Preparasi dan Karakterisasi Core/Shell Mikrokapsul Polistiren Sebagai Biomaterial Imobilisasi Sel Mikroba (Etik Mardliyati)

## PREPARASI DAN KARAKTERISASI CORE/SHELL
MIKROKAPSUL POLISTIREN SEBAGAI BIOMATERIAL IMOBILISASI SEL MIKROBA

## Etik Mardliyati
Pusat Teknologi Farmasi dan Medika (PTFM) - BPPT Jl. M.H. Thamrin 8 Jakarta, 10340

## ABSTRAK
PREPARASI DAN KARAKTERISASI CORE/SHELL MIKROKAPSUL POLISTIREN SEBAGAI BIOMATERIAL IMOBILISASI SEL MIKROBA. Telah dikembangkan sebuah metode berbasis teknik emulsification-solvent evaporation untuk pembuatan mikrokapsul polistiren yang berstruktur core/shell . Metode ini memanfaatkan fenomena separasi fasa polimer di dalam campuran pelarut organik pada droplet emulsi minyak/air. Pada penelitian ini diteliti pengaruh kondisi preparasi mikrokapsul seperti konsentrasi pelarut dan suhu penguapan pelarut terhadap struktur mikrokapsul. Struktur mikrokapsul diamati dengan menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM) . Dari hasil penelitian diketahui bahwa pembentukan lubang inti ( core ) dan pori-pori dinding sangat dipengaruhi oleh konsentrasi isooktan dalam fasa minyak. Lebih lanjut, diameter core dan struktur dinding mikrokapsul dipengaruhi oleh suhu penguapan pelarut. Pada kondisi preparasi yang optimal, telah berhasil didapatkan mikrokapsul dengan core yang besar dan dinding yang berpori banyak, yang sesuai untuk diaplikasikan sebagai matriks imobilisasi sel mikroba.
Kata kunci : Biomaterial, mikrokapsul polistiren, struktur core/shell , imobilisasi, sel mikroba

## ABSTRACT
PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF CORE/SHELL POLYSTYRENE MICROCAPSULE FOR BIOMATERIAL OF MICROBIAL CELL IMMOBILIZATION . A new method for preparing polystyrene microcapsule with a core/shell structure was successfully developed using emulsification- solvent evaporation technique. The method was based on phase separation of polymer within a mixed organic solvent system in an oil-in-water (o/w) emulsion droplet. The effects of microcapsule preparation conditions such as solvent concentrations and solvent evaporation temperatures on microcapsule morphology were investigated. The morphology of microcapsule was observed using a Scanning Electron Microscope (SEM). From the results, it was found that the formation of hollow core and wall pores was significantly affected by the isooctane concentration in the oil phase. Moreover, the diameter of core and the structure of capsule wall were influenced by the temperature of solvent evaporation. At the optimal condition, microcapsule with single large core and highly porous wall, which is appropriate for microbial cell immobilization matrix, was successfully prepared.
Key words : biomaterial, polystyrene microcapsule, core/shell structure, immobilization, microbial cell

## PENDAHULUAN
Dewasa ini, teknologi imobilisasi telah mengambil peran yang sangat penting pada proses biokimia di dalam bioreaktor, dimana sel mikroba imobil ( immobilized microbial cells ) banyak diaplikasikan di berbagai bioproses seperti pada produksi alkohol, asam amino, antibiotik, atau pada degradasi polutan limbah cair [1-3]. Penggunaan sel imobil memberikan berbagai keunggulan dibandingkan dengan sel bebas ( free cell ), antara lain terlindunginya sel dari kondisi lingkungan yang tidak menguntungkan (suhu, pH, pelarut organik, racun), proses separasi menjadi lebih mudah dan cepat, tingkat stabilitas operasional lebih tinggi, serta memungkinkan dilaksanakannya proses secara kontinyu dengan tingkat
densitas sel dan kecepatan dilusi yang tinggi, yang pada akhirnya dapat meningkatkan produktifitas bioreaktor dan kontinuitas produksi [4].
Teknik imobilisasi sel mikroba yang ada yaitu p e n e m p e l a n ( a t t a c h m e n t ) , p e n g g u m p a l a n ( aggregration ), penangkapan ( entrapment ) dan penyalutan/enkapsulasi ( encapsulation ). Diantara teknik ini, enkapsulasi sel mikroba di dalam partikel berukuran mikro (disebut dengan mikrokapsul) dipandang sebagai teknik yang sangat prospektif karena memiliki beberapa keunggulan, seperti permukaan matriks yang lebih luas untuk area kontak, daya ikat sel yang lebih besar, serta tersedianya lingkungan kecil ( microenvironment ) bagi
sel di dalam mikrokapsul sehingga terlindungi dari denaturasi atau kehilangan viabilitas akibat kontak dengan pelarut [5].
Jenis mikrokapsul yang sekarang ini umum digunakan sebagai matriks imobilisasi adalah mikrokapsul hidrogel dari bahan polimer alam (seperti alginat, karaginan dan agar) atau polimer sintetis (seperti poliakriamid dan poliuretan) dikarenakan prosedur preparasinya yang mudah dan cepat [5]. Namun demikian, kelemahan utama dari mikrokapsul jenis hidrogel adalah stabilitas kimia dan mekaniknya yang rendah serta mudah mengalami pembengkakan ( swelling ) di dalam media reaksi, yang mengakibatkan terjadinya kebocoran atau lepasnya sel ke dalam media reaksi. Oleh karenanya, sel imobil dalam mikrokapsul hidrogel ini sulit untuk diapliasikan pada reaksi kontinyu jangka lama [6]. Berbagai upaya untuk mendapatkan matriks imobilisasi yang stabil dan berumur panjang, antara lain dengan peningkatan kekuatan mekanik mikrokapsul hidrogel melalui penambahan zat penstabil gel (seperti ion kalsium) pada media reaksi [7], post treatment dengan
crosslinker [8], pelapisan ganda [9] atau dengan pengembangan mikrokapsul solid dari polimer buatan [10].
Berlatar belakang hal tersebut di atas, penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan matriks baru dari mikrokapsul solid yang memiliki tingkat stabilitas, daya ikat sel dan kecepatan difusi zat yang tinggi, sehingga prospektif untuk digunakan sebagai matriks imobilisasi sel mikroba dalam pemakaiannya pada reaktor sistem berulang dan kontinyu. Untuk bahan dinding mikrokapsul dipilih polistiren, dikarenakan polimer jenis ini memiliki stabilitas kimia dan mekanik yang tinggi, proses pembentukan mikrokapsul mudah dan memiliki kemampuan untuk membentuk dinding yang tipis [11]. Pengembangan mikrokapsul polistiren matriks untuk enkapsulasi enzim placental alkaline phosphatase [12], zat pencegah korosi [13], segmen kristal cair [14] dan sebagainya telah dilakukan oleh beberapa peneliti, namun pengembangannya sebagai matriks sel mikroba masih masih jarang dilakukan.
Dalam pengembangan mikrokapsul polistiren dengan karakteristik yang tepat sebagai matriks imobilisasi sel, ada dua faktor yang harus dipenuhi yaitu
memiliki tingkat efisiensi enkapsulasi yang tinggi sehingga mampu menyalut sel dalam jumlah banyak dan memiliki dinding mikrokapsul memiliki tingkat kecepatan difusi yang tinggi sehingga proses reaksi kimia tidak terhalangi. Oleh karenanya, mikrokapsul polistiren yang dikembangkan pada penelitian ini didisain untuk memiliki lubang inti ( core ) tunggal yang besar dan dinding kapsul yang berpori-pori banyak (Gambar 1).
Guna mendapatkan mikrokapsul dengan karakter khusus tersebut, pada penelitian ini dikembangkan suatu metode baru berbasis teknik emulsification solvent evaporation , dengan memanfaatkan fenomena pemisahan fasa polistiren di dalam suatu campuran pelarut organik (yakni diklorometan dan isooktan) pada sistem emulsi oil/water (o/w) . Metode baru ini direkayasa menggunakan fenomena fasa separasi pada pembuatan mikrokapsul polymethylmethacrylate . Secara ilustrasi prinsip dari metode baru ini ditunjukkan pada Gambar 2.
Fasa minyak ( o phase ) yang terdiri atas polistiren, diklorometan sebagai pelarut yang kaya polimer ( polymer-rich solvent ) dan isooktan sebagai pelarut yang miskin polimer ( polymer-poor solvent ) didispersikan pada fasa air ( w phase ) sehingga terbentuk emulsi o/w . Emulsi o/w kemudian dievaporasi dengan mengontrol suhu penguapan secara bertahap agar terjadi separasi fasa di dalam droplet emulsi, sehingga fasa yang kaya akan polistiren ( polystyrene-rich phase ) berada di bagian luar droplet dan fasa yang miskin akan polistiren ( polystyrene-poor phase ) berada di bagian dalam droplet .
Selanjutnya dilakukan penguapan diklorometan pada suhu rendah (titik didih diklorometan 40 ºC) sehingga mengakibatkan emulsi mengalami koagulasi sehingga terbentuk mikrokapsul. Kemudian dilakukan penguapan isooktan pada suhu tinggi (titik didih isooktan 99 ºC) sehingga mengakibatkan terbentuknya core di tengah dan pori-pori mikro di dinding.
Pada makalah ini akan diuraikan tentang investigasi dasar pembuatan mikrokapsul dengan struktur core/shell dan dinding berpori, yang sesuai untuk diaplikasikan sebagai biomaterial pada imobilisasi sel mikroba. Pengaruh kondisi preparasi mikrokapsul seperti konsentrasi pelarut dan suhu penguapan pelarut terhadap struktur mikrokapsul diteliti secara detil.
Gambar 1 . Desain model mikrokapsul polistiren untuk matriks imobilisasi sel mikroba
Gambar 2 . Ilustrasi prinsip preparasi mikrokapsul polistiren
Preparasi dan Karakterisasi Core/Shell Mikrokapsul Polistiren Sebagai Biomaterial Imobilisasi Sel Mikroba (Etik Mardliyati)

## METODE PERCOBAAN

## Bahan
Bahan pembentuk dinding mikrokapsul adalah polistiren ((n=1000-1400, Nacalai Tesque, Inc.). Diklorometan (bp=40ºC, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) digunakan sebagai pelarut kuat polimer ( polymer good solvent ), dan isooktan (bp=99ºC, Wako Chemical Industries, Ltd.) sebagai pelarut lemah polimer ( polymer poor solvent ). Penstabil emulsi yang digunakan adalah sorbitan monooleat (Span 80, Nacalai Tesque, Inc.), polivinil alkohol (PVA, n=500, hidrolisasi sempurna, Wako Chemical Industries, Ltd.) dan mikropartikel kalsium trifosfat (TCP-10U, Taihei Chemical Co., Ltd.).

## Alat
Alat yang digunakan untuk pembuatan mikrokapsul adalah vessel gelas berjaket dengan ukuran 1000 mL yang dilengkapi dengan pengaduk mekanik (Gambar 3).

## Pembuatan Mikrokapsul Polistiren
Core/Shell mikrokapsul polistiren dibuat menggunakan metode emulsifikasi-penguapan pelarut ( emulsification-solvent evaporation method ). Sebanyak 60 g larutan diklorometan yang mengandung polistiren 10 w/w%, Span 80 3 w/w% dan isooktan 0 w/w% (fasa minyak) sampai dengan 7 w/w% (fasa minyak) didispersikan pada 500 g larutan air yang mengandung PVA1 w/w% dan TCP-10U 50 w/w% (fasa air), dan diaduk menggunakan pengaduk mekanik pada kecepatan 200 rpm selama 5 menit sehingga membentuk emulsi o/w . Penguapan pelarut dilakukan dengan mengalirkan air ke dalam jaket vessel pada suhu rendah (30 ºC dan 35 ºC) selama 12 jam untuk menguapkan diklorometan, kemudian dilanjutkan pada suhu tinggi (45 ºC, 50 ºC dan 55 ºC) selama 18 jam untuk menguapkan isooktan. Mikrokapsul yang terbentuk dicuci dengan 500 mL larutan HCl 1 M untuk membersihkan TCP-10, kemudian disaring dan dikeringkan pada suhu kamar selama semalam.

## Karakterisasi Mikrokapsul
Struktur permukaan dan internal dari mikrokapsul diamati dengan menggunakan alat Scanning Electron Microscope ( SEM , Topcon Model SM-300, Topcon Co., Ltd.). Struktur internal diperoleh dengan cara membelah dua mikrokapsul menggunakan pisau diamon. Mikrokapsul yang akan diamati ditempelkan pada stage sampel menggunakan double tape yang bersifat konduktif, lalu dilapisi emas dengan ketebalan sekitar 300 Å menggunakan alat Ion Coater IB-2 (Eiko Engineering Co., Ltd.) pada tekanan rendah. Analisis SEM dilakukan pada 20 kV dan berbagai variasi magnifikasi.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pengaruh Konsentrasi Isooktan Terhadap Struktur Mikrokapsul
Pada metode yang dirancang untuk pembuatan mikrokapsul polistiren, pelarut isooktan diharapkan akan memainkan peranan yang besar pada pembentukan lubang inti ( core ) dan pori-pori dinding. Oleh karenanya, pengaruh konsentrasi isooktan terhadap struktur mikrokapsul diteliti. Konsentrasi isooktan divariasi dari 0 w/w% hingga 7 w/w%, sedangkan suhu penguapan adalah 35 ºC untuk mengeliminasi diklorometan dan kemudian 50 ºC untuk mengeliminasi isooktan.
Foto SEM struktur eksternal dan internal mikrokapsul polistiren yang dihasilkan dengan berbagai variasi konsentrasi isooktan ditunjukkan pada Gambar 4. Mikrokapsul yang dibuat dengan konsentrasi isooktan 0 % hingga 5 % memiliki bentuk yang speris dengan ukuran partikel berkisar 25  m hingga 400  m. Sementara, pada konsentrasi isooktan 6 %, mikrokapsul yang dihasilkan mengalami agregasi sehingga membentuk gumpalan (Gambar SEM tidak diambil), sedang pada konsentrasi isooktan 7 % mikrokapsul tidak
Gambar 3 . Bagan alat untuk pembuatan mikrokapsul polistiren Motor Hot Water Condenser Out In Sampling Site Gambar 4 . Foto SEM mikrokapsul polistiren dengan berbagai konsentrasi isooktan
dapat terbentuk akibat terjadinya agregasi emulsi selama proses penguapan.
Pada mikrokapsul yang dibuat dengan tanpa penggunaan isooktan, permukaannya berbentuk relatif halus dan tidak nampak adanya pori-pori pada dinding. Foto cross-section membuktikan bahwa tidak terbentuk core di dalam mikrokapsul dan struktur internalnya sedikit kasar, yang diduga terbentuk selama proses evaporasi pelarut. Pada mikrokapsul dengan konsentasi isooktan 1 %, permukaan nampak sedikit kasar, dan pada struktur internal terlihat core tunggal berdiameter sekitar 50  m. Selain itu, beberapa pori pada dinding dengan ukuran 3  m hingga 5  m terlihat pada dinding dalamnya. Selanjutnya, pada mikrokapsul dengan konsentrasi isooktan 5 % terlihat adanya core tunggal yang lebih besar dan pori-pori dinding yang lebih banyak.
Dari hasil ini telah jelas diketahui bahwa konsentrasi isooktan sangat berpengaruh pada pembentukan c ore dan pori dinding. Penambahan polymer poor solvent pada fasa organik akan menyebabkan terjadinya separasi fasa di dalam droplet emulsi o/w sehingga mengakibatkan terbentuknya core dan pori dinding. Pada penelitian ini konsentrasi optimal isooktan yang didapat adalah 5 %.

## Pengaruh Penguapan Pelarut Terhadap Struktur Mikrokapsul
Karena dalam metode yang dirancang pada penelitian ini menggunakan teknik evaporasi untuk mengeliminasi pelarut organik, maka diduga suhu penguapan akan sangat mempengaruhi struktur mikrokapsul. Untuk mengetahui pengaruhnya, suhu penguapan pelarut divariasi menggunakan 6 jenis kombinasi, dengan suhu penguapan diklorometan pada 30 ºC dan 35 ºC, dan suhu penguapan isooktan pada 45 ºC, 50 ºCdan 55 ºC. Konsentrasi isooktan yang digunakan adalah 5 w/w%.
Gambar 5 menunjukkan foto SEM struktur internal mikrokapsul yang dibuat pada berbagai variasi suhu penguapan pelarut. Mikrokapsul yang dibuat pada
suhu penguapan diklorometan 35 ºC memiliki core yang lebih besar dibandingkan dengan dibuat pada suhu 30 ºC. Kenaikan lebar core juga terjadi dengan semakin tingginya suhu penguapan isooktan, meski pada kondisi penguapan diklorometan 30 ºC, perubahan ini tidak terlalu signifikan.
Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa ukuran core semakin besar dengan semakin tingginya suhu penguapan. Dari hal ini dapat diasumsikan bahwa evaporasi pada suhu yang lebih tinggi efektif mentransfer fasa kaya polimer ke arah permukaan droplet emulsi, sehingga terbentuk core tunggal yang lebih besar. Lebih lanjut terlihat bahwa mikrokapsul yang dibuat pada kombinasi suhu 35 º C dan 50 º C menunjukkan struktur dinding yang compact , sementara meskipun mikrokapsul pada kombinasi suhu 35 º C dan 55 º C memiliki core yang lebih besar namun terbentuk pecahan pada dindingnya. Dari hasil ini dapat disimpulkan bahwa ukuran core mikrokapsul dapat dengan mudah dikontrol melalui suhu penguapan pelarut. Pada penelitian ini konsentrasi optimal suhu penguapan yang didapat adalah 35 º C untuk penguapan diklorometan dan 55 º C untuk penguapan isooktan.

## KESIMPULAN
Mikrokapsul polistiren dengan karakteristik khusus yang tepat sebagai biomaterial imobilisasi sel mikroba telah berhasil dibuat dengan menggunakan metode baru berbasis teknik o/w emulsifcation solvent evaporation . Analisis morfologi menggunakan SEM menunjukkan bahwa mikrokapsul yang diperoleh memiliki core tunggal yang besar dan pori dinding yang banyak, sehingga diharapkan memiliki kemampuan mengikat sel dalam jumlah tinggi dan dapat memperkecil terjadinya limitasi laju difusi zat. Penelitian selanjutnya tentang imobilisasi sel mikroba ke dalam mikrokapsul polistiren dan pemanfaatannya dalam bioproses perlu dilakukan untuk membuktikan potensi mikrokapsul ini sebagai biomaterial prospektif pada imobilisasi sel.

## DAFTAR ACUAN
[1]. TANAKA, A. TOSA, T. KOBAYASHI, Industrial Application of Immobilized Biocatalysts , Dekker, NewYork, (1993)
[2]. T. GU and M.-J. SYU, Biotechnol. Prog ., 20
(2004) 1460
[3]. A. A. WANG, A. MULCHANDANI and W. CHEN, Biotechnol. Prog ., 17 (2001) 407
[4]. Y. KOURKOUTAS,A. BEKATOROU, I.M. BANAT, R. MARCHANT, A.A. KOUTINAS, Food Microbiol., 21 (2004) 377
[5]. J. K. PARK and H. N. CHANG, Bioetechnol. Advances , 18 (2000) 303
[6]. V. JIRKU, Process Biochem. , 34 (1999) 193.
[7]. ARASARATNAM, Process Biochem , 29
(1994) 253
Gambar 5 . Foto SEM mikrokapsul polistiren dengan berbagai variasi suhu penguapan.
Preparasi dan Karakterisasi Core/Shell Mikrokapsul Polistiren Sebagai Biomaterial Imobilisasi Sel Mikroba (Etik Mardliyati)
[8]. T. YOSHIOKA, R. HIRANO, T. SHIOYA and M. KAKO, Biotechnol. Bioeng. , 35 (1990) 66
[9]. E. TAQIEDDIN and M. AMIJI, Biomaterials ,
25 (2004) 1937
[10]. G. J. WANG, L. Y. CHU, W. M. CHEN and M. Y. ZHOU, J. Membrane Sci. , 252 (2005) 279
[11]. A. HALDER and B.SA, AAPS PharmSciTech. , 7 (2006) E1
[12]. H. TAKENAKA, Y. KAWASHIMA, Y. CHIKAMATSU and A. YUTAKA, Chem. Pharm. Bulletin , 30 (1982) 695.
[13]. A. MAC, D. NEGI and D. FRIEND,
J Microencapsulation , 6 (1989) 361.
[14]. T. MATSUI, M. YOSHIDA and Y. HATATE, Chem. Eng. Communications , 194 (2007) 248
[15]. A. LOXLEY and B. VINCENT, J Colloid Interface Sci. , 208 (1998) 49.