Pembuatan Nanopartikel Kitosan-Fe3O4 secara Ko-Presipitasi
In-Situ
Menggunakan Tripolyphosphate/Sitrat sebagai
Crosslinker
dan Karakterisasinya Menggunakan XRD
Vita Tria Mardila1), Akhmad Sabarudin1)*, D.J Djoko Herry Santjojo2)
1) Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya 2)Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya
Diterima 01 April 2016, Direvisi 28 April 2016
ABSTRAK
Nanopartikel kitosan-Fe3O4 telah disintesis secara one pot reaction dengan menggunakan kombinasi TPP:sitrat sebagai crosslinker. Metode yang digunakan yaitu ko-presipitasi in-situ garam besi dengan adanya kitosan dan crosslinker. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh proses preparasi terhadap karakteristik nanopartikel kitosan-Fe3O4 yang dibuat pada beberapa kondisi yaitu rasio kitosan:Fe(II):Fe(III), rasio TPP:sitrat dan waktu crosslinking. Ukuran kristal nanopartikel hasil sintesis dihitung dengan menggunakan persamaan Debye Scherrer termodifikasi dengan nilai panjang gelombang, intensitas, 2θ, dan FWHM yang dihasilkan dari uji XRD. Ukuran kristal bare Fe3O4 dan nanopartikel kitosan-Fe3O4 masing-masing yaitu 6,22 nm dan 9,49 nm. Hasil analisis XRD menunjukkan bahwa pada nanopartikel hasil sintesis selain fasa Fe3O4 terdapat pula fasa γ-Fe2O3 yang diduga karena oksidasi Fe3O4. Ukuran kristal dan presentase Fe3O4 menurun dengan semakin banyaknya jumlah kitosan yang melapisi Fe3O4 dan semakin lamanya waktu crosslinking.
Kata kunci: magnetik nanopartikel, kitosan-Fe3O4, in-situ, ko-presipitasi.
ABSTRACT
Chitosan-Fe3O4 nanoparticles have been synthesized in a one pot reaction by combine TPP: citrate as crosslinker. The method was in-situ co-precipitation of iron salts in the presence of chitosan and crosslinker. The aim of this study was to determine the effect of preparation process towards chitosan-Fe3O4 nanoparticles characteristics which was prepared on several preparation condition: chitosan:Fe(II):Fe(III) ratio, TPP:citrate ratio, and crosslinking time. The crystallite sizes of the Fe3O4 and chitosan- Fe3O4 nanoparticles was obtained from modified Debye Scherrer equation using data from XRD analysis. The crystallite size of the bare-Fe3O4 and chitosan-Fe3O4 nanoparticles were found to be about 6.22 and 9.49 nm, respectively. XRD analysis results shown that beside Fe3O4 phases there was γ-Fe2O3 phase due to the oxidation of Fe3O4.The crystallite sizes and the percentage of Fe3O4 decreases with increasing number of chitosan coating the Fe3O4 and the length of crosslinking time.
Keywords: magnetic nanopartikel, chitosan-Fe3O4, in-situ, co-precipitation
PENDAHULUAN
Magnetik nanopartikel merupakan material yang terdiri dari unsur magnetik seperti besi, nikel, kobalt dan oksidanya dengan ukuran 1-100 nm yang dapat digerakkan atau dikontrol dengan adanya medan magnet eksternal.
Dengan adanya sifat tersebut, magnetik nanopartikel telah banyak digunakan dalam bidang biomedis yaitu sebagai material pembawa obat, karena mampu untuk diarahkan dan dipusatkan pada jaringan target dan dapat dihilangkan sifat kemagnetannya ketika terapi telah selesai [1]. Besi oksida nanopartikel memiliki keuntungan sebagai komponen kandidat drug delivery system yaitu dapat divisualisasikan dengan magnetic resonance imaging, dapat dipanaskan untuk memberikan ---
*Corresponding author:
hipertermia untuk terapi kanker, dan yang paling penting dapat terdegradasi menjadi ion besi yang tidak beracun di dalam tubuh [2].
Pembuatan besi oksida nanopartikel dapat dilakukan dengan dua cara yaitu top down
(sintesis secara mekanis) dan bottom up
(sintesis secara kimiawi). Diantara beberapa metode pembuatan nanopartikel besi oksida, ko-presipitasi merupakan metode bottom up
yang berpotensi karena dapat digunakan untuk menghasilkan nanopartikel dengan skala besar, murah, proses produksinya mudah, dan menghasilkan nanopartikel yang hidrofilik [3]. Fe3O4 merupakan besi oksida yang paling
menjanjikan dan umum digunakan dalam aplikasi biomedis karena sifatnya yang biokompatibel [4], biodegradabel dan dapat dengan mudah dimodifikasi permukaannya [5]. Salah satu modifikasi permukaan Fe3O4
nanopartikel dapat dilakukan dengan melapisi (coating) nanopartikel tersebut dengan polimer. Beberapa polimer yang biasa digunakan untuk melapisi Fe3O4 nanopartikel yaitu polyethylene
glycol (PEG), dextran, polyethyleneimine (PEI), phospholipid, dan kitosan [5]. Adanya polimer juga dapat mencegah oksidasi besi oksida. Polimer alam seperti kitosan sangat direkomendasikan dalam sistem pembawa obat, karena sifat kitosan yang biokompatibel dan biodegradabel [6].
Kitosan dapat berinteraksi dengan muatan negatif (gugus hidroksil) yang ada di permukaan magnetik nanopartikel Fe3O4[3].
Aspek penting dari kitosan sebagai pembawa obat yaitu kitosan dapat dihilangkan oleh renal clearance. Namun, jika berat molekulnya terlalu besar diperlukan enzim chitinase yang mampu mengubah kitosan dengan berat molekul yang besar menjadi rantai yang lebih pendek. Laju degradasi kitosan tergantung dari berat molekul dan derajat asetilasi dari kitosan [6]. Kitosan dapat diikatkan silang ( cross-linked) secara kimia maupun secara fisika karena adanya gugus fungsi amino dan hidroksil pada strukturnya untuk pelepasan obat yang terkontrol [7], dan peningkatkan kestabilan kitosan [5]. Pengikatan silang secara kovalen (kimiawi) kurang disukai untuk aplikasi biomedis karena sifat toksisitas yang dimilki oleh reagennya. Oleh karena itu digunakan pengikatan silang secara ionik (fisika) dengan menggunakan agen crosslinker
seperti tripolyphosphate(TPP) dan sitrat untuk
mengatasi hal tersebut [8]. Kombinasi antara TPP dan sitrat pada pembentukan kitosan berbentuk beads telah dilakukan oleh Shu dan Zhu (2002) dan menghasilkan kitosan beads memiliki bentuk yang bulat (spheric) [9].
Dalam penelitian ini nanopartikel kitosan-Fe3O4 disintesis secara one pot reaction dengan
metode in-situ ko-presipitasi menggunakan kombinasi TPP/sitrat sebagai crosslinker. Kristalinitas dan ukuran kristal Fe3O4ditentukan
dengan analisis XRD. Analisis kuantitatif fasa dilakukan dengan menggunakan program MAUD.
METODE PENELITIAN
Bahan dan Instrumen. Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini meliputi kitosan (Low Molecular Weight), FeCl2.4H2O,
FeCl3.6H2O, CH3COOH, NH3.H2O,
tripolyphospate(TPP), natrium sitrat, dan akuades (teknis). Semua bahan memiliki grade
pro analis (p.a) kecuali disebutkan lain. Instrumentasi yang digunakan dalam penelitian ini yaitu XRD Philips type XPert MPD.
Pembuatan Nanopartikel Kitosan-Fe3O4 secara In-Situ. Nanopartikel kitosan-Fe3O4
disintesis secara ko-presipitasi in-situ garam besi dengan adanya kitosan dan crosslinker
dengan beberapa modifikasi dari prosedur yang telah dilakukan oleh Kavaz et al (2010) [10]. FeCl2.4H2O dan FeCl3.6H2O dengan
perbandingan mol 1:2 dilarutkan ke dalam 15 mL larutan kitosan dengan rasio massa kitosan:Fe(II):Fe(III) yaitu 0,3:1:2,7, 0,45:1:2,7 dan 0,6:1:2,7 sambil diaduk selama 30 menit untuk membentuk ferrogel. Ferrogel tersebut ditambahkan 5,5 mL NH3.H2O 3 M secara
perlahan (tetes demi tetes) pada kecepatan 10 ml/jam sambil diaduk dengan magnetic stirrer. Pengadukan ini dilanjutkan selama 30 menit. Setelah 30 menit campuran tersebut ditambahkan 5 mL larutan crosslinkerTPP: sitrat dengan perbandingan 1:1 pada kecepatan 10 ml/jam sambil diaduk dengan magnetic stirrer. Pengadukan ini dilanjutkan dengan tambahan waktu 30 menit. Koloid kitosan– Fe3O4 nanopartikel yang diperoleh kemudian
kitosan – Fe3O4 nanopartikel yang diperoleh
dikeringkan terlebih dahulu dengan menggunakan
freeze dryer.
Perakuan yang sama juga dilakukan untuk menentukan pengaruh rasio crosslinker dan waktu
crosslinking. Rasio crosslinker yang digunakan selain TPP:sitrat 1:1 yaitu 3:1 dan 5:1. Pengadukan lebih lanjut setelah penambahan
crosslinker dilakukan selama 1 jam dan 2 jam. Sebagai control, pembuatan nanopartikel Fe3O4
juga dilakukan dengan cara melarutkan FeCl2.4H2O dan FeCl3.6H2O dengan
perbandingan mol 1:2 ke dalam 15 mL akuades dan ditambahkan 5,5 mL NH3.H2O 3 M pada
kecepatan 10 ml/jam sambil diaduk dengan
magnetic stirrer. Pengadukan ini dilanjutkan selama 30 menit. Parameter eksperimental proses sintesis nanopartikel ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Parameter eksperimental
Sampel kitosan: Fe(II):Fe(III)
TPP: sitrat
Waktu (t)
crosslinking
S1 Bare Fe3O4 - -
S2 0,3:1:2,7 3:1 30 menit S3 0,45:1:2,7 3:1 30 menit S4 0,6:1:2,7 3:1 30 menit S5 0,3:1:2,7 1:1 30 menit S6 0,3:1:2,7 5:1 30 menit S7 0,3:1:2,7 3:1 1 jam S8 0,3:1:2,7 3:1 2 jam
Karakterisasi nanopartikel kitosan-Fe3O4 dengan XRD (X-ray Diffraction). Ukuran kristal dan struktur kristal kitosan-Fe3O4
nanopartikel dari masing-masing kondisi ditentukan dengan menggunakan XRD pada
sudut 2θ = 15-65°, dengan sumber sinar X dari logam tembaga (Cu) dengan panjang
gelombang (λ) Kα1 sebesar 0,154060 nm (30
mA, 40 kV). Penentuan kesesuaian struktur kristal yang terbentuk dan fasa Fe3O4 dalam
sampel dilakukan dengan mencocokkan setiap puncak yang muncul pada difraktogram pada
nilai sudut 2θ hasil analisis dengan data
Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) #26410. Ukuran kristal nanopartikel hasil sintesis dihitung dengan menggunakan persamaan Debye Scherrer termodifikasi [11]:
cosθ +
L K.λ = L.cosθ
K.λ =
β ln ln ln 1
ln (1)
Keterangan:
L = ukuran rata-rata kristalit,
λ = panjang gelombang sinar X(nm),
β = lebar puncak dari profil puncak difraksi pada setengah tinggi maksimum,
K = konstanta yang berhubungan dengan bentuk kristalit.
Apabila lnβ diplotkan terhadap ln(1/cosθ), akan diperoleh intersep sebesar ln(K.λ/L), sehingga dapat diperoleh satu ukuran kristal dari semua puncak difraksi yang ada [11].
Gambar 1. Interaksi Fe3+/Fe2+ dalam matriks kitosan pada proses ko-presipitasi
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sintesis kitosan-Fe3O4 secara in-situ Pada
proses pembuatan kitosan-Fe3O4 nanopartikel,
ion Fe2+ dan Fe3+ akan terdispersi dalam larutan
kitosan dan kemudian ion-ion tersebut akan mengalami ko-presipitasi menjadi Fe3O4
dengan penambahan NH3.H2O dalam matriks
kitosan sesuai Gambar 1. Dengan metode ini, gugus –NH3+ pada kitosan akan berinteraksi
dengan gugus –OH- pada Fe
pertumbuhan inti Fe3O4 terhalangi oleh kitosan,
hal tersebut akan menghasilkan inti Fe3O4 yang
lebih kecil [3]. Mula-mula Fe2+ dan Fe3+ akan
berinteraksi dengan -OH- dari NH 3.H2O
membentuk besi(II) hidroksida dan besi(III) hidroksida yang kemudian mengalami presipitasi melalui reaksi yang sangat cepat. Selanjutnya besi(III) hidroksida akan terdekomposisi menjadi FeOOH. FeOOH yang terbentuk kemudian akan bereaksi dengan Fe(OH)2 dan akan menghasilkan Fe3O4
(magnetit). Penggunaan rasio 2:1 pada Fe3+:Fe2+ditujukan untuk mendapatkan
kemurnian magnetit yang tinggi karena rasio tersebut merupakan rasio secara stoikiometri. Reaksi yang terjadi pada proses pembentukan Fe3O4 yaitu[12]:
Tahapan crosslinking dimulai dengan terdifusinya sitrat dan TPP ke dalam droplet kitosan-Fe3O4 dan kemudian terjadi interaksi
diantara agen crosslinker dan kitosan. TPP akan berinterksi secara ionik dengan kitosan secara intra- dan intermolekuler yang menjadikan struktur kitosan menjadi lebih rigid dan pada akhirnya terbentuklah partikel kitosan yang berbentuk bulat [13]. Natrium sitrat, sama halnya dengan TPP akan berinteraksi dengan ktosan melalui interaksi secara ionik [9]. Analisa Data XRD Struktur kristal nanopartikel hasil sintesis dikarakterisasi dengan menggunakan XRD. Difraktogram XRD (Gambar 2) menunjukkan bahwa pada nanopartikel kitosan-Fe3O4 hasil sintesis
terdapat fasa Fe3O4 karena puncak-puncak yang
teridentifikasi memiliki kesesuaian dengan pola kristalin fasa Fe3O4 sesuai dengan data standar
Fe3O4-ICSD#26410. Enam puncak karakteristik
untuk Fe3O4 yang sesuai dengan bidang kisi
(220), (311), (400), (422), (511) dan (440) terdapat pada difraktogram tiap sampel yang menunjukkan bahwa pada nanopartikel hasil sintesis terdapat fasa Fe3O4. Selain
puncak-puncak tersebut, terdapat beberapa puncak-puncak lain dengan intensitas yang lebih kecil yang diduga merupakan maghemit (γ-Fe2O3). Adanya
maghemit disesuaikan dengan standar Fe2O3(gamma)-ICSD#172905. Perihal tersebut
dimungkinkan karena terjadinya oksidasi Fe3O4
karena adanya oksigen di udara maupun oksigen terlarut dalam air. Selain terdapat pula puncak pada 2 sekitar 21° dengan intensitas yang relatif kecil yang dimungkinkan merupakan puncak karakteristik untuk kitosan. Proses coating Fe3O4 dengan kitosan tidak
memberikan pengaruh terhadap struktur kristal dari Fe3O4.
Ukuran kristal nanopartikel hasil sintesis yang diperoleh dari persamaan Debye-Scherrer termodifikasi ditampilkan dalam Tabel 2. Ukuran kristal menurun dengan meningkatnya konsentrasi kitosan. Hal ini karena kitosan menghambat pertumbuhan inti Fe3O4 selama
proses sintesis [3]. Semakin lama waktu
crosslinking ukuran kristal semakin menurun. Begitu pula dengan semakin besarnya rasio TPP, hal ini dimungkinkan karena tolakan dari gugus fosfat dari TPP menghambat pertumbuhan kristal.
Tabel 2. Ukuran kristal nanopartikel kitosan-Fe3O4 hasil
sintesis
Sampel Ukuran Kristal (nm)
S1 6,22
diperoleh dari program MAUD yang berbasis pada metode Rietvield. Hasil persentase fasa pada tiap sampel ditunjukkan pada Tabel 3. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa pada bare Fe3O4, persentase Fe3O4 lebih kecil
dibandingkan saat telah terlapisi kitosan. Hal ini menandakan bahwa kitosan mampu menghalangi proses oksidasi Fe3O4. Namun
penambahan kitosan lebih lanjut semakin menurunkan persentase fasa Fe3O4. Semakin
lama waktu crosslinking persentase Fe3O4 juga
semkin menurun. Hal ini diduga karena semakin lama waktu crosslinking
memungkinkan untuk nanopartikel kitosan-Fe3O4 mengalami oksidasi lebih lanjut menjadi
γ-Fe2O3. Maghemite (γ-Fe2O3) juga dapat
(a)
(b)
(c)
Tabel 3. Persentase fasa nanopartikel kitosan- Fe3O4hasil sintesis
kitosan:Fe(II):Fe(III) TPP:citrate t crosslinking % berat
Fe3O4 γ-Fe2O3
Nanopartikel kitosan-Fe3O4 telah berhasil
disintesis secara in-situ ko-presipitasi. Dengan prosedur one pot reaction, metode sintesis ini menguntungkan karena prosesnya yang sederhana dan tidak menggunakan pelarut organik yang berbahaya. Proses preparasi berpengaruh terhadap karakteristik nanopartikel kitosan-Fe3O4. Dengan semakin meningkatnya
konsentrasi kitosan dan semakin lama waktu
crosslinking, ukuran keristal semakin menurun. Fasa dalam nanopartikel hasil sintesis sebagian besar merupakan Fe3O4 dan sebagian kecil
γ-Fe2O3. PersentaseFe3O4 terbesar diperoleh pada
sampel S2 yaitu sebesar 98.27%. γ-Fe2O3 yang
dihasilkan juga merupakan material yang biokompatibel, sehingga nanopartikel tersebut berpotensi untuk digunakan sebagai drug delivery.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis berterimakasih kepada Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Direktorat Jendral Pembelajaran dan Kemahasiswaan, Kementrian Riset, Teknologi dan Pendidikan Tinggi sesuai dengan Addendum Surat Perjanjian Penugasan Dalam Rangka Pelaksanaan Program Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat nomor: 007/Add/SP2H/PL/DIT.LITABMAS/V/2015
Penulis juga berterimakasih kepada Biro Perencanaan dan Kerjasama Luar Negeri (BPKLN) yang telah memberikan kesempatan penulis untuk melanjutkan pendidikan S2 Kimia di Universitas Brawijaya melalui program Fast Track.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Indira, T.K., dan Lakshmi P.K., (2010), Magnetic Nanoparticles – A Review,
International Journal of Pharmaceutical Sciences and Nanotechnology3(3): 1035-1043.
[2] Hou, Y., dan Hao R., (2011),
“Multifunctional Nanoparticles for Multimodal Molecular Imaging.”
Nanoplatform-Based Molecular Imaging; Wiley: New Jersey, 571-572
[3] Unsoy, G., Yalcin, S., Khodadust, R., Gunduz, F., dan Gunduz, U., Synthesis optimization and characterization of chitosan- coated iron oxide nanoparticles produced for biomedical applications, J Nanopart Res. 14: 964-977
[4] Wu, W., He, Q., dan Jiang, C., (2008), Magnetic Iron Oxide Nanoparticles: Synthesis and Surface Functionalization Strategies. Nanoscale Res Lett. 3: 397–415 [5] Arami, H., Stephen, Z., Veiseh, O., dan Zhang, M., (2011), Chitosan-Coated Iron Oxide Nanoparticles for Molecular Imaging and Drug Delivery. Adv Polym Sci.43: 163–184
[6] Riva, R., Ragelle, H., Rieux, A., Duhem, N., Jerome, C., dan Preat, V., (2011), Chitosan and Chitosan Derivatives in Drug Delivery and Tissue Engineering. Adv Polym Sci.244: 19–44
[8] Liu, H., dan Gao, C., (2009). Preparation and properties of ionically cross-linked chitosan nanoparticles. Polym. Adv. Technol.20: 613–619
[9] Shu, X.Z., dan Zhu, K.J., (2002), Controlled drug release properties of ionically cross-linked chitosan beads: the influence of anion structure. International Journal of Pharmaceutics233: 217– 225 [10] Kavaz D., Sedat O., Eylem G., Murat D.,
dan, Emir B., (2010). Bleomycin Loaded Magnetic Chitosan Nanoparticles as Multifunctional Nanocarriers. Journal of Bioactive and Compatible Polymers 25: 305-318
[11] Monshi, A., Foroughi, M.R., dan Monshi M.R., (2012). Modified Scherrer Eqquation to Estimate More Accurately Nano-Crystallite Size Using XRD. World
Journal of Nano Science and Engineering
2: 154-160
[12] Mahdavi, M., Mansor A., Md Jelas H., Farideh N., Behzad N., Mohamad Z., dan Jamileh A., (2013). Synthesis, surface modification and characterisation of biocompatible magnetic iron oxide nanoparticles for biomedical applications,
Molecules18: 7533-7548
[13] Mi, Fwu-Long, Shin-Shing Shyu, Chin-Ta Chen, Juin-Yih Lai, (2002). Adsorption of indomethacin onto chemically modified chitosan beads, Polimer43: 757-765 [14] Perlstein, B., Zvi, R., Dianne, D., Aharon,
