Fisika Farmasi: Koloid

Tujuan Pembelajaran

• Menjelaskan pemanfaatan koloid dalam bidang farmasi
• Menjelaskan tipe sistem koloid
• Menjelaskan bentuk koloid
• Menjelaskan sifat-sifat koloid
• Menjelaskan stabilitas koloid

Koloid Dalam Berbagai Bidang

• Bidang Pangan: Protein, karbohidrat, dan lemak, es krim, mayonais, agar-agar, susu, santan, sirup
• Bidang Farmasi: Krim, losion, hair cream, gel, dan salep
• Bidang Industri: Cat, semen, spray untuk serangga
• Bidang Pertanian: Tanah, pasir
• Teknologi: Sistem dispersi berguna dalam masalah yang timbul pada penyiapan dan peracikan sediaan farmasi, seperti emulsi, suspensi, koloid, serbuk, dan bentuk sediaan tablet

Sistem Koloid

• Fase Terdispersi: Zat yang terdispersikan (terlarut) seperti susu, gula, pasir, teh, kopi, dll.
• Fase Pendispersi/Medium Pendispersi: Medium yang digunakan untuk mendispersi (pelarut) seperti air, sirup dalam racikan obat
• Partikel kecil (fase terdispersi) yang tersebar merata ke seluruh medium (medium pendispersi)
• Dispersi Koloid: Campuran fase peralihan homogen menjadi heterogen

Golongan Sistem Dispersi Berdasarkan Ukuran Partikel

• Sistem dispersi:
  • Dispersi Molekuler (larutan)
  • Dispersi Kasar (suspensi)
  • Dispersi Halus (koloid)

Golongan Sistem Dispersi Berdasarkan Ukuran Partikel

• Dispersi Molekular
  • Jangkauan Ukuran Partikel: Kurang dari 1,0 nm, partikel tidak terlihat mikroskop elektron, dapat melewati ultrafiltrasi dan membran semi permiabel, difusi cepat
  • Sifat Sistem: Partikel tidak terlihat mikroskop elektron, dapat melewati ultrafiltrasi dan membran semi permiabel, difusi cepat
  • Contoh: Molekul oksigen, ion-ion umumnya, glukosa
• Dispersi Koloid
  • Jangkauan Ukuran Partikel: 0,5 mm sampai 1,0 nm, tidak terlihat mikroskop biasa tetapi dapat terlihat mikroskop elektron, dapat melewati kertas saring, tidak dapat melewati membran semipermeabel, difusi lambat
  • Sifat Sistem: Tidak terlihat mikroskop biasa. Dapat terlihat mikroskop electron, Dapat melewati kertas saring, Tidak dapat melewati membrane Semipermeabel, Difusi lambat
  • Contoh: Sol perak koloidal, polimer alam dan polimer sintetis
• Dispersi Kasar
  • Jangkauan Ukuran Partikel: Lebih besar dari 0,5 mm, terlihat mikroskop, tidak melewati kertas saring, partikel tidak mendifusi
  • Sifat Sistem: Terlihat mikroskop, tidak melewati kertas saring, partikel tidak mendifusi
  • Contoh: Butir-butir pasir, emulsi, suspensi farmasetika, sel-sel darah merah

Ukuran dan Bentuk Partikel Koloid

• Partikel yang terletak dalam jangkauan ukuran koloid mempunyai luas permukaan yang sangat besar dibandingkan dengan luas permukaan partikel-partikel yang lebih besar dengan volume yang sama.
  • Contoh: Kubus dengan sisi 1 cm dan volume 1 cm^3, luas permukaan = 6 cm^2. Jika kubus dibagi-bagi lagi menjadi kubus-kubus kecil, masing-masing mempunyai sisi 100 cm, volume total tetap sama, luas permukaan total meningkat menjadi 600.000 cm^2. Maka luas permukaannya meningkat menjadi 10^5 kalinya
• Untuk membandingkan secara kuantitatif luas permukaan dari bahan yang berbeda, digunakan batasan Luas Permukaan Spesifik didefinisikan sebagai luas permukaan per unit berat atau volume bahan.
• Luas permukaan yang besar ini mengakibatkan sifat-sifat unik dari dispersi koloid.

Jenis-Jenis Koloid

• Sol Cair
  • Fase Terdispersi: Padat
  • Medium pendispersi: Cair
  • Contoh: Cat, lem kanji, tinta, tanah liat, sol emas, semir cair
• Sol Padat
  • Fase Terdispersi: Padat
  • Medium pendispersi: Padat
  • Contoh: Gelas berwarna, intan hitam, mutiara, paduan logam (alloy), stainless steel, perunggu
• Aerosol Padat
  • Fase Terdispersi: Padat
  • Medium pendispersi: Gas
  • Contoh: Asap, debu di udara, buangan knalpot, cat semprot
• Aerosol Cair
  • Fase Terdispersi: Cair
  • Medium pendispersi: Gas
  • Contoh: Kabut, awan, parfum, hairspray, obat nyamuk semprot
• Emulsi
  • Fase Terdispersi: Cair
  • Medium pendispersi: Cair
  • Contoh: Susu, santan, mayonaise, minyak ikan, losion
• Emulsi Padat
  • Fase Terdispersi: Cair
  • Medium pendispersi: Padat
  • Contoh: Agar-agar, keju, mentega, margarin, nasi, lateks, selai, mutiara
• Buih
  • Fase Terdispersi: Gas
  • Medium pendispersi: Cair
  • Contoh: Busa sabun, krim kocok, putih telur
• Buih Padat
  • Fase Terdispersi: Gas
  • Medium pendispersi: Padat
  • Contoh: Karet busa, batu apung, gabus, roti, kerupuk

Bentuk Koloid

• Bulatan atau bola
• Batang pendek dan bentuk elips memanjang
• Elips pipih dan lempengan
• Batang panjang dan benang-benang
• Benang tergulung longgar
• Benang bercabang-cabang

Tipe Sistem Koloid

• Liofilik: Koloid yang fase terdispersinya dapat menarik medium pendispersi karena gaya tarik antara partikel-partikel terdispersi dengan medium pendispersinya kuat. Membentuk lapisan disekitar partikel koloid.
• Liofobik: sistem koloid yang fase terdispersinya tidak dapat menarik/mengikat medium pendispersinya
• Amfifilik: Koloid gabungan. Medium pendispersinya cair.

Perbedaan Tipe Sistem Koloid

• Liofilik
  • Fase terdispersinya umumnya molekul organik (ukuran koloid)
  • Molekul fase terdispersi mengalami solvasi
  • Molekul menyebar spontan
  • Viskositas medium pendispersi meningkat dengan adanya fase terdispersi
  • Stabil dengan adanya elektrolit (tidak mudah terkoagulasi)
  • Gerak Brown dan efek Tyndall kurang jelas
  • Umumnya dibuat dengan cara dispersi
• Amfifilik
  • Fase terdispersi terdiri dari agregat dari molekul organik kecil (dibawah ukuran koloid)
  • Bagian hidrofilik dan liofilik dari molekul mengalami solvansi
  • Agregat koloid terbentuk dengan spontan bila konsentrasi amfifil lebih dari cmc
  • Viskositas meningkat dengan meningkatnya konsentrasi amfifil
  • Cmc dikurangi dengan penambahan elektrolit
• Liofobik
  • Fase terdispersi terdiri dari partikel anorganik
  • Sedikit interaksi (solvasi) antara partikel dan medium pendispersi
  • Bahan tidak menyebar spontan
  • Viskositas medium pendispersi tidak banyak meningkat dengan adanya fase pendispersi
  • Tidak stabil dengan adanya elektrolit (mudah terkoagulasi)
  • Gerak Brown dan efek Tyndall jelas
  • Umumnya dibuat dengan cara kondensasi

Sifat Optik Koloid

• Efek Tyndall: Gejala penghamburan cahaya oleh partikel-partikel koloid
• Pemendaran Cahaya: Sifat ini berdasarkan efek Tyndall
  • Partikel besar akan menghamburkan cahaya pada sudut yang sempit dengan intensitas tinggi
  • Partikel kecil akan menyebar di sudut yang lebih luas tetapi dengan intensitas rendah
  • Larutan sejati mempunyai partikel-partikel yang relatif kecil sehingga hamburan yang terjadi hanya sedikit dan sangat sulit diamati
  • Koloid Mempunyai partikel-partikel yang relatif besar untuk dapat menghamburkan sinar

Sifat Kinetis Koloid

• Gerak Brown: Gerakan partikel koloid dalam medium pendispersinya
• Difusi: Perpindahan molekul dari konsentrasi tinggi ke rendah
• Osmosis: Perpindahan molekul pelarut (air) melewati membran semipermeabel
• Sedimentasi: Pengendapan dari partikel koloid
• Viskositas: Kekentalan zat cair

Gerak Brown

• Gerakan partikel koloid yang tidak beraturan dalam medium pendispersinya
• Penampakan Gerak brown pada mikroskop ultra
• Bergerak terus menerus
• Bergerak acak (zigzag)
• Cepat
• Bertumbukan dengan partikel lain dan medium
• Dipengaruhi suhu
• Dipengaruhi ukuran partikel koloid
• Gerakan partikel-partikel menghasilkan tumbukan. Tumbukan ke segala arah (tidak seimbang karena partikel kecil). Perubahan arah partikel.
• Gerak Brown dapat menstabilkan koloid. Gerak terus menerus partikel koloid dapat mengimbangi gaya gravitasi sehingga tidak mudah mengendap

Difusi

• Proses perpindahan massa molekul suatu zat yang dibawa oleh gerakan molekular secara acak
• Contoh Fenomena Difusi: Gula + teh; Uap air + udara; Gerakan oksigen dari alveoli paru ke darah dari kapiler pulmoner
• Hasil langsung dari gerak Brown
• Partikel bergerak dari konsentrasi tinggi ke rendah
• Energi untuk difusi dihasilkan oleh energi panas
• Menurut hukum Fick pertama: \frac{dq}{dt} = -DS \frac{dc}{dx}
  • dq = jumlah zat yang mendifusi
  • dt = waktu difusi
  • D = koefisien difusi
  • S = luas bidang difusi
  • dc = konsentrasi
  • dx = jarak yang ditempuh
• Jika partikel koloid dapat dianggap bulat dapat digunakan persamaan Suthreland dan Einstein untuk memperoleh jari-jari partikel dan berat partikel atau berat molekul:
  D = \frac{RT}{6 \pi \eta r N}
• D = Koefisien difusi
• R = Konstanta molar gas
• T = temperatur absolut
• N = bilangan Avogadro = 6,02 x 10^{23} mol
• M = Berat molekul
• V = volume spesifik parsial.

Contoh Soal

Koefisien difusi untuk protein bulat pada 20°C adalah 7,0 x 10^{-7} cm^2/det dan volume spesifik parsial 0,75 cm^3/g. Viskositas pelarut 0,01 poise (0,01 g/cm det). Hitung:

• Berat molekul
• Jari-jari partikel protein

Penyelesaian

• a) Dengan menyusun persamaan di dapat : M = 100.000 g/mol
• b) Dari persamaan r = 31 x 10^{-8} cm= 31 A

Osmosis

• Difusi suatu zat pelarut melintasi membran semipermeabel dari konsentrasi tinggi ke rendah
• Osmosis menggerakan air keluar dan masuk sel terus menerus
• Pembengkakan atau penciutan sel, dehidrasi, diare, edema

Sedimentasi

• Proses pengendapan zat terlarut karena pengaruh gaya berat
• V{max} = V{konstan} = \frac{2r^2g(\rhob - \rhof)}{9\eta}
• Keterangan:
  • v = kecepatan partikel (m/s) (cm/s)
  • \eta = koefisien viskositas (pois) (cp)
  • r = jari-jari bola (m) (cm)
  • g = percepatan gravitasi (m/s2) (cm/s2)
  • \rho_b = massa jenis bola (kg/m3) (g/ml)
  • \rho_f = massa jenis fluida (kg/m3) (g/ml)
• Bola bergerak dalam suatu fluida yang diam maka terhadap bola itu akan bekerja gaya berat dan gaya gesek yang arahnya berlawanan dengan arah gerak bola
• Hukum Stokes

Latihan Soal

Berapakah kecepatan mengendap serbuk Calamin dalam bedak kocok jika Calamin berukuran diameter rata-rata 10cm dengan masa jenis 2,1 g/ml. sebagai pembawa adalah Glycerolum dengan kerapatan 1,21 dan kekentalan 210cp pada suhu 20° gravitasi 978 cm/s2?

• Untuk menghitung berat molekul dari sedimentasi digunakan rumus: M = \frac{RTs}{D(1-\rho_0 v)}
  • R = konstanta molar gas
  • T = temperatur absolut
  • \rho_0 = kerapatan pelarut
  • S = koefisien sedimentasi
  • D = koefisien difusi
  • M = berat molekul

Latihan Soal

Koefisien sedimentasi s untuk suatu fraksi metilselulosa tertentu pada 20°C adalah 1,7 x 10^{-13} detik. Koefisien difusi D 15 x 10^{-7} cm^2/detik, volume spesifik parsial v dari gom tersebut 0,72 cm3/g dan kerapatan air pada suhu tersebut 0,998 g/cm3. Hitung berat molekul metilselulosa. Konstanta gas R = 8,31 x 10^7 erg/derajat mol.

Viskositas

• Ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida
• Semakin besar viskositas (kekentalan) fluida, semakin sulit suatu fluida untuk mengalir, semakin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida
• Resistensi fluida
• Kohesi dan Laju pertukaran momentum molekuler
  • Molekul rapat: Kohesi besar
  • Molekul renggang: Kohesi kecil
• Cair vs Gas: Gaya yang diperlukan untuk mengalirkan zat cair lebih besar daripada zat gas

Sifat Elektris Koloid

• Elektroforesis: Fenomena pergerakan partikel di dalam medan listrik
• Potensial sedimentasi: Partikel kolid bermuatan mengendap karena pengaruh perbedaan potensial.
• Elektro-Osmosis: Gerakan partikel koloid bermuatan melalui membran semipermiabel, oleh pengaruh medan listrik.
• Potensial aliran: Partikel koloid dipaksa bergerak melalui membran. (kebalikan electroosmosis). Pergerakan suatu permukaan yang bermuatan

Elektroforesis

• Suatu cara analisis kimiawi yang didasarkan pada pergerakan molekul-molekul bermuatan di dalam medan listrik
• Dua elektrode dicelupkan dalam koloid
• Mendeteksi muatan koloid
  • Partikel koloid berkumpul pada elektrode positif: Koloid bermuatan negatif
  • Partikel koloid berkumpul pada elektrode negatif: Koloid bermuatan positif
• Memisahkan partikel dalam campuran
  • Partikel yang ingin dipisahkan akan ditarik ke salah satu elektrode sehingga terpisah dari mediumnya
• Bentuk, ukuran, besar muatan dan sifat kimia dari molekul

Adsorbsi

• Proses melekatnya muatan di permukaan partikel koloid
• Ukuran partikel koloid kecil: Luas permukaan besar, adsorbsinya besar, kemampuan untuk menarik partikel kecil besar, tegangan permukaan yang cukup tinggi. Partikel yang menempel tidak mudah lepas
• Ion yang menempel pada permukaan koloid menjadikan koloid bermuatan
  • Sol As2S3 mampu mengabsorbsi ion-ion S^{2-}, sehingga sol As2S3 menjadi bermuatan negatif
  • Sol Fe(OH)3 mampu mengadsorpsi ion-ion H^+, sehingga Sol Fe(OH)3 bermuatan positif.

Koagulasi

• Penggumpalan partikel koloid sehingga kestabilan sistem koloid menghilang
• Proses Koagulasi
  • Muatan koloid hilang (netral)
    • Koloid bermuatan negatif menarik ion positif
    • Koloid bermuatan positif menarik ion negatif
  • Membentuk lapisan kedua, jika terlalu dekat maka akan menetralkan koloid
  • Membentuk partikel yang lebih besar
  • Penggabungan partikel koloid yang berbeda muatan

Stabilitas Koloid

• Stabilitas dari koloid akan dipengaruhi oleh faktor adanya muatan listrik pada permukaan koloid dan medium untuk menjaga kestabilan koloid.
• Koloid yang dapat memberikan efek kestabilan terhadap koloid lain disebut koloid pelindung
• Gaya tolak menolak antar partikel membuat koloid menjadi stabil
• Faktor stabilitas koloid: Pemanasan / pendinginan; Pencampuran elektrolit; Besar muatan ion; Penambahan pengental

Solubilisasi

• Pelarutan spontan suatu sediaan yang bersifat isotrop melalui interaksi surfaktan dalam pelarut yang melarutkan zat yang tidak larut atau sedikit larut dalam air
• Peningkatan kelarutan. Melarutkan suatu senyawa pada pelarut yang biasanya tidak dapat melarutkan zat tersebut
• Kelarutan senyawa sukar larut sangat rendah sampai kadar kritis tercapai. Kelarutan meningkat tajam setelah melewati kadar kritis
• Molekul yang memiliki gugus polar yang suka air (hidrofilik) dan gugus non polar yang suka minyak (lipofilik)

Surfaktan

• Surfaktan Berfungsi menurunkan tegangan permukaan
  • Surfaktan anionik: Surfaktan yang bagian alkilnya terikat suatu anion
  • Surfaktan kationik: Surfaktan yang bagian alkilnya terikat suatu kation
  • Surfaktan nonionik: Surfaktan yang bagian alkilnya tidak bermuatan
  • Surfaktan amfoter: Surfaktan yang bagian alkilnya mempunyai muatan positif dan negatif