8

TUGAS TERSTRUKTURNANOTEKNOLOGI FARMASIAplikasi Karbon Nanotubes dalam bidang Farmasi dan Kedokteran

Disusun oleh:KELAS:ANAMA:MICHIKO TANADI(2011210156)

FAKULTAS FARMASIUNIVERSITAS PANCASILA2014

Karbon Nanotubes (CNTs), adalah alotrop karbon, terbuat dari grafit, dantelah tersusun dalam konfigurasi tabung slinder dengan diameter berskala nanometer dan panjang beberapa milimeter. Sifat struktural, mekanis, danelektronikCNTs yang menarik adalah meskipun ukuran dan massanya yang kecil, kekuatanmekanik CNTs sangat kuat, serta nilai konduktivitas listrik dan elektrik yang tinggi. Karena luas permukaannya yang besar, stabilitas kimiawinya yang baik, dan struktur poli aromatik kaya elektronnya, CNTs dapat mengadsorbsi atau berkonjugasi dengan beberapa jenis molekul terapeutik (obat-obatan, protein, antibodi, DNA, enzim, dll.). CNTs telah terbukti menjadisebuah alat yangsangat baikuntuksistem penghantaran obatdenganpenetrasike dalamselsecara langsungdanmenjagaagar obat utuh tanpaterpengaruh metabolisme selama transportasi di dalam tubuh.Banyak penelitian telah menunjukkan bahwa ketika terikat pada CNTs, molekul-molekul akan dihantarkan lebih efektif dan aman ke dalam sel daripada metodetradisional. CNTs pertama kali telah diterapkan untuk mengikat obatantineoplastikdan antibiotic pada CNTs untuk perawatankanker dan infeksi.Kemudian, keterkaitan biomolekul lain (gen, protein,DNA, antibodi, vaksin, biosensors, sel, dll) pada CNTs juga telah diujiuntukterapigen, immunoterapi, regenerasijaringan dan diagnosis penyakit yang berbeda. Karbon Nanotubes (CNTs) terdiri dari atom karbon yang diatur dalam serangkaian cincin benzena yang terkondensasi dan digulung menjadi struktur tubular. Berdasarkan jumlah dinding lapisannya, struktur CNTs dikelompokkan menjadi dua jenis: Karbon nanotubes berdinding tunggal (SWCNTs) Karbon nanotubes berdinding ganda (MWCNTs).SWCNTsMWCNTs

Dinding tunggalDinding ganda

Diperlukan katalis saat proses sintesisTidak diperlukan katalis saat proses sintesis

Sintesis dalam skala besar sulitSintesis dalam skala besar lebih mudah

Lebih banyak kerusakan saat fungsionalisasiSedikit kerusakan saat fungsionalisasi, namun sulit diperbaiki

Kemurnian rendahKemurnian tinggi

Akumulasi sedikit dalam tubuhAkumulasi banyak dalam tubuh

Mudah dikarakterisasi dan evaluasiSulit dikarakterisasi dan evaluasi

Mudah dilekuk / dipilinSulit dilekuk / dipilin

Tiga teknik utama yang umum digunakan dalam produksi SWCNTS dan MWCNTs adaalah : Metode Arc-Discharge (menggunakn penguapan busur dau buah batang karbon, Metode Laser Ablation (menggunakan grafit), dan Metode Chemical Vapor Deposition (menggunakan sumber hidrokarbon : Metana, Etilen, Asetilen. Setelah preparasi, CNTs dikumpukan untuk dimurnikan dengan reflux dalam larutan asam, sonifikasi dengan surfaktan, atau prosedur oksidasi udara dalam rangka mengelminasi pengotor seperti karbon amorf, fullerene, dan logam transisi yang berasalah dari katalis selama proses sintesis. CNTs murni sekarang disintesis dan dijual oleh banyak Firma Bahan Kimia di seluruh dunia. KARBON NANOTUBES : FUNGSIONALIASI UNTUK APLIKASI BIOMEDISCNTs murni tidak larut dalam larutan karena CNTs memiliki permukaan yang sangat hidrofobik. Fungsionalisasi (Penambahan Gugus Fungsi) pada permukaan diperlukan untuk membantu kelarutan CNTs, dan untuk menghasilkan biokompatibilitas yang baik dan toksisitas yang rendah dalm penggunaannya sebagai aplikasi medis. Prosedur Fungsionalisasi dapat dibagi ke dalam dua pendekatan utama, tergantung pada sifat biomolekul yang berkaitan dengan karbon nanotube, yaitu ikatan kovalen (pembentukan ikatan kimia) dan ikatan non-kovalen (Adsorbsi Fisika). Fungsionalisasi CNTs secara kovalen umumnya diperoleh dengan oksidasi asam kuat (HNO3). Fungsionalisasi CNTs secara non-kovalen dapat dilakukan dengan melapisi CNTs dengan molekul-molekul surfaktan amfifilik atau polimer (Poli Etilen Glikol). Setelah proses fungsionalisasi, CNTs menjadi hidrofil dan siap untuk digabungkan dengan obat-obatan atau biomolekul (gen, DNA, protein, enzim, biosensors, dll) untuk dihantarkan ke dalam sel target atau organ.APLIKASI KARBON NANOTUBES DALAM BIDANG FARMASI DAN KEDOKTERANAplikasi utama dari CNTs di bidang farmasi dan Kedokteran termasuk obat, dan biomolekul adalah penghantaran gen ke sel atau organ, regenerasi jaringan, dan diagnostik biosensor serta analisis. Untuk penghantaran obat, proses umum menggunakan CNTs dapat dirangkum secara singkat sebagai berikut. Obat ini diikatkan pada permukaan atau bagian dalam gugus fungsional CNTs. Konjugat yang diperoleh kemudian diperkenalkan ke dalam tubuh hewan dengan cara konvensional (oral, injeksi) atau langsung ke tempat target melalui penggunaan konjugat magnetik, misalnya oleh magnet eksternal ke organ target, seperti nodus limfatik. Sel mencerna kapsul obat CNT dan akhirnya nanotube dan menumpahkan isinya ke dalam sel dan dengan demikian obat dihantarkan. Umumnya, CNTs terfungsional memiliki kemampuan menarik untuk membawa molekul melalui membran sitoplasma dan membrane nuklear tanpa menghasilkan efek toksis; oleh karena itu, konjugat obat dan CNTs terbukti lebih aman dan lebih efektif daripada obat yang digunakan sendiri pada penggunaan tradisional.Setelah mencapai sel target, mereka memiliki dua kemungkinan dalam menghantarkan obat: obat memasuki sel tanpa internalisasi pembawa CNT atau kedua obat dan pembawa CNT memasuki sel. Metode internalisasi terkahir lebih efektif daripada yang pertama, karena setelah memasuki sel, lingkungan intraseluler mendegradasi konjugat obat dan pembawa melepaskan molekul-molekul obat secara in situ, yaitu di dalam sel. Sementara, dalam metode tanpa internalisasi, lingkungan ekstraseluler membantu mendegradasi konjugat obat dan pembawa dan obat melintasi sendiri membran lipid untuk masuk ke dalam sel, dengan demikian, ada kemungkinan degradasi obat selama penetrasi ini dengan dirinya sendiri. Ada dua kemungkinan mekanisme internalisasi CNT baik melalui jalur endositosis atau melalui penyisipan dan jalur difusi, yaitu melalui jalur endositosis independen. Namun, jalur mekanisme terakhir ini masih belum diketahui. Selain itu, CNTs memiliki kapasitas bukan hanya menembus ke dalam sel untuk mempromosikan penyerapan selular molekul terapeutik tetapi juga untuk menjaga mereka utuh selama transportasi dan penetrasi seluler. Karbon Nanotubes yang digunakan untuk terapi KankerSabagai Penghantaran obat, CNTs dapat digunakan sebgai pembawa obat untuk menyembuhkan tumor.Efikasi obat antikanker yang digunakan sendiri sudah dicegah tidak hanya oleh toksisitas sistemik dan indeks terapi yang sempit, tetapi juga oleh resistensi obat dan penetrasi selular yang terbatas. Karena CNTs dapat dengan mudah melalui membran sitoplasma dan membran nuklear, obat antikanker diangkut oleh kendaraan ini akan dibebaskan secara in situ dengan konsentrasi utuh dan akibatnya aksinya di dalamsel tumor akan lebih tinggi daripada diberikan sendiri pada terapi tradisional. Dengan demikian, pengembangan sistem penghantaran yang efisien dengan kemampuan untuk meningkatkan penyerapan selular dari obat ampuh yang ada sangat diperlukan. Banyak obat antikanker telah dikonjugasi dengan CNTs fungsional dan telah berhasil diuji secara in vitro dan in vivo seperti epirubicin, doxorubicin, cisplatin, methotrexate, quercetin, dan paclitaxel. Untuk menghindari efek berbahaya dari obat antikanker pada organ-organ yang sehat dan sel-sel, telah mengikatkan epirubicin dengan kompleks CNTs magnetik yang diperoleh dengan memperbaiki lapisan nanopartikel magnetit (Fe3O4) pada permukaan nanotubes dengan jenis necklace-like pada ujung MWCNTs yang diperpendek. Sebuah halangan besar untuk menghasilkan terapi antikanker yang efektif adalah resistensi multidrug disebabkan oleh peningkatan penghancuran obat antikanker p-glikoprotein yang mengalami over-expressed, mengakibatkan efek antikanker yang kecil.

Sebagai Imunoterapi AntitumorBeberapa studi telah menunjukkan bahwa CNTs yang digunakan sebagai pembawa dapat secara efektif diterapkan pada imunoterapi antitumor. Terapi ini terdiri dari perangsangan sistem kekebalan tubuh pasien untuk menyerang sel-sel tumor ganas. Stimulasi ini dapat dicapai oleh administrasi vaksin kanker atau antibodi terapetik sebagai obat. Sebagai terapi lokal antitumor hipertemiaTerapi hipertermia menggunakan CNTs baru-baru ini telah diusulkan sebagai suatu strategi yang efisien untuk pengobatan kanker. SWCNTs menunjukkan absorbansi kuat di wilayah dekat-inframerah (NIR; 700 1100 nm). Nanomaterial ini dianggap sebagai kandidat yang ampuh untuk terapi hipertermia karena CNTs menghasilkan sejumlah besar panas sekalipun tereksitasi dengan cahaya NIR. Efek fototermal dapat menginduksi ablasi termal lokal sel tumor oleh pemanasan berlebihan SWCNTs yang terjerap di dalam sel-sel tumor seperti kanker pankreas. KARBON NANOTUBES UNTUK TERAPI INFEKSI Karena resistensi dari agen penyebab infeksi menular terhadap sejumlah obat antivirus, antibakteri atau dikarenakan vaksin tertentu yang tidak aktif dalam tubuh, CNTs telah diuji untuk mengatasi masalah tersebut. CNTs terfungsional telah menunjukkan dapat bertindak sebagai pembawa untuk agen-agen antimikroba seperti antijamur Amfoterisin B . CNTs terfungsional dapat juga bertindak sebagai pembawa dalam penghantaran vaksin. Ikatan antara antigen bakteri atau virus dengan CNTs menjaga konformasi antigen utuh, dengan demikian merangsang respon antibodi dengan kekhasan yang tepat. Pengikatan CNTs terfungsional dengan epitop peptida sel B dan sel T dapat menghasilkan sebuah sistem multivalent yang dapat menginduksi respon imun yang kuat, oleh karena itu CNTs menjadi kandidat yang baik untuk penghantaran vaksin. Efek antibakteri dikaitkan dengan karbon nanotube yang terinduksi oksidasi oleh antioksidan intraseluler glutathione, mengakibatkan peningkatan tekanan oksidatif pada sel-sel bakteri dan akhirnya kematian sel.KARBON NANOTUBES UNTUK TERAPI GEN DENGAN PENGHANTARAN DNATerapi gen adalah sebuah pendekatan untuk memperbaiki cacat gen yang menyebabkan beberapa penyakit kronis atau penyakit keturunan dengan memperkenalkan molekul DNA ke dalam inti sel. Beberapa sistem penghantaran transfer DNA termasuk liposom, lipid kationik dan partikel nano seperti CNTs yang baru ditemukan. Ketika terikat pada SWCNTs, probe DNA dilindungi dari pemecahan enzimatik dan gangguan ikatan protein asam, akibatnya, kompleks DNA-SWCNT menujukkan biostabilitas yang unggul dan meningkatkan kemampuan penghantaran mandiri diri DNA dibandingkan dengan DNA yang digunakan sendirian. Memang karenanya, kompleks yang stabil antara plasmid DNA dan CNTs kationik telah menunjukkan peningkatan kapasitas terapi gen dibandingkan dengan DNA telanjang. CNTs terkonjugasi dengan DNA yang ditemukan untuk melepaskan DNA sebelum dihancurkan oleh sel-sel sistem pertahanan, meningkatkan transfeksi secara signifikan.KARBON NANOTUBES UNTUK REGENERASI JARINGAN DAN IMPLAN ARTIFISIALKemajuan pengetahuan transplantasi sel dan organ dan CNTs dalam beberapa tahun terakhir telah memberikan kontribusi untuk pengembangan teknik jaringan dan obat-obat regeneratif berbasis CNT. Karbon Nanotubes mungkin kandidat teknik jaringan yang terbaik di antara berbagai bahan lainnya seperti polimer sintetis dan alami untuk jaringan perancah karena nanomaterial ini biokompatibel, tahan terhadap biodegradasi, dan dapat difungsionalisasikan dengan biomolekul untuk meningkatkan regenerasi organ. Dalam bidang ini, CNTs dapat digunakan sebagai tambahan jaringan tambahan untuk memperkuat kekuatan mekanik jaringan perancah dan konduktivitas melaui penggabungan dengan tubuh inang. KARBON NANOTUBES UNTUK PENYAKIT DEGENERATIF SYARAF DAN SINDROM ALZHEIMERSebagai bahan biomedis yang menjanjikan, CNTs telah digunakan dalam pengebangan ilmu persyarafan. Karena ukurannya yang sangat kecil dan modifikasi eksternal yang dapat dilakukan, CNTs mampu melintasi sawar darah - otak melalui berbagai mekanisme penargetan untuk bertindak sebagai pembawa penghantaran yang efektif pada target otak. Banyak SWCNTs atau MWSCNTs terfungsional lain memiliki telah berhasil digunakan sebagai sistem penghantaran yang cocok untuk mengobati penyakit neurodegeneratif atau tumor otak.KARBON NANOTUBES SEBAGAI ANTIOKSIDANCNTs dan khususnya SWCNTs terkarboksilasi adalah antioksidan dalam alam dan mungkin memiliki aplikasi biomedis yang berguna untuk pencegahan penyakit kronis, penuaan dan pengawet makanan [11, 38]. Sifat Antioksidan mereka telah digunakan dalam kosmetik antiaging dan krim tabir surya untuk melindungi kulit terhadap radikal bebas yang dibentuk oleh tubuh atau oleh sinar UV Matahari [3, 26].KARBON NANOTUBES SEBAGAI BIOSENSOR UNTUK DIAGNOSTI DAN DETEKSI Biosensor adalah perangkat analisis, digunakan untuk mendeteksi analit yang menggabungkan komponen biologis dengan detektor secara fisikokimia. Penggunaan CNTs dalam nanoteknologi biosensing adalah hal baru dan mewakili daerah aplikasi yang hampir menarik untuk pemantauan terapi dan diagnostik secara in vitro dan in vivo. Sebagai contoh, CNTs telah digabungkan dengan biosensors glucoseoxidase untuk kontrol gula darah pada pasien diabetes dengan akurasi tinggi dan manipulasi lebih sederhana daripada biosensor yang digunakan sendirian. Biosensors CNT-enzim lain seperti CNT didasarkan biosensors dehidrogenase atau peroksidase dan biosensor catalase juga telah dikembangkan untuk pemantauan terapi yang berbeda dan diagnostik. Karena panjang skala dan struktur unik mereka, penggunaan CNTs sebagai kendaraan biosensor sangat dianjurkan untuk mengembangkan teknik-teknik yang sensitif untuk diagnostik dan analisis dari laboratorium ke klinik.KARBON NANOTUBES UNTUK PEMISAHAN ENANTIO OBAT STRUKTUR KIRAL DAN BIOKIMIADalam industri farmasi, 56% obat yang dipakai sekarang adalah produk kiral dan 88% dari yang terakhir yang dipasarkan sebagai campuran rasemat terdiri dari campuran equimolar dari dua enantiomer. FDA merekomendasikan penilaian dari setiap aktivitas enantiomer untuk obat-obatan rasemik dalam tubuh dan mempromosikan pengembangan obat kiral baru sebagai enantiomer tunggal. Fase stasioner MWCNT kiral ikatan silang dengan hydroxypropyl - cyclodextrin untuk pemisahan enantio Kelnbuterol rasemik, bronkodilator, dengan faktor resolusi tinggi.KARBON NANOTUBES UNTUK EKSTRAKSI FASE PADAT DARI OBAT DAN BIOKIMIABerhubungan dengan interaksi kuat CNTs dengan molekul-molekul lain, terutama dengan zat kimia yang mengandung cincin benzena, permukaan CNTs memiliki kemampuan adsorpsi yang sangat baik. CNTs belum terfungsional atau telah terfungsional telah diselidiki sebagai Adsorben ekstraksi fase padat (SPE) yang digunakan sendiri atau di konjugasi dengan sorben SPE klasik (C18 silika, XAD-2 kopolimer) untuk ekstraksi analitik obat-obatan, pestisida, atau senyawa alami dalam berbagai media cairan biologis, persiapan obat, lingkungan, tanaman, organ hewan dan sebagainya. Banyak aplikasi lain dari CNTs dalam SPE telah dilakukan untuk analisis beragam pestisida (carbofuran, iprobenfos, metil parathion, dll), pengawet fenolik, dan senyawa alami (piperine dari lada). Selain itu, CNTs bisa dimanfaatkan untuk ekstraksi ion anorganik dan senyawa organologam sebaik dalam preparasi fase stasioner (normal) kolom GC atau LC.FARMAKOKINETIK DAN METABOLISME KARBON NANOTUBESBiodistribusi dan profil Farmakokinetik dari partikel nano tergantung pada sifat karakteristik fisikokimia seperti permukaan terfungsionalisasi, kelarutan, bentuk, agregasi, dan komposisi kimia. Profil biodistribusi yang ditemukan sangat mirip untuk kedua jenis CNTs fungsional yang menunjukkan afinitas untuk ginjal, otot, kulit, tulang, dan darah setelah pemberian 30 menit Namun, semua jenis CNTs cepat dibersihkan dari semua jaringan dan memiliki waktu paruh dalam sirkulasi darah maksimum 3,5 jam. SCWNT dan MWCNT ditemukan dieksresi melalui rute ginjal dan diamati dalam bentuk utuh dalam urin yang diekskresikan oleh mikroskop transmisi elektron.EFEK TOKSIK KARBON NANOTUBESHasil Uji Toksikologi CNTs yang ditemukan dalam literatur tampaknya bertentangan. Beberapa tes awal secara in vitro yang telah menunjukkan bahwa CNTs adalah aman untuk sel-sel tertentu, sementara studi lain yang lebih lanjut telah menunjukkan bahwa CNTs, terutama bahan bakunya berpotensi berbahaya untuk banyak sistem kehidupan.Studi Toksikologi In Vitro Beberapa penilaian toksisitas secara in vitro , Karbon Nanotubes berdinding tunggal (SWCNT) yang terdispersi dalam udara terhadap sel-sel A549, sel paru-paru manusia, dikonfirmasi bahwa ada tidak ada lokalisasi intraseluler SWCNT di sel A549 dan menunjukkan bahwa SWCNT bisa menginduksi toksisitas langsung oleh perubahan medium kultur sel yang menyebabkan efek toksik positif palsu.Studi Toksikologi In Vivo Data kemananan secara kolektif menunjukkan bahwa CNTs memiliki toksisitas yang rendah melalui berbagai jalur pemaparan untuk aplikasi biomedis. Di sisi lain, ketika CNTs telah digunakan sebagai material teknik jaringan untuk pertumbuhan sel dengan menanamkannya secara subkutan, CNTs menunjukkan biokompatibilitas yang sangat baik dan tidak muncul gejala toksisitas yang serius, kecuali inflamasi yang sangat jarang.Toksisitas terhadap manusia Sampai saat ini aplikasi CNTs terfungsionalisasi terkait dengan molekul terapeutik masih belum diuji pada manusia untuk uji klinis, kebanyakan publikasi yang ditemukan dalam literatur mengatakan bahwa CNTs murni bisa menjadi sumber penyakit paru-paru pada pekerja industri CNT seperti patologi asbes sebelumnya diamati dalam manusia. Didasarkan pada beberapa studi terhadap hewan pengerat dalam pengujian debu yang diberikan intratekal atau intrafaringeal untuk menilai toksisitas paru yang diproduksi CNTs, penulis ini menyimpulkan bahwa CNTs yang mampu menghasilkan radang, granuloma epithelioid, fibrosis, dan perubahan biokimia dalam paru-paru.

Ulasan singkat ini mengungkapkan banyak manfaat yang spektakuler dari Karbon Nanotubes dari aplikasi terbaru mereka dalam berbagai bidang farmasi dan kedokteran. Penemuan bionanotechnologi ini telah membuka alternatif baru yang lebih efektif daripada metode pemberian obat konvensional sejak CNTs dapat melalui membran sel, membawa obat-obatan, gen, Biomolekul, vaksin, dan sebagainya jauh ke dalam sel target atau organ-organ yang sebelumnya tidak terjangkau. Pendekatan baru yang lain adalah penggunaan bahan kolagen CNTs sebagai perancah di generasi jaringan dan implan buatan karena CNTs tahan terhadap biodegradasi dan kandidat teknik yang kuat atas bahan lain yang digunakan untuk memperbaiki organ yang cacat. Selain itu, CNTs yang dikombinasikan dengan biosensors atau bahan lainnya telah terbukti sebgai alat-alat yang hebat untuk pemantauan terapi dan diagnosis penyakit serta untuk analisis obat-obatan di daerah yang berbeda. Juga dianjurkan untuk mengembangkan potensi penangkal radikal bebas dari CNTs terfungsionaliasi untuk pemeliharaan kesehatan. Secara keseluruhan, nanoteknologi ini bisa merevolusi konsep terapi di masa depan dan memberikan secercah harapan untuk pengobatan penyakit yang tak tersembuhkan. Namun, meskipun banyak hasil mengejutkan CNTs yang diperoleh selama awal penelitian ini, masih ada peluang luar biasa yang harus dieksplorasi dan menjadi tantangan dan risiko yang jelas yang harus diselesaikan. Oleh karena itu, imajinasi dan inovasi yang lebih banyak diperlukan untuk menguraikan bentuk baru CNTs yang berbeda dan konjugat mereka ynag memiliki efikasi tinggi dan aman untuk penggunaan obat di masa depan. Misalnya, perispan CNTs di masa depan harus dipasangkan dengan marker sensitif baru sehingga mereka bisa langsung mencapai sel target atau ilmuwan dapat dengan mudah mengarahkan mereka dari luar menuju organ target untuk menghindari efek samping pada jaringan sehat lain. Di saat yang sama, banyak rintangan dari nanoteknologi ini harus diselesaikan atau diperjelas. Toksisitas terhadap manusia dalam berbagai bentuk CNTs untuk pengobatan jangka pendek dan jangka panjang adalah perhatian penting ketika mereka akan diuji secara klinik. Beberapa penelitian Toksikologi awal secara in vitro dan pada hewan yang baru saja dilakukan telah menunjukkan hasil yang kontroversial. Hati-hati dalam mengoptimasi parameter fisikokimia untuk meminimalkan toksisitas CNTs adalah sangat menguntungkan. Penyelidikan Toksikologi lebih lanjut tentang berbagai bentuk CNTs dari CNTs murni ke CNTs terfungsional dan konjugat mereka sangat dianjurkan sebelum mereka dapat secara efektif digunakan dalam studi klinis dan kemudian dipasarkan di seluruh dunia.