A. RHEOLOGI

Rheologi berasal dari bahasa Yunani yaitu rheo dan logos. Rheo berarti

mengalir, dan logos berarti ilmu. Rheologi adalah istilah yang digunakan untuk

menggambarkan aliran cairan dan deformasi dari padatan. Rheologi mempelajari

hubungan antara tekanan gesek (shearing stress) dengan kecepatan geser

(shearing rate) pada cairan, atau hubungan antara strain dan stress pada benda

padat. Rheologi erat kaitannya dengan viskositas.

Rheologi sangat penting dalam farmasi karena penerapannya dalam

formulasi dan analisis dari produk-produk farmasi seperti: emulsi, pasta, krim,

suspensi, losion, suppositoria, dan penyalutan tablet yang menyangkut stabilitas,

keseragaman dosis, dan keajekan hasil produksi. Misalnya, pabrik pembuat krim

kosmetik, pasta, dan lotion harus mampu mneghasilkan suatu produk yang

mempunyai konsistensi dan kelembutan yang dapat diterima oleh konsumen.

Selain itu, prinsip rheologi digunakan juga untuk karakterisasi produk sediaan

farmasi (dosage form) sebagai penjaminan kualitas yang sama untuk setiap batch.

Rheologi juga meliputi pencampuran aliran dari bahan, penuangan, pengeluaran

dari tube, atau pelewatan dari jarum suntik. Rheologi dari suatu zat tertentu dapat

mempengaruhi penerimaan obat bagi pasien, stabilitas fisika obat, bahkan

ketersediaan hayati dalam tubuh (bioavailability). Sehingga viskositas telah

terbukti dapat mempengaruhi laju absorbsi obat dalam tubuh.

Penggolongan sistem cair menurut tipe aliran dan deformasinya ada dua

yaitu: Sistem Newton dan Sistem non-Newton. Pada cairan Newton, hubungan

antara shearing rate dan shearing stress adalah linear, dengan suatu tetapan yang

dikenal dengan viskositas atau koefisien viskositas. Tipe alir ini umumnya

dimiliki oleh zat cair tunggal serta larutan dengan struktur molekul sederhana

dengan volume molekul kecil. Tipe aliran yang mengikuti Sistem Newton,

viskositasnya tetap pada suhu dan tekanan tertentu dan tidak tergantung pada

kecepatan geser, sehingga viskositasnya cukup ditentukan pada satu kecepatan

geser. Sedangkan pada cairan non-Newton, shearing rate dan shearing stress

tidak memiliki hubungan linear, viskositasnya berubah-ubah tergantung dari

besarnya tekanan yang diberikan. Tipe aliran non-Newton terjadi pada dispersi

heterogen antara cairan dengan padatan seperti pada koloid, emulsi, dan suspensi.

Ada beberapa istilah dalam Sistem Newton ini :

Rate of shear (D) dv/dr untuk menyatakan perbedaan kecepatan (dv) antara

dua bidang cairan yang dipisahkan oleh jarak yang sangat kecil (dr).

Shearing stress (τ atau F ) F’/A untuk menyatakan gaya per satuan luas

yang diperlukan untuk menyebabkan aliran.

F’/A = η dv/dr

η = (F’/A) / (dv/dr)= F / G

Sedangkan pada Sistem Non – Newton. Ada 3 jenis tipe aliran dalam sistem Non-

Newtonian, yaitu : PLASTIS, PSEUDOPLASTIS, dan DILATAN.

Laju alir sebagai hasil dari peningkatan gaya ketika laju alir ditingkatkan

sedangkan untuk memberikan gaya laju alir dikurangi ketika viskositas

ditingkatkan.

B. PENERAPAN RHEOLOGI DALAM FARMASI

1. Cairan dapat diterapkan pada :

a. Pencampuran

b. Pengurangan ukuran partikel dari sistem sistem dispersi dengan

shear

c. Pelewatan melalui mulut, penuangan, pengemasan dalam botol,

pelewatan melalui jarum suntik

d. Perpindahan cairan

e. Stabilitas fisik sistem dispersi

2. Semi solid diterapkan pada :

a. Penyebaran dan pelekatan pada kulit

b. Pemindahan dari wadah/tube

c. Kemampuan zat padat untuk bercampur dengan cairan-cairan

d. Pelepasan obat dari basisnya

3. Padatan diterapkan pada :

a. Aliran serbuk dari corong ke lubang cetakan tablet/kapsul

b. Pengemasan serbuk/granul

4. Pemprosesan diterapkan pada :

a. Kapasitas produksi alat

b. Efisiensi pemrosesan

C. VISKOSITAS

Viskositas adalah suatu pernyataan “ tahanan untuk mengalir” dari suatu

sistem yang mendapatkan suatu tekanan. Makin kental suatu cairan, makin besar

gaya yang dibutuhkan untuk membuatnya mengalir pada kecepatan tertentu.

Viskositas dispersi kolodial dipengaruhi oleh bentuk partikel dari fase dispersi.

Koloid-koloid berbentuk bola membentuk sistem dispersi dengan viskositas

rendah, sedang sistem dispersi yang mengandung koloid-koloid linier

viskositasnya lebih tinggi. Hubungan antara bentuk dan viskositas merupakan

refleksi derajat solvasi dari partikel ( Moechtar,1990).

Viskositas mula-mula diselidiki oleh Newton, yaitu dengan mensimulasikan

zat cair dalam bentuk tumpukan kartu seperti pada gambar berikut :

Zat cair diasumsikan terdiri dari lapisan-lapisan molekul yang sejajar satu

sama lain. Lapisan terbawah tetap diam, sedangkan lapisan di atasnya bergerak

dengan kecepatan konstan, sehingga setiap lapisan akan bergerak dengan

kecepatan yang berbanding langsung dengan jaraknya terhadap lapisan terbawah

yang tetap. Perbedaan kecepatan dv antara dua lapisan yang dipisahkan dengan

jarak dx adalah dv/dx atau kecepatan geser (rate of share). Sedangkan gaya satuan

luas yang dibutuhkan untuk mengalirkan zat cair tersebut adalah F/A atau tekanan

geser (shearing stress) (Astuti dkk, 2008).

Menurut Newton :

F/A = dv/dx

F/A = h dv/dx

h = F/A

dv/dx

h = koefisien viskositas, satuan Poise

Viskositas dinyatakan dalam simbol η. Viskositas η merupakan

perbandingan antara shearing stress F’/A dan rate of shear dv/dr. Satuan

viskositas adalah poise atau dyne detik cm -2.

Bila viskositas gas meningkat dengan naiknya temperatur, maka viskositas

cairan justru akan menurun jika temperatur dinaikkan. Fluiditas dari suatu cairan

yang merupakan kebalikan dari viskositas akan meningkat dengan makin

tingginya temperatur ( Martin, 2006).

Hubungan antara viskositas dengan suhu dapat ditunjukkan pada persamaan

Arrhenius :

h = A e Ev/RT

A : konstanta yang tergantung pada berat molekul dan volume molar zat cair

Ev : energi aktivasi

R : konstanta gas

T : suhu mutlak

Viskositas dipengaruhi oleh :

1. Besar dan bentuk molekul

2. Viskositas cairan semakin berkurang dengan bertambahnya suhu tapi tak

cukup banyak dipengaruhi oleh perubahan tekanan.

3. Adanya koloid dapat memperbesar viskositas sedang adanya elektrolit

akan sedikit menurunkan viskositas dari cairan

Viskositas dapat berpengaruh pada formulasi sediaan-sediaan farmasi,

contohnya pada sediaan suspensi, tidak boleh terlalu kental (viskositas tinggi)

sehingga menyebabkan suspensi tidak bisa di kocok, hal ini dapat menyebabkan

distribusi zat aktif tidak merata pada seluruh cairan dan juga akan mengalami

kesulitan pada saat penuangan, contoh lain untuk sediaan mata, viskositas

dinaikkan untuk membantu menahan obat pada jaringan sehingga menambah

efektivitas terapinya (Ansel, 2005).

Viskositas dalam zat cair, yang berperan adalah gaya kohesi antar partikel

zat cair. Viskositas dalam gas yang berperan adalah gaya akibat tumbukan antar

molekul-molekul dalam gas. Suatu jenis cairan yang mudah mengalir, dapat

dikatakan memiliki viskositas yang rendah, dan sebaliknya bahan – bahan yang

distribusi kecepatan sulit mengalir dikatakan memiliki viskositas yang tinggi.

Pada hukum aliran viskos, Newton menyatakan hubungan antara gaya – gaya

mekanika dari suatu aliran viskos sebagai : Geseran dalam ( viskositas ) fluida

adalah konstan sehubungan dengan gesekannya. Hubungan tersebut berlaku

untuk fluida Newton, di mana perbandingan antara tegangan geser dengan

kecepatan gesernya konstan. Parameter inilah yang disebut dengan viskositas.

Aliran viskos dapat digambarkan dengan dua buah bidang sejajar yang dilapisi

fluida tipis diantara kedua bidang tersebut. (Martin, 1993).

Pada dasarnya makin besar viskositas suatu cairan, akan makin besar pula

gaya per satuan luas (shearing stress) yang diperlukan untuk menghasilkan suatu

rate of shear tertentu, sehingga rate of shear harus sebanding langsung dengan

shearing stress.

D. PENGUKURAN VISKOSITAS & RHEOLOGI

Berhasil tidaknya penentuan dan evaluasi sifat-sifat rheologis dari suatu

sistem tertentu bergantung pada pemilihan alat ukur viskositas (viskosimeter).

Semua viskosimeter dapat digunakan untuk menentukan viskositas cairan Newton

dan hanya viskosimeter yang bekerja pada berbagai rate of shear yang dapat

digunakan untuk cairan non-Newton.

Cara menentukan viskositas suatu zat menggunakan alat yang dinamakan

viskometer. Viskometer dibagi menjadi dua, yaitu viskometer satu titik (misalnya,

viskometer kapiler, bola jatuh atau hoeppler, penetrometer, plate-plastometer, dll).

Sedangkan viskometer titik ganda (misalnya viskometer rotasi tipe stromer,

Brookfield, rotovisco, dll). Ada beberapa tipe viskometer yang biasa digunakan

antara lain :

a. Viskometer kapiler / Ostwald

Viskositas dari cairan Newton bisa ditentukan dengan mengukur waktu

yang dibutuhkan bagi cairan tersebut untuk lewat antara 2 tanda ketika ia

mengalir karena gravitasi melalui viskometer Ostwald. Waktu alir dari

cairan yang diuji dibandingkan dengan waktu yang dibutuhkan bagi suatu

zat yang viskositasnya sudah diketahui ( biasanya air ) untuk lewat 2 tanda

tersebut (Martin, 1993).

b. Viskometer Hoppler

Berdasarkan hukum Stokes pada kecepatan bola maksimum, terjadi

keseimbangan sehingga gaya gesek = gaya berat – gaya archimides. Prinsip

kerjanya adalah menggelindingkan bola ( yang terbuat dari kaca ) melalui

tabung gelas yang hampir tikal berisi zat cair yang diselidiki. Kecepatan

jatuhnya bola merupakan fungsi dari harga resiprok sampel ( Martin, 1993).

c. Viskometer Cup dan Bob

Prinsip kerjanya sampel digeser dalam ruangan antara dinding luar dari bob

dan dinding dalam dari cup di mana bob masuk persis di tengah-tengah.

Kelemahan viskometer ini adalah terjadinya aliran sumbat yang disebabkan

geseran yang tinggi di sepanjang keliling bagian tube sehingga

menyebabkan penurunan konsentrasi. Penurunan konsentrasi ini

menyebabkan bagian tengah zat yang ditekan keluar memadat. Hal ini

disebut aliran sumbat ( Martin, 1993).

d. Viskometer Cone dan Plate

Cara pemakaiannya adalah sampel ditempatkan di tengah-tengah papan,

kemudian dinaikkan hingga posisi di bawah kerucut. Kerucut digerakkan

oleh motor dengan bermacam kecepatan dan sampelnya digeser di dalam

ruang sempit antara papan yang diam dan kemudian kerucut yang berputar (

Martin, 1993 ).

Hampir seluruh sistem dispersi termasuk sediaan-sediaan farmasi yang

berbentuk emulsi, suspensi, dan sediaan setengah padat tidak mengikuti hukum

Newton. Viskositas cairan semacam ini bervariasi pada setiap kecepatan geser,

sehingga untuk mengetahui sifat alirannya dilakukan pengukuran pada beberapa

kecepatan geser. Untuk menentukan viskositasnya dipergunakan viskometer rotasi

Stormer. Berdasarkan grafik sifat alirannya (rheogram), cairan non Newton

terbagi dalam dua kelompok, yaitu :

1. Cairan yang sifat alirannya tidak dipengaruhi waktu.

Kelompok ini terbagi atas tiga jenis, yakni :

a) Aliran plastik

b) Aliran pseudoplastik

c) Aliran dilatan

2. Cairan yang sifat alirannya dipengaruhi oleh waktu.

Kelompok ini terbagi atas tiga jenis, yakni :

a) Tiksotropik

b) Antitiksotropik

c) Rheopeksi

Pada percobaan viskositas dan rheologi, viskometer yang digunakan pada

viskometer satu titik yaitu viskometer hoeppler atau bola jatuh dan pada

viskometer titik ganda digunakan viskometer Brookfield. Dalam pengukuran

viskometer satu titik dengan viskometer hoeppler atau bola jatuh misalnya saja

menggunakan cairan atau larutan gliserin dan sirupus simpleks. Pada gliserin bola

yang memiliki waktu pengukuran antara 30-500 detik adalah bola kedua yaitu 31

detik. Dari hasil penimbangan dan perhitungan, gliserin memiliki masa atau bobot

jenis 1,25 gm/cm3 dan sirupus simpleks memiliki masa/bobot jenis 1,387

gram/cm3. Hal ini berarti semakin kecil masa jenis suatu cairan atau larutan maka

semakin kecil ukuran bola yang digunakan dan semakin lama waktu yang

dibutuhkan bola tersebut untuk melampaui garis awal sampai garis akhir.

Sebaliknya, semakin besar masa jenis suatu cairan atau larutan maka semakin

besar ukuran bola yang digunakan dan semakin cepat waktu yang dibutuhkan bola

tersebut untuk melampaui garis awal sampai garis akhir. Selain itu, semakin kecil

masa jenis suatu cairan maka semakin besar viskositasnya, sehingga bola

membutuhkan waktu yang lama untuk sampai di garis akhir. Dan semakin besar

masa jenis suatu cairan maka semakin kecil viskositasnya, sehingga bola hanya

membutuhkan waktu yang singkat untuk sampai di garis akhir.

            Dalam pengukuran viskometer titik ganda dengan viskometer Brookfield

menggunakan cairan ( larutan ) gliserin, CMCNa dan PGA. Dari hasil percobaan

cairan gliserin merupakan cairan Newton, karena gliserin memiliki viskositas

konstan pada suhu dan tekanan konstan. Pada cairan CMCNa merupakan cairan

non Newton di pengaruhi oleh waktu, karena CMCNa meemiki viskositas tidak

konstan. Akan tetapi, pengujian dengan cairan PGA tidak diketahui atau

dihasilkan nilai viskositasnya sehingga cairan PGA tidak diketahui termasuk

golongan cairan Newton atau non Newton. (Lecture Note 1990).

E. APLIKASI RHEOLOGI & VISKOSITAS TERHADAP STABILITAS

SUSPENSI MAUPUN EMULSI

1. Viskositas Suspensi

Kekentalan suatu cairan mempengaruhi pula kecepatan aliran dari cairan

tersebut, makin kental suatu cairan kecepatan alirannya makin turun (kecil).

Kecepatan aliran dari cairan tersebut akan mempengaruhi pula gerakan

turunnya partikel yang terdapat di dalamnya. Dengan demikian dengan

menambah viskositas cairan, gerakan turun dari partikel yang dikandungnya

akan diperlambat. Tetapi perlu diingat bahwa kekentalan suspensi tidak

boleh terlalu tinggi agar sediaan mudah dikocok dan dituang. Hal ini dapat

dibuktikan dengan hukum “ STOKES “.

d 2 ( - 0 ) g

V = -------------------------

h

Keterangan : V = kecepatan aliran

d = diameter dari partikel

= berat jenis dari partikel

0 = berat jenis cairan

g = gravitasi

h = viskositas cairan

2. Metode Rheologi pada Suspensi

Berhubungan dengan faktor sedimentasi dan redispersibilitas, membantu

menentukan perilaku pengendapan, mengatur vehicle dan susunan partikel

untuk tujuan perbandingan.

3. Stabilitas Emulsi

Ukuran partikel yang didistribusi partikel menunjukkan peranannya dalam

menentukan viskositas emulsi. Umumnya emulsi dengan partikel yang

makin halus menunjukkan viskositas yang makin besar dibandingkan

dengan emulsi dengan partikel yang lebih kasar. Jadi, emulsi dengan

distribusi partikel yang besar memperlihatkan viskositas yang kurang /

kecil.

Untuk mendapatkan suatu emulsi yang stabil atau untuk menaikkan

stabilitas suatu emulsi dapat dengan cara menambahkan zat-zat yang dapat

menaikkan viskositasnya dari fase luar. Bila viskositas fase luar dipertinggi

maka akan menghalangi pemisahan emulsi.

Viskositas emulsi dipengaruhi oleh perubahan komposisi adanya hubungan

linear antara viskositas emulsi dan viskositas fase kontinyu; makin besar

volume fase dalam, makin besar pula viskositas nyatanya. Untuk mengatur

viskositas emulsi, tiga faktor interaksi yang harus dipertimbangkan oleh

pembuat formula, yaitu :

2. Viskositas emulsi o/w dan w/o dapat ditingkatkan dengan mengurangi

ukuran partikel fase terdispersi ,

3. Kestabilan emulsi ditingkatkan dengan pengurangan ukuran partikel,

4. Flokulasi atau penggumpalan, yang cenderung membentuk fase dalam

yang dapat meningkatkan efek penstabil, walaupun ia meningkatkan

viskositas. Biasanya viskositas emulsi meningkat dengan

meningkatnya umur sediaan tersebut.

DAFTAR PUSTAKA

Ansel, C. Howard. 2005. Pengantar Bentuk Sediaan Farmasi. Jakarta : UI-Press

Astuti, K.W., M.P. Susanti, I.M.A.G. Wirasuta, dan I.N.K. Widjaja. 2007.

“Petunjuk Praktikum Farmasi Fisik”. Jimbaran: Jurusan Farmasi Fakultas

Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Univesitas Udayana.

Astuti, K.W., M.P. Susanti, I.M.A.G. Wirasuta, dan I.N.K. Widjaja. 2008. “Buku

Ajar Farmasi Fisik”. Jimbaran: Jurusan Farmasi Fakultas Matematika dan

Ilmu Pengetahuan Alam Univesitas Udayana.

Martin, A., J. Swarbrick, dan A. Cammarata. 2008. Farmasi Fisika 2 Edisi

Ketiga. Jakarta : UI Press.

Moechtar. 1990. Farmasi Fisika Bagian Struktur Atom dan Molekul Zat Padat

dan Mikromeritika. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press.

Soewandhi, N Sundani. 2009. Rheologi. Bandung: Sekolah Farmasi ITB.