Mikromer, atau dalam terminologi ilmiah dikenal sebagai mikromeritik, adalah cabang ilmu yang esensial dalam disiplin material dan farmasi yang berfokus pada studi mengenai partikel kecil. Secara spesifik, mikromer mempelajari sifat-sifat fundamental partikel, baik secara individu maupun dalam massa, termasuk ukuran, bentuk, luas permukaan, dan sifat alirannya. Pemahaman mendalam tentang sifat-sifat ini sangat krusial karena hampir seluruh proses manufaktur, mulai dari formulasi obat hingga produksi keramik dan metalurgi serbuk, bergantung pada perilaku dan karakteristik bahan baku berbentuk serbuk atau partikel.
Ilmu ini memberikan landasan teoritis dan metodologi praktis untuk mengontrol kualitas dan performa produk akhir. Dalam industri farmasi, misalnya, ukuran partikel menentukan laju disolusi, yang secara langsung memengaruhi bioavailabilitas obat. Dalam industri makanan, ukuran partikel memengaruhi tekstur, rasa, dan stabilitas emulsi. Oleh karena itu, mikromer tidak hanya sekadar pengukuran, tetapi merupakan kontrol integral terhadap kualitas produk modern.
Partikel, dalam konteks mikromer, didefinisikan sebagai unit material padat tunggal yang ukurannya sangat kecil, biasanya berkisar antara 0.1 µm hingga 1000 µm. Untuk memahami perilaku agregat partikel (powder), kita harus terlebih dahulu mengkarakterisasi partikel tunggal berdasarkan tiga aspek utama: ukuran, bentuk, dan luas permukaan.
Ukuran partikel adalah properti paling mendasar dalam mikromer. Namun, karena partikel alami jarang berbentuk bola sempurna, mendefinisikan "ukuran" memerlukan penggunaan diameter ekuivalen yang berbeda, tergantung pada metode pengukuran yang digunakan.
Pentingnya ukuran partikel dalam farmasi ditekankan pada sistem dosis inhalasi. Partikel harus berada dalam rentang 1–5 µm agar dapat menembus dan berdeposit secara efektif di paru-paru. Partikel yang lebih besar ( >10 µm) akan tertahan di saluran pernapasan atas.
Bentuk partikel sangat memengaruhi sifat alir, kemampuan pengepakan (packing), dan interaksi antarpartikel. Partikel dapat berkisar dari bola sempurna (ideal) hingga bentuk yang sangat ireguler, seperti serpihan (flaky), jarum (acicular), atau kubik.
Faktor bentuk ($k$) adalah rasio matematis yang digunakan untuk menghubungkan sifat partikel yang ireguler dengan sifat bola ekuivalennya. Koefisien sferisitas ($\Psi$), didefinisikan sebagai rasio luas permukaan bola dengan volume yang sama terhadap luas permukaan partikel aktual, adalah parameter bentuk yang paling umum digunakan:
$$ \Psi = \frac{\text{Luas Permukaan Bola Ekuivalen}}{\text{Luas Permukaan Partikel Aktual}} $$Untuk bola sempurna, $\Psi = 1$. Semakin rendah nilai $\Psi$, semakin ireguler bentuk partikel, yang biasanya menghasilkan aliran yang lebih buruk dan pengepakan yang lebih longgar.
Gambar 1: Representasi berbagai bentuk partikel yang memengaruhi sifat mikromeritik, dari bola ideal hingga struktur ireguler dan agregat.
Luas permukaan total per unit massa ($m^2/g$) atau per unit volume ($m^2/cm^3$) serbuk disebut Luas Permukaan Spesifik (SSA). Sifat ini sangat penting dalam reaksi heterogen, proses pelarutan, adsorpsi, dan katalisis.
Secara umum, semakin kecil ukuran partikel, semakin besar SSA. Peningkatan SSA menyebabkan peningkatan energi permukaan, yang dapat meningkatkan laju disolusi (positif untuk obat) tetapi juga meningkatkan risiko penggumpalan (agglomeration) dan menurunkan stabilitas (negatif).
Serbuk jarang terdiri dari partikel berukuran seragam (monodispersi). Sebaliknya, mereka biasanya polidispersi, yang berarti serbuk terdiri dari campuran partikel dengan rentang ukuran yang berbeda. Untuk menggambarkan populasi partikel ini, digunakan konsep Distribusi Ukuran Partikel (PSD).
PSD dapat direpresentasikan dalam dua cara utama:
Data PSD dianalisis menggunakan ukuran rata-rata dan dispersi. Ukuran rata-rata yang paling umum adalah Diameter Median ($D_{50}$), yaitu ukuran di mana 50% massa atau jumlah partikel lebih kecil dari nilai tersebut.
Metode tertua dan paling sederhana. Serbuk dipisahkan melalui serangkaian saringan (ayakan) dengan ukuran mesh yang semakin kecil. Meskipun relatif kasar, metode ini masih umum digunakan untuk mengukur partikel yang lebih besar dari sekitar 50 µm.
Mikroskopi memungkinkan pengamatan langsung, memberikan informasi tentang bentuk dan agregasi. Analisis citra otomatis (menggunakan perangkat lunak) dapat mengukur ribuan partikel untuk menghasilkan PSD. Kelemahan utamanya adalah bahwa pengukuran hanya dua dimensi, dan prosesnya bisa memakan waktu.
Metode ini didasarkan pada Hukum Stokes, yang menyatakan bahwa laju pengendapan partikel dalam medium cair berbanding lurus dengan kuadrat diameter partikel ($d^2$) dan perbedaan densitas antara partikel dan medium.
$$ v = \frac{d^2 (\rho_p - \rho_f) g}{18 \eta} $$ (di mana $v$ adalah kecepatan terminal, $\rho_p$ adalah densitas partikel, $\rho_f$ adalah densitas cairan, $g$ adalah percepatan gravitasi, dan $\eta$ adalah viskositas cairan).
Peralatan seperti pipet Andreasen atau timbangan sedimentasi (photosedimentometer) digunakan. Metode ini efektif untuk rentang 1–50 µm.
Metode modern yang paling dominan dalam industri. Prinsipnya didasarkan pada teori Fraunhofer (untuk partikel besar) dan teori Mie (untuk partikel kecil dan transparan). Ketika partikel melewati sinar laser, cahaya yang dihamburkan membentuk pola difraksi yang terbalik ukurannya:
Detektor pada berbagai sudut mengukur intensitas cahaya yang dihamburkan, dan perangkat lunak menggunakan algoritma yang kompleks untuk menghitung distribusi ukuran partikel dalam hitungan detik. Rentang pengukuran biasanya mencakup 0.01 µm hingga 3500 µm.
Prinsip Coulter digunakan untuk partikel dalam suspensi konduktif. Partikel yang melewati lubang kecil (aperture) menciptakan perubahan resistansi listrik. Magnitudo pulsa resistansi ini berbanding lurus dengan volume partikel yang melintas. Metode ini mengukur diameter volume partikel secara langsung dan sangat akurat untuk rentang 0.5 hingga 500 µm.
Gambar 2: Kurva kumulatif distribusi ukuran partikel. Titik D₅₀ menunjukkan diameter di mana 50% dari total massa atau jumlah partikel memiliki ukuran yang lebih kecil.
Ketika partikel dikumpulkan menjadi massa (serbuk), sifat-sifat individu tidak lagi cukup untuk memprediksi perilaku. Sifat-sifat massa partikel, seperti densitas dan kemampuan aliran, menjadi sangat penting dalam proses penanganan, pencampuran, dan pengemasan.
Terdapat tiga jenis kepadatan utama yang relevan dalam mikromer:
Densitas sejati ($\rho_{true}$) adalah massa partikel dibagi dengan volume intrinsik partikel, tidak termasuk ruang terbuka (pori-pori) internal maupun eksternal. Pengukurannya biasanya dilakukan menggunakan piknometer gas (seperti helium piknometer), karena gas dapat menembus pori-pori terkecil sekalipun.
Densitas ruah ($\rho_{bulk}$) adalah massa serbuk dibagi dengan total volume yang ditempatinya, termasuk volume partikel, pori-pori internal, dan ruang kosong antarpartikel (void). Densitas ruah diukur dengan menuangkan serbuk secara hati-hati ke dalam silinder pengukur tanpa pemadatan.
Densitas ketukan ($\rho_{tapped}$) diukur setelah serbuk dalam wadah dipadatkan (diketuk) berulang kali hingga volume serbuk tidak lagi berkurang. Nilai ini mewakili susunan pengepakan (packing) partikel yang paling padat yang dapat dicapai secara mekanis.
Volume ruang kosong (void space) dalam massa serbuk dihitung melalui Porositas ($\epsilon$), yang didefinisikan sebagai rasio volume ruang kosong terhadap volume ruah total. Pengurangan porositas (peningkatan pengepakan) sangat penting untuk meningkatkan efisiensi pengemasan dan mengurangi ukuran tablet.
Perbedaan antara densitas ruah dan densitas ketukan digunakan untuk menilai kemampuan aliran serbuk, karena kemampuan pengepakan sangat berkorelasi dengan interaksi antarpartikel dan kohesi.
| Sifat Aliran | Indeks Carr (%) | Rasio Hausner |
|---|---|---|
| Sangat Baik | ≤ 10 | 1.00 – 1.11 |
| Baik | 11 – 15 | 1.12 – 1.18 |
| Cukup | 16 – 20 | 1.19 – 1.25 |
| Buruk | 26 – 31 | 1.35 – 1.45 |
| Sangat Buruk | > 38 | > 1.60 |
Serbuk dengan Indeks Carr yang rendah (HR mendekati 1) menunjukkan kemampuan aliran yang sangat baik karena sedikit friksi dan interaksi antarpartikel yang minimal.
Permukaan partikel adalah area di mana interaksi material terjadi, termasuk adsorpsi, disolusi, dan kohesi. Energi permukaan partikel tinggi karena atom-atom di permukaan tidak dilingkupi secara simetris, menyebabkan adanya tegangan sisa yang ingin diminimalkan melalui interaksi dengan partikel lain atau lingkungan.
Metode Brunauer–Emmett–Teller (BET) adalah standar emas untuk menentukan SSA, terutama untuk bahan berpori atau partikel ultra-halus. Metode ini didasarkan pada adsorpsi gas (biasanya nitrogen) pada permukaan padat pada suhu kriogenik.
Teori BET mengasumsikan adsorpsi multilapis. Pada dasarnya, gas yang diukur volume yang diadsorpsi (V) pada berbagai tekanan relatif ($P/P_0$) dan kemudian diplotkan untuk menentukan volume yang diperlukan untuk membentuk lapisan monomolekuler sempurna ($V_m$). Dengan mengetahui luas penampang molekul adsorbat, SSA dapat dihitung.
$$ \frac{P}{V(P_0 - P)} = \frac{1}{V_m C} + \frac{(C-1)}{V_m C} \frac{P}{P_0} $$
Di mana $C$ adalah konstanta yang terkait dengan panas adsorpsi.
SSA adalah indikator penting untuk katalis, sorben, dan material filter, di mana luas kontak adalah parameter utama performa.
Partikel dapat memiliki struktur pori-pori internal (mikropori < 2 nm, mesopori 2-50 nm, makropori > 50 nm). Karakteristik pori-pori ini (volume pori, distribusi ukuran pori) diukur menggunakan teknik seperti adsorpsi gas, injeksi merkuri (mercury porosimetry), atau adsorpsi cairan.
Pengendalian porositas internal krusial dalam material farmasi pelepasan terkontrol (sustained release) dan dalam desain material nano-pori untuk penyimpanan gas (misalnya, hidrogen atau CO₂).
Untuk partikel yang tersuspensi dalam cairan, permukaan partikel dapat memiliki muatan listrik (melalui adsorpsi ion atau ionisasi gugus fungsi). Potensial Zeta adalah ukuran potensial listrik pada bidang geser (shear plane) antara lapisan cairan yang melekat pada partikel dan cairan ruah.
Potensial Zeta adalah prediktor utama stabilitas suspensi koloid. Nilai Zeta Potential yang tinggi (positif atau negatif, misalnya > $\pm 30$ mV) menunjukkan repulsi antarpartikel yang kuat, menghasilkan suspensi yang stabil. Nilai rendah menyebabkan flokulasi (penggumpalan) karena gaya Van der Waals menjadi dominan.
Kontrol mikromeritik sangat penting dalam menjamin kualitas, efisiensi proses, dan kinerja produk di berbagai sektor industri berteknologi tinggi.
Mikromer adalah tulang punggung formulasi farmasi. Sifat partikel memengaruhi setiap tahap dari manufaktur hingga kerja terapeutik:
Menurut persamaan Noyes-Whitney, laju pelarutan padatan dalam pelarut berbanding lurus dengan luas permukaan padatan. Karena itu, semakin kecil ukuran partikel bahan aktif farmasi (API), semakin cepat laju disolusinya, dan semakin tinggi bioavailabilitasnya.
Teknik mikronisasi, seperti penggilingan jet (jet milling) atau mikronisasi basah, digunakan untuk mengurangi ukuran partikel API menjadi mikrometer atau nanometer (nanomikromeritik) untuk obat-obatan dengan kelarutan air yang buruk.
Dalam industri makanan, mikromer memengaruhi reologi, stabilitas emulsi, dan sensasi mulut (mouthfeel). Contohnya:
Dalam kosmetik (misalnya, tabir surya), partikel oksida logam (TiO₂ atau ZnO) harus berukuran nano (nanopartikel) untuk menawarkan perlindungan UV yang efektif tanpa meninggalkan residu putih pada kulit; namun, kontrol ukuran sangat ketat untuk menghindari potensi toksisitas nanopartikel.
Proses sintering dalam metalurgi serbuk, produksi keramik, dan material komposit sangat bergantung pada karakteristik serbuk mentah.
Sintering adalah pemadatan serbuk menjadi material padat melalui panas. Serbuk ultra-halus dengan SSA tinggi diperlukan karena energi permukaan yang lebih besar mendorong ikatan antarpartikel (neck growth) pada suhu yang lebih rendah dan menghasilkan material akhir yang lebih padat (densification).
Teknik seperti Selective Laser Sintering (SLS) atau Binder Jetting memerlukan serbuk yang sferis sempurna dan memiliki PSD yang sangat sempit (monodispersi) untuk memastikan pengepakan yang optimal dan kemampuan aliran yang lancar saat lapisan serbuk disebar (recoater blade).
Karakterisasi mikromeritik melampaui sekadar ukuran dan densitas. Ilmuwan material juga harus memahami bagaimana partikel berinteraksi secara termal dan mekanis, terutama ketika mereka dicampur dengan cairan (membentuk suspensi) atau di bawah tekanan.
Reologi (ilmu tentang aliran dan deformasi) sangat dipengaruhi oleh konsentrasi, ukuran, dan bentuk partikel tersuspensi. Viskositas suspensi partikulat sering menunjukkan perilaku non-Newtonian (shear thinning atau shear thickening).
Metode seperti Analisis Termogravimetri (TGA) dan Kalorimetri Pemindaian Diferensial (DSC) membantu memahami stabilitas dan kemurnian partikel, yang sering kali terkait dengan SSA dan porositas.
Dalam kondisi kering, kemampuan serbuk untuk mengalir ditentukan oleh gaya friksi, interlok mekanis (akibat bentuk ireguler), dan gaya kohesif seperti gaya Van der Waals, gaya elektrostatik, dan gaya kapiler (terutama jika ada kelembaban).
Cell Shear Tester (Shear Cell): Alat ini digunakan untuk secara kuantitatif mengukur kekuatan kohesif serbuk. Dengan mengukur tegangan yang diperlukan untuk menyebabkan serbuk mengalir di bawah tekanan normal tertentu, kita dapat menentukan kekuatan hasil serbuk (yield strength) dan sudut friksi internal. Hasil ini lebih andal daripada sekadar Indeks Carr untuk desain hopper dan prediksi masalah pengarsipan (arching) atau lubang tikus (rat-holing).
Seiring kemajuan teknologi, fokus mikromer telah bergeser ke skala nanometer. Nanopartikel (partikel dengan ukuran kurang dari 100 nm) menghadirkan tantangan dan peluang baru yang signifikan.
Hukum Stokes dan Teori Fraunhofer mulai gagal di bawah 100 nm. Metode pengukuran harus beralih ke teknik yang sensitif terhadap pergerakan Brown (Brownian motion):
DLS mengukur fluktuasi intensitas cahaya yang dihamburkan akibat pergerakan Brown partikel dalam cairan. Fluktuasi ini dianalisis untuk menentukan koefisien difusi, yang kemudian dikaitkan dengan ukuran hidrodinamik partikel (berdasarkan persamaan Stokes-Einstein).
$$ D = \frac{k_B T}{6 \pi \eta r_H} $$ (Di mana $D$ adalah koefisien difusi, $k_B$ adalah konstanta Boltzmann, $T$ adalah suhu, $\eta$ adalah viskositas, dan $r_H$ adalah jari-jari hidrodinamik.)
NTA secara visual melacak pergerakan individu nanopartikel di bawah mikroskop, memungkinkan penentuan distribusi ukuran dengan resolusi tinggi, bahkan dalam campuran yang kompleks.
Ketika dimensi menurun ke skala nano, sifat kuantum dan luas permukaan yang ekstrem mulai mendominasi:
Tren modern dalam manufaktur serbuk adalah integrasi mikromeritik ke dalam kontrol kualitas proses (QC). Alat PAT seperti penganalisis difraksi laser in-line atau near-infrared spectroscopy (NIR) digunakan untuk memantau PSD, kelembaban, dan homogenitas secara real-time selama proses manufaktur. Hal ini memungkinkan penyesuaian parameter proses segera sebelum produk akhir terpengaruh, meningkatkan efisiensi dan mengurangi limbah.
Pengembangan metode pengukuran non-invasif dan non-destruktif menjadi kunci untuk implementasi penuh PAT dalam industri farmasi dan material canggih.
Mikromer adalah disiplin ilmu yang menjembatani sifat intrinsik material dengan kinerja makroskopis produk akhir. Baik itu memastikan bioavailabilitas yang optimal pada obat-obatan, menciptakan tekstur yang sempurna pada makanan, atau menghasilkan material padat dengan integritas struktural yang superior, kontrol terhadap sifat partikel adalah prasyarat mutlak.
Dari pengukuran ukuran kasar menggunakan ayakan hingga karakterisasi mendalam di tingkat nano menggunakan DLS dan NTA, metodologi mikromeritik terus berkembang untuk memenuhi tuntutan inovasi material. Dengan semakin kompleksnya material serbuk modern—terutama yang melibatkan material co-kristal, sistem pelepasan obat berbasis lipid, atau serbuk untuk aditif manufaktur—pemahaman dan kontrol yang ketat terhadap mikromeritik tidak hanya relevan, tetapi sangat fundamental untuk keberhasilan pengembangan produk dan keunggulan manufaktur.
Penguasaan mikromer memungkinkan para insinyur dan formulator untuk memprediksi, mencegah, dan mengatasi masalah seperti segregasi, aliran buruk, dan disolusi yang tidak memadai, menjadikannya bidang studi yang tak terpisahkan dari kualitas dan efektivitas produk modern.
Gambar 3: Ilustrasi perbandingan antara pengepakan longgar (kiri, densitas ruah) dan pengepakan padat (kanan, densitas ketukan). Perbedaan ini mendasari perhitungan Rasio Hausner dan Indeks Carr.