BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4...

17
4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul polimer hidrofilik yang berbentuk jaringan berikatan silang, mempunyai kemampuan mengembang dalam air (swelling), serta memiliki daya diffusi air yang tinggi. Oleh karena sifat fisik yang khas tersebut, pada awalnya hidrogel disintesis untuk digunakan sebagai matriks pengekang/pelepasan obat, kontak lensa, immobilisasi enzim dan sel. Lebih jauh lagi, sesuai dengan perkembangan teknologi dan kebutuhan akan bahan baru yang dapat diaplikasikan di bidang kesehatan, aplikasi hidrogel pada beberapa tahun belakangan ini diteliti dan dikembangkan untuk aplikasi di bidang biomedis. Salah satu aplikasi hidrogel dengan prospek yang menjajikan adalah untuk pembalut luka bakar. Hal ini didasarkan pada sifat fisik lainnya dari hidrogel yaitu kemampuannya dalam mengekang air, bersifat sebagai pembasah permukaan dan biokompatibel terhadap tubuh. Khususnya untuk pembalut luka bakar, pemakaian hidrogel tidak memberikan efek penyembuhan yang maksimal dikarenakan hidrogel hanya bersifat sebagai pendingin. Oleh karena itu, perlu ditambahkan suatu antibiotik yang akan menaikkan kinerja dari hidrogel untuk penyembuh luka, misalnya antibiotik (Erizal,2008). Hidrogel merupakan jaringan makro molekul yang mampu menyerap dan melepas air secara reversibel berdasarkan stimulan eksternal (Sannino et al., 2009). 2.2 Polietilen Oksida Etilen Oksida merupakan struktur carbon membentuk cincin oksigen yang bersenyawa tiga dengan rumus struktur -O(CH2CH2)O-. Meskipun senyawa ini digunakan sebagai insektisida, sebagai furmigan dan sebagai agen sterilisasi, Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4...

Page 1: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Hidrogel

Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul polimer hidrofilik yang

berbentuk jaringan berikatan silang, mempunyai kemampuan mengembang dalam

air (swelling), serta memiliki daya diffusi air yang tinggi. Oleh karena sifat fisik

yang khas tersebut, pada awalnya hidrogel disintesis untuk digunakan sebagai

matriks pengekang/pelepasan obat, kontak lensa, immobilisasi enzim dan sel.

Lebih jauh lagi, sesuai dengan perkembangan teknologi dan kebutuhan akan

bahan baru yang dapat diaplikasikan di bidang kesehatan, aplikasi hidrogel pada

beberapa tahun belakangan ini diteliti dan dikembangkan untuk aplikasi di bidang

biomedis. Salah satu aplikasi hidrogel dengan prospek yang menjajikan adalah

untuk pembalut luka bakar. Hal ini didasarkan pada sifat fisik lainnya dari

hidrogel yaitu kemampuannya dalam mengekang air, bersifat sebagai pembasah

permukaan dan biokompatibel terhadap tubuh. Khususnya untuk pembalut luka

bakar, pemakaian hidrogel tidak memberikan efek penyembuhan yang maksimal

dikarenakan hidrogel hanya bersifat sebagai pendingin. Oleh karena itu, perlu

ditambahkan suatu antibiotik yang akan menaikkan kinerja dari hidrogel untuk

penyembuh luka, misalnya antibiotik (Erizal,2008).

Hidrogel merupakan jaringan makro molekul yang mampu menyerap dan

melepas air secara reversibel berdasarkan stimulan eksternal (Sannino et al.,

2009).

2.2 Polietilen Oksida

Etilen Oksida merupakan struktur carbon membentuk cincin oksigen yang

bersenyawa tiga dengan rumus struktur -O(CH2–CH2)O-. Meskipun senyawa ini

digunakan sebagai insektisida, sebagai furmigan dan sebagai agen sterilisasi,

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 2: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

5

namun dalam penggunaan fungsionalnya bervariasi. Kegunaan terpenting dari

etilen oksida sebagai zat antara kimia yang sangat reaktif. Faktor – factor yang

menyebabkan reaktivitas tinggi karena etilen oksida mempunyai energy regangan

besar dari cincin oksigen yang bersenyawa tiga, adanya ikatan piena etena-

oksigen, dan adanya bentuk hybrid resonansi + CH2–CH2O dan -OCH2–CH2 +.

Sebagian besar senyawa yang mengandung atom hydrogen aktif akan

menambah etilen oksida. Contohnya etilen oksida bereaksi dengan air membentuk

etilen glikol, dengan hydrogen halida membentuk monoalkyl etilen glikol, dan

dengan alcohol membentuk monoalkiletil etilena glikol. Namun dalam hal ini

fokus utamanya membentuk polimerisasi etilen oksida yaitu dengan penambahan

etilen oksida ke molekul etilen oksida lainnya untuk membentuk poli (etilen

oksida).

Polietilen oksida adalah kristal yang termasuk termoplastik dan merupakan

polimer hidrofilik artinya dapat larut dalam air dengan struktur kimia relatif

sangat sederhana, yaitu tersusun dari pengulangan unit: -CH2-CH2-O. Polietilen

oksida tersedia secara komersial dalam berbagai macam berat molekul seperti

etilena glikol, dietilen glikol dan seterusnya sampai polimer dengan berat molekul

lebih dari satu juta. Berat molekul rendah sampai 150 umumnya berupa polietilen

glikol sedangkan berat molekul yan lebih tinggi dikenal sebagai poli (etilena

oksida), poli oksietilen atau polioksiran. Berbagai jenis polietilen oksida dilihat

dari berat molekulnya dibagi menjadi dua, yaitu berat molekul yang rendah

berwujud cairan viskos sampai padat seperti lilin sedangkan jika semakin tinggi

berupa termoplastik yang dapat di bentuk sesuai cetakan.

Kelarutan polietilen oksida adalah air dan sejumlah pelarut organic seperti

asetonitril, anisol, chloroform, etilen diklorida, dan dimetil formida. Tidak larut

dalam hidrokarbon alifatik, dietilen glikol, etilen glikol dan gliserin. Meskipun

polimer dalam hidrokarbon aromatik memiliki kelarutan suhu ruangan yang

rendah, namun pada suhu tinggi dapat larut dalam benzen dan toluene.

PEO bersifat inert terhadap biopolimer (termasuk protein, darah, dan

jaringan sel), maka PEO dapat digunakan sebagai bahan dasar, terutama dalam

bentuk hidrogel untuk pembuatan berbagai jenis alat kedokteran, kesehatan dan

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 3: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

6

farmasi, seperti: pembalut luka, "suture", kontak lens, membran dialisis, dan alat

pelepas obat secara terkontrol. Di samping itu, PEO dapat pula digunakan untuk

melapisi beberapa alat kedokteran/kesehatan yang berhubungan langsung dengan

jaringan tubuh dan darah, misalnya kateter dan vaskuler protese. Salah satu cara

yang mudah untuk menghasilkan hidrogel PEO ialah dengan mengiradiasi larutan

PEO dengan radiasi pengion, baik dengan sinar gamma maupun dengan berkas

elektron. Beberapa peneliti telah mempelajari radiolisis PEO yang diiradiasi

dalam larutan air, tetapi belum satu pun yang membahas secara menyeluruh

bagaimana proses yang terjadi dalam larutan PEO yang diiradiasi mulai dari tahap

awal (terbentuknya makro radikal PEO) sampai terbentuknya hidrogel yang

merupakan jaringan tiga dimensi (crosslinking) (Zainudin, 1996).

Gambar 2.1. Struktur molekul Polietilen Oksida

Polietilen glikol (PEG) adalah polimer yang dapat dirumuskan oleh

formula HOCH2(CH2OCH2)nCH2OH. Nilai n dapat berkisar dari 1 sampai nilai

yang sangat besar, karena itu berat molekul dari PEG ini dapat berkisar antara

150-10.000. Senyawa yang memiliki berat molekul dari 150-700 berbentuk

cairan, dimana senyawa yang berat molekulnya 1.000-10.000 berbentuk padatan.

Senyawa glikol dengan berat molekul yang rendah biasanya digunakan untuk

larutan kental dimana campuran glikol ini biasanya dimanfaatkan sebagai basis

salep larut air (Grosser, et al., 2011).

Polietilen glikol 400 adalah polietilen glikol H(O-CH2-CH2)n OH dimana

harga n antara 8,2 dan 9,1. Pemerian: cairan kental jernih, tidak berwarna atau

praktis tidak berwarna, bau khas lemah, agak higroskopik. Kelarutan: larut dalam

air, dalam etanol (95%) P, dalam aseton P, dalam glikol lain dan dalam

hidrokarbon aromatik, praktis tidak larut dalam eter P dan dalam hidrokarbon

alifatik. Bobot molekul rata-rata: 380-420. Kandungan Lembab:Sangat

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 4: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

7

higroskopis walaupun higroskopis turun dengan meningkatnya bobot molekul,

titik beku 4-8ºC (Depkes RI, 1979).

Polietilen glikol 4.000, 6.000 dan 8.000 berbentuk serbuk putih dengan

tekstur seperti lilin dan berwarna seperti parafin. Sangat larut dalam air dan dalam

diklorometan, dan sedikit larut dalam alkohol (Sweetman, 2009).

Polietilen glikol dapat menunjukkan aktivitas oksidasi jika terjadi

inkompatibilitas. Aktivitas anti bakteri dari bactricin atau benzil penicilin dapat

dikurangi jika diformulasi dengan salep yang mengandung basis PEG ini

(Sweetman, 2009).

Salah satu polimer yang umum digunakan pada pembuatan dispersi padat

adalah PEG. PEG disebut juga makrogol, merupakan polimer sintetik dari

oksietilen dengan rumus struktur H(OCH2CH2)nOH, dimana n adalah jumlah rata-

rata gugus oksietilen. PEG umumnya memiliki bobot molekul antara 200-

300.000. Penamaan PEG umumnya ditentukan dengan bilangan yang

menunjukkan bobot molekul rata-rata. Konsistensinya sangat dipengaruhi oleh

bobot molekul. PEG dengan bobot molekul 200-600 (PEG 200-600) berbentuk

cair, PEG 1500 semi padat, dan PEG 3000-20.000 atau lebih berupa padatan semi

kristalin dan PEG dengan bobot molekul lebih besar dari 100.000 berbentuk

seperti resin pada suhu kamar. Umumnya PEG dengan bobot molekul 1.500-

20.000 yang digunakan untuk pembuatan dispersi padat (Leuner dan Dressman,

2000; Rowe, et al., 2003).

PEG merupakan salah satu jenis bahan pembawa yang sering digunakan

sebagai bahan tambahan dalam suatu formulasi untuk meningkatkan pelarutan

obat yang sukar larut. Bahan ini merupakan salah satu jenis polimer yang dapat

membentuk komplek polimer pada molekul organik apabila ditambahkan dalam

formulasi. Cangkang kapsul dengan menggunakan basis polietilen glikol memiliki

beberapa keuntungan karena sifatnya yang inert, tidak mudah terhidrolisis, tidak

membantu pertumbuhan jamur (Martin, dkk., 1993).

Polietilen glikol (PEG) yang dikenal juga dengan nama polietilen

oksida (PEO) atau polioksi etilen (POE) merupakan jenis polieter komersil

yang paling penting. PEG, PEO atau POE merupakan oligomer atau polimer

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 5: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

8

dari etilen oksida. Perbedaan ketiga nama tersebut terletak pada masa

molekulnya.

PEG merupakan oligomer dan polimer dengan massa molekul di

bawah 20.000 g/mol. PEG dibuat melalui polimerisasi etilen oksida dan

secara komersil tersedia dalam rentang berat molekul yang luas dari 300

g/mol sampai 10.000 g/mol. Walaupun PEG dan PEO dengan berat molekul

yang berbeda digunakan dalam aplikasi yang berbeda dan mempunyai

perbedaan fisika seperti (viskositas) karena pengaruh panjang rantai, tetapi

sifat fisik kimia keduanya hampir sama.

Polietilen glikol (PEG) merupakan jenis polieter komersil yang paling

penting. Polietilen glikol mempunyai beberapa sifat kimia yang membuatnya

istimewa dalam berbagai bidang seperti biologi, kimia dan farmasi. Sifat-sifat

tersebut diantaranya, tidak beracun (non-toksik), hidrofilik dan memiliki

fleksibilitas yang tinggi. PEG dibuat melalui polimerisasi etilen glikol pada

Gambar 2.3.

Gambar 2.2. Reaksi polimerisasi etilen glikol

PEG sering digunakan dalam bidang farmasi karena sifat biokompatibilitas

dan non-toksik serta kelarutannya yang baik dalam air maupun pelarut

umum lainnya. PEG juga sering digunakan sebagai platisizer yang baik

dalam industri polimer (Arfah, 2013).

2.3 Polietilen Glikol Diakrilat

Polietilena glikol diakrilat (PEGDA) merupakan polimer sintetik yang

telah digunakan untuk menyelidiki rekayasa jaringan termasuk tulang rawan dan

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 6: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

9

kornea. PEGDA merupakan senyawa non-toksik dan menghasilkan respon

minimal imunogenik. Variasi berat molekul PEGDA atau konsentrasi larutan

mengubah kinetika polimerisasi dan mengubah sifat mekanik darigel. Dimana gel

ini digunakan untuk pencegahan restenosis dan adhesi luka pasca bedah. (Amelia

Zellander, et.al, 2013)

PEGDA merupakan aplikasi polimer yang terdiri dari molekul yang sangat

panjang dengan rantai atom karbon sebagai tulang punggung. Molekul-molekul

panjang yang dibuat dengan menghubungkan bersama serangkaian molekul yang

lebih kecil (monomer) atau kelompok molekul yang lebih kecil (oligomer). Ikatan

molekul kecil yang panjang biasanya dilakukan untuk memecah ikatan tak jenuh

karbon dalam molekul monomer, yang menciptakan reaksi berantai dari monomer

membentuk rantai panjang. Untuk mendapatkan reaksi berantai ini dimulai pada

polimerisasi foto, yang digunakan untuk foto inisiator. Foto-inisiator ini sensitive

terhadap cahaya dan pada penyerapan foton, serta membentuk radikal yang

mampu memecah ikatan tak jenuh dalam monomer dan mengikatnya untuk

menghasilkan monomer radikal dengan molekul foto-inisiator yang melekat pada

monomer tersebut. Setelahnya terbentuk radikal yang selanjutnya dapat memecah

ikatan jenuh lain dan menempel pada monomer kedua. Hasil proses ini dalam

reaksi berantai sampai dua radikal bertemu dan membentuk selesai rantai.

Salah satu karakteristik dari PEGDA adalah mampu bertahan pada

permukaan dan struktur berbagai jenis sel dimana PEGDA itu adalah bio-

kompatibel. PEGDA telah digunakan untuk sejumlah aplikasi yang berbeda

seperti rekayasa jaringan. Beberapa contoh aplikasi tersebut untuk rekayasa

jaringan katup jantung atau penciptaan partikel PEGDA yang mengandung sel-sel

dengan tujuan sebagai obat.

Berat molekul PEGDA 3460 pada suhu kamar berupa bubuk putih,

sementara itu PEGDA BM 700 berbentuk gel ketika dipadatkan pada suhu 6°C

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 7: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

10

dan cair pada suhu kamar. Selanjutnya PEGDA BM 600 berbentuk cair ketika

disimpan dalam suhu kamar.

Berbagai jenis PEGDA digunakan berbeda sesuai berat molekul, dan

mempunyai rantai panjang yang berbeda. Selain itu crosslinking dari berat

molekul yang berbeda akan merubah densitas polimer serta sifat mekanik dari

polimer tersebut (Diedrik, 2014).

Gambar 2.3. Polietilena Glikol dan turunannya

2.4 Material dan Aplikasi Hidrogel

Hidrogel dapat disintesis baik menggunakan polimer alami maupun

sintetis.Terdapat tiga komponen utama material hidrogel yaitu polimer utama,

polimer sekunder, dan material perantara pengkait silang (cross-linking agents).

Polimer utama digunakan sebagai basis struktur hidrogel. Sedangkan polimer

sekunder diutamakan untuk menambah properti hidrogel untuk tujuan

peningkatan performa. Keberadaan dua polimer tersebut dapat saling

dipertukarkan tergantung sifat-sifat hidrogel yang akan dicapai. Penggunaan

material perantara pengkait silang bersifat opsional tergantung metode sintesis

yang diterapkan. Beberapa teknik sintesis hidrogel, seperti metoda radiasi, tidak

menggunakan material pengkait silang, melainkan menggunakan radiasi berenergi

tinggi (sinar gamma dan radiasi elektron) (Hari adi, 2012).

Beberapa polimer yang sudah digunakan sebagai material dasar hidrogel

terkait dengan aplikasinya disajikan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Material dan aplikasi hidrogel.

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 8: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

11

Bidang Aplikasi Material Poimer Sumber

Pertanian,

pengelolaan limbah,

teknologi separasi

starch, xanthan, polyvinyl

alcohol,poly (vinyl methyl ether),

poly (N-isopropyl acrylamide),

hitosan, carboxymethyl cellulose

(Aouada et al, 2011) ;

(Reman et al., 2011),

(Chatterjee et al.,

2010)

Kedokteran,

perawatan luka

polyurethane, poly(ethylene

glycol), poly(propylene glycol),

poly(vinyl pyrolidone),

polyethylene glycol, xanthan,

methyl cellulose, carboxymethyl

celllose, alginate, hyaluronan dan

hydrocolloids

(Yang et al., 2010)

Farmasi (drug

delivery)

poly(vinylpyrrolidone), starch,

poly(vinylpyrrolidone),

poly(acrylic acid) carboxymethyl

cellulose, hydroxypropyl methyl

cellulose, polyvinyl alcohol,

acrylic acid, methacrylic acid,

chitosan, αβ-glycerophosphate, k-

carrageenan, acrylic acid, 2-

acrylamido-2-

methylpropanesulfonic acid

acrylic acid, carboxymethyl

cellulose

(Rani et al., 2010;Zhou

et al., 2011)

Material gigi hydrocolloids (Ghatti karaya,

Kerensisgum)

(Gulrez et al., 2011)

Tissue Engineerig,

teknologi implan

poly(vinylalcohol), poly(acrylic

acid), hyaluronan, collagen

(Gulrez et al., 2011)

Sistem injeksi

polimer

polyesters, polyphospaxenes,

polypeptides, chitosan, β-hairpin

peptide

(Gulrez et al., 2011)

Kosmetik starch, gum arabic, xanthan,

pectin, carrageenan, gellan,

welan, guar gum, locust, bean

gum, alginate, heparin, chitin dan

chitosan

(Gulrez et al., 2011)

Sensor Poly(vinyl alcohol), poly(acrylic

acid), methacrylic acid,

poly(ethylene glycol)

dimethacrylate

(Richter et al., 2008)

2.5 Struktur dan Komposisi Hidrogel

Sebagai akibat proses reaksi radikal bebas yang berkesinambungan

membentuk ikatan silang, maka makromolekul yang terbentuk pada tahap awal

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 9: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

12

reaksi selanjutnya berinteraksi secara kontinyu dengan molekul lainnya baik

secara kimia maupun fisika sehingga tercapai kondisi yang stabil. Sebagai hasil

akhir proses reaksi tersebut adalah terbentuknya suatu kerangka jaringan unik

yang penampilannya secara mikroskopik disajikan pada Gambar 2.5. dan 2.6.

Gambar 2.4. Struktur kerangka jaringan hidrogel

Gambar 2.5. Struktur penampang hidrogel

Keterangan gambar :

A) Rantai hidrofilik, B) Rantai antar cabang (inter chain /inks), C) Lilitan

(Entang element), D) Lingkar 1 (loop 1), E) Lingkar 2 ( loop 2), F) Air terikat

(bound water), G) Air bebas (free water) dalam pori.

Dari Gambar 3 terlihat bahwa hidrogel berpori dalam struktur jaringannya.

Ditinjau dari penampangnya (Gambar 4) terlihat bahwa hidrogel pada dasarnya

adalah jaringan yang dibentuk dari rantai hidrofilik, rantai antar cabang yang

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 10: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

13

berbentuk lingkaran dan lilitan-lilitan rantai kimia membentuk pori. Adanya rantai

hidrofilik dan pori tersebut menyebabkan hidrogel dapat mengikat air secara be

bas dan terikat, dan hal inilah menyebabkan hidrogel bersifat swelling dalam air.

Bentuk jaringan hidrogel dengan adanya pori-pori, sifat fisiko-kimia yang

khas serta komposisi jaringan, telah banyak dimanfaatkan untuk keperluan

imobilisasi obat, sel, dan enzim. Selain itu, struktur jaringan tersebut dapat

dipenetrasi oleh zat-zat bioaktif antara lain sel, obat dan baik zat organik maupun

anorganik Struktur jaringan ini dikenal secara umum sebagai interpenetrating

polymer networks (IPNs) (Erizal, 2010).

2.6 Hidrofilisitas dan Hidrofobisitas Hidrogel

Hidrofilisitas dan hidrofobisitas merupakan bagian hidrogel yang penting

berfungsi mengontrol karakter sifat fisiko-kimianya. Hidrofilisitas hidrogel

disebabkan oleh gugus fungsi hidrofilik pada rantai hidrofilik yang dapat dihidrasi

oleh air dengan ikatan hidrogen yang relatif kuat (bound water). Air yang terikat

ini relatif sukar dikeluarkan dari jaringan hidrogel dibandingkan dari air bebas

(free water) yang mengisi pori-pori hidrogel.

Berdasarkan sifat kimia gugus fungsi hidrofilik yang terikat pada rantai

hidrofilik, rantai hidrofilik dapat saling berikatan satu dengan lainnya membentuk

cabang yang kompleks dengan struktur tiga dimensi yaitu ikatan kovalen maupun

ikatan fisika yang stabil dalam air. Beberapa jenis unit hidrofilik yang mengontrol

hidrofilisitas hidrogel antara lain adalah gugus -OH, -COOH, CONH2, S03H,

NH2, S02-, S03-, CO2-. Selain mengandung sisi hidrofilik, hidrogel juga

mengandung sisi hidrofobik yang memegang peranan penting dalam mengontrol

karakter hidrogel. Sisi hidrofobik hidrogel pada umumnya terdapat pada cabang

ikatan kovalen C-C dan ikatan hetero kovalen yang terbentuk selama proses

sintesis berlangsung. Sifat hidrofobik lainnya disumbangkan oleh ikatan hetero

kovalen berasal dari gugus rantai eter, imida, amida, diester, dan glutaraldehid.

Selain itu, ikatan kovalen C-C dan hetero kovalen merupakan bagian hidrogel

yang sukar disolvasi oleh air serta ikatan C-C backbone, rantai non polar, dan

ikatan -C=C terkonjugasi.

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 11: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

14

Bagian-bagian tersebut dapat berinteraksi dengan bagian lainnya

berdasarkan ikatan intermolekuler yang bersifat interaksi kohesif misalnya, ikatan

non polar, polar, interaksi ionik, dan ikatan hidrogen. Hidrofilisitas dan

hidrofobisitas hidrogel selalu berada dalam keadaan setimbang. Namun demikian,

keadaan setimbang tersebut dapat terganggu oleh adanya perubahan dari kondisi

lingkungan misalnya, perubahan pH, medan listrik, suhu, cahaya, radiasi,

mekanik, dan medan magnit.

2.7 Sifat Fisiko-Kimia Hidrogel

2.7.1. Termoplastik dan Termoset

Hidrogel berdasarkan asal-usulnya dapat berasal sebagai hasil proses

sintesis alami dan proses kimia atau fisika. Hidrogel yang terbentuk secara alami

pada umumnya berasal dari proses biologis yang terjadi di dalam tanaman dan

hewan misalnya, agar, gel lidah buaya, dekstran, gelatin dan alginat, sedangkan

hidrogel sintetik pada umumnya sebagai komponen utamanya adalah

monomer/polimer sintetik. Sifat fisik produk yang dihasilkan dari hidrogel

sintetik bersifat sebagai termoplastik dan termoset. Termoplastik hidrogel dapat

larut dalam air, alkohol dan ikatan silang yang terbentuk terjadi berdasarkan

proses interaksi fisika dan mudah meleleh, sedangkan termoset adalah jenis

hidrogel yang dibentuk berdasarkan ikatan silang kovalen bersifat rapuh serta

bentuk relatif stabil.

2.7.2. Penyerapan Air (Water absorption)

Jika hidrogel kering direndam dalam air, pada awalnya molekul air akan

menghidrasi gugus yang paling polar dalam rantai molekulnya, gugus hidrofilik,

dan gugus ionik serta gugus-gugus fungsi yang dapat membentuk ikatan hidrogen.

Air yang terikat sebagai akibat ikatan hidrogen kovalen dikenal sebagai air terikat

utama. Hal selanjutnya yang terjadi selama proses tersebut yaitu rantai molekul

dalam jaringan hidrogel mulai mengembang disertai dengan gugus-gugus fungsi

hidrofobik mulai tersingkap (exposed) pada molekul-molekul air dan berinteraksi

melalui interaksi hidrofobik membentuk sistem dengan entropi yang relatif rendah

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 12: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

15

melapisi gugus hidrofobik. Air yang dihasilkan dari proses interaksi tesebut

dikenal sebagai air terikat sekunder. Jika interaksi antara air dengan pungung

polimer telah mencapai keadaan jenuh, jaringan hidrogel akan menghambat air

dan selanjutnya berekspansi membentuk keadaan setimbang. Air yang dihasilkan

dari proses tersebut dikenal sebagai air bebas (free water) yang mengisi pori-pori

dan mikropori atau lobang-Iobang dalam hidrogel yang menyebabkan hidrogel

swelling. Proses swelling pada hidrogel berlangsung secara kontinyu yang

disebabkan oleh adanya tekanan osmosa, dan akhirnya mencapai keadaan

setimbang. Keadaan setimbang hidrogel disebut sebagai kondisi swelling.

Parameter yang umumnya digunakan untuk menyatakan jumlah air terserap pada

hidrogel digunakan rumus :

Air yang terserap = W1-W0/W1 x 100%

dengan

W0 = Berat hidrogel dalam keadaan kering (gr)

W1 =Berat hidrogel dalam keadaan basah (gr)

Selain parameter tersebut digunakan untuk menyatakan kondisi swelling hidrogel

dapat pula digunakan parameter lainnya khusus untuk kondisi swelling hidrogel

yang relative besar yaitu dengan rumus :

Rasio Swellig = WS / WK

dengan

WS = Berat hidrogel dalam keadan swelling (gr)

WK = Berat hidrogel dalam keadan kering(gr)

2.7.3. Fraksi Gel

Fraksi gel merupakan ukuran jumlah ikatan silang (crosslink) molekul

primer yang terbentuk akibat proses freezing and thawing dan dinyakatan dalam

persen. Evaluasi fraksi gel dilakukan dengan mengeringkan basis hidrogel pada

suhu 50°C untuk menghilangkan air yang terkandung didalam hidrogel kemudian

dilakukan perendaman selama 24 jam dalam aquades. Metode ini menggunakan

metode gravimetri. Hidrogel hasil perendaman kemudian dikeringkan kembali

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 13: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

16

untuk melihat fraksi yang masih tersisa. Banyaknya fraksi yang tidak terlarut

menunjukan ikatan silang yang terbentuk dari hidrogel. (Rikka, 2015)

2.7.4. Swelling-Deswelling

Swelling (pengembangan) adalah peningkatan volume suatu material pada

saat kontak dengan cairan, gas, atau uap. Pengujian ini dilakukan antara lain untuk

memprediksi zat yang bisa terdifusi melalui material-material tertentu. Ketika

suatu biopolimer kontak dengan cairan, misalnya air, terjadinya pengembangan

disebabkan adanya termodinamika yang bersesuaian antara rantai polimer dan air

serta adanya gaya tarik yang disebabkan efek ikatan silang yang terjadi pada

rantai polimer. Kesetimbangan swelling dicapai, ketika kedua kekuatan ini sama

besar. Berhubung sifat termodinamika polimer dalam larutan berbeda-beda, maka

tidak ada teori yang bisa memprediksikan dengan pasti tentang sifat

pengembangan. Ketika matriks mengembang, mobilitas rantai polimer bertambah,

sehingga memudahkan penetrasi pelarut. Selain itu, ion-ion kecil yang

terperangkap dalam matriks, berdifusi meninggalkan matriks, sehingga

memberikan peluang yang lebih besar bagi pelarut untuk mengisi ruang-ruang

kosong yang ditinggalkan. Pengembangan matriks alginat-kitosan, kemungkinan

disebabkan masih adanya ion COO- yang bersifat hidrofilik dalam matriks.

Sediaan lepas lambat merupakan bentuk sediaan yang dirancang untuk

melepaskan obatnya ke dalam tubuh secara perlahan-lahan atau bertahap supaya

pelepasannya lebih lama dan memperpanjang aksi obat (Arfah, 2013).

Deswelling adalah kondisi hidrogel dalam kondisi menciut (shrinked).

Terjadinya kondisi swelling-deswelling hidrogel merupakan keadaan perubahan

fisika yang dapat ditinjau dari hukum termodinamika materi berdasarkan energi

bebas Gibbs (G), entalpy (H) dan entropi (S) terhadap system terdiri dari hidrogel

yang diwakili oleh polimer (P) berikatan silang dan pelarut (W). Kondisi swelling-

deswelling secara matematis dapat dinyatakan dengan persamaan:

∆G = Gsol – Go

∆G < 0 (deswelling)

∆G > 0 (swelling)

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 14: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

17

Go adalah kondisi air dan polimer terpisah dan masing-masing berada

dalam keadaan setimbang dengan nilai S =0 dan Gso1 adalah kondisi hidrogel

swelling (air masuk ke dalam kerangka jaringan hidrogel). Keadaan setimbang

tersebut dipengaruhi oleh suhu, entalpi dan entropi sistem. Hubungan fungsi-

fungsi tersebut dengan energi bebas Gibbs dirumuskan sebagai:

∆G = ∆H – T ∆S

Jika suhu dinaikkan, entropi sistem akan meningkat, maka t.G>O,

hidrogel akan swelling atau sebaliknya t.G < 0, hidrogel akan deswelling. Pada

kondisi swelling, air akan masuk secara acak ke dalam hidrogel hingga tercapai

keadaan setimbang.

2.7.5. Absorpsi

Sifat absorbsi hidrogel adalah sifat permukaan yang khas hidrogel. Pada

umumnya senyawa yang dapat diabsorpsi oleh hidrogel adalah senyawa larut

dalam air yang dipengaruhi oleh ukuran diameter senyawa, sedang sebagian besar

senyawa non polar tidak dapat diabsorpsi oleh hidrogel. Parameter yang

umumnya digunakan untuk mengontrol terjadinya absorpsi senyawa pada hidrogel

adalah koefisien partisi dan derajat hidrasi yang dirumuskan sebagai :

H = V1 / V0

R = Cs / Cs’

dengan

H = Derajat hidrasi, V1 dan Vo = volume cairan dan volume gel r= koefisien

partisi, Cs dan Cs' = konsentrasi senyawa dalam hidrogel dan cairan. Sifat

absorpsi hidrogel dipengaruhi oleh sifat interaksi antara senyawa dengan hidrogel

dan beberapa kemungkinan yang terjadi sebagai akibat interaksi tersebut antara

lain adalah:

• Solvasi gugus hidrofilik Solvasi gugus hidrofilik yang menyebabkan derajat

hidrasi meningkat, hidrogel akan swelling dan koefisien partisi naik.

• Interaksi ionik

Interaksi ionik dapat berupa interaksi dengan muatan ionik yang sama dan muatan

yang berbeda antara hidrogel dan senyawa. Pada muatan yang sama, senyawa

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 15: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

18

tidak dapat diabsorpsi oleh hidrogel, sedangkan pada keadaan muatan yang

berbeda terjadi ikatan ionik antara senyawa dengan hidrogel.

• Penolakan senyawa oleh hidrogel

Hal ini disebabkan oleh tidak larutnya senyawa pada matriks polimer hidrogel dan

karena ukuran senyawa relatif besar dibandingkan ukuran pori hidrogel. Karena

adanya sifat absorpsi tersebut, hidrogel dapat digunakan untuk pelepasan obat

terkendali, ekstraksi kontaminan dalam suatu sistem, pembersih bercak pada

ermukaan, dan pemisahan senyawa secara spesifik.

2.7.6. Sifat Permukaan Hidrogel

Berdasarkan sifat fisiko-kimianya, setiap jenis hidrogel mempunyai sifat

yang khas pada permukaannya. Pada aplikasinya diperlukan suatu kondisi standar

sifat permukaan hidrogel misalnya, pada aplikasi hidrogel sebagai bahan blood

compatibility yang perlu dikontrol adalah sifat adsorpsi permukaannya.

Sifat permukaan hidrogel dipengaruhi oleh sifat komponen utamanya yang terdiri

dari gugus hidrofilik dan hidrofobik. Jika hidrofilisitas hidrogel relatif dominan

dibandingkan hidrofobisitasnya, hidrogel dengan mudah dibasahi oleh air (sudut

kontak 0), sedangkan pada hidrogel dengan sifat permukaannya didominasi oleh

gugus hidrofobik, permukaannya relatif sukar dibasahi oleh air dan mudah

dibasahi oleh minyak. Selain itu, jika hidrogel terdiri dari gugus hidrofilik dan

hidrofobik yang terdistribusi secara heterogen, permukaan hidrogel dapat dibasahi

oleh oleh air maupun minyak.

2.7.7. Permeable dan Difusi

Pada umumnya hidrogel permeable terhadap senyawa yang larut dalam

air, jarang sekali terjadi pada senyawa yang non polar misalnya, pada senyawa

steroid. Proses difusi senyawa ke dalam hidrogel adalah melalui perantara seluruh

air yang terserap (sekitar 80%) atau baik dengan atau tidak melalui interaksi

senyawa-pelarut. Sifat permeable hidrogel sangat penting kegunaannya dalam

proses pemisahan senyawa berdasarkan ukuran molekul, pengontrolan pelepasan

obat, penghilangan residu, dan sebagai barrier metabolit. Zat yang dapat berdifusi

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 16: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

19

pada umumnya dan yang sering diuji adalah oksigen, air, garam (NaCI dan KCI),

sakarida/polisakarida, protein dan obat spesifik. Model difusi zat terlarut pada

hidrogel dapat terjadi melalui dua cara yaitu model free volume dan model filtrasi.

2.7.8. Sifat Mekanik Hidrogel

Adanya ikatan kovalen dan sifat plastik menyebabkan hidrogel

mempunyai sifat mekanik Adanya yang mirip ikatan dengan kovalen sifat dan

elastomer. sifat plastik. Beberapa menyebabkan sifat mekanik hidrogel yang

mempunyai dapat diukur sifat dari hidrogel antara lain adalah tegangan tarik,

ketahanan sobek, dan ketahanan penetrasi. Pada umumnya pengujian sifat

mekanik dari hidrogel didasarkan pada prosedur metode American Standard

Testing Materials (ASTM) khusus untuk pengujian hidrogel.

2.8 Biokompatibilitas

Ditinjau berdasarkan beberapa sifat fisika-kimia yang khas dari hidrogel

dapat memenuhi syarat sebagai bahan biomaterial dengan beberapa keunggulan

antara lain adalah

• Permeable terhadap zat dalam larutan encer

• Permeable terhadap cairan tubuh

• Lunak dalam kedaan terhidrasi

• Mempunyai friksi yang rendah dalam kondisi swelling

• Absorpsi dan swelling

• Kering (keras), basah (Iunak)

• Permeable dalam larutan obat

2.9 Sifat Biologis Hidrogel

Ditinjau dari sifat biologisnya yang diperoleh dari hasil sintetis maupun

proses alamiah, hidrogel dapat bersifat biodegradable (mudah terdegradasi), non

biodegradable (sukar terdegradasi) dan bio-erodible (mudah terkikis dalam air).

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017

Page 17: BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogelrepository.ump.ac.id/4356/3/BAB II_ROYYAN IFANI DINI_TKIM...4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hidrogel Hidrogel adalah salah satu jenis makro molekul

20

Hidrogel biodegradable umumnya berasal dari senyawa-senyawa alami

misalnya asam-asam amino dan turunannya yang mudah terdegradasi oleh enzim,

sedang hidrogel non-biodegradable umumnya terdapat pada hidrogel yang

terbentuk dari senyawa-senyawa sintetik.

Pengaruh Penambahan Polietilen…, Royyan Ifani Dini, Fakultas Teknik UMP, 2017