Nanopartikel Hemin Berbentuk Keci dan Bola Hasil Diálisis: Peningkatan Kelarutan 308-Kali untuk Ketersediaan Besi
Abstrak
Hemin merupakan sumber besi yang tersedia tinggi secara biologis, namun keterbatasannya terletak pada kelarutan air yang sangat rendah. Kami melaporkan pendekatan sederhana berbasis diálisis yang menghasilkan dua morfologi nanopartikel hemin yang berbeda—berbentuk keci (≈200 nm kepala, 100 nm ekor) dan berbentuk bola (50–100 nm). Keduanya menunjukkan peningkatan kelarutan yang dramatis, dengan partikel berbentuk bola mencapai peningkatan 308 kali pada suhu 25 °C dibandingkan hemin bebas. Nanopartikel tersebut tetap stabil di seluruh pH asam, suhu tinggi, dan kekuatan ionik, serta menunjukkan serapan inframerah dekat yang kuat, menjadikannya calon yang menjanjikan untuk penguat makanan, pengiriman obat medis, dan terapi fototermal.
Pendahuluan
Kekurangan besi mempati hampir 20 % populasi global, yang mengakibatkan anemia dan penurunan kualitas hidup. Meskipun besi non-hemi dari sumber tumbuhan mudah didapatkan, penyerapannya seringkali kurang optimal. Hemin—yang berasal dari hemoglobin dan mioglobin—menawarkan penyerapan yang lebih baik (50–87 %) namun menderita hidrofobisitas dan kelarutan buruk, menghambat penggunaan praktisnya. Strategi konvensional seperti kompleksasi protein, kristalisasi bersama arginine, dan inklusi sikloksetrin telah meningkatkan kelarutan namun melibatkan prosedur kompleks yang membatasi skalabilitas.
Nanoteknologi memberikan jalur yang menarik untuk meningkatkan sifat fisikokimia bioaktif hidrofobik tanpa mengubah atribut sensoris. Nanopartikel dapat meningkatkan kelarutan sembrono, meningkatkan ketersediaan biologis, dan memungkinkan pengiriman target. Di sini, kami mengembangkan metode diálisis sederhana untuk menghasilkan nanopartikel hemin yang berbeda, mengevaluasi morfologi, stabilitas fisikokimia, dan kelarutan, serta menyoroti aplikasi potensialnya.
Bahan dan Metode
Bahan
Hemin dan selang diálisis 8–12 kDa diperoleh dari Beijing Solarbio. Aseton (≥ 99,5 %) didapatkan dari Kant Chemical. Semua reagen lain adalah kelas analitik.
Persiapan Nanopartikel Hemin
Hemin (0,1 atau 0,5 mg mL⁻¹) dilarutkan dalam aseton yang diasamkan dengan 0,1 mL HCl. Larutan dialisis terhadap air deionis, dengan pergantian air harian, hingga penyapukan beku menghasilkan nanopartikel. Parameter yang bervariasi mencakup rasio hemin/air (1:3, 1:5, 1:10, 1:50), suhu (4 °C atau 25 °C), dan durasi diálisis (1–5 hari).
Mikroskopi Transmisi Elektron (TEM)
Gambar ditangkap pada TEM Hitachi 7700 pada 80 kV. Sampel dicetak tetes pada grid dilapisi karbon dan dikeringkan beku.
Pencaharan Dinamis Cahaya (DLS)
Ukuran, potensial ζ, dan PDI diukur dengan Malvern Zetasizer Nano (pencerahan 0,05 % dalam air MilliQ, 25 °C).
Spektroskopi UV–Vis
Spektrum serapan (200–800 nm) dicatat pada spectrophotometer TU-1810. Konsentrasi ditentukan pada 640 nm.
Uji Kelarutan
Larutan tersaturasi hemin bebas dan nanopartikel diaduk pada 25, 37, 60, dan 80 °C (500 rpm, 30 menit). Übernans difugasikan, diencerkan, dan dianalisis dengan UV–Vis.
Uji Stabilitas
Suspensi nanopartikel (0,5 mg mL⁻¹) diekspos ke pH 2–11, suhu 25–80 °C, dan NaCl (0–500 mM). Ukuran, potensial ζ, PDI, dan kekaburan dipantau selama satu malam pada 25 °C.
FTIR, Fluoresens, dan XRD
Spektrum FTIR (400–4000 cm⁻¹) dikumpulkan dengan Jasco Tensor 27. Fluoresens (pengeskripsi 402 nm, emisi 300–600 nm) diukur pada Hitachi F-7000. Pola XRD (2θ 4–40°) diperoleh menggunakan Bruker AXS D8 ADVANCE.
Hasil dan Pembahasan
Pembentukan dan Morfologi
Pada 0,5 mg mL⁻¹ hemin, nanopartikel berbentuk bola (50–100 nm) muncul pada rasio hemin/air 1:10 setelah 3 hari diálisis. Rasio yang lebih tinggi (1:50) menghasilkan agregat berbentuk batang. Sebaliknya, 0,1 mg mL⁻¹ hemin menghasilkan partikel berbentuk keci (≈200 nm kepala, 100 nm ekor) dalam kondisi identik. TEM mengonfirmasi struktur monodispers; DLS menunjukkan diameter hidrodinamis 218 ± 6 nm (bola) dan 300 ± 8 nm (keci). Potensial ζ adalah −21 mV (bola) dan −11 mV (keci), yang menunjukkan stabilitas koloidal yang baik. Nilai PDI (0,35–0,40) mencerminkan distribusi ukuran yang sempit.
Sifat Optik
Spektrum UV–Vis mengungkapkan pergeseran pita Soret dari 344 nm (hemin bebas) ke 265 nm (nanopartikel), yang menunjukkan konjugasi π-π yang ditingkatkan. Kedua bentuk nanopartikel menunjukkan serapan inframerah dekat yang kuat (≈660–770 nm), yang menguntungkan untuk aplikasi fototermal dan fotoakustik. Emisi fluoresens mencapai puncak pada 500 nm, lebih tinggi daripada hemin bebas, kemungkinan karena peningkatan kelarutan.
Peningkatan Kelarutan
Kelarutan hemin bebas pada 25 °C adalah 0,009 mg mL⁻¹. Nanopartikel berbentuk bola mencapai 1,33 mg mL⁻¹, peningkatan 308 kali. Partikel berbentuk keci terlarut hingga 1,00 mg mL⁻¹. Kelarutan naik seiring suhu untuk semua sampel, mengonfirmasi pelarutan yang diaktifkan termal.
Konfirmasi Struktural
Spektrum FTIR menunjukkan lebar pita N–H/O–H (3470 cm⁻¹) pada nanopartikel, yang menunjukkan ikatan hidrogen yang lebih kuat. Pola XRD bola mempertahankan pita kristal hemin bebas, sedangkan keci menunjukkan kristalin yang dikurangi (35,7 % vs. 56,7 % untuk hemin bebas), yang mengindikasikan amorfisasi parsial.
Stabilitas
Nanopartikel tetap stabil pada pH asam (≤ 7) dengan perubahan ukuran dan PDI yang minimal. Pada pH basa (≥ 9), agregasi meningkat (> 400 nm). Paparan termal hingga 80 °C menyebabkan pertumbuhan ukuran ringan tetapi mempertahankan integritas koloidal. Kekuatan ionik tinggi (≥ 250 mM NaCl) menyebabkan destabilisasi dispersi.
Kesimpulan
Kami telah berhasil merancang nanopartikel hemin berbentuk keci dan bola melalui metode diálisis sederhana, mencapai peningkatan kelarutan 308 kali pada 25 °C. Partikel tersebut menunjukkan stabilitas asam dan termal yang baik serta serapan inframerah dekat yang kuat, menjadikannya platform serbaguna untuk penguatan besi, pengiriman obat, dan terapi fototermal. Penelitian mendatang akan berfokus pada pemuatan terapeutik dan pengoptimalan respons optotermal.
