Tabel 1. Beberapa material yang digunakan untuk membuat biomaterial dan aplikasinya di bidang medis
II. PROSES RADIASI
Proses radiasi merupakan suatu teknologi isotop dan radiasi dengan memanfaatkan radiasi ionisasi (radiasi energi tinggi) untuk tujuan sterilisasi, sintesis dan modifikasi material sehingga menghasilkan suatu produk yang bermanfaat, mempunyai kualitas yang baik dan aman 6-8. Proses radiasi merupakan bagian dari teknologi
Seminar Nasional Keselamatan Kesehatan dan Lingkungan VI Jakarta, 15-16 Juni 2010
nuklir yang berkembang cukup pesat, dan sejak teknologi ini diperkenalkan pada akhir dekade lima puluhan, telah berkembang dengan estimasi output US$ 2 milyar (2 x 109) per tahun, serta masih terus bertambah sekitar 20 % pertahun dalam bidang industri terutama untuk modifikasi plastik dan sterilisasi alat kedokteran 7. Dewasa ini aplikasi proses radiasi terutama berkas elektron dan sinar telah mencakup berbagai bidang industri seperti sintesis polimer biomedikal atau biomaterial (kontak lens, pembalut luka, metrik pelepasan obat dan prostesis); vulkanisasi lateks karet alam; modifikasi bahan polimer (crosslinking,
grafting); sterilisasi jaringan tulang (trissue
graft) dan alat kedokteran/farmasi; pengawetan makanan; pelapisan permukaan kayu; uji tak merusak (non destructive
testing); bidang hidrologi; sedimentologi dan lain sebagainya. Namun demikian, penelitian dan pengembangan untuk mencari bidang-bidang aplikasi baru dari teknologi radiasi ini terus menjadi perhatian para peneliti baik di Indonesia maupun di negara-negara lain.
Radiasi ionisasi dapat didefinisikan sebagai radiasi yang mempunyai energi cukup tinggi yang dapat melepaskan elektron dari atom atau molekulnya (ionisasi) dan merubahnya menjadi partikel-pertikel bermuatan listrik yang disebut ion. Reaksi selanjutnya dari spesies ini (ion dan elektron) menyebabkan terbentuknya radikal bebas yang sangat reaktif yang pada akhirnya menyebabkan reaksi kimia. Studi perubahan
kimia yang terjadi dalam suatu sistem akibat absorpsi radiasi ionisasi dikenal dengan kimia radiasi.
2.1. Sterilisasi Radiasi
Suatu produk dikatakan steril apabila tidak ada satupun mikroorganisme hidup pada produk tersebut. Sterilisasi adalah suatu proses untuk membunuh atau menginaktivasi semua mikroorganisme yang terdapat pada suatu produk. Ada 3 macam metode sterilisasi yang digunakan yaitu sterilisasi panas (panas basah dan panas kering), sterilisasi dingin (filtrasi, radiasi) dan sterilisasi dengan bahan kimia seperti etilen oksida 9-10.
Sterilisasi radiasi produk kesehatan merupakan salah satu aplikasi teknologi proses radiasi yang berkembang sangat pesat. Hal ini disebabkan karena radiasi ionisasi mempunyai kemampuan untuk membunuh seluruh mikroorganisme pathogen.
Beberapa produk kesehatan seperti syringes, hidrogel, katup jantung buatan, jarum suntik, kantung darah, internal kateter, obat suntik, obat mata dan produk-produk yang berkontak langsung dengan darah mempunyai salah satu persyaratan yaitu steril.
Sebagian besar produk kesehatan tidak tahan panas dan akan mengalami kerusakan bila diperlakukan dengan sterilisasi panas. Oleh sebab itu diperlukan cara sterilisasi dingin. Sterilisasi dengan gas etilen oksida telah mulai ditinggalkan karena
adanya residu gas yang bersifat karsinogenik dan waktu sterilisasi yang lama 11, sedangkan cara penyaringan hanya dapat digunakan untuk produk yang akan disterilkan berupa larutan. Radiasi pengion merupakan salah satu alternatif sterilisasi dingin yang dapat digunakan untuk mensterilkan produk-produk yang tidak tahan panas seperti alat-alat kedoteran dan tissue graft karena sterilisasi radiasi dilakukan pada suhu kamar dan tidak menimbulkan kenaikan suhu.
Teknologi radiasi untuk sterilisasi telah mengalami kemajuan yang sangat pesat pada dua dekade terakhir. Teknik ini merupakan pilihan untuk beberapa produk kesehatan dan merupakan metode yang paling mungkin untuk mensterilkan bahan-bahan polimer yang sensitif terhadap pemanasan. Radiasi dapat menembus ke seluruh bagian produk untuk mencapai tingkat sterility assurance level (SAL) yang telah ditetapkan. Produk yang disterilkan dengan cara radiasi pada dosis toleransi maksimum yang dapat membunuh populasi mikroorganisme tanpa menimbulkan efek kerusakan pada produk yang disterilkan 12,13.
Ada dua jenis radiasi pengion yang banyak digunakan untuk sterilisasi yaitu sinar gamma yang dipancarkan dari radioisotop cobalt-60 atau cesium-137 dan berkas elektron (elektron beam) merupakan elektron berenergi tinggi yang dihasilkan dari akselerator elektron atau mesin berkas electron 14.
Beberapa keuntungan sterilisasi radiasi dibandingkan dengan metode sterilisasi lain yaitu 14:
a) Tidak menimbulkan kenaikan temperatur yang berarti
b) Sterilisasi dilakukan pada suhu kamar c) Sterilisasi dapat dilakukan pada produk
dalam kemasan akhir
d) Proses mudah dikontrol (hanya dosis yang dikontrol)
e) Tidak meninggalkan residu yang membahayakan.
2.2. Effek Radiasi pada Mikroorganisme Telah diketahui secara luas bahwa efek letal radiasi pada sel-sel hidup terutama disebabkan oleh energi deposisi pada komponen kritis sel yang disebut asam deoksiribo nukleat (DNA) yang membawa informasi genetik sel dan membran sel dimana DNA menempel.
Radiasi dapat menyebabkan kerusakan pada mikroorganisme dengan dua cara:
2.2.1. Efek Langsung
Efek langsung terjadi akibat interaksi antara energi radiasi dengan DNA melalui pemutusan satu rantai utama asam amino dari masing-masing strand polinukleotid sel DNA yang disebut “Single break” atau melalui pemutusan rantai asam amino yang berada disebelah atau berdekatan dengan strand polinukleotid sel DNA yang disebut “double
break” atau melalui pembentukan ikatan silang intramolekul yang disebut “Base
Seminar Nasional Keselamatan Kesehatan dan Lingkungan VI Jakarta, 15-16 Juni 2010
Damage”. Kebanyakan kerusakan single
strand break bersifat dapat diperbaiki dan tidak menyebabkan kematian. Sebaliknya secara umum mikroba yang sensitif terhadap radiasi tidak dapat memperbaiki kerusakan
double strand break dan mengakibatkan kematian pada mikroba tersebut.
2.2.2. Efek Tidak Langsung
Efek tidak langsung disebabkan oleh pembentukan radikal bebas sebagai akibat dari
radiolisis air dalam mikroorganisme. Radiolisis air akibat radiasi ionisasi dapat digambarkan sebagai berikut:
Diantara spesies tersebut diatas, radikal H dan OH adalah yang paling reaktif. Radikal tersebut bereaksi dengan molekul-molekul organik seperti asam amino, protein, strand DNA dan lemak. Ilustrasi kerusakan sel mikroba diperlihatkan pada Gambar 2.
2.3. Tingkat Jaminan Sterilitas ( Sterility Assurance Level, SAL)
Suatu produk dikatakan steril bila produk tersebut bebas dari mikroorganisme hidup. Telah diketahui bersama bahwa tidak ada satu sistem sterilisasi pun yang mampu untuk mengukur nilai absolut tersebut dan oleh karena itu semua proses sterilisasi mempunyai keterbatasan dalam menghancurkan mikroorganisme. Oleh karena itu suatu jaminan sterilitas absolut tidaklah mungkin dan selalu terdapat suatu probabilitas teoritik dari non sterilitas yang dikenal dengan Sterility assurance level (SAL). SAL adalah probabilitas mikroorganisme hidup yang ada pada suatu produk setelah proses sterilisasi. SAL dinyatakan dalam 10-n . SAL 10-6 artinya dari satu juta produk yang disterilkan hanya boleh satu produk yang tidak steril. SAL 10-3
artinya dari seribu produk yang disterilkan hanya boleh satu produk yang tidak setril 15. Pemilihan nilai SAL didasarkan atas penggunaan produk tersebut. Untuk produk yang digunakan berkontak langsung dengan jaringan tubuh atau darah nilai SAL adalah 10-6. Sedangkan untuk produk yang tidak berkontak langsung dengan darah mempunyai SAL 10-3. Tabel 2. Contoh beberapa produk dengan berbagai tingkat SAL.
Tabel 2. Nilai SAL dari beberapa alat kesehatan dan sediaan farmasi
SAL 10-3 SAL 10-6 Kantung urin Bedak bayi Bahan pengemas Bioassay plate Sarung tangan experimen Kondom Bone graft Syringes Jarum suntik Benang suntik Tetes mata Sarung tangan bedah
Pisau bedah dan peralatan operasi lainnya
Internal cateter 2.4. Pemilihan Dosis Radiasi
Dosis sterilisasi radiasi pada awalnya ditetapkan atas dasar studi yang dilakukan di Amerika Serikat terhadap benang bedah. Penetapan dosis dilandasi dengan dosis minimum untuk membunuh mikroorganisme yang paling resisten terhadap radiasi yaitu strain bacillus pumilus E 601. Dari hasil studi tersebut ditetapkan bahwa dosis sterilisasi radiasi adalah 25 kGy 15. Penetapan dosis 25 kGy diadopsi dalam standar internasional ISO/CD 13409-1.4. Sterilization of Health Care Products – Radiation Sterilization – Substantiation of 25 kGy as a Sterilization Dose for Small or Infrequent Production Batchs 16-17.
Selain dosis sterilisasi 25 kGy yang telah ditetapkan tersebut, pemilihan dosis sterilisasi dapat dilakukan dengan memperhatikan jumlah (bioburden) dan tipe mikroorganisme (nilai D10) kontaminan yang ada pada produk sebelum sterilisasi, kondisi sterilisasi yang digunakan, dan nilai SAL yang ditetapkan. Cara sterilisasi dengan
Seminar Nasional Keselamatan Kesehatan dan Lingkungan VI Jakarta, 15-16 Juni 2010
menggunakan pendekatan kedua ini dapat dilakukan dengan mengacu pada standar internasional ISO seri 11137 18.
Selain terdapat dalam standar internasional, Dalam Farmakope Indonesia Edisi IV disebutkan bahwa dosis sterilisasi yang digunakan untuk produk kesehatan adalah 25 kGy. Namun dalam beberapa hal dosis yang lebih rendah dapat digunakan bergantung dari kandungan mikroba awal dan jenis mikroba serta faktor-faktor lainnya
19.
Di dalam ISO seri 11137 diuraikan secara rinci bagaimana cara menentukan jumlah kontaminasi awal suatu produk, metode penentuannya, cara memvalidasi, penentuan dosis verifikasi hingga cara penentuan dosis sterilisasi, sehingga dosis radiasi dibawah 25 kGy dapat digunakan apabila produk yang akan disterilkan diproses sesuai dengan cara memproduksi yang baik (GMP) untuk meminimalkan jumlah mikroba awal (bioburden). Beberapa alat keshatan yang telah disterilkan dengan cara radiasi diperlihatkan pada Tabel 3.
Tabel 3. Alat-alat kesehatan dan sediaan farmasi yang telah disterilkan dengan radiasi
No. Produk Contoh
1 Sarung tangan (gloves) Sarung tangan bedah Sarung tangan ekperimen Pembungkus alat bedah 2 Kateter Balon kateter, Lateks kateter 3 Baju bedah (surgical wear) Surgical gowns, Masker operasi
Surgical caps
4 Pengemas Botol plastik, Botol teta mata, Tutup botol Kontainer plastik
5 Kosmetik/bahan baku Baby powder, Talcum powder, Antibiotika Starch, Gom arab
6 Consumer hygiene product Kondom, Cotton buds
7 Tissue graft Tulang garaft (allograft, xennograft), Amnion, Jaringan lunak
8 Hidrogel Pembalut luka hidrogel Lensa kontak
9 Tissue Gaft Tulang graft, amnion membran, tendon 10 Makanan Rending, pepes ikan
2.5. Radiasi untuk Modifikasi Polimer Selain untuk sterilisasi produk kesehatan, aplikasi radiasi ionisasi yang berkembang sangat pesat adalah sintesis dan modifikasi sruktur dan sifat-sifat material terutama polimer untuk menghasilkan suatu produk dengan kualitas yang baik 20, 21. Sintesis hidrogel biomaterial merupakan salah satu aplikasi radiasi ionisasi untuk menghasilkan biomaterial melalui mekanisme pembentukan ikatan silang antar rantai molekul polimer yang diiradiasi.
Apabila suatu radiasi ionisasi (elektron, sinar gamma) mengenai molekul polimer maka akan terjadi reaksi kimia yang pada akhirnya akan menentukan sifat polimer tersebut. Perubahan kimia yang terjadi dapat berupa pembentukan ikatan silang (crosslingking); degradasi; pembentukan gas seperti H2, CO, CH4; perubahan dalam ketidak jenuhan (pembentukan berbagai ikatan rangkap antara atom karbon); dan oksidasi (dengan adanya udara atau oksigen). Crosslinking suatu polimer terjadi melalui pembentukan ikatan dua rantai polimer yang berdekatan yang akhirnya membentuk suatu jaringan (network) tiga dimensi. Ikatan silang dapat mengakibatkan suatu polimer mempunyai sifat viskositas bertambah, kelarutan berkurang, berat molekul bertambah, derajat cabang bertambah, softening poin bertambah ke
temperatur yang lebih tinggi dan sifat mekanik (tensile strength dan impact
strength) bertambah.
Sebaliknya degradasi merupakan suatu reaksi pemutusan rantai polimer sehingga menyebabkan berkurangnya berat molekul, viskositas dan menurunkan sifat mekanik. 2.5.1. Hidrogel
Hidrogel dapat didifinisan sebagai sistem polimer yang tersusun atas network tiga dimensi antar rantai molekul polimer, bersifat tidak larut dalam air dan dapat mengabsorb air atau cairan tubuh dan mengembang 22-23.
Sejak beberapa tahun yang lalu, Darmawan dkk 24-28 telah berhasil mensintesis hidrogel dari polimer hidrofilik polivinil pirolidon (PVP) menggunakan radiasi gamma dan berkas elektron untuk digunakan sebagai pembalut luka dan plester penurun demam. Hidrogel yang dihasilkan mempunyai sifat yaitu memiliki kandungan air sekitar 80-90%, bersifat steril, dapat mengabsorbsi air, permeabel terhadap udara tetapi tidak dapat ditembus oleh mikroba, lunak, tidak toksis, mempunyai kemampuan untuk penyembuhan luka, kuat namun cukup elastik, nyaman dan terasa sejuk pada saat pemakaian, dapat melekat dengan baik pada daerah luka dan tidak menimbulkan jaringan parut pada bekas luka, sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 3.
Seminar Nasional Keselamatan Kesehatan dan Lingkungan VI Jakarta, 15-16 Juni 2010
Gambar 3. Beberapa contoh aplikasi hidrogel Adanya struktur network tiga
dimensi dengan pori yang cukup halus serta mengandung air dalam hidrogel menyebabkannya mampu berfungsi untuk mempercepat proses penyembuhan dengan cara memberikan suasana humid pada daerah luka sehingga proses proliferasi sel dapat berjalan lebih sempurna. Selain itu pori yang ada pada hidrogel memberikan kesempatan terjadinya aerasi udara pada daerah luka.
Dalam aplikasinya sebagai penurun demam, hidrogel yang mengandung air cukup tinggi dapat membantu menurunkan suhu tubuh pasien melalui mekanisme air yang terdapat pada hidrogel akan menyerap panas dari tubuh dan kemudian menurunkan suhu tubuh melalui evaporasi 29.
Sebagaimana diketahui bahwa air mempunyai kapasitas panas penguapan yang cukup besar yaitu sekitar 0,6 kilokalori per gram 30.
2.5.2. Selulosa Bakterial Biodegradable sebagai Membran GBR
Dalam penanganan defek tulang di bidang periodontal melalui operasi GBR, diperlukan suatu membran yang berfungsi sebagai barier terhadap invasi jaringan lunak yang akan mengganggu proses penyembuhan tulang. Idealnya membran yang digunakan bersifat biodegradable sehingga tidak diperlukan operasi kedua untuk pengangkatan membran setelah proses penyembuhan selesai.
Hidrogel BATAN Penutup/pembalut luka
Selulosa merupakan polimer polisakarida dengan berat molekul yang tinggi sehingga tidak larut dalam air tetapi dapat didegradasi oleh enzim selulase yang tidak terdapat dalam tubuh manusia.
Selulosa bila diiradiasi dengan sinar gamma atau berkas elektron akan terdegradasi melalui pemutusan ikatan glikosidik pada rantai glukosa penyusunnnya menjadi selubiosa, selo-oligosakarida atau glukosa yang mudah dihidrolisis dan diserap oleh cairan tubuh. Degradasi dengan radiasi mempunyai beberapa keuntungan yaitu tidak diperlukan senyawa kimia yang dapat berakibat toksik pada tubuh, derajat polimerisasi selulosa dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan melalui pengaturan dosis radiasi, proses sangat sederhana dan cepat khususnya iradiasi dengan berkas elektron, proses dapat dilakukan pada suhu
kamar, dan selulosa yang dihasilkan sekaligus bersifat steril.
Sejak 2 tahun yang lalu, PATIR-BATAN telah melakukan penelitian modifikasi selulosa mikrobial menggunakan radiasi gamma atau berkas elektron untuk menghasilkan membran selulosa yang bersifat biodegradable untuk diaplikasikan dalam bidang periodontal dalam penanganan berbagai kasus defek tulang sebagai membran Guided Bone regeneration (GBR) atau Guided Tissue regeneration atau(GTR). Hasil penelitian yang diperoleh menunjukkan bahwa membran selulolsa mikrobial dapat terhidrolisis dalam larutan SBF (synthetic
body fluid), tidak bersifat toksik dan bersifat steril setelah diiradiasi. Ilustrasi penggunaan membran selulosa mikrobial dalam penanganan defek tulang pada bidang periodontal ditunjukkan oleh Gambar 4.