1. JUDUL PENELITIAN

Pengaruh Energi Termal dan Mekanik terhadap Interaksi antar Bahan Aktif Farmasi

(BAF) dan BAF-eksipien.

2. PENDAHULUAN

2.1 Latar Belakang Penelitian

Polimorfisme merupakan kecenderungan suatu zat untuk berada pada beberapa

struktur kristalin yang memiliki unit sel berbeda tetapi memiliki komposisi unsur

yang sama dikenal sebagai polimorf atau modifikasi kristal. Berbeda dengan

polimorf, pada fenomena pseudopolimorfisme atau lebih dikenal dengan

solvatomorfisme, solvat memiliki komposisi unsur yang berbeda karena adanya

inklusi satu atau beberapa molekul pelarut pada kisi kristal. Dalam cakupan yang

lebih sempit solvat dinamakan hidrat jika molekul pelarut yang terinklusi adalah air.

Hidrat banyak ditemukan pada bahan farmasi, baik bahan aktif maupun eksipien

(Brittain, 2009). Diperkirakan sebanyak sepertiga bahan aktif farmasi dapat

membentuk hidrat. Selain itu, menurut studi pada Cambridge Structural Database,

sebanyak 29,9% dari 6608 bahan aktif farmasi yang berupa garam (pharmaceutical

salts) dapat berada dalam bentuk hidrat (Tian et al., 2010). Polimorfisme atau

solvatomorfisme dapat berpengaruh terhadap sifat fisik bahan aktif farmasi seperti

titik leleh, kapasitas panas, konduktivitas, densitas, viskositas, kristalinitas, indeks

bias, kelarutan, kecepatan disolusi, stabilitas, dan higroskopisitas. Transformasi

polimorfik atau perubahan dari satu bentuk polimorf ke bentuk lainnya dapat terjadi

selama proses penyimpanan produk obat atau pada proses pengembangan sediaan

(Giron, 1995).

Berbagai unit proses dalam pengembangan sediaan farmasi yang melibatkan energi

termal atau mekanik seperti penggerusan (milling), granulasi basah, pengeringan,

dan tabletasi dapat menyebabkan terjadinya berbagai transformasi yang

berimplikasi pada perubahan sifat fisikokimia dan bioavailabilitas bahan aktif

farmasi (Wang et al., 2011). Fenomena yang paling umum terjadi adalah

transformasi polimorfik, penyerapan air (hidratasi), dan pelepasan air (dehidratasi)

dari suatu hidrat. Hidratasi atau dehidratasi bahan aktif farmasi dapat

mempengaruhi kualitas produk obat. Bioavailabilitas obat dapat dipengaruhi

dengan adanya perbedaan kelarutan dan kecepatan disolusi antara bentuk hidrat dan

anhidrat (Tian et al., 2010). Kualitas produk akhir tidak memenuhi syarat mutu, efek

samping yang merugikan pada obat kombinasi, hingga hilangnya kepercayaan

dokter dan masyarakat terhadap obat generik, semuanya disebabkan karena

ketidakpahaman ini. Protokol uji bahan baku farmasi hampir semuanya berbasis

metode kimia, yang tentu saja tidak bisa mendeteksi perubahan ini. Sifat fisik dan

perubahan BAF selama proses produksi berkontribusi besar pada safety

(keamanan), quality (mutu), dan efficacy (khasiat), tiga persyaratan yang harus

dipenuhi oleh sediaan farmasi. Kualitas produk akhir yang tidak memenuhi syarat

mutu, efek samping yang merugikan pada obat kombinasi, hingga hilangnya

kepercayaan dokter dan masyarakat terhadap obat generik, semuanya disebabkan

karena perubahan sifat bahan baku. Oleh karena itu, karakterisasi fase padat, sifat

fisikokimia, serta pengaruh energi termal dan mekanik terhadap bahan aktif farmasi,

serta interaksi antar BAF dan BAF-eksipien merupakan tahap yang sangat penting

dalam pengembangan sediaan.

2.2 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah mengkarakterisasi sifat polimorfisme BAF dan

eksipien farmasi. Tujuan berikutnya adalah mempelajari interaksi yang terjadi antar

BAF dan BAF-eksipien farmasi karena pengaruh energi termal dan mekanik.

3. TINJAUAN PUSTAKA

3.1 Polimorfisme

Berdasarkan struktur internalnya, suatu bahan atau zat dapat dibedakan menjadi

kristalin dan amorf. Kristalin memiliki susunan unit sel yang menunjukkan

keteraturan sedangkan amorf memiliki susunan yang tidak teratur. Polimorfisme

merupakan kecenderungan suatu zat untuk berada pada beberapa struktur kristalin

yang memiliki unit sel yang berbeda tetapi memiliki komposisi unsur yang sama.

Unit sel merupakan bentuk tiga dimensi terkecil yang menyusun suatu kristal.

Perbedaan struktur kristal suatu polimorf terjadi karena perbedaan konformasi

molekul, ikatan hidrogen, dan pengepakan molekular. Berbeda dengan polimorf,

pada fenomena pseudopolimorfisme atau lebih dikenal dengan solvatomorfisme,

solvat memiliki komposisi unsur yang berbeda karena adanya inklusi satu atau

beberapa molekul pelarut pada kisi kristal. Dalam cakupan yang lebih sempit solvat

dinamakan dengan hidrat jika molekul pelarutnya air (Brittain, 2009).

Konsekuensi polimorfisme dari suatu bahan aktif farmasi adalah adanya perbedaan

sifat atau karakteristik fisik seperti titik leleh, kapasitas panas, konduktivitas,

densitas, viskositas, kristalinitas, indeks bias, kelarutan, kecepatan disolusi,

stabilitas, dan higroskopisitas (Giron, 1995). Adanya polimorfisme juga

mempengaruhi karakteristik spektroskopi seperti transisi elektronik, transisi

vibrasional, dan transisi spin inti (Brittain, 2009).

Gambar 1. Kurva energi bebas sebagai fungsi temperatur pada sistem

enantiotropi (kiri) dan monotropik (kanan).Tt adalah titik atau suhu

transformasi dan Tm adalah suhu lebur (Zhang et al., 2004).

Berdasarkan aspek termodinamik, polimorfisme dapat dibedakan menjadi

monotropik dan enantiotropik. Pada sistem monotropik, terdapat satu polimorf yang

paling stabil secara termodinamik disepanjang temperatur di bawah suhu lebur.

Bentuk atau modifikasi lain selain bentuk yang paling stabil memiliki titik leleh

yang lebih rendah. Transformasi polimorfik menuju bentuk yang paling stabil pada

sistem monotropik merupakan transformasi yang irreversibel. Pada sistem

enantiotropik, terdapat bentuk yang stabil di kondisi termodinamik tertentu. Setiap

bentuk memiliki rentang temperatur kestabilan. Transformasi polimorfik pada

sistem enantiotropik bersifat reversibel (Brittain, 2009). Aspek energi bebas dari

sistem monotropik dan enantiotropik ditunjukkan oleh Gambar 1.

Berbagai proses pembuatan produk obat yang melibatkan proses mekanik seperti

milling dan kompresi serta pengaruh lingkungan seperti suhu dan kelembapan dapat

menyebabkan terjadinya berbagai transformasi yang berimplikasi pada perubahan

sifat fisik dari bahan aktif farmasi. Salah satu fenomena yang paling umum adalah

penyerapan air (hidratasi) dan pelepasan air (dehidratasi) dari suatu hidrat (Giron,

1995).

3.2 Karakterisasi

3.2.2 Mikroskop Polarisasi Hot Stage

Mikroskop polarisasi memiliki prinsip kerja yang sama dengan mikroskop optik

biasa. Mikroskop polarisasi memiliki dua bidang filter polarisasi dan meja yang

dapat berputar. Polarisator merupakan filter polarisasi yang terletak di atas lensa

objektif sedangkan analisator terletak di bawah meja berputar (Gambar 1.2).

Gambar 1.2 Skema Mikroskop Polarisasi (Nichols et al., 2011)

Untuk dapat mengukur sifat optis suatu kristal, sampel perlu diamati pada berbagai

sudut relatif terhadap arah vibrasi dari sinar yang terpolarisasi. Oleh karena itu,

mikroskop polarisasi dilengkapi dengan memutar meja berputar (rotating stage).

Mikroskop polarisasi hot stage merupakan mikroskop polarisasi yang terhubung

dengan pemanas elektrik yang dapat memanaskan sampel untuk mengamati

perubahan yang terjadi selama pemanasan seperti pelelehan sampel, transformasi

polimorfik, dan rekristalisasi. Mikroskop polarisasi digunakan untuk mengukur

sifat optis polimorf, mengamati aglomerasi kristal, distribusi ukuran partikel, kristal

habit, kelarutan kristal pada berbagai pelarut, sublimasi, dan mesomorfisme

(Nichols et al., 2011).

3.2.3 Spektroskopi Raman

Prinsip spektroskopi Raman adalah penyebaran inelastis (inelastic scattering) sinar

monokromatik yang biasanya bersumber dari sinar laser. Penyebaran inelastis

berarti bahwa frekuensi foton dari sinar monokromatik berubah saat berinteraksi

dengan sampel. Foton dari sinar laser diabsorbsi dan diemisikan kembali oleh

sampel. Frekuensi foton yang diemisikan lebih tinggi atau lebih rendah

dibandingkan dengan frekuensi sumber sinar monokromatik, yang disebut dengan

pergeseran Raman. Pergeseran ini memberikan informasi mengenai transisi

vibrasional, transisional, serta transisi pada frekuensi rendah dari suatu molekul.

Spektroskopi Raman dapat digunakan untuk analisis zat padat, cair, maupun gas.

Pergeseran Raman terjadi berdasarkan deformasi molekular dalam medan listrik (E)

yang bergantung pada polarisabilitas molekul (). Sumber sinar monokromatik atau

sinar laser merupakan gelombang elektromagnetik dengan vektor listrik (E).

Interaksi sinar laser dengan sampel akan menginduksi momen dipol (P) yang akan

mendeformasi molekul. Deformasi ini terjadi periodik sehingga molekul akan

bervibrasi dengan frekuensi yang khas (vm). Dengan kata lain, sinar laser

monokromatik dengan frekuensi tertentu (v0) akan mengubah molekul menjadi

suatu dipol yang berosilasi.

Karakterisasi molekul dengan spektroskopi Raman dilakukan berdasarkan frekuensi

sinyal inelastis yang besarnya sama dengan v0 vm. Stokes scattering terjadi jika

frekuensi sinar yang diabsorbsi molekul lebih besar dari frekuensi sinar yang

diemisikan kembali oleh molekul (v0 - vm). Sedangkan anti Stokes scattering terjadi

jika frekuensi sinar yang diabsorbsi molekul lebih besar dari frekuensi sinar yang

diemisikan kembali oleh molekul (v0 + vm). Anti-Stokes scattering terjadi jika

molekul mengabsorbsi sinar saat berada pada tingkat energi vibrasional yang lebih

tinggi (Ozaki and ai, 2008).

Gambar 1.3 Stokes dan Anti-Stokes scattering (Ozaki and ai, 2008)

Spektroskopi Raman telah banyak digunakan untuk mengkarakterisasi suatu bahan

farmasi, terutama pada aspek polimorfisme dan solvatomorfisme. Spektroskopi

Raman dapat digunakan untuk melakukan kuantifikasi bentuk hidrat dan anhidrat

pada sistem campuran serbuk karena sangat sensitif terhadap interaksi antarmolekul

yang kuat pada sistem tersebut (Amado et al. 2007).

3.2.4 Differential Scanning Calorimetry (DSC) dan Thermal Gravimetric

Analysis (TGA)

Metode analisis termal seperti Differential Scanning Calorimetry (DSC) dan

Thermal Gravimetric Analysis (TGA) merupakan dua metode termal utama yang

digunakan untuk mengkarakterisasi suatu polimorf. DSC digunakan untuk

mempelajari perubahan termodinamika dari suatu bahan yang terjadi saat

pemanasan. DSC dapat mengidentifikasi terjadinya transisi polimorfik, pelelehan,

dan desolvasi atau dehidratasi, yang ditunjukkan dengan puncak endotermik dan

eksotermik pada termogram. Berbeda dengan DSC, TGA dapat memberikan

informasi perubahan massa saat suatu bahan dipanaskan (Giron, 1995).

DSC merupakan metode analisis yang melibatkan pengukuran aliran panas (heat

flow) yaitu aliran energi termal yang diterima oleh sampel (endotermik) atau

dilepaskan oleh sampel (eksotermik) sebagai fungsi dari waktu atau temperatur

sistem. Instrumen DSC dengan desain double furnace memiliki dua pinggan yang

identik masing-masing untuk sampel dan pembanding (reference). Kedua pinggan

dipanaskan dengan laju pemanasan tertentu. Untuk menjaga laju pemanasan atau

temperatur kedua sistem sama, pada saat terjadi proses endotermik seperti pelelehan

dan dehidratasi, dibutuhkan aliran energi termal yang lebih tinggi pada sampel

dibandingkan dengan pembanding. Sedangkan pada proses eksotermik seperti

rekristalisasi, dibutuhkan aliran energi termal yang lebih rendah. Perbedaan antara

aliran energi termal pada sampel dengan pembanding inilah yang diplot sebagai

fungsi temperatur atau waktu menjadi termogram DSC (Saunders and Gabbott,

2011).

Berbeda dengan DSC, TGA mengukur perubahan bobot sampel selama pemanasan

sebagai fungsi dari waktu atau temperatur. TGA merupakan metode termal yang

banyak digunakan untuk menganalisis suatu solvat atau hidrat (Saunders and

Gabbott, 2011).

3.2.5 Powder X-Ray Diffraction (PXRD)

Sinar-X merupakan spektrum gelombang elektromagnetik dengan panjang

gelombang 1000-0,1 (Angstrom). Sinar-X dapat dihasilkan dengan memanaskan

filamen (katoda) sebagai sumber elektron yang kemudian ditembakkan dengan

tegangan 40-50 kV menuju anode yang biasanya berupa Cu, Mo, Cr, atau Ag. Sinar-

X yang ditembakkan ke suatu kristal akan dihamburkan karena berinteraksi dengan

elektron dalam atom dan terjadi inteferensi jika jarak antar pusat hamburan sama

besarnya dengan panjang gelombang radiasi (Gilmore, 2011).

Sinar-X yang ditembakkan menuju suatu permukaan kristal dengan sudut tertentu

sebagian akan dihamburkan oleh lapisan atom dipermukaan. Sinar yang tidak

dihamburkan berpenetrasi ke lapisan atom kedua dan sebagian akan dihamburkan

serta sebagian menembus lapisan atom ketiga dan seterusnya. Fenomena difraksi

ini terjadi jika memenuhi Hukum Braggs, yaitu:

= 2

dengan n adalah bilangan bulat, adalah panjang gelombang sinar datang, dhkl

adalah jarak antara bidang atau lapisan atom, dan hkl adalah sudut yang dibentuk

antara sinar dengan bidang atau lapisan atom (Gambar 1.4).

Gambar 1.4 Skema Difraksi X-ray (Gilmore, 2011).

Pada metode PXRD, sinar-X monoromatik yang ditembakkan menuju serbuk

sampel akan dihamburkan oleh sebagian serbuk yang memenuhi Hukum Braggs.

Dengan melakukan analisis secara horizontal, akan dihasilkan pola difraksi satu

dimensi. Pola difraksi atau difraktogram suatu senyawa merupakan fingerprint

sehingga dapat digunakan untuk mengidentifikasi senyawa termasuk polimorf.

Selain itu, metode ini dapat digunakan pada analisis kuantitatif suatu campuran

(Gilmore, 2011).

3.2.6 Scanning Electron Microscope (SEM)

Scanning Electron Microscope (SEM) mampu menghasilkan karakteristik

topografis suatu sampel. Elektron yang dipercepat oleh tegangan tinggi (0,1-30kV)

dan difokuskan oleh condenser dan lensa objektif akan berinteraksi dengan sampel

dan mengemisikan elektron dan sinar-X. Elektron dan sinar-X yang diemisikan

akan diterima oleh detektor dan dikonversikan menjadi gambar setelah memindai

keseluruhan sampel. SEM memungkinkan perbesaran hingga 250.000x yang

dilakukan dengan mengubah luas daerah yang dipindai (Nichols et al., 2011).

Jika suatu solvat atau hidrat dianalisis dengan SEM, dapat terjadi desolvatasi atau

dehidratasi karena kondisi vakum dari kompartemen sampel. Desolvatasi atau

dehidratasi terjadi jika pelarut terikat secara lemah dalam kisi kristal (Nichols et al.,

2011).

4. METODOLOGI

Pertama dilakukan karakterisasi bahan aktif dan eksipien dengan mikroskop

polarisasi, DSC-TGA, spektroskopi Raman, PXRD, dan SEM. Profil termal

diperoleh dari mikroskop polarisasi hot stage dan DSC-TGA. Spektrum Raman,

PXRD, dan SEM memberikan informasi struktural serta morfologi bahan.

Campuran fisik dari BAF-BAF dan BAF-eksripien dibuat dengan rasio molar

tertentu, kemudian dikarakterisasi dengan mikroskop polarisasi, DSC-TGA,

spektroskopi Raman, PXRD, dan SEM. Selanjutnya, campuran fisik tersebut diberi

perlakukan termal dan mekanik. Perlakuan termal dilakukan dengan pemanasan

dengan oven dengan DSC yang dihubungkan dengan PXRD dan spektroskopi

Raman. Perlakuan mekanik dilakukan dengan milling campuran fisik. Sampel hasil

perlakuan dikarakterisasi dengan mikroskop polarisasi, DSC-TGA, spektroskopi

Raman, PXRD, dan SEM. Stabilitas fisik dan kimia dari campuran fisik dan

campuran fisik yang telah diberi perlakuan diamati dan dikarakterisasi selama

waktu tertentu. Data yang diperoleh selanjutnya dianalisis dengan menggunakan

software OriginLab serta software lain yang terkait.

5. TIMELINE PELAKSANAAN

Kegiatan

Tahun ke-

1 2 3

Persiapan dan pengumpulan bahan baku

Karakterisasi BAF dan eksipien

Penentuan Interaksi BAF-BAF

Penentuan Interaksi BAF-eksipien

6. DAFTAR PUSTAKA

Amado, Ana M., M. M. Nolasco, P. J. A. Ribeiro-Claro, 2007, Probing

Pseudopolymorphic Transitions in Pharmaceutical Solids using Raman

Spectroscopy: Hydration and Dehydration of Theophylline, J. Pharm. Sci.,

96(5), 13661379.

Brittain, H. G., 2009, Theory and Principles of Polymorphic Systems, in:

Polymorphism in Pharmaceutical Solids, H. G. Brittain (Ed.), Informa Healthcare

USA Inc., New York, 1-21.

Gilmore, C. J., 2011, X-Ray Diffraction, in: Solid State Characterization of

Pharmaceuticals, R. A. Storey., I. Ymn, John Wiley & Sons Ltd., United

Kingdom, 35-69.

Giron, D., 1995, Thermal Analysis and Calorimetric Methods in the

Characterisation of Polymorphs and Solvates, Thermochimica Acta, 248, 1-59.

Nichols, G., S. Luk, C. Roberts, 2011, Microscopy, in: Solid State

Characterization of Pharmaceuticals, R. A. Storey., I. Ymn, John Wiley & Sons

Ltd., United Kingdom, 287-346.

Ozaki, Yukihiro, S. ai, 2008, Introduction to Raman Spectroscopy, in:

Pharmaceutical Application of Raman Spectroscopy, S. ai (Ed.), John Wiley

& Sons Inc., New Jersey, 1-28.

Saunders, Mark, P. Gabbott, 2011, Thermal Analysis Conventional

Techniques, in: Solid State Characterization of Pharmaceuticals, R. A. Storey.,

I. Ymn, John Wiley & Sons Ltd., United Kingdom, 135-184.

Tian, Fang, H. Qu, A. Zimmermann, T. Munk, A. C. Jrgensen, and J. Rantanen,

2010, Factors affecting crystallization of hydrates, Journal of Pharmacy and

Pharmacology, 62, 1534-1546.

Wang, Shun-Li, Yu-Chiau Wong, Wen-Ting Cheng, and Shan-Yang Lin, 2011, A

Continuous Process for Solid-state Dehydration, Amorphization and

Recrystallization of Metoclopramide HCL Monohydrate Studied by Simultaneous

DSC-FTIR Microspectroscopy, J. Therm. Anal. Calorim., 104, 261264.

Zhang, G. G. Z., D. Law, E. A. Schmitt, and Y. Qiu, 2004, Phase Transformation

Considerations During Process Development and Manufacture of Solid Oral

Dosage Forms, Adv. Drug. Deliver. Rev., 56, 371-390.