Hidrogel

Dalam zaman yang serba modern ini, berbagai macam polimer sudah bukan hal yang asing bagi kehidupan manusia. Bahkan hampir mendominasi kebutuhan dari setiap individu. Contohnya botol, plastic, bungkus makanan, jas hujan, komponen otomotif, sheet film, salju buatan, gallon, Tupperware, lensa kontak, popok bayi, pembalut wanita bahkan media tanam pengganti tanah dan masih banyak lagi contoh-contoh dari polimer. Salah satu polimer terapan yaitu Super absorbent Polimer. Super absorben polimer (SAP) adalah jaringan rantai polimer tiga dimensi dengan ikatan silang ringan yang membawa dissosiasi gugus fungsi ionik seperti asam karboksilat, karbokamida, hidroksil, amina, amida, dan gugus lainnya. Sedangkan Hidrogel super absorben merupakan jaringan hidrofilik dengan kapasitas penyerapan terhadap air yang tinggi. SAP  hidrogel ini memiliki sifat dasar dapat menyerap fluida lebih dari 15 kali berat keringnya sendiri, bisa membengkak (swelling) karena meningkatnya entropi jaringan polimer dan fluida yang telah diserap sukar untuk lepas dan hidrogel tersebut tidak larut oleh solvasi molekul-molekul air melalui ikatan hidrogen karena adanya gugus ionik alami dan struktur yang saling bersambungan (interconnected). Hidrogel berbentuk Kristal-kristal kecil, yang tampak seperti butiran – butiran kecil kwarsa sebelum jenuh dengan air, dan akan mirip cabikan jeli jernih bila sudah menyerap air. (Ma et al. ,2012)

Gambar 1. Hydrogel

Faktor-faktor yang menyediakan tenaga untuk menyerap air adalah tekanan osmotik, yang berdasar pada ion penukar yang dapat berpindah dan afinitas antara polimer elektrolit dan air. Faktor yang menahan tenaga penyerapan sebagai lawannya adalah adanya elastisitas gel hasil dari struktur jaringannya. Karena karakteristiknya yang unggul maka hidrogel dipakai secara luas seperti agrikultur, holtikultur, sanitary dan medis. Kemampuan gel yang membengkak dan melepaskan air ke sekelilingnya secara terkendali telah menjadikan material hidrogel dipakai untuk produk-produk pengendali kelembaban, keperluan farmasi, dan sebagai pengkondisi tanah. (Andry et al.,2009)

Karakteristik lain dari hidrogel adalah sifatnya yang seperti karet alam yang dapat digunakan untuk mengendalikan konsistensi produk dalam bidang kosmetik, dan dipakai untuk memberi sifat-sifat yang berdampak segel untuk produk-produk yang kontak dengan air atau larutan encer, seperti kawat dan kabel bawah tanah. Jadi kapasitas penyerapan air atau water absorption capacity (WAC) adalah karakteristik utama untuk hidrogel. Kapasitas air yang terserap dapat diukur dengan metoda volumetrik gravimetrik, spektroskopik dan gelombang mikro. Metoda volumetric mengukur perubahan volume SAP hidrogel atau air sebelum dan sesudah penyerapan, metoda gravimetrik mengukur perubahan berat SAP hidrogel, metoda spektroskopik mengukur perubahan spektrum UV dari SAP hidrogel dan metoda gelombang mikro adalah mengukur penyerapan gelombang mikro melalui perubahan energi. Pada tahap preparasi, salah satu cara untuk mensintesa hidrogel adalah melalui kopolimerisasi cangkok. Tipe hidrogel yang paling banyak tersedia di pasar komersial adalah hidrogel yang disintesis berbasis akrilamida dan asam akrilat yang dipreparasi melalui polimerisasi larutan (Kiatkamjornwong, S., 2007).

Hidrogel pertama kali dikembangkan oleh Departemen Pertanian AS pada 1960 dan dikomersialkan pertama kali pada 1970 dalam bentuk polimer berbasis pati / akrilonitril / akrilamida dan diaplikasikan dalam agrikultur atau hortikultur sebagai hidrogel untuk menahan kelembaban air pada tanah selama pertumbuhan dan transportasi. Dalam perkembangannya, ikatan silang poliakrilat dan modifikasi eter selulosa juga dikomersialkan pada 1982 di Jepang sebagai pati-cangkok poliakrilat ikatan silang dengan karakteristik memiliki daya serap air yang tinggi. Pada 1985 penggunaan SAP hidrogel di Jepang diestimasi mencapai 12.000 metric ton. Pada 2010 pasar SAP hidrogel di AS dan Eropa diproyeksikan mencapai 419.000 ton dan di Asia-Pasific mencapai 207.000 metric ton.

DESKRIPSI PROSES

1.      Sintesis Hidrogel

Asam akrilat dipolimerisasi melalui mekanisme radikal dan memerlukan pemicu radikal yang dapat larut-air. Suatu pemicu sering sangat peka terhadap keberadaan oksigen dan memerlukan pengasingan dengan gas argon atau nitrogen. Oksigen mengganggu polimerisasi karena bereaksi dengan tapak radikal (R. + O2 menghasilkan radikal sedikit reaktif ROO.). Contoh pemicu termal yang mudah, dan dapat larut-air dan berfungsi pada temperature rendah adalah VA-044. Bila pemicu ini dipanaskan sekitar 40-45^oC, akan mengurai untuk menghasilkan gas nitrogen dan dua radikal dihasilkan, yang kemudian menginisiasi polimerisasi. Dengan VA-044, polimerisasi lebih toleran dengan udara, mungkin karena radikal dibangkitkan lambat pada waktu yang lama (waktu dekomposisi pada 44^oC adalah 10 jam), lebih efisien mengkonsumsi oksigen yang ada. Dalam hal lain, konsentrasi inisiator yang sangat rendah (0,04 mol % relatif terhadap asam akrilat) digunakan untuk mempromosikan pembentukkan rantai-rantai panjang.

Untuk mengubah keadaan polimer sehingga tak dapat larut dalam air, rantai-rantai harus tersambung-silang. Akan tetapi, kemampuan polimer untuk menggembung (swelling) turun selagi derajat sambung-silang meningkat. Untuk itu, yang diharapkan bahwa setiap rantai sepanjang mungkin dan tersambung-silang hanya di beberapa tempat. Salah satu contoh penyambung-silang yang diperlukan sangat sedikit (sekitar 0,08 mol % relatif terhadap asam akrilat) adalah N,N’-metilenbisakrilamida atau MBA. Zat ini mengandung dua ikatan rangkap yang reaktif, sehingga dapat tergabung ke dalam dua rantai yang berbeda selagi polimerisasi berlangsung, sehingga menghasilkan ikatan sambung-silang. Meskipun MBA memiliki gugus fungsional amina, nampaknya sangat tahan terhadap hidrolisis. sintesis hidrogel dari akrilamida (AM), asam akrilat (AA) dan kalium akrilat melalui polimerisasi larutan pada konsentrasi monomer yang tinggi. Kalium persulfat (KPS) dan natrium metabisulfit (SMBS) digunakan sebagai pemicu pasangan redoks. (Garner, C.M., et al., 1997 : 95-99).

2.      Proses Pembuatan Hidrogel

Asam akrilat sebanyak 2 mL dicampurkan dengan larutan KOH (dibuat dengan melarutkan 2 g KOH ke dalam 2 mL air) dalam keadaan dingin es. Larutan ini disebut larutan A. Larutan B dibuat dengan mencampurkan larutan akrilamida (dibuat dengan melarutkan 0,2 g akrilamida ke dalam 2 mL air) ke dalam larutan MBA (dibuat dengan melarutkan 0,02 g MBA ke dalam 1 mL air). Selanjutnya larutan A dan B dicampurkan di dalam gelas kimia 600 mL yang dilengkapi dengan pengaduk magnet dan thermometer untuk memonitor perubahan temperatur selama reaksi eksotermis. Larutan kalium persulfat (dibuat dengan melarutkan 0,4 g kalium persulfat ke dalam 1 mL air) dan larutan SMBS (dibuat dengan melarutkan 0,014 g SMBS ke dalam 1 mL air) dimasukkan ke dalam campuran larutan A dan B tadi. Temperatur dan viskositas meningkat dalam waktu 40 detik untuk mencapai titik gelasi. Pada titik ini temperatur meningkat dengan cepat dan mengakibatkan penguapan pelarut. Produk seperti gel transparan yang elastic kemudian dipotong-potong dikeringkan dalam oven pada suhu 70⁰C selama 18 jam untuk mencapai berat konstan. (Agus Salim,2009)

APLIKASI HIDROGEL

Aplikasi hidrogel saat ini banyak digunakan di bidang agrikultur, holtikultur, sanitary dan medis. Contohnya di bidang medis seperti penggunaannya sebagai bahan baku lensa kontak mata, sedangkan di bidang agrikultur, digunakan sebagai media tanaman pengganti tanah. Berikut ini penjelasan dari kedua contoh tersebut :

a.       Lensa Kontak Mata (Softlens Lunak).

  

Gambar 2. Lensa Kontak Berbahan Hydrogel.

Lensa kontak adalah sejenis plastik yang tipis dan berkurva yang direka untuk dipakai atas permukaan kornea. Lensa kontak akan menempel pada lapisan air mata yang disebabkan oleh tensi permukaan. Lensa kontak adalah salah satu cara yang efektif dan selamat untuk mengoreksi gangguan refraktif selain kaca mata apabila digunakan dengan cara yang benar dan pengawasan yang rapi. Selain untuk mengoreksi kelainan refraksi, kelainan akomodasi, lensa kontak juga digunakan sebagai terapi dan kosmetik. Lensa kontak biasanya mempunyai kegunaan yang sama dengan kacamata konvensional atau kacamata biasa, tetapi lebih ringan dan bentuknya tak nampak saat dipakai. (Http://netsains.net/2010/06/lensa-kontak-terinspirasi-oleh-monalisa/)

Menurut ahli Sejarah, ide lensa yang menempel langsung pada bola mata sudah sejak  tahun 1000 dan terdokumentasikan pada tahun 1508 dari sketsa tentang kacamata yang langsung bisa digunakan pada bola mata oleh Leonardo Da Vinci. Versi lain sejarah softlens ditemukan oleh Rene Descartes pada tahun 1632. Descartes membuat lensa yang dikenakan pada kornea mata dan membuat gelas yang diisi air untuk menetralkan kekuatan kornea mata. 200 tahun kemudian, ide awal Da Vinci dan Descartes terealisasikan oleh fisikawan bernama Thomas Young dengan membuat tabung gelas berisi air yang memuat lensa yang sangtat kecil. Pada tahun 1827, Sir John Herschel membuat lensa yang dihaluskannya sendiri sehingga pas dipakai langsung pada permukaan mata. Sehingga, penemuan John Herschel inilah yang menjadi sejarah penting bagi perkembangan softlens sekarang ini. Baru pada tahun 1960-an, diluncurkan softlens yang terbuat dari hydrogel yang lebih lembut dan dapat memungkinkan pergantian oksigen di mata saat menggunakan softlens. Dan hingga kini, softlens terus berkembang dari warna, motif dan variasinya. (Http://www.emveemag.com/article/110)

Ketebalan lensa kontak saat ini sekitar 8-10 mm dan nyaman dipakai karena terapung pada selaput bening. Permukaan belakang lensa kontak dibuat cembung kuat, flat dan normal agar dapat menempel secara longgar pada permukaan. Pelonggaran ini berfungsi agar film air mata dapat mudah masuk diantara lensa kontak, sehingga akan membawa oksigen ke selaput bening.

Sebenarnya,softlens tidak hanya terbuat dari hydrogel, ada juga softlens yang terbuat dari silicon akrilat yang biasa disebut lensa kontak RGP (Rigid Gas Permeable). Lensa ini dapat tembus gas oksigen dan karbondiokasida, yang dapat memberikan penglihatan yang tajam tetapi kelenturannya kurang sehingga perlu penyesuaian pada selaput bening dan sering terasa kelilipan. Beda halnya pada softlens lunak (berbahan hydrogel) yang bersifat lentur dan mudah mengikuti kelengkungan selaput bening (flexible) namun penglihatannya kurang tajam karena sifatnya yang mudah menyerap air, sehingga mudah menjadi tidak bening.

Penggunaan softlens lunak secara tidak benar dapat mengakibatkan alergi. Lensa kontak yang memiliki kadar air tinggi, daya hantar oksigennya lebih bagus disbanding yang berkadar air rendah. Tetapi, semakin tinggi kadar airnya, akan lebih mudah menimbun lemak, protein, dan kotoran yang berasal dari air mata yang menempel softlens, sehingga tak bisa lagi hanya dibersihkan dengan cairan perawatan. Reaksi alergi juga dapat disebabkan karena masuknya benda pembawa alergi (debu/serbuk) kedalam mata. Alergi ini diindikasikan dengan rasa gatal, mata merah, dan pembengkakan di kelopak mata. Hal ini dapat dihindari dengan mengompres mata menggunakan air dingin, atau dengan memberinya  obar anti radang dan anti alergi (sesuai keterangan dokter).

Selain alergi, dapat juga terinfeksi bakteri, jamur, protozoa, dan virus yang ditandai dengan mata merah, kelopak mata lengket, air mata berlebihan, daya penglihatan berkurang dan timbul noda pada kornea mata. Cara mengatasinya dengan mengompres mata dengan air dingin, member air mata buatan, dan terapi antibiotic jika perlu.(Http://netsains.net/2010/06/lensa-kontak-terinspirasi-oleh-monalisa/)

b.      Media Tanaman.

Gambar 3. Media tanaman dari Hydrogel

                       

            Hidrogel saat ini menjadi pilihan baru sebagai hidroponik untuk tanaman. Media tanam memegang peranan penting untuk suksesnya bercocok tanam system hidroponik. System hidroponik adalah uapaya memberikan bahan makanan dalam larutan mineral atau nutrisi yang diperlukan tanaman dengan cara disiram atau diteteskan. Prinsipnya, media tanam tersebut harus memiliki sifat berongga untuk sirkulasi uadar, mudah meyerap air, tidak cepat lapuk, akar mudah menempel, dapat menyimpan zat hara, dan tidak mudah menjadi sumber penyakit. Dengan perkembangan polimer, Hidrogel dipilih sebagai media tanam yang tepat pada system ini yang memudahkan untuk proses pengairannya. Hidrogel ini dikembangkan oleh ilmuwan jepang (anonym) sehingga fungsinya dapat digunakan sebagai pengganti media tanam tanah yang mampu meningkatkan pertumbuhan tanaman, aman, non toxic, dan ramah lingkungan karena dapat terdaur ulang. Produk terbaru hidrogel dikembangkan oleh insinyur polimer dari Universitas Waseda,Jepang, Prof.Yuichi Mori, yang dinamakan dengan Sky Gel dan secara meluas telah digunakan untuk taman-taman atap, rehabilitasi hutan, kultur jaringan, hidroponik, dan aeroponik.

           

            Tanaman yang cocok menggunakan hydrogel sebagai media tanamnya adalah Daun Mutiara, Aglaonema, Sirih Belanda, Paku-pakuan, Bambu China, serta tanaman pecinta air lainnya. Tidak semua tanaman dapat tumbuh dengan baik didalam hidrogel. Cirri-ciri tanaman yang dapat tumbuh adalah tanaman yang bersifat tahan kadar air berlebih, tahan kelembaban tinggi, tidak berkayu, tanaman dalam ruang dan umumnya tidak berbunga. Hydrogel juga dapat ditanami selada dan caisim. Tanaman tersebut ditumbuhkan dahulu di arang sekam sampai berumur sebulan seblemu dipindahkan kedalam hydrogel.

           

            Berikut ini adalah cara perawatan hidrogel pada media tanam, sebagai berikut :

i.                    Bila sudah sekitar satu bulan, terlihat penyusutan pada hydrogel, maka lakukanlah penyemprotan air dengan menggunakan handsprayer. Jangan menggunakan terlalu banyak air karena akan mengakibatkan penggenangan pada gelas dan dapat merusak akar.

ii.                  Jangan terlalu sering direndam dalam air, cukup 1 kali sebulan agar tidak merusak daya kembang susut hydrogel, kecuali jika hydrogelnya berlumut dan berbau, maka keluarkan hydrogel dari vas, dan bilas dengan air hangat sampai lumutnya hilang.

iii.                Usia hydrogel 2 tahun, bila terjadi penyusutan bisa direndam hingga mengembang dan dipakai kembali. Usia efekstifnya ±2 tahun, dan usia warna hydrogel ±2 bulan.jika warnanya pudar, bisa diwarnai kembali dengan pewarna kue dan lalu dibilas.

Sedangkan cara perawatan terhadap tanaman, sebagai berikut :

i.                    Tanaman sesekali disemprot pada daunnya saja. Apabila daun kotor, maka bersihkan dengan tissue basah sampai mengkilat.

ii.                  Apabila tanaman menguning, ada kemungkinan tanman kekurangan cahaya matahari. Penanggulangannya : gelas/vas yang berisi hydrogel ditutup lapisan gelap dan tidak tembus cahaya sampai terlihat tanamannya saja untuk mencegah lumut pada hydrogel. Letakkan vas pada tempat yang terkena sinar matahri langsung.

iii.                Jika akar tanaman terlihat membusuk, maka buang akar tanaman yang membusuk. Cucilah tanaman sampai bersih.

iv.                Letakkan tanaman di ruangan dengan temperature yang sejuk.

(Http://www.hidrogelpelangi.com/2012/06/hidrogel-media-tanaman-cantik.html?m=1)

KESIMPULAN

·         Hidrogel super absorben merupakan jaringan hidrofilik dengan kapasitas penyerapan terhadap air yang tinggi yang bersifat dapat menyerap fluida lebih dari 15 kali berat keringnya sendiri, bisa membengkak karena meningkatnya entropi jaringan polimer dan fluida yang telah diserap sukar untuk lepas dan hidrogel tersebut tidak larut oleh solvasi molekul-molekul air melalui ikatan hidrogen karena adanya gugus ionik alami dan struktur yang saling bersambungan.

·         Aplikasi hidrogel saat ini banyak digunakan di bidang agrikultur, holtikultur, sanitary dan medis. Contohnya di bidang medis seperti penggunaannya sebagai bahan baku lensa kontak mata (softlens lunak) , sedangkan di bidang agrikultur, digunakan sebagai media tanaman pengganti tanah.

·         Keunggulan dari softlens berbahan hydrogel yaitu dapat memudahkan sirkulasi oksigen yang masuk ke dalam selaput bening, selain itu sifatnya yang lentur dan nyaman digunakan untuk mata. Softlens ini berfungsi untuk mengoreksi gangguan refraktif selain kaca mata, kelainan akomodasi, dan juga sebagai terapi dan kosmetik

·         Media tanam memegang peranan penting untuk suksesnya bercocok tanam system hidroponik. Salah satunya dengan menggunakan hydrogel sebagai media tanam yang dapat meningkatkan pertumbuhan tanaman

DAFTAR PUSTAKA

Andry,H., et al. 2009. Water retention, hydraulic conductivity of hydrophilic polymers in sandy soilas affected by temperature and water quality.Journal of Hydrology, 373: 177–183.

Garner, C.M., Nething, M., Nguyen, P. 1997. Synthesis of a Superabsorbentt Polymer. Journal of Chemical Education, vol 74 No 1 : 95 – 96.

Http://netsains.net/2010/06/lensa-kontak-terinspirasi-oleh-monalisa/ ; diakses pada tanggal 17 april 2013, 06:21 WIB.

Http://www.emveemag.com/article/110 ; diakses pada tanggal 17 april 2013, 06:51 WIB.

Http://www.hidrogelpelangi.com/2012/06/hidrogel-media-tanaman-cantik.html?m=1 ; diakses pada tanggal 17 april 2013, 06:43 WIB

Kiatkamjornwong, S., 2007. Superabsorben Polymers and Superabsorben Polymer Composites. Science Asia 33 Supplement 1: 39-43.

Ma, Zuohao, et al. 2010. Synthesis and characterization of a novel super-absorbent based on wheat straw. Journal of Bioresource Technology,102 : 2853-2858.

Salim,Agus dan Suwardi. 2009. Sintesis hidrogel superabsorben berbasis akrilamida dan asam akrilat pada kondisi atmosfer . Jurnal Penelitian Saintek, Vol. 14, No. 1: 1-16.

 Keterangan : Pembuatan Hidrogel saat ini sudah berkembang pesat dengan penggunaan bahan yang berbeda-beda. Dalam tulisan saya ini, dibuat untuk memenuhi tugas mata kuliah polimer, dan mengacu dari berbagai sumber. jika dibutuhkan, sebaiknya cari sumber lain yang lebih terpercaya, misalnya dari jurnal-jurnal peneliti indonesia maupun internasional. Terima kasih.