Catatan Kuliah: Koloid dalam Fisika Farmasi

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, lemak, es krim, mayones, 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.
• 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).
• Fase Pendispersi/Medium Pendispersi: Medium yang digunakan untuk mendispersi (pelarut).
  • Contoh: Susu, gula, pasir, teh, kopi, dll. menggunakan air atau sirup sebagai medium dalam racikan obat.
• Dispersi Koloid: Partikel kecil (fase terdispersi) yang tersebar merata ke seluruh medium (medium pendispersi).
  • Campuran fase peralihan homogen menjadi heterogen.

Golongan Sistem Dispersi Berdasarkan Ukuran Partikel

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

Jangkauan Ukuran Partikel dan Sifat Sistem

• Dapat melewati ultrafiltrasi dan membran semipermeabel.
• Difusi cepat. | Molekul oksigen, ion-ion umumnya, glukosa |
  | Dispersi Koloid | 0,5 nm sampai 1,0 nm | * Tidak terlihat mikroskop biasa, dapat terlihat mikroskop elektron.
• Dapat melewati kertas saring.
• Tidak dapat melewati membran semipermeabel.
• Difusi lambat. | Sol perak koloidal, polimer alam dan sintetis |
  | Dispersi Kasar | Lebih besar dari 0,5 mm | * Terlihat mikroskop biasa, tidak melewati kertas saring.
• Partikel tidak berdifusi. | Butir-butir pasir, emulsi, suspensi farmasetika, sel-sel darah merah |

Ukuran dan Bentuk Partikel Koloid

• Partikel dalam jangkauan ukuran koloid memiliki luas permukaan yang sangat besar dibandingkan partikel yang lebih besar dengan volume yang sama.
  • Contoh: Kubus sisi 1 cm, volume 1 cm^3, luas permukaan 6 cm^2. Jika dibagi menjadi kubus kecil dengan sisi 10^{-5} cm, volume total tetap, tetapi luas permukaan menjadi 600.000 cm^2 (meningkat 10^5 kali).
• Luas Permukaan Spesifik: Luas permukaan per unit berat atau volume bahan. Luas permukaan yang besar menyebabkan sifat unik dispersi koloid.

Jenis-Jenis Koloid

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 di sekitar partikel koloid.
• Liofobik: Sistem koloid yang fase terdispersinya tidak dapat menarik/mengikat medium pendispersinya.
• Amfifilik: Koloid gabungan dengan medium pendispersi cair.

Perbedaan Tipe Sistem Koloid

Sifat Optik Koloid

• Efek Tyndall: Gejala penghamburan cahaya oleh partikel-partikel koloid. Partikel besar menghamburkan cahaya pada sudut sempit dengan intensitas tinggi, sementara partikel kecil menyebar pada sudut lebih luas dengan intensitas rendah.
• Pemendaran Cahaya
  • Metode yang digunakan untuk menentukan berat molekul koloid dan memperoleh informasi tentang bentuk dan ukuran partikel.

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 partikel koloid.
• Viskositas: Kekentalan zat cair.

Gerak Brown

• Gerakan partikel koloid yang tidak beraturan dalam medium pendispersinya.
• Partikel zat selalu bergerak acak.
• Menghasilkan tumbukan ke segala arah yang tidak seimbang karena partikel kecil.
• Perubahan arah partikel menyebabkan gerak Brown.
• Gerak Brown dapat menstabilkan koloid, mengimbangi gaya gravitasi sehingga tidak mudah mengendap.

Difusi

• Proses perpindahan massa molekul suatu zat yang dibawa oleh gerakan molekular secara acak.
• Contoh: Gula dalam teh, uap air di udara, gerakan oksigen dari alveoli paru ke darah.
• Hasil langsung dari gerak Brown: partikel bergerak dari konsentrasi tinggi ke rendah.
• Energi untuk difusi dihasilkan oleh energi panas.
• Hukum Fick Pertama: dq = -D \cdot S \cdot \frac{dc}{dx} \cdot dt, di mana:
  • dq = jumlah zat yang mendifusi
  • dt = waktu difusi
  • D = koefisien difusi
  • S = luas bidang difusi
  • \frac{dc}{dx} = gradien konsentrasi

Persamaan Suthreland-Einstein

• Jika partikel koloid dianggap bulat, dapat digunakan persamaan Suthreland dan Einstein untuk memperoleh jari-jari partikel dan berat molekul: D = \frac{RT}{6 \pi \eta r N}, di mana:
  • D = Koefisien difusi
  • R = Konstanta molar gas
  • T = Temperatur absolut
  • N = Bilangan Avogadro = 6,02 x 10^{23} mol
  • \eta = viskositas
• Contoh Soal:
  • Koefisien difusi protein bulat pada 20^oC adalah 7,0 x 10^{-7} cm^2/detik dan volume spesifik parsial 0,75 cm^3/g. Viskositas pelarut 0,01 poise (0,01 g/cm det).
• Penyelesaian
  • M= \frac{RT}{D^26* \pi * \eta ^2* N^2*v}
  • M= 100.000 g/mol
  • Rumus jari-jari partikel: r = \frac{RT}{6 \pi * \eta *D *N}
  • r = 31 x 10^{-8} cm = 31 A

Osmosis

• Difusi pelarut melintasi membran semipermeabel dari konsentrasi tinggi ke rendah.
• Osmosis menggerakkan air keluar dan masuk sel terus menerus.
• Berperan dalam pembengkakan atau penciutan sel, dehidrasi, diare, edema.

Sedimentasi

• Proses pengendapan zat terlarut karena pengaruh gaya berat.
• Hukum Stokes digunakan untuk menghitung kecepatan sedimentasi :
  • V{max} = \frac{2gr^2(\rhob - \rho_f)}{9\eta}, di mana:
    • v = kecepatan partikel (m/s)
    • \eta = koefisien viskositas (poise)
    • r = jari-jari bola (m)
    • g = percepatan gravitasi (m/s^2)
    • \rho_b = massa jenis bola (kg/m^3)
    • \rho_f = massa jenis fluida (kg/m^3)
• Bola bergerak dalam fluida yang diam, maka ada gaya berat dan gaya gesek yang berlawanan arah.

Penghitungan Berat Molekul dari Sedimentasi

• M = \frac{RTs}{D(1-\rho_0 v)}, di mana:
  • R = konstanta molar gas
  • T = temperatur absolut
  • \rho_0 = kerapatan pelarut
  • s = koefisien sedimentasi
  • D = koefisien difusi
  • M = berat molekul
    *Contoh soal :
    *Koefisien sedimentasi s untuk suatu fraksi metilselulosa tertentu pada 200C adalah 1,7 x 10-13detik. Koefisien difusi D 15 x 10-7 cm2/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 107 erg/derajat mol.

Viskositas

• Ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida.
• Semakin besar viskositas, semakin sulit fluida mengalir dan benda bergerak di dalamnya.
• Viskositas merupakan resistensi fluida akibat kohesi dan laju pertukaran momentum molekuler.
  • Molekul rapat memiliki kohesi besar, molekul renggang memiliki kohesi kecil.
• 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 koloid bermuatan mengendap karena pengaruh perbedaan potensial.
• Elektro-Osmosis: Gerakan partikel koloid bermuatan melalui membran semipermeabel oleh pengaruh medan listrik.
• Potensial Aliran: Partikel koloid dipaksa bergerak melalui membran (kebalikan elektroosmosis).

Elektroforesis

• Cara analisis kimiawi berdasarkan pergerakan molekul bermuatan di dalam medan listrik.
• Dua elektrode dicelupkan dalam koloid untuk mendeteksi muatan koloid.
  • Partikel koloid berkumpul pada elektrode positif: koloid bermuatan negatif.
  • Partikel koloid berkumpul pada elektrode negatif: koloid bermuatan positif.
• Berguna untuk memisahkan partikel dalam campuran berdasarkan bentuk, ukuran, besar muatan, dan sifat kimia molekul.

Adsorbsi

• Proses melekatnya muatan di permukaan partikel koloid.
• Ukuran partikel koloid kecil dengan luas permukaan besar, sehingga adsorpsinya besar.
• Kemampuan untuk menarik partikel kecil besar karena tegangan permukaan yang cukup tinggi.
• Ion yang menempel pada permukaan koloid menjadikan koloid bermuatan.
  • Contoh: Sol As2S3 mengadsorpsi ion S2-, menjadi bermuatan negatif. Sol Fe(OH)3 mengadsorpsi ion H+, menjadi bermuatan positif.

Koagulasi

• Penggumpalan partikel koloid sehingga kestabilan sistem koloid menghilang.
• Proses:
  1. Muatan koloid hilang (netral).
  2. Koloid bermuatan negatif menarik ion positif, koloid bermuatan positif menarik ion negatif.
  3. Membentuk lapisan kedua yang menetralkan koloid jika terlalu dekat.
  4. Membentuk partikel yang lebih besar.
  5. Penggabungan partikel koloid yang berbeda muatan.

Stabilitas Koloid

• Dipengaruhi oleh muatan listrik pada permukaan koloid dan medium.
• Koloid yang 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 senyawa pada pelarut yang biasanya tidak dapat melarutkan zat tersebut.
• Molekul yang memiliki gugus polar (hidrofilik) dan gugus nonpolar (lipofilik).

Surfaktan

• Berfungsi menurunkan tegangan permukaan.
• Jenis surfaktan:
  • Anionik: Bagian alkil terikat pada anion.
  • Kationik: Bagian alkil terikat pada kation.
  • Nonionik: Bagian alkil tidak bermuatan.
  • Amfoter: Bagian alkil mempunyai muatan positif dan negatif.