Eenstapssynthese van met stikstof gedoteerde hydrofiele mesoporeuze koolstoffen van op chitosan gebaseerd triconstituentsysteem voor medicijnafgifte

Resultaten en discussie

Bepaling van verkolingsomstandigheden

Figuur 2a toont de thermogravimetrische (TG) curven van vrije template agent F127, CS en de CS/SiO₂ /F127 composiet. Het is te zien dat F127 bijna volledig wordt gepyrolyseerd bij 400 °C [34], met een gewichtsverlies van ongeveer 99,6%, terwijl CS een gewichtsverlies van 56% ervaart bij 250-400 °C, gevolgd door een plateau bij 400-900 ° C (1,53% gewichtsverlies bij 800-900 °C), wat suggereert dat het koolstofskelet is gevormd bij 800 °C. Het gewichtsverlies van CS/SiO₂ /F127 trad voornamelijk op onder 500 °C (55,5%), voornamelijk als gevolg van pyrolyse van F127 en CS; boven 800 ° C stopten de TG-curven, wat suggereert dat CS bijna volledig verkoold was. Andrzej [30] gaf aan dat bij hoge carbonisatietemperaturen (1000-1100 °C), het stikstofgehalte van materialen afneemt. Daarom werd de temperatuur van 400 °C gedurende 2 uur aangehouden om F127 te verwijderen, en de temperatuur van 900 °C gedurende 3 uur om ervoor te zorgen dat de koolstofmaterialen een hoger stikstofgehalte en een hogere mate van grafitisering hadden.

een TG-curven van CS, F127 en CS/SiO₂ /F127. De verwarmingssnelheid was 5°C/min onder stikstofstroom. b XRD-patronen van de NMC's van de NMC's-x /3(x =5,6,7,8)

Effecten van C/Si op mesoporeuze koolstoffen

XRD-analyse van mesoporeuze koolstoffen

De XRD-spectra van de voorbereide monsters NMC's-x /3(x =5,6,7,8) wordt getoond in Fig. 2b. Er is een brede brede piek bij 2θ =23° op de vier voorbereide monsters, wat typische karakteristieke pieken zijn van amorfe koolstofmaterialen [35]. Het is te zien dat het geprepareerde koolstofmateriaal NMCs-x /3 heeft een amorfe structuur, wat consistent is met de resultaten gerapporteerd in referenties [36, 37].

Poriestructuuranalyse van mesoporeuze koolstoffen

De N₂ isotherme absorptie- en desorptiecurven van de vier NMC-monsters en hun poriegrootteverdelingscurven zijn uitgezet (figuur 3); de relevante poriestructuurgegevens worden gegeven in Tabel 1. Na P /P ₀ ≥ 0.4, de N₂ adsorptie-isothermen van de vier monsters vertonen hysteresislussen die typisch zijn voor mesoporeuze koolstofmaterialen [38, 39]; van de vier monsters is de hysteresislus voor NMC's-7/3 de grootste (figuur 3a). De grafieken van de poriegrootteverdeling laten zien dat de poriegrootteverdeling van de koolstofmaterialen relatief smal is, voornamelijk binnen 2,01 ~ 3,65 nm (figuur 3b), wat overeenkomt met 1,75 ~ 3,2 keer van de aerodynamische equivalente diameter van HCPT. Kondo betoogde [31] dat hoe kleiner de poriegrootte is, hoe langzamer de diffusiesnelheid van het adsorbaat in de poriën is; hoe groter de poriegrootte is, het adsorptiepotentieel van het adsorbaat en het vaste oppervlak zal leiden tot een slechte absorptie op het vaste oppervlak. De absorptiecapaciteit is het beste wanneer de poriegrootte 1,5 tot 3,0 keer de aerodynamische equivalente diameter van het adsorbaat is. De poriegrootte van de mesoporeuze koolstoffen die hierin zijn bereid, is dus geschikt voor de absorptie van HCPT.

N₂ adsorptie-desorptie-isothermen (a ) en poriegrootteverdelingscurven (b ) van NMC_S

De poriestructuurgegevens (tabel 1) laten zien dat het mesoporeuze porievolume en het BET-specifieke oppervlak van NMC-x-materialen toenemen en vervolgens afnemen met een toenemende C/Si-verhouding, waarbij een maximale waarde wordt bereikt bij C/Si =7:3. Dit kan worden toegeschreven aan het volgende mechanisme. Bij een lage C/Si-verhouding (5/3) is de hoeveelheid –OH en –NH₂ op de CS is ook klein, terwijl die van TEOS relatief groot is; daarom is de hoeveelheid Si-OH gevormd door hydrolyse en polycondensatie van TEOS ook groot en daarom vond er onvoldoende waterstofbinding plaats met -OH en -NH₂ op CS, wat leidt tot een vermindering van de sols van de driedimensionale verknoopte netwerkstructuur. Vervolgens nam het mesoporeuze porievolume na verwijdering van TEOS- en F127-templates af. Bovendien, aangezien er een overmaat aan TEOS is, zijn de gevormde micellen groot en is de gemiddelde poriegrootte die wordt verkregen na TEOS-verwijdering ook groot. Omgekeerd, bij een hoog CS-gehalte, en dus een hoge C/Si-verhouding (8/3), leverde CS meer –OH en –NH₂ , zodat de Si-OH gevormd door de hydrolyse en polycondensatie van TEOS onvoldoende is, wat leidt tot de vorming van kleinere en minder micellen, waardoor het porievolume en de poriegrootte van mesoporeuze koolstof afnemen. Bij een C/Si-verhouding van 7:3 is het duidelijk dat de beschikbare –OH en –NH₂ groepen komen goed overeen met de hoeveelheid Si-OH op TEOS, wat leidt tot de vorming van een groter mesoporeus porievolume en BET-specifiek oppervlak.

TEM-analyse van mesoporeuze koolstoffen

Aangezien NMC-7/3 het grootste specifieke oppervlak en mesoporiënvolume heeft, worden alleen voor dit monster verdere tests op de porieverdeling en microstructuur uitgevoerd, en de gegevens worden getoond in Fig. 4. TEM-afbeeldingen laten zien dat het voorbereide mesoporeuze koolstofmateriaal NMC-7/3 heeft een bolvormige structuur bij verschillende vergrotingen en hun deeltjesgroottes zijn allemaal kleiner dan 1 m (Fig. 4a, b). De mesoporeuze koolstofmaterialen met een deeltjesgrootte van ongeveer 200 nm kunnen geneesmiddelen efficiënt door celmembranen vervoeren, waardoor ze enkele unieke therapeutische functies uitoefenen [40]. Figuur 4c laat zien dat de poriestructuur van het monster zichtbaar is en een duidelijke en typische wormachtige structuur vertoont [34] (Fig. 4c). Het is te zien dat ~ 2 nm poriekanalen kunnen worden waargenomen aan de rand van de mesoporeuze koolstofdeeltjes, die worden gegenereerd door carbonisatie en reorganisatie van de ketenstructuur van chitosan en verwijdering van de sjabloon. De grootte van de kleine witte stippen die in het oppervlak van deeltjes worden waargenomen, is echter over het algemeen minder dan 2 nm, wat te wijten is aan de overlapping en verstrengeling van de ketens gevormd door carbonisatie van chitosan.

een –c TEM-beelden van de NMC's-7/3 bij verschillende vergrotingen

Samenstelling en hydrofiliciteitsanalyse

Samenstellingsanalyse van NMC's

FTIR-spectrum van mesoporeus koolstofmateriaal NMC's-x /3 wordt getoond in figuur 5a; 3430 cm ⁻¹ is de uitrekkende trillingsabsorptiepiek van N–H en O–H [41], 1630 cm ⁻¹ is de absorptiepiek van rektrillingen van C=N en C=C, en 1120 cm ⁻¹ is de uitrekkende trillingsabsorptiepiek van C–N en C–C, wat aangeeft dat stikstofatomen met succes zijn opgenomen in NMC's.

FTIR(a ) patronen van de NMC's van de NMC's-x /3(x =5,6,7,8); SEM-afbeelding (b –d ) van het voorbeeld NMC_S -7/3 en elementaire mapping (e –g ) gericht op de bol in inzetbeeld van het SEM-beeld (d ), welke antwoorden op element C, O en N , respectievelijk.

De SEM van NMC-7/3 (Fig. 5b-d) en de C(e), O(f) en N(g) elementaire analyse van het oppervlak (Fig. 5e-g) laten duidelijk zien dat de mesoporeuze koolstof bereid materiaal is bolvormig, maar de grootte is niet uniform. Dit komt door het sproeidroogproces. De scangegevens van de elementen geven aan dat C-, O- en N-elementen zijn verdeeld binnen de mesoporeuze koolstof van de nanosfeer. Daarom, N werd met succes gedoteerd in de NMC's.

De XPS-grafieken van de vier NMC's worden getoond in Fig. 6, wat aangeeft dat de vier monsters O, N en C bevatten (Fig. 6a). N1s werd verwerkt met piekdifferentiatie en fitting (Fig. 6b-e), met een splitsing van N1s in vier pieken met overeenkomstige bindingsenergieën van respectievelijk 398,37, 400,80, 402,40 en 404,53 eV, toegeschreven aan pyridinestikstof (N-6) , pyrrolische stikstof (N-5), quaternaire stikstof (NQ) en geoxideerde –N (N–O) [36, 42,43,44,45]. Verder waren de piekoppervlakken van N-5 en N-6 groter, wat wijst op een groter gehalte in de composiet. Deze resultaten geven duidelijk aan dat in situ N werd gedoteerd in de mesoporeuze koolstoffen, in de vorm van pyridine- en pyrrolische stikstof.

XPS-enquête van de NMC's (a ) en N1s XPS-spectra van NMCS-5/3 (b ), NMC's-6/3 (c ), NMC's-7/3 (d ), NMC's-8/3 (e ). Raman(f ) patronen van de NMC's van de NMC's-x /3(x =5, 6, 7 en 8)

Tabel 2 toont de C-, N- en O-inhoud op het oppervlak van de vier NMC's verkregen uit XPS en elementaire analyses (de verschillen in elementaire inhoud die door elke techniek werden gedetecteerd, waren subtiel onderscheid). De totale N inhoud op het oppervlak van de NMC's is het grootst voor NMC's-5/3, gevolgd door NMC's-6/3, NMC's-7/3 en ten slotte NMC's-8/3. Dus als de C/Si-verhouding toeneemt, neemt het N-gehalte op het oppervlak van NMC's geleidelijk af. Dit fenomeen wordt toegeschreven aan het feit dat, bij lagere C/Si-verhoudingen, hoe groter de hoeveelheid Si–OH in het systeem en hoe lager de hoeveelheden –OH en –NH₂ op CS beschikbaar voor waterstofbinding. Daarom zijn er meer kansen voor –NH₂ contact met Si-OH sterk in de gevormde driedimensionale netstructuur en de bindende kracht daartussen is sterker, wat leidt tot een grotere hoeveelheid N die tijdens het calcinatieproces in het koolstofskelet achterblijft. Echter, bij hogere C/Si-verhoudingen, –OH en –NH₂ op CS kan geen driedimensionale netwerkstructuur vormen door hydrolyse met TEOS, en daarom wordt er minder N vastgehouden na het calcinatieproces als gevolg van vervluchtiging in de N-atmosfeer.

Raman-spectrum van koolstofmateriaal NMC's-x /3 wordt getoond in Fig. 6f. Twee verschillende karakteristieke pieken verschenen in alle monsters op 1350 cm ⁻¹ en 1601 cm ⁻¹ , overeenkomend met D en G pieken van koolstofmaterialen, respectievelijk. Onder hen, D piek weerspiegelt de mate van atomaire verplaatsing, ongeordende koolstof, randdefecten en andere defecten (sp ³ koolstof, bungelende koolstof en vacatures, enz.) in koolstofmaterialen, en G piek weerspiegelt de ordeningsgraad van sp ² koolstof. Een verhouding van D piek tot G piek (ik _D /Ik _G ) kan de mate van kristalliniteit van koolstofmaterialen weerspiegelen [46]. Er wordt op gewezen dat de volgorde van I _D /Ik _G waarde is hetzelfde als die van N inhoud op het oppervlak en meer defecten worden gegenereerd met het toenemende stikstofgehalte [47]. De berekende resultaten laten zien dat de I _D /Ik _G van de vier koolstofmaterialen, NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 en NMCs-8/3, zijn respectievelijk 0,897, 0,815, 0,808 en 0,704, en de volgorde van hun grootte is gelijk aan die van hun stikstofgehalte (zie tabel 2). Het is te zien dat de grotere I _D /Ik _G waarde van NMC's-5/3 geeft aan dat het structurele defect duidelijker is, wat te wijten is aan de grote hoeveelheid stikstofdoping op het koolstofmateriaal.

Hydrofiliciteit van NMC's

De dynamische contacthoeken van water op NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 en NMCs-8/3 gemeten elke 0,1 s (Fig. 7a-e), 0,3 s (Fig. 7f- j), 0,4 s (Fig. 7k-o) en 0,7 s (Fig. 7p-t) laten zien dat de vereiste tijd om de contacthoek van de waterdruppel op NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs- 7/3 en NMC's-8/3 tot onder 20° was respectievelijk 0,45 s, 1,15 s, 1,54 s en 2,71 s. De vier monsters vertonen dus een sterke hydrofiliciteit in vergelijking met hun niet met stikstof gedoteerde mesoporeuze koolstoftegenhangers (129 °) [37]. De stikstofelementen in de NMC's vormden actieve sites, wat leidde tot een toename van de sp ² clusterfractie, met een verbetering van de oppervlakteruwheid van de koolstofmaterialen [48], en dus een kleinere bevochtigingshoek en verbeterde hydrofiliciteit en dispergeerbaarheid. Bovendien leidde waterstofbinding tussen N-5, N-6 en watermoleculen in NMC's ook tot verhoogde hydrofiliciteit [23, 49, 50]. De koppeling van deze effecten maakt de mogelijke toepassing van NMC's bij de toediening van geneesmiddelen mogelijk.

Optische microfoto van de watercontacthoeken op het oppervlak van mesoporeuze koolstof als functie van de contacttijd (a –e ) NMC's-5/3, (f –j ) NMC's-6/3, (k –o ) NMC's-7/3 en (p –t ) NMC's-8/3

Figuur 8 is de relatiecurve van de variatie van contacthoeken op deze vier NMC's in de tijd. Zoals blijkt uit Fig. 8, was de vereiste tijd voor het verminderen van de contacthoeken van waterdruppels op NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 en NMCs-8/3 tot onder 20° 0,45 respectievelijk s, 1,15 s, 1,54 s en 2,71 s. Hoe korter de benodigde tijd voor het realiseren van dezelfde contacthoek is, hoe beter de hydrofiliciteit van monsters zal zijn. Het is duidelijk dat de hydrofiliciteit van elke NMC's in aflopende volgorde kan worden gerangschikt als NMC's-5/3> NMC's-6/3> NMC's-7/3> NMC's-8/3, wat overeenkomt met die van de inhoud van N op mesoporeuze koolstoffen. Met andere woorden, het hoogste gehalte aan N op NMC's-5/3 betekent de beste hydrofiliciteit. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat hoe hoger het N-gehalte op mesoporeus koolstofmateriaal is, hoe groter de oppervlakteruwheid zal zijn; bovendien leidt het hogere gehalte aan N-5 en N-6 ook tot de verbeterde waterstofbinding tussen NMC's en watermoleculen; 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.

een HCPT adsorption isotherms of NMCs-x (x =5, 6, 7, and 8) in ethanol solution. b 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:

waar q is the mass of HCPT adsorbed in the porous structure per unit mass of NMCs at the equilibrium state(mg g ⁻¹ ), q _m 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:

waar Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k en n 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.