Model Difusi Oksigen di Jaringan
dengan Laju Konsumsi Berdasarkan Prinsip
Michaelis-Menten
Pada Bab V ini akan dikaji proses penyebaran konsentrasi oksigen di jaringan dengan laju konsumsi memenuhi prinsip kinetika Michaelis-Menten, yaitu:
g(˜c) = A˜c
B+ ˜c,
dimana A danB adalah konstanta. Karena ˜cmenyatakan konsentrasi oksigen di jaringan, maka ˜c≥0. Oleh karena itu, didefinisikang(˜c) bernilai nol, ketika ˜
c <0.
Menggunakan syarat batas pada Bab III dan penskalaan (3.12), persamaan difusi di jaringan dalam bentuk tidak berdimensi adalah:
−∂c∂t +1 r ∂c ∂r r∂c ∂r = λcH(c) α+c , 1≤r ≤ b a. (5.1)
Nilai awal dan syarat batas:
c(1, t) = b c1−1 δ t+ 1, jika 0≤t < δ; b c1, jika t ≥δ c(1,0) = 1, ∂c ∂r b a = 0, (5.2) dimana λ = Aa2 Djca, α = B ca, bc1 = ci ca, δ = εDj
a2 , dan H(c) merupakan fungsi
V.1 Solusi Keadaan Tunak
Setelah t→ ∞, konsentrasi oksigen di dalam jaringan mencapai keadaan sta-sioner, yaitu memenuhi masalah syarat batas:
1 r dc dr rdc dr = λcH(c) α+c , 1≤r≤ b a (5.3) c(1) = bc1, dc dr b a = 0. (5.4)
V.1.1 Ketunggalan dan Kepositifan Solusi Bentuk umum persamaan (5.3) adalah
∇2c = f(c) untuk r∈Ω (5.5)
c = ℓ untukr ∈∂Ω. (5.6)
dimana∇2 adalah operator Laplace, ℓkonstanta non-negatif, Ω adalah daerah
annulus, dengan 1≤r ≤ ab, dan ∂Ω adalah batas pada r= 1. Dalam hal ini
f(c) = λcH(c)
α+c ,
dengan f(c) = 0 jika c≤0 dan f′(c)>0 untuk c >0.
Misalkan c1 dan c2 adalah solusi (5.5)-(5.6), dan u=c2−c1 maka: ∇2u = f(c2)−f(c1) untuk r∈Ω,
u = 0 untuk r∈∂Ω.
Berdasarkan Teorema Green, maka diperoleh: Z Ω u∇2u dv+ Z Ω∇ u.∇u dv = Z Ω∇ .(u∇u) dv= Z ∂Ω u ∂u ∂nds, (5.7) dimana n adalah vektor normal dari batas.
Karena u = 0 pada ∂Ω, maka ruas kanan persamaan (5.7) bernilai nol. Se-hingga: Z Ω u∇2u dv = − Z Ω∇ u.∇u dv Z Ω u(f(c2)−f(c1)) dv = − Z Ω∇ u.∇u dv.
KarenaRΩ∇u.∇u dv≥0, maka: Z
Ω
u(f(c2)−f(c1)) dv≤0.
Tetapi f adalah fungsi monoton naik, sehingga haruslah u= 0.
Dengan demikian diperoleh c2 =c1.
Selanjutnya akan ditunjukkan bahwa solusi persamaan (5.5)-(5.6) adalah non-negatif.
Jika ℓ = 0, maka c(r) = 0 adalah solusi tunggal untuk persamaan (5.5). Misalkan c3 adalah solusi untuk persamaan (5.5), dengan b >0.
Jika c3(r1) = 0 untuk 1< r =r1 < ab, maka dapat dibuat pembatasan untuk
domain, yaitu Ω1 adalah annulus dengan r1 ≤r≤ ab.
Karenac3adalah solusi tunggal untuk persamaan (5.5), makac3juga memenuhi: ∇2c3 = f(c3) untukr ∈Ω1,
c3 = 0 untukr ∈∂Ω1.
Sehingga diperoleh c3(r) = 0 untukr1 ≤r ≤ ab.
Dengan demikian c(r)≥0.
Selanjutnya akan dicari solusi dari persamaan (5.3)-(5.4).
V.1.2 Metode Numerik
Untuk diskritisasi persamaan (5.3) digunakan metode beda hingga. Interval [1,b
a] dipartisi menjadi n buah selang yang berukuran h = ( b
a −1)/n.
Diper-oleh titik-titik 1 = r0 < r1 < ... < rn = ba, dengan rj = 1 + jh. Untuk
penyederhanaan, nilai konsentrasi c(rj) dinotasikan dengan cj. Berdasarkan
ekspansi Taylor, aproksimasi untuk drdc dan dd22c
r pada titik rj, masing-masing
adalah persamaan (3.35) dan (3.36).
Dengan mensubstitusi persamaan (3.35) dan (3.36) ke persamaan (5.3), maka diperoleh νjcj+1− 2 h2cj+ςjcj−1 = λcjH(cj) α+cj , j = 1, ..., n−1 (5.8)
dimana νj = h12 + 1 2hrj dan ςj = 1 h2 − 1 2hrj.
Karena c(1) = bc1, maka cj = bc1, untuk j = 0. Berdasarkan syarat batas
c′(b a) = 0, maka untuk j =n : 2(cj−1−cj) h2 = λcjH(cj) α+cj . (5.9)
Selanjutnya digunakan metode Newton Raphson untuk menyelesaikan sistem persamaan non linier (5.8) - (5.9).
Karena g(c) merupakan fungsi non-linier, maka digunakan metode asimtotik untuk menyelesaikan persamaan difusi di jaringan. Penyelesaian dengan metode asimtotik pada Bab V ini bersifat kasuistik, yaitu untuk pasangan nilaiα →0 dan λ=O(α), nilai α→0 dan λ=O(1), serta α=O(1) dan λ→ ∞.
V.1.3 Metode Asimtotik
V.1.3.1 Kasus α→0, λ =O(α).
Parameter α merupakan perbandingan dari B dan ca. Oleh karena itu, jika
nilai ca yang merepresentasikan konsentrasi di dinding kapiler bernilai jauh
lebih besar dibandingkan dengan nilai B yang merupakan konstanta keseim-bangan reaksi, maka α → 0. Hal yang sama, jika nilai konsentrasi oksigen di dinding kapiler kali koefisien difusi jaringan (ca×Dj) jauh lebih besar dari laju
maksimum reaksi kali kuadrat jari-jari dinding kapiler (A×a2), maka λ→0.
Karenaλ =O(α), maka dapat ditulis λ=λ0α, dimana λ0 =Os(1).
b
c1 =O(1), dan misalkan c mempunyai perluasan:
c(r;α) = c0(r) +αc1(r) +O(α2). (5.10)
Dengan perluasan c(r;α) tersebut, persamaan (5.3) menjadi: 1 r(rc ′ 0) ′ +α1 r(rc ′ 1) ′ +O(α2) =λ0α+ λ0c1 c0 − λ0(1 +c1) c0 α2+O(α3).
Untuk O(1): 1 r(rc ′ 0) ′ = 0. (5.11) Dengan batas: c0(1) =bc1, c′0( b a) = 0, (5.12) maka diperoleh c0(r) =bc1. Untuk O(α): 1 r(rc ′ 1) ′ =λ0 dengan c1(1) = 0, c′1( b a) = 0. (5.13) Memberikan solusi: c1(r) = −λ0 b2 2a2 lnr−r 2 −1 4 . Sehingga c(r) = bc1−λ0α b2 2a2 lnr− r2−1 4 (5.14) = bc1 −λ b2 2a2lnr− r2−1 4 . (5.15)
Gambar 5.1 menunjukkan perbandingan solusi c(r) yang diselesaikan dengan metode asimtotik orde pertama (garis penuh) dan metode numerik (garis putus-putus), untuk parameter ab = 11, dan bc1 = 1.25. Berdasarkan Gambar
5.1, jika ketersediaan konsentrasi oksigen di kapiler jauh lebih besar, baik dari laju maksimum reaksi (A) maupun dari keofisien kesetimbangan (B), maka konsentrasi oksigen di jaringan tidak akan mencapai nilai nol sampai waktu tak hingga. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 r c lambda=0.01,alpha=0.01 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 r c lambda=0.001, alpha=0.001
Gambar 5.1: Perbandingan Solusi Asimtotik Suku Pertama dan Numerik untuk α=λ= 0.01, dan α=λ= 0.001.
V.1.3.2 Kasus α→0, λ =O(1).
Berikut ini akan dikaji suatu keadaan, dimana konsentrasi di dinding kapiler bernilai jauh lebih besar dibandingkan dengan konstanta keseimbangan reaksi (ca≫B), serta nilai konsentrasi oksigen di dinding kapiler kali koefisien difusi
sebanding dengan laju maksimum reaksi kali kuadrat jari-jari dinding kapiler (ca×Dj ∼A×a2).
Karena c(1) = caci = O(1), maka c(r) = O(1), untuk r di persekitaran 1. Misalkan c mempunyai perluasan:
c(r;α) = c0(r) +αc1(r) +O(α2). (5.16) Persamaan (5.3) menjadi: 1 r (rc ′ 0) ′ +α1 r(rc ′ 1) ′ +O(α2) = λc α+c =λ− αλ c0 +O(α2). (5.17) Untuk O(1) diperoleh: 1 r (rc ′ 0) ′ =λ, (5.18)
dengan syarat batas c0(1) =bc1,c′0 ab
= 0. Sehingga c′0(r) = λr 2 + K1 r , (5.19)
dimana K1 adalah konstanta. Jika c0 merupakan aproksimasi yang valid
un-tuk seluruh daerah domain, kita dapat menerapkan syarat batas c′
0(ba) = 0.
Sehingga diperoleh K1 = −λb
2
2a2. Dengan mengintegralkan persamaan (5.19)
dan menerapkan kondisi c0(1) =bc1, maka diperoleh:
c0(r) =bc1−λ b2 2a2 lnr− r2−1 4 . (5.20)
Karenacmerepresentasikan konsentrasi oksigen di dalam jaringan, makac≥0 dan begitu juga c0 ≥0. Berdasarkan (5.20),c0 akan bernilai positif jika
λ < b2 bc1
2a2 lnr−
r2−1
4
. (5.21)
Grafik λ terhadap r ditunjukkan oleh Gambar 5.2, dengan ba = 11 dan bc1 =
2 4 6 8 10 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 r Λ
Gambar 5.2: Hubungan λ dan r.
Berdasarkan grafik tersebut, jika λ <0.0108627 maka c0 ≥0, sehingga asumsi
dipenuhi. Akibatnya solusi (5.20) valid di seluruh daerah domain.
Jikaλ >0.0108627, makac0 mempunyai akar, dinotasikanr1. Karena interval
dibagi menjadi dua bagian olehr1, maka kita tidak dapat menerapkan kondisi
c′
0(ab) = 0 pada c0(r). Oleh karena itu K1 pada persamaan (5.19) belum bisa
ditentukan nilainya dan demikian juga untuk nilai r1.
Untuk r < r1, berlaku: c0(r) = λ 4r 2+K 1lnr+bc1− λ 4. (5.22)
Akan ditunjukkan bahwa untuk r ≥r1,c(r) = 0.
Asumsikan 0 ≤ c ≤ O(α). Selanjutnya dibuat penskalaan c = αn¯c, n ≥ 1.
Persamaan (5.3) menjadi: α1 r d dr rd¯c dr = λc¯ 1 +αn−1c¯. (5.23)
Karenaα →0 maka dengann ≥1, setiap ekspansi ¯c(r;α) = ¯c0(r) +..., r≥r1
akan memberikan c= 0. Sehingga solusi untuk r≥r1 adalah nol.
Berikutnya akan dicari akarr1 dan K1.
Misalkan
c=αnψ, r=r1+αmξ. (5.24)
diper-oleh: αn−2m r1+αmξ d dξ (r1+αmξ) dψ dξ = λα nψ α+αnψ (5.25) α−2md 2ψ d2ξ + α−m r1+αmξ dψ dξ = λψ α+αnψ (5.26) d2ψ d2ξ + αm r1+αmξ dψ dξ = λα2mψ α+αnψ = λα2m−1ψ 1 +αn−1ψ. (5.27) Distinguished limit.
Karena m, n > 0, maka dipilih n = 1 dan m = 12, sehingga c = αψ, r =
r1+√αξ dan d2ψ dξ2 = λψ 1 +ψ. (5.28) Matching condition.
Di sebelah kananr1,ψ harus terhubung denganc(r) = 0, sehinggaψ →0, jika
ξ → ∞. Di sebelah kiri r1, ψ harus terhubung denganc0(r). Oleh karena itu,
ekspansi Taylor dari c0(r) di sekitar r1 adalah:
c0(r) = c0(r1) + (r−r1)c′0(r1) + 1 2(r−r1) 2c′′ 0(r1) +... (5.29) = √αξc′0(r1) + 1 2αξ 2c′′ 0(r1) +... (5.30) ≃ αψ(ξ). (5.31)
Orde O(√α) harus sama dengan nol, sehingga c′
0(r1) = 0. Secara fisis, hal
tersebut sangatlah masuk akal: jika tidak ada sumber pada batas daerah di-mana konsentrasi bernilai nol, maka fluks oksigen bernilai nol.
0 =c′0(r1) = λr1 2 + K1 r1 . (5.32) Diperoleh K1 =−λr 2 1 2 . Sehingga: c0(r) = λ 4r 2 − λ2r12lnr+bc1− λ 4 =bc1−λ r2 1 2 lnr− r2−1 4 , (5.33) dengan r1 merupakan akar dari c0(r).
0 =c0(r1) =bc1−λ r2 1 2 lnr1− r2 1 −1 4 . (5.34)
0 20 40 60 80 100 2 4 6 8 10 1 lambda r1
Gambar 5.3: Grafikr1 terhadap 1λ.
Dapat dilihat dari Gambar 5.3 bahwa untuk λ = 0.0108627 atau 1
λ = 92.058
nilai r1 ≈11.
Selanjutnya akan dikaji secara analitik tentang nilai r1, untuk λ → ∞ dan
b
c1 =O(1). Misalkan λ1 =ε. Maka persamaan (5.34) menjadi:
r2 1 2 lnr1 − r2 1 −1 4 =εbc1, (5.35) dimana ε→0. Misalkan r1 ≈x0 +εαx1+εβx2+..., (5.36) dengan x0 =Os(1), 0< α < β .
Dengan mensubstitusi persamaan (5.36) ke (5.35) maka (x0+εαx1 +εβx2+...)2 2 ln(x0+ε αx 1+εβx2+...)− (x0 +εαx1+εβx2+...)2−1 4 =εbc1. (x0+εαx1 +εβx2+...)2 2 lnx0+ (εαx1+εβx2+...)− (εαx 1+εβx2+...)2 2 − (x0+εαx1+εβx2+...)2−1 4 = εbc1. 1 2x0 2lnx 0− 1 4(x0 2 −1) + 1 2ε 2αx2 1+ 1 2ε 2βx2 2+εα+βx1x2+...=εbc1. Untuk O(1) : 1 2x0 2lnx 0− 1 4(x0 2 −1) = 0,
maka diperoleh x0 = 1.Selanjutnya pilih α= 12,sehingga untuk O(ε) :
1 2x
2 1 =bc1,
memberikan x1 = ±√2bc1. Karena 1 ≤ r ≤ ba, maka dipilih x1 = √2bc1.
Se-hingga r1 ≈1 +ε 1 2 p 2bc1+...
Dengan bc1 = 1.25, Tabel 5.1 menunjukkan beberapa perbandingan nilai r1
yang diperoleh dengan metode asimtotik dan numerik.
Tabel 5.1. Nilai r1. r1 Asimtotik Numerik ε= 0.1 1.4682 1.5000 ε= 0.01 1.1543 1.1581 ε= 0.001 1.0496 1.0500 ε= 0.0001 1.0158 1.0158
Dengan demikian, solusi c0(r) untuk λ≤0.0108627 adalah:
c0(r) =bc1−λ b2 2a2 lnr− r2−1 4 , (5.37)
dan untuk λ≥0.0108627 adalah:
c0(r) = b c1−λ r2 1 2 lnr− r2 −1 4 , jika 1≤r < r1; 0, jika r1 < r≤ ba.
Karena λ = 0.0108627 → 0, maka dapat dilihat bahwa solusi c0(r) untuk
λ≤0.0108627 adalah sama dengan persamaan (5.15).
Gambar 5.4 (a) dan (b) menunjukkan perbandingan solusi luar (garis penuh) dengan solusi numerik (garis putus) untuk λ ≥0.0108627. Berdasarkan gam-bar tersebut, dapat dikatakan bahwa jika λ=O(1) dan α→0, maka konsen-trasi oksigen di jaringan akan mencapai nilai nol dalam waktu yang berhingga.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -0.5 0 0.5 1 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -0.5 0 0.5 1 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -0.5 0 0.5 1 1.5 r r r c c c (a) (b) (c)
lambda=1, alpha=0.1 lambda=1, alpha=0.01
lambda=0.01, alpha=0.001
Gambar 5.4: Perbandingan Solusi Asimtotik Suku Pertama dan Numerik
α→0, λ=O(1).
Sedangkan Gambar 5.4 (c) menunjukkan perbandingan solusi luar dengan so-lusi numerik untuk λ ≤0.0108627. Berdasarkan gambar tersebut, jika λ → 0 danα →0, konsentrasi oksigen di jaringan tidak akan mencapai nilai nol sam-pai waktu tak hingga. Berdasarkan Gambar 5.4, galat untuk solusi asimtotik suku pertama adalah semakin kecil jika nilai α semakin mendekati nilai nol.
V.1.3.3 Kasus α=O(1), λ→ ∞.
Akan dikaji suatu keadaan, dimana konsentrasi oksigen di dinding kapiler dan koefisien kesetimbangan reaksi menuju nol, tetapi jaringan melakukan metabolisme yang membutuhkan oksigen (A90). Secara matematis, keadaan tersebut dapat dituliskan α=O(1), λ→ ∞.
Misalkan ε = 1λ. Karena λ → ∞, maka ε →0. Persamaan (5.3) menjadi: ε1 r d dr rdc dr = cH(c) α+c. (5.38) c(1) =bc1, dc dr( b a) = 0. (5.39) Solusi Luar
Misalkan ˆcadalah solusi luar bagi persamaan (5.38) - (5.39), dan ˆcmempunyai perluasan ˆc=c0 +εγc1+..., dimana γ >0.Persamaan (5.38) menjadi:
ε1 r d dr rd(c0+εγc1+...) dr = c0+ε γc 1+... α+c0+εγc1+... ε1 r d dr rdc0 dr +ε1+γ1 r d dr rdc1 dr = c0 α+c0 +εγ c1 α+c0 − c0c1 (α+c0)2 +... Untuk O(1) : c0 α+c0 = 0 maka c0 = 0.
Dipilih γ = 1, sehingga untuk O(ε) : 1 r d dr rdc0 dr = c1 α+c0 − c0c1 (α+c0)2 karena c0 = 0, maka c1 = 0. ∴ˆc= 0.
Solusi ˆc = 0, memenuhi batas dcdr(ab) = 0, tetapi tidak memenuhi c(1) = cb1.
Sehingga di r= 1 terjadiboundary layer.
Solusi Dalam
Misalkanr=εςX+1,dan ¯Cadalah solusi untukX.Persamaan (5.38) menjadi
ε1−2ζd 2C¯ dX2 + ε1−ζ 1 +εςX dC¯ dX = ¯ C α+ ¯C ε1−2ζd2C¯ dX2 +ε 1−ζdC¯ dX −εX dC¯ dX = ¯ C α+ ¯C.
Melalui proses balancing, diperoleh ζ = 12, sehingga d2C¯ dX2 +ε 1/2dC¯ dX −εX dC¯ dX = ¯ C α+ ¯C, (5.40)
dengan batas ¯C(0) = cb1. Misalkan ¯C = ¯C0 +εηC¯1 +..., dimana η > 0.
De-ngan mensubstitusi perluasan dari ¯Ctersebut ke persamaan (5.40) maka untuk
O(1) : ¯ C0 ′′ = C¯0 α+ ¯C0 ¯ C0′C¯0′′ = ¯ C0 α+ ¯C0 ¯ C0′ 1 2 d( ¯C0′)2 dX = 1− α α+ ¯C0 ¯ C0′ ¯ C0 ′ = ± q 2 ¯C0−2αln(α+ ¯C0) +K,
K adalah konstanta yang akan ditentukan nilainya. Karena ¯C(0)> c0(1) maka
¯
C merupakan fungsi turun di sekitar r = 1. Sehingga yang diambil adalah tanda negatif.
Matching condition˙
Karena ˆc = 0, maka ¯C0 ′
(∞) = 0 dan ¯C0(∞) = 0. Sehingga dapat diperoleh
nilai K, yaitu
K = 2αln(α).
Selanjutnya dengan menggunakan metode Runge-Kutta, ¯C0 dihitung secara
numerik.
∴c= ˆc+ ¯C = ¯C.
Grafik solusi c(r) ditunjukkan oleh Gambar 5.5. Dengan nilaiλ = 100, solusi asimtotik orde 1 memberikan hasil yang sama dengan solusi numerik.
1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 alpa=1, lambda=10 r c asimtotik O(1) numerik 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 alpha=1, lambda=100 r c asimtotik O(1) numerik
Gambar 5.5: Perbandingan Solusi Asimtotik Suku Pertama dan Numerik
α=O(1), λ= 10, dan α =O(1), λ = 100.
V.2 Solusi Keadaan Tidak Tunak
Persamaan difusi beserta syarat-syarat batas dan nilai awal diberikan oleh per-samaan (5.1)-(5.2). Karena perper-samaan (5.1) nonlinier, maka akan diselesaikan dengan metode numerik. Metode yang digunakan untuk mencari solusi nu-merik ini adalah metode beda maju. Dengan nilai parameter ab = 11, Gambar 5.6 menunjukkan proses penyebaran konsentrasi oksigen di jaringan.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 r c alpa=0.01, lamda=0.01 t=0 t=1.6 t=100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 r c alpa=0.01, lambda=1 t=0 t=0.1 t=1.6 t=100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 r c alpha=1, lambda=1 t=0 t=0.1 t=1.6 t=10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 alpa=1, lambda=100 r c t=0 t=0.1 t=1.6 t=100
Gambar 5.6: Proses Penyebaran Konsentrasi Oksigen di Jaringan dengan Laju Konsumsi Memenuhi Prinsip Kinetika Michaelis-Menten.
Berdasarkan Gambar 5.6, dapat dinyatakan bahwa yang mempunyai peranan penting dalam proses penyebaran konsentrasi oksigen di jaringan adalahλ, di-manaλini merupakan perbandingan dari kecepatan reaksi kali jari-jari dinding kapiler terhadap koefisien difusi kali konsentrasi di dinding kapiler.
Parameterαyang merupakan perbandingan koefisien kesetimbangan terhadap nilai konsentrasi oksigen di dinding kapiler memberikan pengaruh kepada ke-cepatan penurunan konsentrasi oksigen. Dapat dilihat dari Gambar 5.6, bahwa untuk nilai λ yang sama, semakin besar nilai α maka penurunan konsentrasi oksigen semakin lama.