Analisis Dimensi dan Similaritas pada Sintesis Microsphere Polimer Berbasis Polilaktat (Indra Gunawan)

## ANALISIS DIMENSI DAN SIMILARITAS PADA SINTESIS MICROSPHERE POLIMER BERBASIS POLILAKTAT
Indra Gunawan, Aloma K. K., Rukihati dan Sudaryanto Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir (PTBIN) - BATAN Kawasan Puspiptek, Serpong 15314, Tangerang

## ABSTRAK
ANALISIS DIMENSI DAN SIMILARITAS PADA SINTESIS MICROSPHERE POLIMER BERBASIS POLILAKTAT . Telah dipelajari analisis bilangan tak berdimensi dan konsep similaritas pada pembuatan microsphere berbasis polilaktat (PLA). Hubungan teoritis diameter microsphere yang dipengaruhi kecepatan pengadukan dapat diramalkan dari analisis matematis mengikuti konsep similaritas. Sedangkan korelasi empiris hubungan antara diameter microsphere dengan bilangan Weber diturunkan menggunakan analisis dimensi dari variabel yang berpengaruh pada sintesis, dengan melakukan serangkaian percobaan untuk memperoleh butir microsphere pada variasi kecepatan pengadukan, dan variabel lain dibuat tetap. Persamaan empiris yang diperoleh berbentuk ln ( d m /d F ) = 0,5151 ln ( We ) - 0,4788, bermanfaat untuk meramalkan diameter microsphere sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Karakterisasi butir microsphere dengan menggunakan peralatan Simultaneous Thermal Analysis menunjukkan PLA mengalami peleburan pada suhu 168,4 o C hingga 191,6 o C dan titik dekomposisi 350,7 o C. Pengujian X-Ray Diffractometer menunjukkan bahwa telah dapat dibuat pengungkungan Holmium didalam microsphere PLA dengan kandungan sebesar 86,23 %. Uji biodegradibilitas dengan melihat perubahan berat molekul dengan Gel Permeability Chromatography menunjukkan PLA mengalami degradasi sempurna diperkirakan setelah 89 minggu.
Kata kunci : Microsphere , analisis dimensi, similaritas, polilaktat, korelasi empiris

## ABSTRACT
THE SIMILARITY AND DIMENSIONAL ANALYSIS ON SYNTHESIS OF POLYMER MICROSPHERE BASED ON POLYLACTIC. A study of the similarity concept and dimensionless group analysis of polylactide based microsphere synthesis has been done. Sequences of the experiments were carried out to obtain a microsphere bead on different agitation rates and other variables were set constant. Theoretical correlation between microsphere diameter and agitation rate was derived with the concept of similarity. While the empirical correlation between Weber (We) number and microsphere diameter was derived with dimensional analysis of variables, one gets that is useful for prediction of a microsphere diameter according to purposed specification. Characterization of microsphere bead by using equipments of Simultaneous Thermal Analysis show its melting temperature are in the range of 168,4 to 191,6 o C and decomposition point is 350 o C. X-Ray Diffractometer characterization indicate that content of Holmium in PLA microsphere is equal to 86,23 %. Biodegradability test were done by investigation of molecular weight changes as time function by using Gel Permeability Chromatography show perfect degradation of PLA estimated by after 89 week.
Key words : Microspheres, dimensional analysis, similarity, polylactide, empirical correlation

## PENDAHULUAN
Microsphere merupakan partikel berbentuk bola berskala mikrometer, yang dapat terbuat dari bahan keramik, kaca dan polimer. Microsphere polimer dapat dibuat dengan membentuk dispersi dengan cara mencampur dua larutan polimer yang tidak saling larut menggunakan pengadukan.
Analisis dimensi adalah suatu cara untuk menyatakan pengaruh kuantitas dari sistem fisika dengan kaidah jumlah besaran tak bergantung sedikit mungkin, dan besaran itu mengambil bentuk tidak dipengaruhi oleh perubahan satuan pengukuran [1].
Prinsip similaritas adalah suatu metode yang digunakan untuk menghubungkan sistem fisika yang memiliki perbedaan ukuran, sehingga metoda ini sangat bermanfaat untuk melakukan scale-up ataupun scale down dari proses fisika maupun kimia. Prinsip similaritas biasanya digunakan bersamaan dengan metoda analisis kelompok tak berdimensi. Prinsip similaritas lebih menitikberatkan pada konsep umum tentang bentuk di dalam sistem yang sangat rumit dengan implikasi bahwa bentuk tidak bergantung ukuran dan komposisi. Didalam kalimat yang lebih tepat, prinsip ini menyatakan
konfigurasi ruang dan waktu dari sistem fisika dinyatakan oleh perbandingan besaran didalam sistem itu sendiri dan tidak bergantung ukuran atau spesifik satuan dimana besaran ini ditentukan [1].
Empat keadaan similar di dalam rekayasa kimia dapat disebutkan : similar geometris, similar mekanis, similar termis, dan similar kimia. Similaritas mekanis, thermis, dan kimia pada sistem yang similar secara geometris dapat dispesifikasi dengan kriteria bilangan tak berdimensi dari perbandingan intrinsik pengukuran, gaya, dan kecepatan di dalam masing-masing sistem.
Studi tentang konsep analisis dimensi dalam bentuk pengaruh bilangan Weber terhadap diameter microsphere berbasis polimetil metakrilat telah dilakukan [2]. Dari penelitian tersebut telah ditunjukkan, bahwa persamaan pembentukan diameter microsphere yang hanya dipengaruhi oleh bilangan Weber, adalah :
a p m We k d d ...................................... (1)
dengan :
2 2 N d d
We p m ..................................... (2)
Pada makalah ini dilaporkan tentang konsep analisis dimensi dan similaritas didalam pembentukan microsphere berbasis polilaktat, serta karakterisasi sifat-sifat ketahanan panas dan kristalinitas microsphere terbentuk dengan menggunakan Simultaneous Thermal Analisis, X-Ray Diffractometer dan uji biodegradebilitas dengan melihat perubahan berat molekul (BM) menggunakan Gel Permeability Chromatograph.
Di bidang kedokteran polilaktat dan kopolimernya telah banyak digunakan sebagai sistem penyampaian obat ( drug delivery system , DDS ), benang bedah dan prosthesis [3]. Microsphere polilaktat yang dikembangkan didalam penelitian ini akan dicoba digunakan untuk mengemban Holmium-166.
Dihipotesiskan, bahwa ketika dua larutan tidak bercampur diaduk bersama, salah satunya akan terdispersi sebagai droplets pada larutan lain. Mekanisme umum pembentukan dispersi adalah bahwa melalui gerakan pengadukan, gelembung mikro pada fase dispersi dibuat berputar, sehingga mencapai keadaan kesetimbangan. Kriteria similaritas tenaga gerak adalah perbandingan gaya sentrifugal terhadap tegangan permukaan tetap.
Hasil yang diharapkan dari penelitian ini, adalah diperoleh hubungan kuantitatif pengaruh bilangan Weber terhadap diameter microsphere terbentuk, dan aplikasi prinsip similaritas yang sangat bermanfaat untuk melakukan scale up dari proses yang dipelajari.

## METODE PERCOBAAN

## Bahan
Polilaktat (PLA, BM=39000) berbentuk pelet diperoleh dari Wako (Jepang), Polivinil Alkohol (PVA, BM=72000) diperoleh dari Merck (Jerman). Pelarut yang digunakan adalah aquades dan kloroform (CHCl 3 ) pro analisis dari Merck.

## Cara Kerja
Dicampurkan masing-masing 50 mL larutan PLA 2 % dan 50 mL larutan PVA 1 % ke dalam gelas 300 mL yang telah diukur diameter gelasnya ( d g ). Larutan polimer tersebut kemudian diaduk dengan stirrer tipe RW 10 R CE selama 2 jam dengan variasi skala kecepatan 4 (2136 rpm); 5 (2570 rpm); 5,5 (3004 rpm) dan 6 (3439 rpm) dan variabel lain dibuat tetap selama keseluruhan proses. Setelah 2 jam, pengadukan emulsi dihentikan kemudian emulsi diencerkan ke dalam 500 mL aquadest yang telah disiapkan, diaduk dengan kecepatan sama dengan kecepatan yang digunakan untuk mengaduk larutan polimer selama 1 jam. Larutan emulsi dua polimer tersebut kemudian didiamkan selama 1 malam agar terjadi pengendapan. Endapan yang terbentuk kemudian didekantasi, endapan microsphere terbentuk dituangkan ke dalam cawan petri, dan dikeringkan di dalam oven pada 60 o C selama 24 jam. Ukuran microsphere diidentifikasi dengan menggunakan mikroskop optik.

## Karakterisasi
Ukuran microsphere ditentukan dengan menggunakan mikroskop optik dan SEM Phillip 505 yang ada di laboratorium BBIN, PTBIN-BATAN, Serpong. Bahan uji terlebih dahulu dilapisi dengan emas (Au) agar konduktif dengan menggunakan alat sputtering . Identifikasi ketahanan panas dilakukan dengan DTA Setaram TAG 24 di laboratorium STA BBIN, PTBIN-BATAN, Serpong. Identifikasi kristalinitas bahan dilakukan dengan XRD Shimadzu BBIN, PTBIN-BATAN, Serpong. Uji biodegradibilitas dilakukan dengan cara inkubasi microsphere PLA didalam larutan fosfat pH 7,4 dengan waktu inkubasi divariasikan pada 4 minggu, 8 minggu dan 12 minggu. Pelacakan biodegradebilitas dilakukan dengan mengamati berat molekul fungsi waktu inkubasi dengan menggunakan alat Gel Permeability Chromatography (GPC) di Balai Penelitian Teknologi Karet (BPTK), Bogor.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Bahasan tentang penggunaan konsep analisis dimensi didalam pembuatan microsphere telah diuraikan secara rinci pada penelitian terdahulu [2]. Metode yang sama akan digunakan di sini untuk pembentukan
Analisis Dimensi dan Similaritas pada Sintesis Microsphere Polimer Berbasis Polilaktat (Indra Gunawan)
microsphere berbasis polilaktat. Microsphere polilaktat bersifat biodegradable sehingga dapat terdegradasi melalui proses hidrolisis didalam tubuh. Microsphere polilaktat diarahkan penggunaannya untuk mengungkung Holmium, jika diaktifkan dengan cara diiradiasi akan dapat digunakan sebagai bahan radiofarmaka. Tahapan pengembangan microsphere sebagai pengungkung bahan radiofarmaka adalah : pengontrolan ukuran dan bentuk microsphere , pengisian microsphere dengan nuklida, dan pengaktifan microsphere berisi nuklida didalam reaktor nuklir. Pada makalah ini akan dilaporkan studi pengontrolan ukuran dan bentuk microsphere serta pengisian microsphere dengan Holmium trioksida.
Diameter microsphere hasil sintesis dengan variasi kecepatan agitasi ditentukan skala ukurannya dengan menggunakan mikroskop optik. Gambar 1. memperlihatkan ukuran microsphere dimaksud.
Tabel 1. memuat hubungan diameter microsphere yang dipengaruhi oleh kecepatan pengadukan (rpm). Kolom ketiga dari tabel 1 tersebut memuat diameter microsphere yang dihitung dengan menggunakan prinsip similaritas, dimana dispersi yang tersebar dengan diameter d m berputar dengan kecepatan putar maksimum v, maka jumlah gaya sentrifugal yang bekerja pada butiran tersebut adalah
d m 2 v 2 dan jumlah tegangan permukaannya adalah d m . Kriteria similaritas tenaga gerak adalah perbandingan gaya sentrifugal terhadap tegangan permukaan tetap, dituliskan :
tetapan d v d
m m 2 2
......................................... (3) p Nd v
.................................................... (4)
C N d d p m 2 2
.......................................... (5)
Keadaan 1 dan keadaan 2 adalah bersesuaian dengan kondisi pembuatan microsphere pada kecepatan pengadukan N 1 dan N 2 . Untuk rapat massa , tegangan permukaan , dan diameter pengaduk d p berharga sama, maka persamaan similaritas di atas memberikan :
2 2 1 2 N d N d m m ........................................ (6) 2 2 2
1 1 2 N N d d m m ........................................ (7) Persamaan (7) menyatakan hubungan teoritis diameter microsphere terbentuk terhadap kecepatan putaran pengaduk dari dua sistem proses sintesis, dimana rapat massa , tegangan permukaan , dan diameter pengaduk d p kedua sistem berharga sama. Tabel 1 atau Gambar 2 memperlihatkan hubungan pengaruh parameter proses sintesis yang diwakili oleh bilangan Weber terhadap diameter microsphere yang dihasilkan, yang sangat bermanfaat untuk meramalkan kondisi proses pembuatan microsphere dengan diameter (a) (b) (c) (d)
Gambar 1 . Diameter microsphere hasil sintesis dilihat dengan mikroskop optik pada beberapa kecepatan putaran pengaduk yaitu : skala 4 (2136 rpm) (a), skala 5 (2570 rpm) (b), skala 5,5 (3004 rpm) (c) dan skala 6(3439 rpm) (d).
Kecepatan pengadukan (rpm) Diameter microsphere ( m) Diameter microsphere pers.(7) Bilangan Weber (We) Ln (We) Ln (dm/dp) 2136 87 87 0,126502 -2,0675 -5,84304 2570 62 65,92064 0,066279 -2,71388 -6,18182 3004 49,125 52,16404 0,045045 -3,1001 -6,41458 3439 35 42,58659 0,02135 -3,84669 -6,7536
Tabel 1 . Pengaruh kecepatan pengadukan terhadap diameter microsphere terbentuk, dan hubungannya dengan bilangan Weber.
y = 0.5151x - 4.788 -7 -6.8 -6.6 -6.4 -6.2 -6 -5.8 -5.6 -4 -3 -2
-1 ln (We )
Gambar 2 . Hubungan parameter proses sintesis microsphere PLA yang diwakili oleh bilangan Weber terhadap diameter microsphere terbentuk.
yang diinginkan. Kolom 2 dan kolom 3 Tabel 1 tersebut menyatakan diameter microsphere hasil eksperimen dan diameter microsphere yang dihitung dengan menggunakan persamaan (7). Menggunakan statistik distribusi chi-squared (CHITEST) dapat ditentukan diameter microsphere dihipotesiskan telah dibuktikan oleh suatu eksperimen. CHITEST (d m eksperimen, d m hipotesis) = 0,001343. Jika d m eksperimen memiliki data poin yang berbeda dengan d m hipotesis tidak diperoleh harga CHITEST.
Pengungkungan Ho 2 O 3 dengan Microsphere PLA
Butir Ho 2 O 3 ditentukan ukurannya dengan
Diameter rerata microsphere yang akan dibuat untuk mengungkung Holmium harus berukuran lebih dari diperoleh parameter proses sintesis dalam bentuk bilangan Weber. Proses pengungkungan dilakukan dengan cara mencampur Ho 2 O 3 ke dalam campuran larutan PLA dan larutan PVA. Pada kondisi larutan yang disebutkan di metode penelitian maka untuk mendapatkan butir microsphere
kecepatan pengadukan pada skala 7,6 atau 4411 rpm. Ukuran butir microsphere PLA berisi nuklida Ho terlihat pada Gambar 3.

## Karakterisasi
Sifat Ketahanan Panas Microsphere
Sifat ketahanan panas yang diukur dengan menggunakan peralatan STA tertera pada Gambar 3. Dari grafik TG diperoleh keterangan bahwa pada pemananasan sampai dengan 300 o C cuplikan tidak mengalami perubahan berat. Kehilangan berat terjadi saat pemanasan sehingga 328,3 o C. Grafik DTA
menginformasikan penurunan kapasitas panas saat pemanasan sehingga 110,03 o C. Pada pemanasan 168,4 sehingga 191,6 o C microsphere mengalami peleburan dengan entalpi peleburan Hm = -20,42 J/g. Pada pemanasan 350,7 o Csehingga 366,8 o C kurva kapasitas panas bersifat endotermis dikarenakan cuplikan membutuhkan panas untuk proses dekomposisi entalpi dekomposisi Hd = -50,13 J/g.

## Kristalinitas Butir Microsphere
Pola difraksi yang diambil dari cuplikan microsphere PLA yang diisi Holmium Oksida menunjukkan konfirmasi bahwa Ho 2 O 3 sudah ada di dalam butir microsphere , ditunjukkan oleh puncak-puncak kuat milik Ho 2 O 3 yang ada di sudut refleksi 29,13 o ; 48,493 o ; 33,761 o dan 57,577 o . Sedangkan puncak difraksi pada sudut 16,5 o ; 19 o dan 22,5 o adalah milik PLA. Dari difraktogram sinar-X dapat dipastikan bahwa keberadaan Ho didalam microsphere PLA diketemukan, dengan membandingkan jumlah intensitas puncak Ho dan jumlah intensitas puncak PLA kandungan Ho didalam microsphere PLA adalah 86,23 %.
Gambar 3 . Morfologi permukaan microsphere berisi nuklida Ho, dapat dilihat bahwa ukuran butiran terbentuk sekitar 20 m.

## Uji Biodegradibilitas
Pengukuran berat molekul cuplikan butir microsphere PLA yang dipengaruhi waktu inkubasi ditunjukkan dengan Gambar 5. Pengamatan biodegradibilitas PLA melalui pengukuran BM fungsi waktu inkubasi menunjukkan bahwa kecepatan degradasi polimer PLA adalah eksponensial terhadap waktu. Degradasi polilaktat terjadi karena terputusnya ikatan ester pada rantai PLA menghasilkan oligomernya. Terdapat tiga fasa mekanisme degradasi PLA . Tahap pertama adalah proses terputusnya rantai PLA secara acak. Pada tahap ini BM polimer berkurang tetapi tidak terlihat jelas kehilangan bobot yang terjadi. Tahap kedua adalah terjadi penurunan BM yang diikuti kehilangan bobot secara cepat. Pada tahap ketiga monomer asam laktat terbentuk dari peruraian fragmen oligomer asam laktat. Tahap ini adalah tahapan degradasi sempurna dari PLA [4]. Mengikuti mekanisme degradasi PLA , degradasi PLA secara sempurna terjadi dengan terbentuknya monomer asam laktat berberat molekul 90. Data pengukuran degradasi PLA menunjukkan berat molekul sebagai fungsi waktu adalah Mn = 39000 e –0,0677 t . Dengan memasukkan harga Mn=90 diperkirakan waktu tercapainya degradasi sempurna adalah 89 minggu .

## KESIMPULAN
1. Konsep analisis dimensi pada sintesis microsphere berbasis polilaktat menghasilkan persamaan empiris
pembentukan diameter microsphere sebagai fungsi parameter proses adalah :
4788 , 0 ln 5151 , 0 ln We d d p m
2. Dengan menggunakan difraksi sinar-X dapat ditunjukkan bahwa telah dapat dibuat pengungkungan Holmium didalam microsphere PLA dengan kandungan sebesar 86,23 %..
3. Karakterisasi sifat ketahanan panas bahan microsphere yang diisi Holmium dilakukan dengan STA, menunjukkan microsphere mengalami peleburan pada suhu 168,4 sehingga 191,6 o C dan titik dekomposisi 350,7 o C.
4. Kecepatan degradasi polimer PLA adalah eksponensial terhadap waktu dan PLA mengalami degradasi sempurna diperkirakan setelah 89 minggu.

## DAFTAR ACUAN
[1]. JOHSTONE, R.E., THRING, M.W., Pilot Plants, Models, and Scale-up Methods in Chemical Engineering , McGraw-Hill Book Co.,Inc., (1957)
[2]. INDRA GUNAWAN, SUDARYANTO, ALOMA K.K., ROCHMADI dan NURUL E.E., Jurnal Sains Materi Indonesia, 6 (2) (2005) 24-28
[3]. AURAS, R., Polylactic Acid as New Biodegradable Commodity Polymer , www.msu.edu .
[4]. JAIN RA, Biomaterials 21 (2000) 2475-2490
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 0 5 1 0 1 5 W a k tu I n k u b a si (M i n g g u ) M n M w
Gambar 6 . Pengukuran BM PLA sebagai fungsi waktu inkubasi.
Gambar 5 . Pola difraksi microsphere PLA berisi Holmium. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 10 20 30 40 50 60 2 theta (derajat) + + + * * * + * PLA + Ho