under 1 µm in size. The characteristics of microcapsules  were observed by scanning electron microscopy, FTIR spectroscopy . The  release rate of encapsulated active substance observed was forty minutes  longer than the non-encapsulated, by UV-Visible spectroscopy.
Keywords: drug delivery system, stober process, root canal treatment, encapsulation, silica

## PENDAHULUAN
Ketersediaan  silika yang melimpah di Indonesia maupun di dunia menyimpan harapan untuk diolah dan memberikan manfaat bagi pilar- pilar kebutuhan manusia seperti energi, informasi dan teknologi, konstruksi, serta  biometal. Silika memiliki morfologi yang beragam, volume  yang dapat diatur, struktur berpori, dan luas per- mukaan yang besar [1].  Sifat-sifat tersebut menjadikan silika cocok untuk dijadikan bahan nanopartikel dan metal enkapsulasi.
Enkapsulasi merupakan usaha untuk melingkupi suatu zat dengan suatu dinding atau cangkang (shell) yang bertujuan untuk melindungi  zat tersebut (core)  dari  pengaruh lingkungan sekitar [2].  Selama ini enkapsulasi telah dikembangkan untuk bidang pangan, pertanian, dan kesehatan seperti untuk Drug Delivery System (DDS), dimana enkapsulasi  ini memiliki kemampuan  mengontrol laju pelepasan (controlled release) zat aktif (obat) sehingga dapat meningkatkan efektivitas zat aktif tersebut. Hal ini akan menurunkan jumlah penggunaan zat aktif atau penimbunan obat di dalam tubuh. Syarat suatu metal  dapat digunakan sebagai bahan drug delivery adalah biocompatible , biodegradable , dan non-toxic . Ketiga syarat tersebut dimiliki oleh silika, sehingga silika dapat digunakan sebagai metal pembawa zat aktif yang dikenal sebagai drug delivery metal .
Silika dapat diperoleh dari sodium silikat. Sodium silikat dapat diperoleh dengan mereaksikan pasir silika dengan sodium karbonat pada temperatur tinggi. Sodium silikat bersifat stabil pada larutan netral dan alkali. Pada larutan asam, ion silikat bereaksi dengan ion hidrogen dan membentuk asam silikat.
Salah satu terapi di dalam biomedik yaitu memanfaatkan drug delivery system sebagai pengontrol dalam pelepasan zat aktif seperti dalam perawatan saluran akar gigi yang terinfeksi.
Chlorhexidine merupakan zat aktif yang bersifat antiseptik,  efektif digunakan untuk melawan berbagai macam mikroorganisme gram positif.  Bahan ini  aktif pada pH 5,5-7, dapat membasmi bakteri dengan cara berikatan dengan dinding sel bakteri yang bermuatan negatif. Chlorhexidine dengan konsentrasi yang tinggi menyebabkan presipitasi pada sitoplasma yang dikandung oleh sel bakteri  sehingga  sel tidak akan dapat bertahan hidup [3].
Chlorhexidine digunakan sebagai anti bakteri pada root canal treatment yang merupakan suatu upaya perawatan saluran akar gigi yang terinfeksi. Infeksi atau peradangan yang terjadi pada saluran akar gigi umumnya merupakan  kelanjutan dari gigi yang mengalami karies.  Sasaran utama perawatan adalah tubulus dentin pada saluran akar gigi karena beberapa mikroorganisme  penyebab infeksi saluran akar gigi berkoloni di tempat tersebut. Tubulus dentin mempunyai ukuran kurang dari 1 µm sehingga dibutuhkan media penyalurobat yang berukuran kurang dari 1 µm.
Kitosan merupakan biopolimer yang kini intens dimanfaatkan dalam berbagai bidang biomedik. Kitosan dapat diperoleh melalui proses diasetilisasi kitin dari kelompok hewan crustacea . Kitosan memiliki gugus amina dan gugus hidroksil yang bebas sehingga memungkin kan dipadukan dengan berbagai metal.
Pada penelitian ini kitosan digunakan sebagai dispersant , coupling agent , dan bonding agent . Ketiga aplikasi kitosan ini ditentukan oleh konsentrasinya, Kitosan bersifat biodegradable dan biocompatible . Kedua sifat tersebut membuat kitosan aman digunakan untuk aplikasi ke- sehatan, pangan pertanian, dan sebagainya.
Sodium alginat merupakan polimer yang memiliki sifat biodegradable dan biocompatible . Sifat-sifat ini menyebabkan sodium alginat dapat digunakan sebagai bahan untuk drug delivery system . Seperti yang dilansir oleh Food and Drug Administration (FDA)  bahwa sodium alginat aman sebagai bahan dalam pangan maupun pengobatan.  Sodium alginat diperoleh dari  alga coklat ( Phaeophyceae ) atau rumput laut. Sodium alginat terdiri atas asam D-mannuronic  dan asam L-guluronic [4]. Asam L-guluronic menyebabkan alginat tidak membentuk gel kecuali jika direaksikan dengan ion kalsium yang merupakan suatu  kation.  Alginat  dapat  meningkatkan viskositas ketika direaksikan dengan air. Sodium alginat memiliki gugus karboksil yang terdiri atas ikatan rangkap antara karbon dan oksigen serta ikatan tunggal karbon dengan gugus hidroksi. Gugus karboksil memiliki polaritas yang tinggi karena ikatan rangkap antara karbon dan oksigen tersebut. Sifat polaritas ini umumnya menyebab- kan sifat hidrofilik pada metal  dengan gugus karboksil, begitu pun pada sodium alginat. Oleh karena sifat hidrofilik ini pula sodium alginat banyak digunakan dalam sintesis mikrokapsul. Sifat hidrofilik dapat memberikan  efek  pada
daya tahan mikrokapsul untuk melepaskan molekul.
Proses Stober merupakan proses hidrolisis alkil silikat dan kondensasi asam silika dalam keadaan basa.  Sintesis partikel silika dengan proses Stober dilakukan dalam larutan alkohol dengan ammonia sebagai katalis  [5].  Proses Stober menghasilkan partikel silika dengan ukuran diameter yang dapat dikontrol. Diameter partikel silika yang diperoleh  melalui  proses Stober dipengaruhi oleh prekursor silika, jenis alkohol,  dan rasio volum yang digunakan [6]. Pada berbagai penelitian, ukuran partikel juga dipengaruhi oleh waktu aging, konsentrasi ammonia dan H 2 O [7].

## BAHAN DAN METODE
Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental laboratorium dan dibagi kedalam lima tahap utama.

## Pembuatan Prekursor
Silika yang digunakan pada penelitian ini diperoleh melalui sodium silikat 10  M  yang diencerkan sampai 0,5 M.

## Pembuatan Larutan Prekursor
Proses Stober dilakukan dengan men- campurkan prekursor dengan pelarut ethanol, aqua  DM, dan ammonia sebagai katalis basa. Melalui proses Stober didapat larutan mikro- kapsul silika.

## Sintesis Mikrokapsul
Sintesis mikrokapsul dilakukan dengan mengemulsifikasi larutan yang diperoleh pada tahap kedua. Emulsifikasi dilakukan dengan menggunakan ultra turrax pada kecepatan 10.000 rpm selama 15 menit. Selama proses emulsifikasi ditambahkan larutan kitosan 1%. Setelah emulsifikasi selesai, larutan dihomogenisasi menggunakan ultrasonic homogenizer selama 15 menit. Larutan kemudian diberi waktu aging selama 72 jam, 48 jam, 24 jam, 8 jam, dan 4 jam.

## Modifikasi Mikrokapsul Silika
Modifikasi mikrokapsul dilakukan dengan melarutkan kembali mikrokapsul dalam ethanol dan dilakukan homogenisasi kembali dengan ultrasonic homogenizer selama 20 menit. Selanjutnya direndam dalam zat aktif chlorhexidine 2%.

## Enkapsulasi Mikrokapsul
Mikrokapsul dienkapsulasi kembali dengan kombinasi 2% (v/v) alginat 0,5% dan 6% (v/v) kitosan 2%. Alginat diperoleh dari sodium alginat yang telah dilarutkan dalam aqua demineralisasi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Hasil dan Analisis Karakterisasi SEM
Ketiga larutan mikrokapsul silika disintesis dengan  menambahkan 0,7% kitosan. Hasil karakterisasi SEM menunjukkan bahwa dengan pengurangan waktu aging ukuran partikel akan semakin kecil. Pada contoh  A  ukuran partikel rata-rata  60  µm, seperti yang terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Hasil Karakterisasi SEM Contoh A Aging 72 Jam
Pada  Gambar  2 diperlihatkan bahwa contoh  B  memiliki ukuran partikel rata-rata  19 µm. Sedangkan pada Gambar  3 diperlihatkan bahwa  contoh  C  memiliki ukuran partikel rata- rata  7-9  µm.  Contoh  C memiliki bentuk yang bulat namun membentuk cluster . Agar dapat digunakan menjadi media pembawa obat pada drug delivery , partikel harus berukuran 5-500 nm. Berdasarkan alasan tersebut, dilakukan pengurangan jumlah ammonia dan waktu aging dengan harapan ukuran partikel dapat mengecil. Ammonia sebagai katalis pada proses Stober memicu proses hidrolisis dan kondensasi sehingga dapat terbentuk jembatan Si-O-Si. Jumlah ammonia yang banyak menyebabkan laju hidrolisis dan kondensasi semakin cepat, sehingga waktu untuk terjadinya nukleasi pendek. Hal ini akan menyebabkan ukuran partikel relatif lebih besar [5].
Gambar 2. Hasil Karakterisasi SEM Contoh B Aging 48 Jam Gambar 3. Hasil Karakterisasi SEM Contoh C Aging 24 Jam Pengurangan ammonia sebanyak tiga kali dari semula dan waktu aging selama 8 jam dan 4 jam memberikan hasil partikel dengan ukuran rata-rata (contoh  D) 40 µm dan (contoh  E)
12  µm seperti  yang diperlihatkan pada  Gambar 4. Pada kedua contoh ini terlihat celah-celah pada permukaan sehingga berpotensi untuk dilakukan impregnasi dengan zat aktif.
Gambar 4. Hasil Karakteristik SEM dengan Pengurangan Waktu Aging dan Ammonia.
(a) Contoh D, Aging 8 Jam, (b) Contoh E, Aging 4 Jam
Pada beberapa penelitian diketahui  bahwa waktu  aging yang dilakukan memberikan peng- aruh pada pembentukan partikel  [8].  Ukuran partikel cenderung semakin membesar seiring dengan  semakin  lamanya  waktu  aging  yang
diberikan kepada partikel. Hal ini disebabkan karena kesempatan partikel untuk saling ber- tumbukan lalu kemudian berikatan satu sama lain semakin besar seiring dengan lamanya waktu aging.
19.2
Dari  contoh  E, dilakukan penambahan kitosan hingga 2,8%. Penambahan kitosan menyebabkan ukuran partikel pada contoh berikutnya (contoh  F) menjadi lebih kecil, yaitu berkisar diantara 100-500 nm seperti ditunjukkan pada  Gambar  5. Hasil tersebut telah memenuhi
syarat  ukuran partikel yang boleh digunakan untuk media pembawa obat atau drug delivery yaitu 5-500 nm [9]. Hasil tersebut dilanjutkan ke tahap modifikasi, impregnasi zat aktif, dan enkapsulasi mikrokapsul.
Gambar 5. Mikrokapsul Silika Contoh F 2,8% Kitosan
Gambar 6. Mikrokapsul Silika, Contoh F yang Telah Dienkapsulasi
Hasil karakterisasi SEM  pada  Gambar  6 menunjukkan proses enkapsulasi membentuk cluster dengan ukuran kurang dari 1 µm.

## Hasil Analisis FTIR
Keberadaan silika dilihat pada puncak spektrum pada posisi 1078,21  cm -1 dan puncak spektrum pada  954,76 cm -1 . Puncak spektrum pada posisi tersebut menunjukkan ikatan Si–O– Si. Kitosan berinteraksi dengan silika melalui ikatan hidrogen dan ikatan ionik Si–O–C. Ikatan hidrogen antara kitosan dan silika terjadi antara gugus silanol pada silika dengan gugus amida dan oksi pada kitosan  [10].  Kitosan yang telah menyelimuti silika dapat diidentifikasi dari keberadaan ikatan hidrogen (O–H).
Pada grafik hasil karakterisasi FTIR seperti yang terlihat pada Gambar  7,  ikatan hidrogen ditunjukkan oleh spektrum lebar dengan
intensitas medium pada kisaran bilangan gelombang 3400  cm -1 . Puncak pada bilangan gelombang 792,74 cm -1 pada intensitas medium menunjukkan adanya ikatan C–H. Hal ini mengindikasikan eksistensi sodium alginat. Analisa ini diperkuat dengan adanya puncak spektrum  pada bilangan gelombang 1633,71cm -1 dan 1660,71 cm -1 . Kedua spektrum tersebut menunjukkan adanya ikatan C=O yang terdapat pada gugus karboksil. Sedangkan, hasil impregnasi zat aktif chlorhexidine 2% yang telah dilakukan juga dapat dilihat melalui karakterisasi FTIR. Chlorhexidine 2% memiliki ciri gugus aromatik atau benzene (C=C). Pada grafik spektrum infra merah, ikatan C=C ditunjukkan oleh puncak pada bilangan gelombang 1485,19 cm -1 . Hal ini mengindikasikan mikrokapsul telah mengandung zat aktif chlorhexidine 2.

## Gambar 7. Grafik Hasil Karakterisasi FTIR

## Hasil Analisis UV-Vis
Karakterisasi UV-Vis dilakukan dengan melarutkan mikrokapsul silika yang telah diimpregnasi dengan zat aktif ke dalam larutan
kokubo yaitu simulated body fluid pada pH 6,5 sebagai pH saluran akar gigi yang sedang mengalami peradangan.
Gambar 8. Grafik Pelepasan Zat Aktif
Pada grafik, terlihat bahwa telah terjadi pelepasan zat aktif chlorhexidine 2% yang berangsur-angsur menurun kadarnya. Jika di-
cermati, pada grafik terlihat konsentrasi chlorhexidine 2% mulai stabil pada menit ke 40. Dari grafik yang stabil dapat diasumsikan bahwa
500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1/cm 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 %T 3427. 51 1660. 71 1633. 71 1485. 19 1078. 21 954. 76 792. 74 468. 70 sikit Si− O C C= C Si−
pelepasan zat aktif sudah tidak terjadi lagi. Hal ini menunjukkan dengan enkapsulasi chlor- hexidine 2% akan memiliki waktu aktif atau waktu paruh 40 menit lebih lama daripada yang tidak dienkapsulasi.

## KESIMPULAN
Penambahan waktu aging terhadap contoh akan memperbesar ukuran partikel silika, sedangkan penambahan konsentrasi kitosan sebagai dispersan akan memperkecil ukuran partikel silika. Cluster mikrokapsul silika ber- hasil disentesis dengan modifikasi konsentrasi kitosan 2,8% dan waktu aging selama 4 jam pada metode Stober dengan ukuran kurang dari 1 µm. Melalui karakterisasi FTIR diketahui bahwa mikrokapsul silika mengandung chlorhexidine 2% dan terenkapsulasi oleh alginat dan kitosan. Sedangkan berdasarkan karakterisasi UV-Vis, chlorhexidine 2% telah berhasil keluar pada medium dengan kondisi peradangan dengan waktu 40 menit lebih lama dari pada tidak dienkapsulasi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Kailasapathy K, 2002, Microencapsulation of Prebiotic Bacteria : Technology and
Potential Applications. Curr. Issues Intest. Microbiol, 3 , pp. 39-48, 2002.
[2] Franjione  J, Niraj V,  1995, The Art and Science of Microencapsulation ,  Southwest Research Institute, San Antonio, Texas.
[3] Ryan S,  2010,  “Chlorhexidine as a Canal Irrigant A Review”, Compendium of Continuing Education in Dentistry .
[4] Soni ML, Kumar M dan Namdeo KP, 2010,  “Sodium  Alginate  Microspheres for Extending  Drug  Release,  Formulation  and in  Vitro  Evaluation”,    International
Journal of Drug Delivery, 2 , 64-8.
[5] Ibrahim AM, Zikry AAF dan Sharaf MA, 2010,  “Preparation of Spherical Silica
Nanoparticles,  Stober  Silica”,  Journal of American Science, 6 (1), 985-9.
[6] Li G, Liu G, Kang ET, Neoh KG dan Yang X, 2008, “pH-Responsive Hollow Polymeric Microsphere and Concentric Hollow Microsphere From Silica-Polymer
Core-Shell Microsphere”, American Chemical Society, 24 , 9050-55.
[7] Werner S, Fink A dan Bohn E , 1968, “ Controlled Growth of Monodisperse
Silika Spheres in the Micron Size Range” , Journal  of Colloid And Interface Science, 26 , 62-9.
[8] Happy, Tok AIY, Su LT, Boey FYC dan Ng SH,  2007,  Homogeneous Precipitation of Dy2O3 Nanoparticles  Effect    of Synthesis  Parameters , Journal of Nano- science and Nanotechnology, 7 , 1-9.
[9] National Cancer Institute, Appl. Note slide 33 , 2002.
[10]  Silva GS, Oliveira PC, Giordani DS dan de Castro HF,  2011,  “Chitosan/Siloxane Hybrid Polymer: Synthesis, Charac- terization and Performance as a Support for Immobilizing Enzyme”, The Brazilian Chemical Society, 2011, 22 (8), 1407-17.