Eén-staps synthese van stikstof-gedopte hydrofiele mesoporeuze koolstofsfeerjes uit chitosaan voor verbeterde hydroxycamptothecine afgifte

Samenvatting

We rapporteren een single-stap, spray-droog benadering die stikstof-gedopte, hydrofiele mesoporeuze koolstofsfeerjes (NMCs-x/3, x = 5, 6, 7, 8) genereert door chitosaan, triblock copolymeer F127 en tetraethyl orthosilicaat (TEOS) te koppelen. De resulterende materialen vertonen een hoge specifieke oppervlakte (tot 2061,6 m² g⁻¹), een nauw poriegrootte venster (2,01-3,65 nm) en significante stikstofinhoud (4,75-6,04%). Hun hydrofiliteit neemt toe met oppervlakte N, correlerend met superieure hydroxycamptothecine (HCPT) adsorptie: q_NMCs-5/3 > q_NMCs-6/3 > q_NMCs-7/3 > q_NMCs-8/3. NMC-5/3 bereikt een verzadigde HCPT lading van 1013,51 mg g⁻¹ en een oplossingssnelheid van 93,75%. Deze bevindingen tonen een schaalbaar platform voor het laden van slecht oplosbare antitumormiddelen met afstelbare vrijgifteprofielen.

Inleiding

Mesoporeuze materialen - inclusief silica, zeolieten en koolstof - zijn onmisbaar geworden in de biomedicine door hun hoge oppervlakte, robuuste poriestructuren en chemische stabiliteit. Onder hen springt mesoporeuze koolstof eruit door zijn superieure oppervlakte, porievolume en thermische weerstand, wat het een aantrekkelijke dragermateriaal maakt voor hydrofobe antitumormiddelen zoals camptothecine, doxorubicicine en paclitaxel.

Conventionele koolstofprecursoren zoals fenolharsen en suiker brengen milieucomplicaties of duurdere, multi-staps synthesen met zich mee. Bovendien vertoont koolstof uit deze bronnen vaak slechte hydrofiliteit, wat de toepassing in injecteerbare of systemische afgifte beperkt. Na-synthese stikstof-doping of zuuroxidatie kan hydrofiliteit verbeteren, maar schadeert typisch de poriestructuur of voegt complexiteit toe.

Chitosaan - een natuurlijk rijk, biocompatibel polysacharide rijk in -OH en -NH₂ groepen - biedt een dubbele rol als zowel koolstof- als stikstofbron. Eerdere studies met chitosaan en F127 produceerden mesoporeuze karbonen met brede poriedistributies en lage oppervlaktes. Om deze beperkingen aan te pakken, introduceren we TEOS als secundaire template die, door hydrolyse en polycondensatie, Si-OH groepen vormt die interageren met chitosaan's functionele groepen, wat het poreuze netwerk tijdens verkooling stabiliseert.

Deze studie detailt een spray-droog, één-staps synthese van stikstof-gedopte, hydrofiele mesoporeuze koolstofsfeerjes (NMCs-x/3). We variëren systematisch de koolstof-tot-silicium (C/Si) verhouding om poriestructuur, stikstofinhoud en hydrofiliteit af te stellen, en evalueren hun capaciteit om het slecht oplosbare antikankermiddel hydroxycamptothecine te laden en vrij te geven.

Materialen en Methoden

Ruw Materialen en Reagentia

Triblock copolymeer F127 (Mw ≈ 12.600, Sigma-Aldrich), TEOS (Aladdin), chitosaan (≥95% deacetylering, Aladdin), HCPT (Chengdu Yuancheng) en standaard laboratorium reagentia werden als ontvangen gebruikt. Gedemineraliseerd water werd doorheen gebruikt.

Voorbereiding van NMCs

Chitosaan oplossingen (2,1% w/w) werden bereid door 7,0, 8,4, 9,8 of 11,2 g chitosaan op te lossen in 5% azijnzuur bij 40°C. Parallel werd 2,1 g F127 opgelost in 50 mL ethanol, waartoe 15,6 mL TEOS en 15 mL 0,2 M HCl werden toegevoegd. Na 10 min werd het mengsel gecombineerd met de chitosaan oplossing en 60 min geroerd, daarna 60 min gerust. Spray drogen (inlaat 170°C, stroom 3,5 mL min⁻¹) leverde een composiet poeder (CS/SiO₂/F127) op. Het poeder werd gecalcineerd in een stikstofatmosfeer: 400°C (2 uur) om F127 te verwijderen, gevolgd door 900°C (2 uur) om de matrix te verkoken. daaropvolgende immersie in 1 M NaOH bij 85°C verwijderde silica, wat de finale NMCs-5/3, -6/3, -7/3 en -8/3 opleverde.

Karakterisering

BET oppervlaktes en poriegrootte distributies werden gemeten door N₂ adsorptie (Micrometrics ASAP2020). Elementaire samenstelling (C, H, O, N) werd bepaald door elementaire analyse. Thermische evolutie werd gemonitord via TGA (Netzsch STA 449C). XRD patronen (Bruker D8, CuKα) onthulden amorfe koolstof handtekeningen. TEM (FEI Tecnai G2) visualiseerde morfologie. XPS (Thermo Scientific Escalab 250XI) identificeerde stikstofsoorten. Water contacthoeken werden geregistreerd met een Dataphysics OCA25.

HCPT Lading en Vrijgifte

HCPT werd opgelost in ethanol (0,2-1,2 mg mL⁻¹) en gemengd met 20 mg van elk NMC bij 37°C voor 24 uur. De middelinoud werd gekwantificeerd door UV-Vis (λ = 385 nm). Vrijgifte studies gebruikten dialyse tegen PBS (pH 7,4 of 5,0, 0,1% Tween-80) bij 37°C, bemonstering elke 1-12 uur. Vrijgifte kinetiek werd gefit aan het Ritger-Peppas model.

Resultaten en Discussie

Thermisch Gedrag en Calcinatie Strategie

TGA van het CS/SiO₂/F127 composiet toont ~55% gewichtsverlies onder 500°C, voornamelijk van F127 en chitosaan pyrolyse, met een plateau boven 800°C die complete verkoking bevestigt. Vasthouden bij 400°C voor 2 uur verwijdert F127 efficiënt, terwijl een 900°C finale stap stikstof behoudt en grafitisatie verbetert.

Porieuze Structuur en Morfologie

BET analyse onthult dat de NMCs-x/3 serie een maximum oppervlakte (2061,6 m² g⁻¹) en porievolume (0,77 cm³ g⁻¹) vertonen bij een C/Si verhouding van 7:3. De poriegrootte distributie (2,01-3,65 nm) lijkt goed op de dimensies van HCPT, wat efficiënte lading faciliteert. TEM beelden bevestigen sferische deeltjes <1 µm met worm-achtige mesoporositeit.

Samenstelling en Stikstof Doping

FTIR en XPS bevestigen de aanwezigheid van pyridinische, pyrrolische en quaternaire stikstofsoorten. Stikstofinhoud daalt van 6,04% (NMC-5/3) naar 4,75% (NMC-8/3), correlerend met toenemende C/Si verhouding. De D/G Raman verhouding volgt dezelfde trend, wat hogere disorder bij hogere stikstofladingen aangeeft.

Hydrofiliteit

Dynamische contacthoekmetingen tonen aan dat NMC-5/3 <20° bereikt binnen 0,45 s, aanzienlijk sneller dan NMC-8/3 (2,71 s). Verbeterde oppervlakte stikstof en ruwheid bevorderen waterstofbruggen met water, wat benatting verbetert - een kritische eigenschap voor injecteerbare formuleringen.

HCPT Adsorptie en Vrijgifte

Adsorptie isothermen passen het Langmuir model, met een maximale lading van 1013,51 mg g⁻¹ voor NMC-5/3. De laadcapaciteit volgorde matcht de stikstofinhoud. XRD van HCPT-geladen monsters toont verlies van kristallijne pieken, wat een amorfe middeltoestand aangeeft die oplossing versnelt. Vrijgifte studies tonen aan dat 86,7-93,8% van HCPT vrijkomt binnen 12 uur bij pH 7,4, met langzamere vrijgifte bij pH 5,0, geschikt voor tumor microomgevingen. Hogere stikstofinhoud vertraagt vrijgifte door sterkere middel-drager interacties, wat een afstelbaar vrijgifteprofiel biedt.

Conclusie

We hebben een schaalbare, één-staps synthese van stikstof-gedopte, hydrofiele mesoporeuze koolstofsfeerjes uit chitosaan, F127 en TEOS gevestigd. De optimale C/Si verhouding (7:3) levert de hoogste oppervlakte, porievolume en stikstofinhoud op, wat vertaalt in superieure HCPT lading en controleerbare vrijgifte. De materialen's verbeterde hydrofiliteit en afstelbare middelkinetiek positioneren ze als veelbelovende dragers voor slecht oplosbare antitumormiddelen.