NANOTEKNOLOGI

NANOTEKNOLOGI FOR A BETTER LIFE

NAMIRA NUR ARFA

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada tahun 2003- 2005, penelitian pertambangan yang komperehensif  diselenggarakan untuk melakukan review terhadao struktur teknik dan infrstruktur dari literatur penelitian nanoteknologi global,  dengan literature nanoteknologi yang mempunyai kemungkinan berkembang baik di masa depan. Berdasarkan minat dunia yang ditimbulkan akibat berbagai penelitian diatas, ditentukan untuk mengupdate dan memperluas penelitian menggunakan data terbaru dengan alat yang lebih komperehensif dengan alat analitik yang lebih baik dan mutakhir. Pada penelitian yang diperbarui, pertambangan menggunakan teknik intelegensi daari sumber terbuka nanoteknologi global dan literature nanoscience dan mengidentifikasi mengenai :literature  penelitian mengenai  infrastrukur nanoteknologi dan nanoscience, struktur teknik, instrument dari nanoteknologi dan keterkaitannya, potensi aplikasi nanoteknologi non medis dan potensi aplikasi kesehatannya. Yang paling penting pada studi terbaru, seluruh analisis teknik dari keseluruhan database nanoteknologi menunjukan aplikasi menjadi kunci utama dalam penelitian nanoscience dan nanoteknologi (Kostroff et al.,  2007).

Pada bentuk modernnya, nanoteknologi dikembangan kurang lebih selama 15 tahun. Hal ini memiliki status sebagai teknologi yang terlihat dan banyak buku maupun paper yang telah ditulis untuk mempromosikan potensi aplikasi nanoteknologi dalam berbagai bidang. Salah satu tujuan dari penelitian ini untuk mendokumentasi potensi aplikasi dari noteknologi, sehingga nanoteknologi/ nanoscience dapat diakslerasikan sebagai perkembangan advance dari sains. Nanoteknologi total  yang telah dicatat selama tahun 2005 adalah sebanyak 65000 dengan lebih dari 300 penemuan baru  (Kostroff et al.,  2007).

Aplikasi nanoteknologi non biomedis didominasi oleh katalisis, laser, device, sensor, elektroda dan co- polymers. Aplikasi kemudian menyebar luas pada berbagai area seperti katalisis dan sensing, informasi, elektronik, pelapis anti korosif, tribology  dan lubricants. 

1.2. Rumusan masalah

1.      Apa yang dimaksud dengan nanoteknologi?

2.      Bagaimana perkembangan terkini nanoteknologi?

3.      Bagaimana aplikasi nanoteknologi di berbagai bidang kehidupan?

1.3  Tujuan

2.      Mengetahui pengertian nanoteknologi

3.      Mengetahui perkembangan terkini nanoteknologi

4.      Mengetehui aplikasi nanoteknologi pada berbagai bidang kehidupan

BAB 2

HASIL DAN PEMBAHASAN

2.1 Sejarah perkembangan nanoteknologi

Istilah nanoteknologi berasal dari Bahasa Latin “nano” yang berarti kerdil dan diaplikasikan sebagai prinsip teknik dan manufaktur pada level molecular. Definisi umum dari nanoteknologi adalah manipulasi, observasi dan pengukuran pada skala kurang dari 100nm. Nanoteknologi adalah multidisiplin, berdasarkan science dasar, teknik analisis dan metodologi dari beragam disiplin ilmu seperti kimia, fisika, teknik elektro, dan biologi molecular (Kubik et. al., 2005).

Nanoteknologi merujuk pada teknologi sains dengan didasarkan skala nano misalnya 10^-3, 10^-6 , 10^-9, 10^-12 dan 10^-15 yang disebut sebagai mili, nano, pico dan femto. 10^-3 merupakan skala millimeter, sebagai contoh dari butiran garam. 10^-6 merujuk pada micrometer dengan contoh bakteri, sel darah merah. Satu nanometer (nm) adalah satu milyar atau 10^-9 meter dan merupakan sebuah atom, DNA, virus, Carbon nanotubes. Nanoteknologi berkaitan dengan sains dan teknik pembuatan material dan alat fungsional dengan skala 0,10 – 100 nm pada berbagai dimensi dan akan menjadi teknologi komersial pada abad 21 (Singh and Nalwa, 2011).

(Nimesh, 2013)

Bidang baru ini menarik ketertarikan hebat pada komunitas science seluruh dunia dan diprediksikan lebih dari  $1 trillion pasar dunia pada 2015. Pandangan nanoteknologi diawali dengan peraih hadiah Nobel yaitu Richard Feynman pada tahun 1960. Selain itu, penemuan fullerene c 60 pada 1985 oleh Kroto dkk meningkatkan minat yang luar biasa pada nanoteknologi. Setelah dua decade sejak penemuan fullerens, nanostruktur material dibuat manusia dan telah diproduksi global dengan kuantitas berton- ton pertahun. Nanomaterial diaplikasikan pada bidang yang sangat luas,  bidang baik medis dan non medis (Kostoff et. al, 2008).

(Nimesh, 2013)

2.2 Aplikasi nanoteknologi pada berbagai bidang kehidupan

1.      Pengaplikasian nanoteknologi dalam pembuatan deterjen sebagai alternative deterjen ramah lingkungan

Deterjen adalah salah satu bahan yang digunakan sebagai pembersih pakaian. Pada tahun 2010, sebanyak 440 ton deterjen digunakan oleh masyarakat Indonesia dan seiring berjalannya waktu, penggunaan deterjen pun diperkirakan mengalami peningkatan. Pada deterjen terdapat bahan aktif berbahaya diantaranya Alkil Benzena Sulfonat (ABS) dan Linear Alkil Sulfonat (LAS). Bahan tersebut berbahaya Karena sulit terurai pada ekosistem sehingga dapat mencemari lingkungan. Nanoteknologi merupakan suatu teknologi rekayasa molekul pada skala nanometer.

 

(Nimesh, 2013)

Penerapan nanoteknologi pada deterjen getah biduri akan mengubah ukuran partikel deterjen menjadi ukuran nano yang berakibat pada peningkatan efisiensi deterjen. Proses pengembangan deterjen daun biduri berbasis nanoteknologi ini dikombinasikan dengan HCl . Proses pembuatan deterjen dimulai dengan pengambilan sampel getah biduri kemudian diencerkan dengan akuades. Setelah itu, dibuat konsentrasi getah biduri sebesar 10,20,30% dan di titrasi dengan  HCl 0,6%, 0,8% dan 1%. Selanjutnya dibuat sebanyak 9 sampel deterjen dan diuji dengan pengujian kadar kalsium oksalat, aktivitas enzim protease dan kadar saponin. Setelah itu, diambil satu sampel terbaik  dinanofikasi dan dilakukan pengujian berupa pengujian ukuran partikel dengan SEM, pengujian daya deterjensi dan pengujian tingkat cemaran. Setelah itu akan dihasilkan bio Nano Surf yang dapat digunakan. Formulasi deterjen terbaik dengan kombinasi getah biduri 30% serta HCL1%. Nanoteknologi dengan freeze drying dapat mengubah partikel deterjen menjadi berukuran nanometer sehingga meningkatkan daya deterjensi “ Bionanosurf”. Selain itu, tingkat  cemaran Bio Nano Surf memiliki tingkat cemaran yang lebih rendah dibandingkan dengan deterjen biasa. Oleh Karena itu, Bio Nano Surf diharapkan mampu menjadi asolusi deterjen yang ramah lingkungan dan aman.

(Nimesh, 2013)

2.      Pemanfaatan nanoteknologi dalam penyaluran Gemcitabine untuk mengatasi kanker pancreas

Penyakit kanker pancreas merupakan salah satu penyakit yang mematikan. Penyakit kanker pancreas cukup sulit diatasi Karena tingginya resistensi penyakit kanker tersebut terhadap obat, kecepatan metastasis pada berbagai organ, gejala yang sedikit serta kemungkinan kambuh yang tinggi setelah terapi. Setelah diterima oleh FDA pada tahun 1997, Gemcitabine (Gem) banyak digunakan sebagai obat kanker pancreas. Tetapi, Gem memiliki efisiensi yang tidak memuaskan Karena instabilitasnya dan rendahnya up take selularnya sehingga memiliki half life yang pendek serta bioaviablitasnya rendah. Untuk menyelesaikan masalah ini dan meningkatkan efisiensi obat, dilakukan alternative metode yaitu dengan nanoteknologi. Berbagai nanocarrier digunakan sebagai system pengantar seperti Liposom, polymeric NPS, Squalene, PMs dan inorganic NPs . nanocarrier tersebut didemonstrasikan dan dikembangkan dalam memaksimalkan manfaat obat. Liposomal delivery dari Gem merupakan formula yang efektif dalam penanganan kanker pancreas dan dapat menghambat metastasis.

3.      Nanoteknologi  and nucleic acid delivery

Nanoteknologi berpotensial untuk menghasilkan inovasi di bidang biomedis seperti diagnosis, terapi obat dan imaging. Pada teknologi masa depan, penggunaan biomarker yang berbeda dengan nanoteknologi dapat digunakan untuk diagnosis penyakit. Salah satu pemanfaatan nanoteknologi ialah dalam metode nucleic acid delivery nucleic acid merupakan bahan pembangun pada organisme hidup/ living systems. Asam nuklat di translasi kepada fungsi dan struktur molekul bersama dengan reaksi biokimia. Tujuan nucleic acid delivery adalah untuk melakukan terapi terhadap gene yang ter over ekspresi, untuk memulai/ menghentikan aktivitas gene serta memperbaiki gen.

 

(Nimesh, 2013)

4.      Magnetic nanopartikel dalam diagnosis kanker

Nanopartikel dapat menuju tumor untuk meningkatkan diagnosis tumor serta menentukan lokasi sebuah tumor. Pada awal 1970an,  Peneliti bernama Faulk dan taylor menemukan prosedur pewarnaan yang dinamakan Immunogold. Sejak saat itu, peneliti menggunakan nanopartikel emas untuk melabeli  protein untuk teknik seperti imaging, blotting, flow cytometry maupun hibridisasi. Pelapisan emas meningkatkan deposisi persembunyian nanopartikel dengan mencegah makrofagh mengenali partikel serta emas merupakan permukaan ideal untuk konjugasi biomolecular. Pembungkusan emas juga mampu mencegah oksidasi , serangan kimia dan permasalahan toksisitas yang berasosiasi dengan produk oksidasi yang digunakan untuk memproduksi nanopartikel.

(Hendee et al., 2013) 

Nanoteknologi yang digunakan untuk penanganan tumor dari agen chemo- , gene- atau radio- therapy langsung mengandung nanopartikel pada tumor sites pada nanopartikel yang meningkatkan deposisi energy  pada jaringan dari sumber energy eksternal (microwaves, cahaya dan magnetic). Nanopartikel magnetic dpaat digunakan untuk diagnosis, imaging dan mengatasi kanker menggunakan teknik yang berbeda didasarkan pada perbedaan mekanisme fisiknya. Mekanisme kerja nanopartikel adalah:

(Nimesh, 2013)

1.      Terjadi konsentrasi nanopartikel pada lokasi yang diharapkan

2.      Lokalisasi atau imaging konsentrasi dari nanopartikel

3.      Induksi nekrosis dari jaringan tumor ketika meminimalisir kerusakan jaringan yang sehat.

4.      Aplikasi nanoteknologi dalam Polymerase Chain Reaction (PCR)

Polymerase Chain Reaction (PCR) merupakan salah satu tekik yang sering digunakan dalam penelitian biologi molecular terkini . secara umum, PCR merupakan teknik untuk mengamplifikasi jumlah DNA dengan sekuens yang spesifik. Akhir- akhir ini, nanoteknologi mendapat perhatian pada aplikasi  ini. Beberapa material berukuran nanometer seperti nanotubes carbon, gold nanoparcticle, quantum dots dan metal oxide ( Ma et al., 2015)

Polymerase chain reaction (PCR) merupakan teknik yang digunakan untuk  amplifikasi dan penggandaan sekuens DNA (100 sd 600 basa). Teknik ini ditemukan pada tahun 1980 oleh Dr. Kary Banks Mullis di California (Mullis, 1998). Proses amplifikasi DNA meningkatkan jumlah untai DNA (Ma et al., 2006).

 PCR menggunakan sepasang primer ( sekitar 20 bp ) yang akan melengkapi sekuens spesifik pada dua untai DNA target. Primer akan diperpanjang dengan bantuan enzim DNA Polymerase dan sekuens DNA yang baru akan sesuai dengan sekuens  primer. Setelah DNA baru di sintesis, primer yang sama akan dihasilkan dan digunakan  kembali. Hal inilah yang menyebabkan amplifikasi logaritmik. Ketika DNA amplifikasi diproses dalam keadaan kondisi single strand, dibutuhkan temperatur yang tinggi untuk memisahkan double strand DNA pada setiap proses amplifikasi. Taq polymerase yang diisolasi dari bakteri Thermus aquaticus merupakan DNA polymerase yang stabil pada suhu tinggi dan digunakan untuk PCR.

Setelah beberapa siklus amplifikasi (40 siklus), produk PCR dianalisis menggunakan agarose gel dan dideteksi dengan gel elektroforesis.   Secara singkat, tahap PCR meliputi beberapa tahap, pertama strand DNA didenaturasi pada temperature tinggi yang akan memecah ikatan hidrogen pada DNA. Tahap selanjutnya, temperatur menurun dan primer ditambahkan. Primer akan terikat pada situs yang spesifik. Temperatur meningkat dan Taq polymerase ditambahkan. Lalu tahap- tahap tersebut akan berulang untuk n siklus, mengamplifikasi DNA. Produk PCR adalah 2ⁿ Salinan dari strand DNA yang dipilih, dimana n merupakan jumlah siklus running DNA ( Ma et al., 2006).

Setiap siklus mempunyai 3 pola temperatur, siklus pertama 94^oC ketika denaturasi, siklus kedua 45-55⁰C  saat penambahan primer dan siklus ketika 72 ^oC ketika pemanjangan. Primer adalah sekuens DNA pendek yang menginisiasi sintesis DNA. Durasi PCR berlangsung sekitar 2 jam, bergantung pada kondisi spesifik reaksi. PCR dapat mendeteksi fragmen asam nukleat dan mengamplifikasi sekuensnya. Thermocycler merupakan peralatan yang mampu mengubah temperature yang berbeda secara cepat yang dibutuhkan dalam siklus PCR (Louie et al., 2000).

Meskipun teknik PCR sudah matang dan dapat digunakan pada beragam

Aplikasi, terdapat beberapa usaha yang dapat dilakukan untuk meningkatkan sepesifitas dan efisiensi dari PCR dengan menggunakan nanoteknologi. PCR berbasis nanopartikel menarik lebih banyak perhatian karena  banyak nanomaterial yang dipelajari memiliki potensi pada pengmbangan teknik PCR. Beberapa tipe nanopartikel seperti Carbon nanotubes, metal nanopartikel, semiconducton quantum dots dan nanopartikel metal dioxide dikenalkan pada PCR. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa nanopartikel dapat meningkatkan efisiensi dan spesifitas pada PCR.

5.      Nanoteknologi pada Endodontics

Berdasarkan data Dental Health Care yang dipublikasikan oleh World Health Organization (WHO), karies pada gigi mempengaruhi hampir 100% populasi dewasa di dunia. Periodontitis dan  ENdodontis merupakan kondisi yang dihasilkan dari respon inflamasi dari gigi dan komponen pendukungnya. Infeksi Endodontis merupakan infeksi pada system kanal dari gigi yang diakibatkan dari pembentukan biofilm oleh bakteri pada gigi. Treatment utama pada infeksi Endodontis adalah dengan melakukan operasi pada kanal akar gigi. Nanoteknologi dapat digunakan secara efektif dalam pengobatan endodontis dan periodontitis (Kishen, 2015).

(Kishen, 2005)

Contoh aplikasi nanoteknologi  di bidang non medis

1.      Katalisis (Photo, Electro, Platinum, Bimetallic, Oxide)

2.      Laser (Deposition, Ablation, Sapphire, Excimer, Semiconductor, Laser Tweezers, Desorption Ionization, Quantum Dot, Vertical-Cavity Surface-Emitting, Pump, Distributed Feedback, Solid-State, Quantum Cascade, Quantum Well, Edge-Emitting, Waveguide, Matrix Assisted)

3.      Sensors (Glucose/Amperometric/SPR/DNA Biosensors, Immunosensors, Gas, Chemical, Optical, Pressure, Electrochemical, Temperature, pH, Humidity, Oxygen, Force)

4.      Electrodes (Gold, Glassy Carbon, Gate, Composite, Graphite, Platinum, ITO, TiO2, Enzyme, Ferromagnetic, Carbon Paste, Diamond, Calomel, Photo, CNT, SnO2, BDD, Silver, Copper)

5.      Copolymers (Block, Graft, Amphiphilic) Electrolytes (Poly, Polymer, Composite, Gel, YSZ) Lithography (Electron Beam, Photo, Nanoimprint, Soft, Optical, Nanosphere, Dip-Pen Nano, Deep Ultraviolet, Interference, Scanning Probe, X-Ray, EUV, AFM, Immersion, Projection, Stereo, Interferometric)

6.      Diodes (Light-Emitting, Laser, Photo, Schottky, Barrier, Tunneling, Junction, P-I-N, Wave) Corrosion (Resistance/Protection/Inhibition)

7.      Storage (Hydrogen, Charge, Data, Energy, Information, Oxygen, Ion)

8.      Tribology (Wear Resistance/Rate/Mechanisms, Friction Coefficient, Lubrication, Lubricant Films, Solid Lubricants, Scratch Resistance)

9.      Solar Cells (Dye-Sensitized, Photovoltaics, Organic, Silicon, Thin Film, Polymer, Photoelectrochemical, Hybrid, Heterojunction)

10.  Transistors (Field-Effect, MOSFETs, Single-Electron, Thin Film, Heterojunction Bipolar, Electron Mobility)

11.  Detectors (Photo, Infrared, QWIPs, UV) Etching (Chemical, Reactive Ion, Electrochemical, Dry, Plasma, Wet, Isotropic/Anisotropic, Sputter, ICP, Photo, Silicon, HF, Anodic, Oxide)

12.  Waveguides (Optical, Ridge, Planar, Photonic Crystal) Batteries (Lithium-Ion)

13.  Capacitors (Super, MOS, Electrochemical, MIM, Ferroelectric, Platinum, Film, PZT, Silicon, Double Layer, Embedded)

14.  Motors (Molecular, Brownian)

15.  Gate (Dielectrics, Insulators, Stacks)

16.  Scaffolds (Tissue Engineering, Composite, PLGA)

17.  Chips (Sensor, Bio, Microfluidic)

18.  Hard Disk (Drives)

19.  Fuel Cells (Oxide, Methanol, Polymer Electrolyte)

20.  Circuits (Integrated)

21.  Electromechanical Systems

22.  (Micro, Nano)

23.  Adhesives (Self-Etch, Resins, Conductive, Polyurethane)

24.  Piezoelectric (Ceramics, Quartz Crystal)

25.  Actuators (Piezoelectric)

26.  Resonators (Nanomechanical, Dielectric, Ring, Quartz)

27.  Recording (Magnetic Media, Optical, Data, Holographic)

28.  Cements (Resin, Bone) Molecular Sieves (Mesoporous, Carbon)

29.  Memory (Random Access, Nonvolatile Devices, Ferroelectric, Optical, Flash)

30.  Transducers (Signal, Ultrasonic)

31.  Reactors (Nano, Micro)

32.  Field Emitters (Arrays, CNT, Field Emission Gun)

(Kostoff et. al, 2008)

Contoh Aplikasi Nanoteknologi di Bidang Medis

1. Specific Health problems

(e.g., Tumor Treatment, Sentinal Lymph Node Cancer)

2.  Health Treatment mechanisms

(e.g., Drug Release, Drug Delivery)

3. biomaterial types

(e.g., Cells, DNA, Biofilms, Virus Proteins, Amyloid Fibrils, protein, DNA, peptides, drugs, bovine serum albumin, poly ethylene glycol, single stranded DNA, double stranded DNA, green fluorescent protein, lipids, human serum albumin, Escherichia coli, antibodies, tissues, enzymes, genes, oligonucleotides, gold, nucleic acid. Structures: cells, membranes, surfaces, nanoparticles, self-assembled monolayers, cell surfaces, endothelial cells, receptors. Phenomena: fluorescence, interaction, polymerase chain reaction, dynamic light scattering, resonance energy transfer, particle size, drug release, cell adhesion, binding, affinity, gene expression, transfection)

4.  Health-related phenomena and processes

(e.g., Peptide Sequences, Binding and Affinity, Detection, Sensing). (Kostoff et. al, 2008)

(Kubik et. al., 2005)

(Nimesh, 2013)

BAB 3

PENUTUP

Berdasarkan studi pustaka yang telah dilakukan diketahui bahwa  nano teknologi merupakan sebuah teknologi yang melibatkan penggunaan material dalam skala nano yang berpotensi diaplikasikan dalam berbagai bidang kehidupan. Nanoteknologi dapat diaplikasikan pada bidang non medis seperti sensor, laser, katalis, pelapis dan lainnya. Sementara dalam bidang medis nanoteknologi dapat digunakan dalam pengobatan cancer, gene therapy, drug delivery, periodontitis dan lainnya. Nanoteknologi berkembang sangat pesat dan terus mengalami pembaruan saat ini dan diperkirakan dapat diterbitkan di pasar secara komersial pada abad 21.

DAFTAR PUSTAKA

Hendee, W.R., Cho, S.Y. and Krishnan, S. 2013. Cancer Nanotechnology Principles and Apllications in Radiation Oncology. CRC Press: Florida.pp. 39-45

Kishen, A. 2015. Nanotechnology in Endodontics : Current and Potential Clinical Applications. Springer: London. Pp. 18-25

Kostroff, R.N., Koytcheff, R.G and Lau, C.G.Y. 2008. Structure of Nanoscience and nanotechnology applications literature. J. Technol Transfer. 33 : 472-484

Kubik, T., Bogunia- Kubik, K. and Sigusaka,M. 2005. Nanotechnology on duty in medical applications. Current Pharmautical Biotechnology.6 :17-33

Ma, H., Shieh, K-J., Chen, G. Qiao, X.T., and Chuang, M-Y. 2006. Application of Real Time Polymerase Chain Reaction (RT-PCR). The Journal of American Sciences. 2(3) :1-5

Ma, K., Ma., Y. and Chou, F. 2015. Encyclopedia of Nanotechnology. Springer:London.pp. 1-7

Mullis, K.B. 1998. Autobiography of Kary B. Mullis. New York : Pantheon Books.

Nimesh, S. 2013. Gene Therapy : Potential Application of Nanotechnology. Wood Head Publishing Limited : Oxford.pp. 8-10, 15-17, 30, 91, 115

Singh, R. and Nalwa, H.S. 2011. Material Applications of Nanoparticles in Biological Imaging, Cell labelling, Anti Mircobial Agents and Anticancer Nanodrugs.J Biomed, Nanotechnol. 7(4):  489-499