Одностадийный синтез гидрофильных мезопористых углеводородов, допированных азотом, из трехкомпонентной системы на основе хитозана для высвобождения лекарств

Введение

Мезопористый диоксид кремния [1, 2], мезопористые молекулярные сита [3], мезопористый углерод [4,5,6] и другие материалы широко используются в области биомедицины. Среди них мезопористые углеродные материалы обладают лучшими свойствами с точки зрения удельной площади поверхности, объема пор, хорошей химической и термической стабильности [7], следовательно, они более подходят в качестве материалов для превосходной загрузки лекарственного средства. Сообщалось, что мезопористые углеродные материалы широко использовались при загрузке противоопухолевых препаратов (камптотецин [8], доксорубицин [9,10,11,12], паклитаксел [13,14,15,16], фототермическая терапия, интегративная терапия, маркировка флуоресцентных клеток, биосорбция токсичных веществ для человека, медицинская визуализация и биосенсор [17].

В настоящее время в качестве источников углерода для получения мезопористого углерода обычно используются фенольные смолы [18, 19] и сахароза [20, 21]. Однако существуют потенциальные опасности для окружающей среды, связанные с использованием фенольных смол в качестве источника углерода. Также сахароза имеет недостатки сложного процесса приготовления и дороговизны. Гидрофильность мезопористых углеродных материалов, полученных из этих двух материалов-источников углерода, низкая, что ограничивает использование мезопористого углерода в качестве загрузчика лекарств при инъекции и кровообращении [17]. Для увеличения гидрофильности мезопористого углерода было предложено множество подходов к модификации мезопористого углерода путем смешанного кислотного окисления [9, 12, 22] или непосредственно легированного азота на мезопористых углеродных материалах [23,24,25]. Однако сильное окисление может привести к отрицательному воздействию на свойства поверхности и структуру пор мезопористого углерода, влияя на их потенциал загрузки лекарственного средства. С другой стороны, легирование азотом после обработки является обременительным и дорогостоящим, что неприемлемо для массового производства.

Хитозан - это разновидность биомассы с большим содержанием углерода, а также гидроксила (–OH) и амино (–NH ₂ ) [26, 27]. Мезопористые углеродные материалы получают с использованием хитозана в качестве источника углерода.

В настоящее время сообщается, что хитозан является источником углерода для получения мезопористого углерода методом самосборки под действием испарения (EISA). Например, Сан [28] получил мезопористый углерод с размером пор 2–16 нм и удельной поверхностью 293–927 м ² . / г с использованием хитозановой протонной соли в качестве источника углерода и F127 в качестве шаблона. Фен [29] получил мезопористый углерод с размером пор 5–15 нм и удельной поверхностью 41–457 м ² . / г с использованием хитозана в качестве источника углерода и F127 в качестве шаблона. Анджей [30] получил мезопористый углерод с размером пор 3–20 нм и удельной поверхностью 600–1337 м ² . / г с использованием хитозана в качестве источника углерода и коллоидного SiO ₂ как шаблон. Однако эти подготовленные мезопористые углеродные материалы характеризуются более широким распределением пор по размерам, меньшей удельной площадью поверхности, нерегулярной морфологией и большим размером частиц (> 1 мкм). Молекулярные размеры обычных противоопухолевых препаратов обычно находятся в диапазоне 1,1–1,9 нм, таких как паклитаксел, доксорубицин и гидроксикамптотецин (HCPT), которые составляют 1,90 нм × 1,19 нм × 0,07 нм, 1,52 нм × 1,08 нм × 0,71 нм, 1,14 нм × 0,69 нм × 0,44 нм соответственно (рассчитано с помощью программы Materials Studio). Вообще говоря, узкое распределение пор по размеру пористых материалов способствует массопереносу молекул адсорбата, а подходящий размер пор пористых материалов в 1,5 ~ 3,0 раза больше размера молекул адсорбата [31]. Таким образом, мезопористые углеродные материалы в качестве носителя лекарственного средства должны иметь узкий диапазон размеров пор с большим объемом, высокой удельной площадью поверхности, хорошей биосовместимостью и гидрофильностью, а также наносферической морфологией. Сферический мезопористый углерод диаметром менее 1 мкм был приготовлен методом распылительной сушки в наших предыдущих отчетах [32]. Однако, хотя приготовленный мезопористый углеродный материал показал более высокую гидрофильность (угол смачивания тета составляет 124,1 ^o ), чем у образца, приготовленного с сахарозой в качестве источника углерода (угол смачивания тета составляет 161,9 ^o ), гидрофильность и удельная поверхность мезопористого углерода все еще неудовлетворительны из-за меньшего количества кислородсодержащих групп и серьезной усадки и разрушения органического каркаса, образованного предшественниками мезопористого углерода во время карбонизации. Сообщалось, что гидролитическая поликонденсация тетраэтилортосиликата (TEOS) в кислотном растворе может приводить к образованию агрегатов кремниевой кислоты с богатыми гидроксильными группами кремния, соединенными с эфирной связью гидрофильного сегмента F127 посредством водородной связи [33], что может предотвратить усадку и коллапс структура углерода во время карбонизации [18] и увеличение кислородсодержащих групп мезопористых углеродных материалов.

Здесь хитозан использовался в качестве источника углерода и азота, а F127 и TEOS использовались в качестве темплатов для получения гидрофильных наномезопористых углеродных материалов со сферической морфологией с использованием распылительной сушки в сочетании с техникой карбонизации. Было изучено влияние различных соотношений углерода и кремния (C / Si) на структуру пор, состав и гидрофильные свойства NMC, а также адсорбционные и высвобождающие свойства мезопористых углеродных материалов для малорастворимого противоопухолевого препарата гидроксикамптотецина (HCPT). были исследованы.

Материалы и методы

Сырье и реагенты

Амфифильный триблок-сополимер F127 ( M _w =12 600, EO ₁₀₆ -ПО ₇₀ -EO ₁₀₆ , Sigma-Aldrich, США), TEOS (Aladdin Reagent Company, Америка), CS (степень деацетилирования ≥ 95%, вязкость 100 ~ 200 мПа с; Aladdin Reagent Company, Америка), HCPT (HCPT-160201; Chengdu Yuancheng Biotechnology Co ., Ltd., Китай) и ледяной уксусной кислотой, соляной кислотой, безводным этанолом, твин-80, монокалиевым фосфатом и гидроксидом натрия (аналитически чистый; Shanghai Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Китай). Во всех экспериментах использовалась деионизированная вода.

Подготовка NMC

Получение легированного азотом мезопористого углерода можно описать схематической диаграммой синтеза на рис. 1. Есть четыре этапа:(I) использование хитозана в качестве источника углерода и азота и триблок-сополимера F127 и тетраэтилортосиликата (TEOS) в качестве темплата. агенты. В двухфазной системе спирт-вода сферические мицеллы образовывались за счет двойной электронной связи между F127 и TEOS. Затем в результате гидролиза образовался Si – OH, и –NH ₂ в CS образуются водородные связи в кислотных условиях, что приводит к созданию трехкомпонентной системы, впоследствии полимеризованной и сшитой с образованием комплекса; (II) формование композитного материала распылением было выполнено с помощью трехкомпонентной системы посредством процесса распылительной сушки; (III) удаление F127 обжигом в атмосфере азота и карбонизацией; и (IV) термическое удаление кремния щелочью с образованием мезопористых углеродных материалов. Были подготовлены четыре репрезентативных образца с различным соотношением C / Si, обозначенные как NMC-5/3, NMC-6/3, NMC-7/3 и NMC-8/3. Типичный эксперимент по синтезу включал следующие этапы:(а) приготовление раствора CS - CS (7,0, 8,4, 9,8 или 11,2 г) растворяли в 5% водном растворе уксусной кислоты при 40 ° C, чтобы приготовить 2,1% раствор CS. . (b) NMC получали растворением 2,1 г F127 в 50 мл раствора этанола при 40 ° C с последующим добавлением 15,6 мл TEOS и 0,2 M HCl (15 мл) для гидролиза. Через 10 мин реакции раствор переносили в раствор CS и перемешивали в течение 60 мин. Затем смесь оставляли при комнатной температуре на 60 мин и затем сушили с помощью распылительной сушилки (BUCHI B-290, BUCHI, Швейцария) при температуре входящего воздуха 170 ° C и скорости подачи 3,5 мл / мин. Полученный образец был обозначен как CS / SiO ₂ . / F127; и (c) процесс карбонизации - CS / SiO ₂ Порошок / F127 помещали в трубчатую печь, защищенную потоком азота 200 см ³ . / ч и нагревают со скоростью 2 ° C / мин до 410 ° C. Затем эту температуру поддерживали в течение 2 часов, затем повышали со скоростью 5 ° C / мин до 900 ° C и прокаливали в течение 2 часов для получения композитного материала C – Si. Si удаляли из полученного композитного материала C – Si, используя горячую щелочь с 1 M водным раствором NaOH при 85 ° C, дважды промывали деионизированной водой до получения нейтрального значения pH и сушили при 100 ° C с получением мезопористых углеродов. (Рисунок 1). Полученные материалы были обозначены как NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 и NMCs-8/3 в зависимости от количества CS, использованного в растворе (7,0, 8,4, 9,8 или 11,2 г CS соответственно).

Схематическое изображение процессов изготовления NMC

Метод характеристики

Удельная поверхность, объем пор и размер пор мезопористых углеродов были протестированы с использованием Micrometrics ASAP2020 N ₂ адсорбционный / десорбционный физический адсорбционный прибор. Образцы предварительно дегазировали в условиях вакуума (76 мм рт. Ст.) При 120 ° C в течение 12 часов. Удельная поверхность ( S _СТАВКА ) рассчитывали по методу Барретта – Эммера – Теллера, тогда как объем пор ( V _BJH ) и размер пор ( D _BJH ) были рассчитаны с использованием модели Барретта – Джойнера – Халанды (BJH), в которой объем пор рассчитывался как абсорбционная способность при относительном давлении P / P ₀ =0,975.

Элементный состав (C, H, O, N) NMC был охарактеризован с использованием элементного анализатора ElementarVario EL Type III.

Процесс пиролиза F127, CS и тройной системы распыления промежуточного продукта CS / SiO ₂ / F127 был охарактеризован с использованием термоанализатора Netzsch STA 449C. Температурный диапазон был установлен от комнатной до 1000 ° C со скоростью 5 ° C / мин.

Кристаллические характеристики NMC были охарактеризованы с использованием рентгеновского дифрактометра Bruker D8 Advance с излучением CuKα, длина волны падающего излучения λ 0,154060 нм, при 40,0 кВ и 40,0 мА, и 2 θ диапазон 0,9–4 ° (скорость сканирования:0,5 ° / мин, длина шага сканирования 0,002 °).

Морфология мезопористого углерода была проанализирована с помощью просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai G2 F20 S-Twin при ускоряющем напряжении 200 кВ.

Состояние связывания атомов NMC было охарактеризовано с использованием рентгеновского фотоэлектронного спектрометра ThermoScienfticEscalab 250XI с использованием источника излучения Al Kα и следующих параметров:испытательная энергия 1486,8 эВ; диаметр тестового пятна 500 мкм; напряжение пробирки 15 кВ; ток трубки 10 мА; предельное давление аналитической камеры, 2 × 10 ^–9 мбар. Корректировка положения пика была произведена в соответствии с C1s при 284,8 эВ.

Краевой угол смачивания водой на поверхности образцов был протестирован с помощью оптического прибора для измерения краевого угла смачивания Dataphysics OCA25.

Поглощение HCPT на NMC

HCPT точно взвешивали до 10 мг и растворяли в 50 мл раствора абсолютного этанола, чтобы приготовить 200 мкг / мл стандартного исходного раствора. Затем исходный раствор разбавляли до концентраций (0,4, 0,5, 1, 3, 5, 7 и 10 мкг · мл ^–1 ). Абсолютный раствор этанола использовали в качестве раствора сравнения для измерения значения оптической плотности для каждой концентрации стандартных растворов с помощью УФ-спектрофотометрии при 385 нм. Регрессионный анализ массовой концентрации (C) с оптической плотностью (A) был проведен для получения уравнения регрессии y =0,07573 x + 0,04149; стандартная кривая имела хорошую линейную зависимость между поглощением и концентрацией в пределах измеренного диапазона 0,4 ~ 10 мкг / мл с коэффициентом корреляции R ² =0,99947.

Загрузка лекарств в НМЦ осуществлялась методом иммерсионного раствора в органическом растворителе. Раствор HCPT (0,2 ~ 1,2 мг мл ^–1 ) был приготовлен растворением определенного количества (6 ~ 36 мг) HCPT в 30 мл абсолютного этанола. Затем добавляли 20 мг различных NMC, перемешивали при 37 ° C на водяной бане в течение 24 часов в темноте и разделяли центрифугированием при 8000 об / мин в течение 10 минут. Затем супернатант экстрагировали, и концентрацию HCPT определяли УФ-спектроскопией поглощения при максимальной длине волны поглощения 385 нм. Носитель лекарства помещали в вакуумную сушку при 40 ° C на 24 часа. Количество лекарственного средства, адсорбированного на образцах NMC, определяли по изменению концентрации до и после адсорбции. Адсорбционная способность каждого образца NMC рассчитывалась по следующему уравнению:

Выпуск лекарства от HCPT

Динамический диализ использовался для обнаружения растворения лекарственного средства из 15 мг чистого HCPT, а также из загруженных лекарством NMC (NMCs-5/3 @ HCPT, NMCs-6/3 @ HCPT, NMCs-7/3 @ HCPT и NMCs. -8 / 3 @ HCPT). Тест высвобождения in vitro проводили в фосфатном буферном растворе (PBS) с pH 7,4 и pH 5,0 и 0,1% Tween-80 при 37 ° C в темноте. Приготовленные образцы растворов PBS-буфер-NMC (pH 7,4 и pH 5,0) помещали в диализные мешки (MWCO =14000) и погружали в 500 мл PBS при pH 7,4, pH 5,0 и перемешивали со скоростью 100 об / мин при 37 ° C. . Аликвоту объемом 4 мл отбирали через равные промежутки времени в 1, 2, 4, 6, 8, 10 и 12 ч и дополняли свежим изотермическим изоволюметрическим PBS. Диализат экстрагировали и центрифугировали при 8000 об / мин в течение 10 мин; 1 мл супернатанта экстрагировали и разбавляли в 20 раз, и его оптическую плотность измеряли УФ-спектрофотометрией при 385 нм. Концентрацию лекарственного средства рассчитывали согласно стандартной кривой, а кумулятивное высвобождение HCPT рассчитывали согласно следующему уравнению:

где V ₁ объем среды (мл), V ₂ объем пробы (мл), C _n - концентрация HCPT в образце в n раз отбор проб, (мкг мл ^–1 ), n - количество выборочных испытаний, а W - это лекарственное средство, содержащееся в HCPT в НМЦ.

Результаты и обсуждение

Определение условий карбонизации

На рис. 2а показаны термогравиметрические (ТГ) кривые для свободного темплатного агента F127, CS и CS / SiO ₂ . / F127 композит. Видно, что F127 почти полностью подвергается пиролизу при 400 ° C [34] с потерей веса примерно 99,6%, тогда как CS теряет 56% веса при 250–400 ° C с последующим плато при 400–900 °. C (потеря веса 1,53% при 800–900 ° C), что позволяет предположить, что углеродный скелет сформировался при 800 ° C. Потеря веса CS / SiO ₂ / F127 образовался в основном при температуре ниже 500 ° C (55,5%), в основном из-за пиролиза F127 и CS; выше 800 ° C кривые ТГ выходили на плато, что свидетельствовало о том, что CS был почти полностью карбонизирован. Анджей [30] указал, что при высоких температурах карбонизации (1000–1100 ° C) содержание азота в материалах уменьшается. Таким образом, температура 400 ° C поддерживалась в течение 2 часов для удаления F127, а температура 900 ° C поддерживалась в течение 3 часов, чтобы гарантировать, что углеродные материалы имеют более высокое содержание азота и степень графитизации.

а Кривые ТГ CS, F127 и CS / SiO ₂ / F127. Скорость нагрева составляла 5 ° C / мин в токе азота. б Рентгенограммы НМЦ НМЦ- x / 3 ( x =5,6,7,8)

Влияние C / Si на мезопористые угли

Рентгеноструктурный анализ мезопористых углеродов

Спектры XRD приготовленных образцов NMCs- x / 3 ( x =5,6,7,8) показано на рис. 2б. Есть широкий широкий пик на 2 θ =23 ° на четырех подготовленных образцах, что является типичными характеристическими пиками аморфных углеродных материалов [35]. Видно, что приготовленный углеродный материал NMCs- x / 3 имеет аморфную структуру, что согласуется с результатами, приведенными в ссылках [36, 37].

Анализ поровой структуры мезопористых углеродов

N ₂ построены кривые изотермической абсорбции и десорбции четырех образцов NMC и кривые распределения их пор по размерам (рис. 3); соответствующие данные по структуре пор представлены в таблице 1. После P / P ₀ ≥ 0,4, N ₂ на изотермах адсорбции четырех образцов наблюдаются петли гистерезиса, характерные для мезопористых углеродных материалов [38, 39]; из четырех образцов петля гистерезиса для NMC-7/3 самая большая (рис. 3а). Графики распределения пор по размерам показывают, что распределение пор по размерам углеродных материалов относительно узкое, в основном в пределах 2,01 ~ 3,65 нм (рис. 3b), что эквивалентно 1,75 ~ 3,2 аэродинамического эквивалентного диаметра HCPT. Кондо утверждал [31], что чем меньше размер пор, тем медленнее скорость диффузии адсорбата в поры; Чем больше размер пор, тем больше адсорбционный потенциал адсорбата и твердой поверхности будет приводить к плохому поглощению на твердой поверхности. Абсорбционная способность является наилучшей, когда размер пор в 1,5 ~ 3,0 раза превышает аэродинамический эквивалентный диаметр адсорбата. Таким образом, размер пор мезопористых углеродов, полученных здесь, подходит для абсорбции HCPT.

N ₂ изотермы адсорбции-десорбции ( а ) и кривые распределения пор по размерам ( b ) НМЦ _S

Данные по структуре пор (таблица 1) показывают, что объем мезопористых пор и удельная поверхность по БЭТ материалов NMC-x увеличиваются, а затем уменьшаются с увеличением отношения C / Si, достигая максимального значения при C / Si =7:3. Это можно объяснить следующим механизмом. При низком соотношении C / Si (5/3) количество –OH и –NH ₂ на CS также мало, в то время как TEOS относительно велико; следовательно, количество Si – OH, образующегося в результате гидролиза и поликонденсации TEOS, также велико, и, следовательно, происходит недостаточное водородное связывание с –OH и –NH ₂ на CS, что приводит к уменьшению золей трехмерной сшитой сетевой структуры. Впоследствии после удаления шаблона TEOS и F127 объем мезопористых пор уменьшился. Более того, поскольку имеется избыток TEOS, образующиеся мицеллы имеют большие размеры, и средний размер пор, получаемый после удаления TEOS, также велик. И наоборот, при высоком содержании CS и, следовательно, высоком отношении C / Si (8/3) CS обеспечивал больше –OH и –NH ₂ , так что Si – OH, образующийся в результате гидролиза и поликонденсации TEOS, является недостаточным, что приводит к образованию все меньшего и меньшего количества мицелл, уменьшая объем пор и размер пор мезопористого углерода. Очевидно, что при соотношении C / Si 7:3 имеющиеся –OH и –NH ₂ группы хорошо согласованы с количеством Si – OH на TEOS, что приводит к образованию большего объема мезопористых пор и удельной поверхности по БЭТ.

Анализ мезопористых углеродов с помощью ТЕМ

Поскольку NMC-7/3 имеет наибольшую удельную поверхность и объем мезопор, дальнейшие испытания распределения пор и микроструктуры проводятся только для этого образца, и данные показаны на рис. 4. ПЭМ-изображения показывают, что приготовленный мезопористый углеродный материал NMC-7/3 имеет сферическую структуру при разном увеличении, а размер их частиц меньше 1 мкм (рис. 4a, b). Мезопористые углеродные материалы с размером частиц около 200 нм могут эффективно переносить лекарства через клеточные мембраны, тем самым выполняя некоторые уникальные терапевтические функции [40]. На рис. 4c показано, что пористая структура образца видна и представляет собой четкую и типичную червеобразную структуру [34] (рис. 4c). Видно, что на краю мезопористых углеродных частиц можно наблюдать поровые каналы размером ~ 2 нм, которые образуются в результате карбонизации и реорганизации цепной структуры хитозана и удаления темплата. Однако размер маленьких белых точек, наблюдаемых на поверхности частиц, обычно составляет менее 2 нм, что связано с перекрытием и переплетением цепочек, образованных карбонизацией хитозана.

а - c ПЭМ-изображения НМЦ-7/3 при разном увеличении

Анализ состава и гидрофильности

Анализ состава НМЦ

FTIR-спектр мезопористого углеродного материала NMCs- x / 3 показан на рис. 5а; 3430 см ⁻¹ - пик поглощения валентных колебаний N – H и O – H [41], 1630 см ⁻¹ - пик поглощения валентных колебаний при C =N и C =C, и 1120 см ⁻¹ представляет собой пик поглощения валентных колебаний C – N и C – C, который указывает на то, что атомы азота успешно встраиваются в NMC.

FTIR ( a ) образцы НМЦ НМЦ- x / 3 ( x =5,6,7,8); Изображение SEM ( b - г ) образца NMC _S -7/3 и элементарное отображение ( e - г ), направленный на сферу на вставке изображения SEM ( d ), который отвечает на элементы C, O и N соответственно.

СЭМ NMC-7/3 (рис. 5b – d) и элементный анализ C (e), O (f) и N (g) его поверхности (рис. 5e – g) ясно показывают, что мезопористый углерод Подготовленный материал имеет сферическую форму, но его размер неоднороден. Это связано с процессом распылительной сушки. Данные сканирования элементов показывают, что элементы C, O и N распределены внутри мезопористого углерода наносферы. Следовательно, N был успешно допущен к НМЦ.

Графики XPS четырех NMC показаны на рис. 6, что указывает на то, что четыре образца содержат O, N и C (рис. 6a). N1s обрабатывали с дифференцированием и подгонкой пиков (рис. 6b – e), демонстрируя расщепление N1 на четыре пика с соответствующими энергиями связи 398,37, 400,80, 402,40 и 404,53 эВ, соответственно, приписываемых пиридиновому азоту (N-6) , пиррольный азот (N-5), четвертичный азот (NQ) и окисленный –N (N – O) [36, 42,43,44,45]. Кроме того, площади пиков N-5 и N-6 были больше, что указывает на большее содержание в композите. Эти результаты ясно показывают, что на месте N был добавлен в мезопористые угли в форме пиридинового и пиррольного азота.

XPS-исследование NMC ( a ) и N1s XPS-спектры NMCS-5/3 ( b ), НМЦ-6/3 ( в ), НМЦ-7/3 ( d ), НМЦ-8/3 ( е ). Раман ( f ) образцы НМЦ НМЦ- x / 3 ( x =5, 6, 7 и 8)

В таблице 2 показаны содержания C, N и O на поверхности четырех NMC, полученные с помощью XPS и элементного анализа (различия в содержании элементов, обнаруженные каждым методом, были тонкими различиями). Всего N содержание на поверхности NMCs наибольшее для NMCs-5/3, затем NMCs-6/3, NMCs-7/3 и, наконец, NMCs-8/3. Таким образом, с увеличением отношения C / Si содержание N на поверхности NMC постепенно уменьшается. Это явление объясняется тем, что при более низких отношениях C / Si чем больше количество Si – OH в системе и тем меньше количество –OH и –NH ₂ на CS доступны для водородной связи. Следовательно, у –NH ₂ больше шансов. контакт с Si – OH прочен в сформированной трехмерной сетчатой ​​структуре, и сила связи между ними сильнее, что приводит к большему количеству азота, остающемуся в углеродном скелете во время процесса прокаливания. Однако при более высоких отношениях C / Si –OH и –NH ₂ на CS не может образовывать трехмерную сетчатую структуру за счет гидролиза с помощью TEOS, и поэтому после процесса прокаливания остается меньше азота из-за улетучивания в атмосферу азота.

Рамановский спектр углеродного материала NMCs- x / 3 показан на рис. 6е. Во всех образцах появились два отчетливых характерных пика при 1350 см ^-1 . и 1601 см ⁻¹ , что соответствует D и G пики углеродных материалов соответственно. Среди них D пик отражает степень смещения атомов, разупорядоченного углерода, краевых дефектов и других дефектов (sp ³ углерод, оборванный углерод, вакансии и т. д.) в углеродных материалах, и G пик отражает степень упорядоченности sp ² углерод. Соотношение D пик до G пик ( I _Д / Я _G ) может отражать степень кристалличности углеродных материалов [46]. Отмечается, что порядок I _Д / Я _G значение такое же, как у N содержание на его поверхности и больше дефектов генерируется с увеличением содержания азота [47]. Расчетные результаты показывают, что I _Д / Я _G из четырех углеродных материалов NMC-5/3, NMC-6/3, NMC-7/3 и NMC-8/3 составляют 0,897, 0,815, 0,808 и 0,704 соответственно, а порядок их размера составляет такое же, как и содержание в них азота (см. Таблицу 2). Видно, что чем больше I _Д / Я _G Значение NMCs-5/3 указывает на то, что структурный дефект более очевиден, что связано с большим количеством легирования азотом углеродного материала.

Гидрофильность NMC

Углы динамического смачивания воды на НМЦ-5/3, НМЦ-6/3, НМЦ-7/3 и НМЦ-8/3 измеряются каждые 0,1 с (рис. 7a – e), 0,3 с (рис. 7f– j), 0,4 с (рис. 7k – o) и 0,7 с (рис. 7p – t) показывают, что необходимое время для уменьшения краевого угла смачивания капли воды на NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs- 7/3 и NMCs-8/3 ниже 20 ° составляли 0,45 с, 1,15 с, 1,54 с и 2,71 с соответственно. Таким образом, четыре образца демонстрируют сильную гидрофильность по сравнению с их аналогами из мезопористого углерода, не легированными азотом (129 °) [37]. Азотные элементы в NMC образуют активные центры, что приводит к увеличению sp ² фракция кластеров с увеличением шероховатости поверхности углеродных материалов [48] и, таким образом, меньшим углом смачивания и повышенной гидрофильностью и диспергируемостью. Кроме того, водородная связь между молекулами N-5, N-6 и воды в NMC также приводит к повышенной гидрофильности [23, 49, 50]. Сочетание этих эффектов позволяет использовать НМЦ для доставки лекарств.

Оптические микрофотографии краевых углов смачивания водой на поверхности мезопористого углерода как функции времени контакта ( a - е ) НМЦ-5/3, ( f - j ) НМЦ-6/3, ( к - o ) NMC-7/3 и ( p - т ) НМЦ-8/3

На рисунке 8 представлены кривые зависимости изменения краевых углов смачивания этих четырех NMC во времени. Как показано на рис.8, необходимое время для уменьшения краевых углов смачивания капель воды на НМЦ-5/3, НМЦ-6/3, НМЦ-7/3 и НМЦ-8/3 до значений ниже 20 ° составило 0,45. с, 1,15 с, 1,54 с и 2,71 с соответственно. Чем короче время, необходимое для достижения того же угла смачивания, тем лучше будет гидрофильность образцов. Очевидно, что гидрофильность каждого NMC может быть ранжирована в порядке убывания как NMC-5/3> NMC-6/3> NMC-7/3> NMC-8/3, что соответствует содержанию N на мезопористых углеродах. Другими словами, наибольшее содержание N на НМЦ-5/3 означает лучшую гидрофильность. Это можно объяснить тем фактом, что чем выше содержание N в мезопористом углеродном материале, тем больше будет шероховатость поверхности; кроме того, более высокое содержание N-5 и N-6 также приводит к усилению водородных связей между NMC и молекулами воды; these two coupled effects enhanced the hydrophilicity of NMCs that can explain why the contact time was the shortest.

Plots of water contact angle on different mesoporous carbon versus contact time

Evaluation of Adsorption and Release Properties of NMCs for HCPT

The HCPT adsorption curve of the four NMCs showed a gradually increasing adsorption capacity with increasing concentration of HCPT solution (Fig. 9a). This is attributed to the fact that the absorption and diffusion of HCPT in porous materials is based on the concentration gradient principle, wherein the higher the concentration of HCPT, the stronger the concentration gradient propulsion, and the greater the amount of HCPT arriving at the adsorption sites on the surface of NMCs for adsorptive preconcentration will be higher.

а HCPT adsorption isotherms of NMCs-x ( x =5, 6, 7, and 8) in ethanol solution. б The XRD patterns of pure HCPT and NMCs-x /3(x =5, 6, 7, and 8)@HCPT. In vitro release profiles of HCPT from NMCS-x ( x =5, 6, 7, and 8)@HCPT and pure drug in pH =7.4 (c ) and pH =5.0 (d ) PBS solution

The experimental data retrieved from Fig. 9a was fitted using the Langmuir model (the processed data is provided in Table 3) using the Langmuir adsorption model equation, as follows:

где q is the mass of HCPT adsorbed in the porous structure per unit mass of NMCs at the equilibrium state(mg g ⁻¹ ), q _м is the saturated adsorption capacity of NMCs for HCPT(mg g ⁻¹ ), c is the concentration of HCPT at the equilibrium state of adsorption (mg mL ⁻¹ ), and K _L is the Langmuir adsorption constant (mg g min ⁻¹ ).

The adsorption of HCPT molecules in the porous structure of NMCs followed the Langmuir’s adsorption law. Additionally, the value of the absorption constant did not vary significantly, suggesting that the affinity for HCPT was similar among the four NMCs. Notably, the absorption capacity of all four NMCs for HCPT is higher, up to 1013.51 mg g ⁻¹ (50.33% drug loading), which is much higher than that of the non-N-doped three-dimensional macroporous carbon material (24% drug loading) for HCPT [51]. However, the absorption capacity of the four NMCs for HCPT is higher for NMC-5/3, followed by NMC-6/3, NMC-7/3, and, finally, NMC-8/3, in line with the order of the content of N on the surface of mesoporous carbons. Thus, the higher the N content on the surface of NMCs, the stronger its absorption capacity for HCPT. This could be attributed to the increased surface roughness and hydrophilicity enhancing the absorption capacity for HCPT.

The XRD patterns of pure HCPT and the mesoporous carbon adsorbed on HCPT NMCs-x /3 (x =5, 6, 7, and 8)@HCPT are shown in Fig. 9b. Pure HCPT has a strong crystal diffraction peaks at 2θ =6.9°, 9.0°, 11.70°, 13.86°, 19.73°, 25.65°, 27.27°, 27.91°, and 28.52°. It indicates that pure HCPT existed in the crystalline state. But when HCPT is loaded on mesoporous carbon, no diffraction peaks of HCPT are detected in NMCs-x /3 (x =5, 6, 7, and 8)@HCPT samples. It means that HCPT adsorbed in mesoporous carbon is in an amorphous state, which is consistent with Qinfu Zhao’s report [5], the nanoporous channels of mesoporous carbon can make the drug in an amorphous and amorphous state, which is conducive to improving the drug dissolution rate.

The in vitro drug release behavior of HCPT in the NMCs and of pure drug HCPT in PBS (pH 7.4 and 5.0) was assessed (Fig. 9c, d). The pure drug release rate into PBS after 1 h is only 9.96% and increase to 22.7% in 12 h. In contrast, the drug release rate is significantly improved when HCPT drug molecules are absorbed onto the four NCMs, showing a drug release rate of 35.42~50.80% and 86.67~93.75% at 1 and 12 h, respectively. Similar results are obtained in Fig. 9d in phosphate buffer solution (pH =5.0). These observations are attributed to the fact that the nanoporous structure of mesoporous carbon inhibits drug crystallization (see Fig. 9b), leading to drug absorption in the microcrystalline or amorphous state, and thereby increasing its solubility and release rate [52].

The experimental data retrieved from Fig. 9c, d were fitted using a Retger-Peppas kinetic equation (the processed data is provided in Table 4), as follows:

где Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k и н are the release rate constant and index, respectively.

It can be seen from the figures and tables that the k value of the drug release rate is closely related to the nitrogen content of mesoporous carbon materials. NMCs-5/3 with the highest nitrogen content (6.043%) exhibits the slowest release rate (k value is smaller), while NMCs-8/3 with the lowest nitrogen content (4.753%) exhibits the fastest release rate (k value is larger). This may be attributed to the fact that the high nitrogen content mesoporous carbon material NMCs-5/3 has more active sites than the low nitrogen content mesoporous carbon material NMCs-8/3, thus showing a stronger interaction with HCPT, and its hindered diffusion and release into the medium.

The release rate of HCPT in an acidic environment with pH 5.0 is slower than that in a neutral environment with pH 7.4. It can be seen that the release rate of HCPT is pH dependence, and the slower the release rate is in the environment with lower pH value. Because the microenvironments of extracellular tissues and intracellular lysosomes and nucleosomes of tumors are acidic [12], slow release of HCPT from phosphate buffer solution at pH =5.0 in an acidic environment can achieve the goal of long-term anti-tumor.

Thus, mesoporous carbon has a high nitrogen content and good hydrophilicity, and it has a large adsorption capacity for anti-cancer drug HCPT. At the same time, high nitrogen content increases the adsorption of HCPT and reduces the release rate of drugs from mesoporous channels. The more nitrogen content of mesoporous carbon is, the slower drug release is; on the contrary, the lower nitrogen content of mesoporous carbon is, the faster drug release. Therefore, the release rate of HCPT can be controlled by adjusting the nitrogen content and pH value of mesoporous carbon materials.

Conclusion

Nanospherical mesoporous carbon materials are successfully prepared with high specific surface area (1342.9–2061.6 m ² /g), narrowly pore size distribution (2.01–3.65 nm), and high nitrogen content (4.75–6.04%). As the C/Si ratio increased, the specific surface area and the mesopore volume of NMCs first increased and then decreased, and when C/Si ratio is 7:3, the NMC-7/3 has the largest, S _СТАВКА (2061.6 m ² /g) and V _Mes (0.77 cm ³ /g), and higher N content (5.026%). The doping of in situ N increases the hydrophilicity of NMCs, which increased gradually with the surface N content. NMC-5/3 has the highest N content along with the best hydrophilicity.

All four NMCs show a good adsorption capacity for the antitumor drug HCPT. The absorption capacity of NMCs-x towards HCPT is in the following orders:q _NMCs-5/3> q _NMCs-6/3> q _NMCs-7/3> q _NMCs-8/3 , which is consistent with the order of N content on the material surface, and NMCs-5/3 has the largest saturated adsorption capacity of HCPT (1013.51 mg g ⁻¹ ), and higher dissolution rate (93.75%). NMCs loaded with HCPT significantly increase the drug release rate. Moreover, the higher the nitrogen content of the mesoporous carbon material, the lower the release rate of the drug HCPT due to more active sites, and the release rate in the neutral environment of pH =7.4 was higher than that in the acidic environment of pH =5.0. Thus, the NMCs show potential drug delivery applications for water-insoluble antitumor drugs.

Доступность данных и материалов

All datasets are presented in the main paper or in the additional supporting files.

Сокращения

СТАВКА:

Брунауэр-Эмметт-Теллер

C/Si:

Carbon-to-silicon

CS:

Chitosan

FTIR:

Fourier Transform infrared spectroscopy

HCPT:

Hydroxycamptothecin

–NH₂ :

Amino

NMCs:

Nitrogen-doped mesoporous carbon spheres

–OH:

Гидроксил

PBS:

Фосфатный буферный раствор

Raman:

Raman spectra

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

Si–OH:

Silicon hydroxyl

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TEOS:

Тетраэтилортосиликат

TG:

Thermogravimetry

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская порошковая дифракция