1 BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Nanopartikel logam merupakan material dengan ukuran yang sangat kecil yaitu berkisar antara 10 nm sampai 1 µm. Hal tersebut menyebabkan tingginya rasio luas permukaan dengan volume sehingga nanopartikel logam memiliki sifat unik. Kecilnya ukuran dari nanopartikel logam juga mempengaruhi sifat fisika dan kimia (seperti titik lebur lebih rendah, luas permukaan spesifik, sifat optik, kekuatan mekanik, dan magnetisasi spesifik yang lebih tinggi) serta sifat biologi (sifat antibakteri lebih tinggi) yang berbeda jika dibandingkan dengan bentuk bulk-nya (Horikosi dan Serpone, 2013; Guzman, Dille, & Godet, 2009). Oleh karena itu, semakin kecil ukuran nanopartikel logam memungkinkan untuk dapat diaplikasikan lebih luas, sehingga penelitian tentang nanopartikel logam beberapa tahun belakangan ini banyak menarik perhatian para peneliti.
Nanopartikel Ag merupakan salah satu jenis dari nanopartikel logam. Nanopartikel Ag dapat dibuat dengan berbagai metode yaitu kimia, fisika, dan biologi. Pembuatan nanopartikel Ag yang sederhana dan paling banyak digunakan untuk menghasilkan larutan dari bentuk bulk yaitu dengan reduksi kimia dari AgNO3 (perak nitrat) (Guzmán, Dille, & Godet, 2009). Metode ini mereduksi ion Ag dalam larutan menjadi nanopartikel Ag dengan bantuan zat pereduksi dari golongan asam dan zat penstabil seperti polimer, sehingga dihasilkan nanopartikel Ag dalam bentuk koloid.
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian nanopartikel Ag terutama sebagai aplikasi antibakteri seperti wound dressing, disinfektan dalam air dan coating antibakteri banyak menarik perhatian. Kemampuan nanopartikel Ag untuk menghambat pertumbuhan bakteri, virus dan jamur sangat tinggi (Abdelgawad dkk, 2014; Agnihotri dkk, 2012; Feng dkk, 2008; Hong, 2007; Sondi dan Salopek-Sondi, 2004). Skema nanopartikel Ag dalam menghambat pertumbuhan bakteri dapat dilihat dalam Gambar 1.1. Nanopartikel terutama dikisaran 1-10 nm menempel (ada juga yang terakumulasi) pada permukaan membran sel dan secara
drastis mengganggu fungsi permeabilitas membran luar dan menghancurkan rantai dehidrogenasi pada sistem pernapasan (Tran dkk, 2013; Morones dkk, 2005; Sondi dan Salopek-Sondi, 2004). Ag+ menghambat respirasi E. coli dengan menentukan pelepasan oksigen reaktif sehingga menghambat sel respirasi (Holt dan Bard 2005). Nanopartikel Ag melepaskan ion Ag (Feng dkk, 2008) yang mampu menembus ke dalam bakteri dan menyebabkan kerusakan lebih lanjut dengan kemungkinan berinteraksi dengan sulfur pada gugus tiol (-SH) dengan mengganti atom hidrogen untuk membentuk S-Ag dan senyawa yang mengandung fosfor pada DNA, sehingga menghambat fungsi replika DNA dan merusak protein kemudian menghambat pertumbuhan bakteri (Prabhu dan Poulose, 2012; Kim dkk, 2008; Matsumura dkk, 2003).
Gambar 1.1 Skema nanopartikel Ag dalam menghambat pertumbuhan bakteri (Prabhu dan Poulose, 2012)
Bakteri seperti E. coli berukuran 1 µm, sehingga nanopartikel Ag harus berukuran lebih kecil dari ukuran bakteri yaitu kurang dari 50 nm untuk dapat diaplikasikan sebagai antibakteri. Namun, ada beberapa keterbatasan penggunaan nanopartikel Ag sebagai antibakteri ketika dalam bentuk koloid seperti kesulitan dalam mengontrol bentuk, ukuran, ataupun kestabilan nanopartikel Ag karena cenderung terbentuknya gumpalan. Hal ini dapat mengurangi efektivitas nanopartikel Ag sebagai antibakterial (Agnihotri dkk, 2012).
Oleh karena itu, salah satu cara untuk memaksimalkan nanopartikel Ag sebagai antibakteri yaitu dengan memuatkan nanopartikel pada polimer dalam bentuk fiber. Beberapa polimer sintetik yang dapat digunakan yaitu Polyvinyl Alcohol (PVA) (Kim dan Kim, 2011; Chun dkk, 2010; Hong dkk, 2007; Jin dkk, 2007; Ding dkk, 2002), Polyvinyl Pyrolidone (PVP) (Dong, 2010), Polyvinyl Acetat (PVAc), Polyethylene Oxide (PEO) (Saquing, 2009), polyacrylonitrile (PAN) (Shi, 2011; Lee dkk, 2005), Polymethyl Methacrylate (PMMA) (Kong dan Jang, 2008),
Nylon 6 (polyamide 6) (Montazer & Malekzadeh, 2012), Polyurethane (PU) (Lee dkk, 2012), dan lain-lain. Diantara beberapa polimer diatas, PVA memiliki beberapa kelebihan yaitu tidak beracun, larut dalam air, serta kemampuan biokompatibel dan biodegradabel yang sangat bagus. PVA mudah digunakan dalam aplikasi karena memiliki resistansi kimia, sifat fisik, dan sifat pembentukan fiber yang baik (Hong, 2007; Kim & Kim, 2011). Selain itu, ukuran nanopartikel Ag akan sedikit mengecil bila dicampur dengan PVA (Harsojo dkk, 2011).
Fiber polimer dapat dibuat dengan tiga teknik yang biasa digunakan yaitu elektrospining, self-assembly dan phase separation. Pemisahan fasa (phase separation) terdiri dari pemutusan rantai polimer, pembekuan (gelation) polimer, ekstraksi menggunakan pelarut yang berbeda, pembekuan dan pengeringan pada keadaan vakum menghasilkan busa berpori dengan ukuran pori pada skala nanometer (Huang dkk, 2003; Vasita dan Katti, 2006). Proses ini memakan waktu yang relatif lama untuk mengubah polimer padat menjadi busa dengan nano-pori, selain itu jenis polimer yang digunkan juga terbatas (Huang dkk, 2003). Self-assembly adalah proses yang individual, komponen yang sudah ada mengatur diri sesuai pola dan fungsi yang diinginkan. Namun teknik self-assembly juga
memerlukan waktu yang relatif lama dalam pengolahan fiber polimer yang kontinu dalam ukuran nanometer, selain itu nanofiber yang dihasilkan tidak panjang (dalam kisaran mikrometer) dan terbatasnya jenis polimer yang dapat digunakan (Dahlin dkk, 2011; Huang dkk, 2003; Vasita dan Katti, 2006). Teknik elektrospining merupakan salah satu metode untuk membuat fiber dengan cara yang lebih sederhana dan efektif. Elektrospining merupakan proses pembuatan fiber padat yang panjang dan kontinu dengan diameter fiber yang dihasilkan berkisar dalam ukuran mikrometer sampai nanometer dengan menggunakan medan listrik. Fiber yang dihasilkan dengan metode elektrospining memiliki beberapa sifat unik seperti, porositas tinggi, ukuran pori yang sangat kecil, dan perbandingan permukaan dengan volume yang tinggi jika dibandingkan dalam bentuk film (Abdelgawad dkk, 2014; Garg & Bowlin, 2011; Ryparova, Racova, Tesarek, & Wasserbauer, 2012).
Ukuran dan distribusi nanopartikel Ag pada fiber merupakan penentu sifat antibakteri. Banyak cara yang dilakukan para peneliti untuk mengontrol ukuran dan distribusi nanopartikel Ag pada fiber, salah satunya dengan penambahan polimer organik seperti Chitosan (CS) pada fiber. CS merupakan biopolimer yang banyak terdapat di alam dan merupakan turunan dari kitin. CS memiliki beberapa kelebihan yaitu tidak beracun, kemampuan biokompatibel dan biodegradabel, bioaktif dan bersifat antibakteri. Nguyen dkk pada tahun 2011 meneliti tentang penambahan CS pada koloid PVA/AgNO3 membantu distribusi nanopartikel Ag yang rata pada seluruh permukaan fiber ketika dilakukan dengan metode elektrospining. Pada penelitian yang dilakukan oleh Nguyen dkk digunakan metode reflux dan anneling untuk membuat larutan sampel dengan konsentrasi PVA 12% dan CS 6%. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilihat pengaruh penambahan CS dengan konsentrasi rendah pada koloid PVA/AgNO3 terhadap distribusi nanopartikel Ag pada permukaan fiber.
Berdasarkan beberapa alasan yang telah disebutkan sebelumnya, maka pada penelitian ini akan dibuat fiber PVA dan PVA/CS yang memuat nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining. Pada penelitian ini juga digunakan konsentrasi AgNO3 yang tinggi dalam koloid PVA/AgNO3. Diharapkan dari penelitian ini,
nanopartikel Ag pada fiber dalam jumlah banyak, sebaran distribusi lebih rata dan ukuran nanopartikel Ag yang dihasilkan dapat dikontrol, sehingga dapat meningkatkan sifat fiber yang memuat nanopartikel Ag yang dapat digunakan sebagai aplikasi antibakteri.
1.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dalam penelitian berjudul pembuatan dan karakterisasi fiber PVA dan PVA/CS yang memuat nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana cara membuat fiber dengan ukuran diameter rata-rata nanopartikel Ag yang lebih kecil dari 10 nm dan terdistribusi rata.
2. Faktor apakah yang mempengaruhi ukuran dan distribusi nanopartikel Ag di dalam fiber PVA.
3. Bagaimana pengaruh variasi chitosan tehadap ukuran dan distribusi nanopartikel Ag di dalam fiber.
1.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah dalam penelitian berjudul pembuatan dan karakterisasi fiber PVA dan PVA/CS yang memuat nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining adalah sebagai berikut :
1. Elektrospinning digunakan pada tegangan maksimal 15 kV dan jarak maksimal ujung jarum ke kolektor 13 cm.
2. PVA yang digunakan merupakan jenis Gohsenol.
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian berjudul pembuatan dan karakterisasi fiber PVA dan PVA/CS yang memuat nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining adalah sebagai berikut :
1. Melakukan pembuatan fiber PVA yang memuat nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining dengan ukuran nanopartikel yang lebih kecil dan terdistribusi rata.
2. Meneliti faktor-faktor yang mempengaruhi ukuran dan sebaran nanopartikel Ag pada fiber PVA dan PVA/CS.
3. Mengetahui karakterisasi fiber PVA dan PVA/CS yang berisi nanopartikel Ag.
1.5 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat :
1. Memberikan gambaran tentang metode untuk mensintesis nanopartikel Ag dengan teknik sederhana yang dapat diaplikasikan sebagai antibakteri.
2. Dapat dipakai sebagai acuan penelitian berikutnya untuk pengembangan optimalisasi maupun aplikasi.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan tesis ini terdiri dari enam bab yaitu bab I berisi Pendahuluan, bab II berisi Landasan Teori, bab III berisi Tinjauan Pustaka, bab IV tentang Metode Penelitian, bab V tentang Pembahasan hasil penelitian dan bab VI berisi Kesimpulan dan Saran.
1. Bab I berisi Pendahuluan yang menjabarkan latar belakang dilakukannya penelitian tentang pembuatan dan karakterisasi fiber PVA dan PVA/CS yang termuati nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat penelitian dan sistematika penulisan tesis. 2. Bab II merupakan Tinjauan Pustaka yang berisi penelitian sebelumnya yang
sudah dilakukan yang berkaitan dengan pembuatan dan karakterisasi fiber PVA dan PVA/CS yang memuat nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining.
3. Bab III berisi Landasan Teori tentang nanopartikel Ag, PVA, CS, dan elektrospinning.
4. Bab IV merupakan Metode Penelitian yang menjelaskan tentang alat dan bahan yang digunakan, prosedur pembuatan fiber PVA dan PVA/CS yang memuat nanopartikel Ag, karakterisasi sampel dan teknik analisa data.
5. Bab V merupakan Pembahasan hasil analisis data dan karakterisasi sampel fiber PVA dan PVA/CS yang memuat nanopartikel Ag dengan teknik elektrospining.
6. Bab VI merupakan Kesimpulan dari penelitian yang sudah dilakukan dan Saran untuk penelitian selanjutnya.
