Односторонний синтез азот-легированных гидрофильных мезопористых углеродных сфер из хитосана для усиленной доставки гидроксикампотецина

Аннотация

Мы сообщаем об одношаговом спрей-драйринговом подходе, генерирующем азот-легированные, гидрофильные мезопористые углеродные сферы (NMCs-x/3, x = 5, 6, 7, 8) путем связывания хитосана, триблок-кополимера F127 и тетраэтилортсиликата (TEOS). Полученные материалы демонстрируют высокую удельную площадь (до 2061,6 м²/г), узкое окно размера пор (2,01–3,65 нм) и значительное азотное содержание (4,75–6,04%). Их гидрофильность растет с поверхностным N, коррелируя с превосходной адсорбцией гидроксикампотецина (HCPT): q_NMCs-5/3 > q_NMCs-6/3 > q_NMCs-7/3 > q_NMCs-8/3. NMC-5/3 достигает насыщенной загрузки HCPT 1013,51 мг/г и скорости растворения 93,75%. Эти выводы демонстрируют масштабируемую платформу для загрузки слаборастворимых антиопухолевых агентов с настраиваемыми профилями релиза.

Введение

Мезопористые материалы — включая силику, цеолиты и углерод — стали незаменимыми в биомедицине благодаря их высокой удельной площади, надежным пористым структурам и химической стабильности. Среди них мезопористый углерод выделяется своей превосходной удельной площадью, пористым объемом и термическим сопротивлением, делая его привлекательным носителем лекарств для гидрофобных антиопухолевых агентов, таких как камptoтецин, доксорубицин и паклитаксел.

Конвенциональные углеродные предшественники, такие как фенольные смолы и сахароза, вызывают экологические опасения или влекут за собой дорогостоящие, многошаговые синтезы. Более того, углерод из этих источников часто демонстрирует низкую гидрофильность, ограничивая их применение в инъекционных или системных доставках. Пост-синтетическое азотное легирование или кислотное окисление могут улучшить гидрофильность, но обычно повреждают пористую структуру или добавляют сложности.

Хитосан — природно обильный, биосовместимый полисахарид, богатый –OH и –NH₂ группами — предлагает двойную роль как углеродного, так и азотного источника. Предыдущие исследования с хитосаном и F127 производили мезопористые углероды с широким распределением пор и низкой удельной площадью. Для решения этих ограничений мы вводим TEOS как вторичный шаблон, который через гидролиз и поликонденсацию формирует Si–OH группы, взаимодействующие с функциональными группами хитосана, стабилизируя пористую сеть при карбонизации.

Это исследование детально описывает спрей-драйринговый односторонний синтез азот-легированных гидрофильных мезопористых углеродных сфер (NMCs-x/3). Мы систематически варируем углерод-кремний (C/Si) соотношение для настройки пористой структуры, азотного содержания и гидрофильности, и оцениваем их способность загружать и выпускать слаборастворимое противопухолевое лекарство гидроксикампотецин.

Материалы и методы

Сырье и реагенты

Триблок-кополимер F127 (Mw ≈ 12 600, Sigma-Aldrich), TEOS (Aladdin), хитосан (≥95% деацетилирования, Aladdin), HCPT (Chengdu Yuancheng) и стандартные лабораторные реагенты использовали как получено. Деионизированная вода применялась повсеместно.

Подготовка NMCs

Растворы хитосана (2,1% м/м) готовили растворением 7,0; 8,4; 9,8 или 11,2 г хитосана в 5% уксусной кислоте при 40 °C. Параллельно, 2,1 г F127 растворяли в 50 мл этанола, к чему добавляли 15,6 мл TEOS и 15 мл 0,2 М HCl. После 10 мин смесь комбинировали с раствором хитосана и перемешивали 60 мин, затем выдерживали 60 мин. Спрей-драйринг (вход 170 °C, поток 3,5 мл/мин) давал композитный порошок (CS/SiO₂/F127). Порошок кальцинировали в азотной атмосфере: 400 °C (2 ч) для удаления F127, затем 900 °C (2 ч) для карбонизации матрицы. Последующее погружение в 1 М NaOH при 85 °C удаляло силику, производя финальные NMCs-5/3, -6/3, -7/3 и -8/3.

Характеризация

BET удельные площади и распределения размера пор измеряли N₂ адсорбцией (Micrometrics ASAP2020). Элементный состав (C, H, O, N) определяли элементным анализом. Термическая эволюция мониторили через TGA (Netzsch STA 449C). XRD паттерны (Bruker D8, CuKα) раскрывали аморфные углеродные сигнатуры. ТЭМ (FEI Tecnai G2) визуализировали морфологию. XPS (Thermo Scientific Escalab 250XI) идентифицировали азотные виды. Углы смачивания водой записывали на Dataphysics OCA25.

Загрузка и релиз HCPT

HCPT растворяли в этаноле (0,2–1,2 мг/мл) и смешивали с 20 мг каждого NMC при 37 °C на 24 ч. Лекарственное содержимое квантифицировали UV-Vis (λ = 385 нм). Релиз изучали диализом против ФСБ (pH 7,4 или 5,0, 0,1% Tween-80) при 37 °C, семплируя каждые 1–12 ч. Релизную кинетику подгоняли по модели Ритгер-Пеппаса.

Результаты и обсуждение

Термическое поведение и стратегия кальцинизации

TGA CS/SiO₂/F127 композита показывает ~55% потерю массы ниже 500 °C, в основном от пиролиза F127 и хитосана, с плато выше 800 °C, подтверждающим полную карбонизацию. Выдержка при 400 °C 2 ч эффективно удаляет F127, в то время как финальный шаг 900 °C сохраняет азот и улучшает графетизацию.

Пористая структура и морфология

BET анализ раскрывает, что NMCs-x/3 серия демонстрирует максимальную удельную площадь (2061,6 м²/г) и пористый объем (0,77 см³/г) при C/Si соотношении 7:3. Распределение размера пор (2,01–3,65 нм) хорошо согласуется с размерами HCPT, фасилитируя эффективную загрузку. ТЭМ изображения подтверждают сферические частицы <1 мкм с червиобразной мезопористостью.

Состав и азотное легирование

FTIR и XPS подтверждают наличие пиридинических, пирролических и квартерных азотных видов. Азотное содержание снижается с 6,04% (NMC-5/3) до 4,75% (NMC-8/3), коррелируя с увеличением C/Si соотношения. D/G Рамановское отношение следует тому же тренду, указывая на более высокое беспорядок при более высоких азотных загрузках.

Гидрофильность

Динамические измерения угла смачивания показывают, что NMC-5/3 достигает <20° за 0,45 с, заметно быстрее NMC-8/3 (2,71 с). Повышенное поверхностное азотное и шероховатость способствуют водородному связыванию с водой, улучшая смачиваемость — критически важную особенность для инъекционных формуляций.

Адсорбция и релиз HCPT

Адсорбционные изотермы подгоняются по Лангмьюру, давая максимальную загрузку 1013,51 мг/г для NMC-5/3. Порядок емкости загрузки совпадает с азотным содержанием. XRD HCPT-загруженных образцов показывает потерю кристаллических пиков, указывая на аморфное лекарственное состояние, ускоряющее растворение. Релизные исследования демонстрируют, что 86,7–93,8% HCPT выпускается в течение 12 ч при pH 7,4, с более медленным релизом при pH 5,0, подходящим для опухолевых микросред. Высокое азотное содержание замедляет релиз из-за более сильных лекарство-носитель взаимодействий, предлагая настраиваемый профиль релиза.

Заключение

Мы установили масштабируемый, односторонний синтез азот-легированных гидрофильных мезопористых углеродных сфер из хитосана, F127 и TEOS. Оптимальное C/Si соотношение (7:3) дает наивысшую удельную площадь, пористый объем и азотное содержание, транслирующееся в превосходную HCPT загрузку и контролируемый релиз. Улучшенная гидрофильность материалов и настраиваемая лекарственная кинетика позиционируют их как перспективные носители для слаборастворимых антиопухолевых препаратов.