Organische fosfor- en calciumbron induceren de synthese van in dooierschaal gestructureerde microsferen van calciumfosfaat met een hoog specifiek oppervlak:toepassing bij HEL-adsorptie

Resultaten en discussie

Morfologie en chemische karakterisering van microsferen

ATP-CG Yolk-Shell-Structured Microspheres

SEM-afbeeldingen in Fig. 1 tonen de morfologieën van verschillende monsters die zijn verkregen onder verschillende reactieomstandigheden. Bij t =5 min of 15 min, alle producten zijn samengesteld uit uniforme microsferen. Toen de hydrothermische tijd echter verder werd verhoogd tot 30 minuten, werden zelf-geassembleerde microsferen van nanobladen gevormd (zoals weergegeven in Fig. 1 f, i, l). Ondertussen wordt het effect van Ca/P op de morfologie van producten ook waargenomen bij t =30 minuten. Naarmate de Ca / P toenam, werden de zelf-geassembleerde microsferen van nanobladen geleidelijk gevormd (zoals getoond in Fig. 1 f, i, l). De vorming van zelf-geassembleerde microsferen van nanosheets kan worden verklaard door de volgende redenen. Ten eerste kunnen ATP-moleculen onder het hydrothermische microgolfproces hydrolyseren om op adenosine gebaseerde moleculen te vormen, waaronder adenosinedifosfaat (ADP), adenosinemonofosfaat (AMP) en adenosine, en tegelijkertijd fosfaationen vrij te geven (PO₄ ³⁻ ). Ondertussen kunnen CG-moleculen hydrolyseren om gluconaat- en calciumionen te vormen (Ca ²⁺ ). Vervolgens zouden fosfaationen reageren met calciumionen om primaire ACP-kernen te vormen [25]. Vervolgens groeien de initiële ACP-kernen en assembleren ze om ACP-microsferen te vormen. Daarom, wanneer de hydrothermische tijd verder wordt verlengd, worden de ATP- en CG-moleculen in oplossing verder gehydrolyseerd en geven ze meer PO₄ af ³⁻ en Ca ²⁺ ionen, die de vorming van zelf-geassembleerde microsferen van nanobladen veroorzaken door de oververzadiging van het systeem en de nucleatiesnelheid te verbeteren. Bovendien, door de Ca/P te verhogen, wordt de lokale hoge concentratie Ca ²⁺ versnelt ook de morfologische transformatie van producten op dezelfde manier als hierboven. Bovenstaande analyse geeft aan dat de hydrothermische tijd en Ca/P een belangrijke invloed hebben op de morfologie van producten.

SEM-beelden van ATP-CG-microsferen bereid met de hydrothermische microgolfmethode bij 120 °C

Vervolgens worden de FTIR-spectra van microsferen gesynthetiseerd met verschillende Ca / P bij 120 ° C gedurende 15 minuten onderzocht (Fig. 2). De pieken op 1620 cm ⁻¹ , 1383 cm ⁻¹ , en 912 cm ⁻¹ toegeschreven aan de karakteristieke pieken van respectievelijk de C=O, C–O van CG en P–O groepen van ATP [26], wat impliceert dat niet-gehydrolyseerde CG- en ATP-moleculen of hun derivaten worden geabsorbeerd op het oppervlak van de microsferen. De zwakke karakteristieke piek van de PO₄ ³⁻ van HAp bevindt zich op 1035 cm ⁻¹ [27] en de absorptiepieken bij 1122 cm ⁻¹ en 567 cm ⁻¹ zijn toegewezen aan PO₄ ³⁻ ionen van ACP [28], wat aangeeft dat de producten zijn samengesteld uit ACP en HAp. De FTIR-resultaten suggereren dat het calciumfosfaat met succes wordt bereid door ATP als fosforbron en CG als calciumbron te gebruiken.

FTIR-spectra van ATP-CG-microsferen gesynthetiseerd met verschillende Ca/P bij 120 °C gedurende 15 minuten

Verder worden de SEM- en TEM-beelden van monsters die zijn gesynthetiseerd met verschillende Ca/P via microgolfhydrothermische methoden bij 120 °C gedurende 15 minuten weergegeven in Fig. 3. Wanneer de Ca/P 0,8 of 1,67 is, bestaan ​​de monsters uit poreuze microsferen ( Afb. 3b, d). Wanneer de Ca / P 2, 5 is, begint de morfologie van producten te transformeren naar in dooierschaal gestructureerde microsferen (figuur 3f). Naarmate de Ca / P verder toeneemt tot 3,3, zijn de producten volledig samengesteld uit met dooierschaal gestructureerde microsferen (figuur 3h). Verder worden enkele gebroken bollen en de blootgestelde kernen van de dooierschaalmicrosferen (ingevoegd in Fig. 3g) waargenomen na mechanisch breken, wat het bewijs levert van een holle structuur tussen dooier en schaal. Op basis van de bovenstaande observatie stellen we voorlopig het vormingsmechanisme voor van met dooierschaal gestructureerde microsferen die zijn gesynthetiseerd met verschillende Ca / P. Wanneer de Ca/P lager is, worden eerst de poreuze ACP-microsferen gevormd, wat wordt toegeschreven aan het remmende effect van ATP- en CG-moleculen of hun derivaten die aan het oppervlak op de microsferen worden geadsorbeerd. Als de Ca/P verder wordt verhoogd, zal de metastabiele ACP verder groeien, wat wordt aangedreven door de hoge oververzadiging van het systeem. Ten slotte worden de kristallijne HAps gevormd op het buitenoppervlak, wat wordt bevestigd door het TEM (HRTEM) -beeld met hoge resolutie van microsferen in Fig. 3i (de interplanaire afstand van 0,308 nm kan worden geïndexeerd tot (210) van HAp). Als resultaat worden de holle structuren tussen dooier en schaal gegenereerd vanwege het verschil in volume of dichtheid tussen HAp en ACP [24]. De overeenkomstige EDS-toewijzing geeft aan dat de Ca-, P- en O-elementen gelijkmatig over de microsferen zijn verdeeld. De EDS-spectra in Fig. 3k en XPS-spectrum in Fig. 3l laten zien dat de chemische elementen van microsferen voornamelijk Ca, P en O omvatten, wat consistent is met het resultaat van FTIR (Fig. 2).

SEM- en TEM-beelden van ATP-CG-microsferen gesynthetiseerd met verschillende Ca/P. een , b Ca/P =0,8. c , d Ca/P =1,67. e , v Ca/P =2,5. g , u Ca/P =3,3. ik HRTEM, j EDS-mapping, k EDS-spectra, l XPS-spectra van ATP-CG-microsferen met Ca/P =3,3

De impact van microgolf-geassisteerde hydrothermische tijd en temperatuur op de morfologie van microsferen gesynthetiseerd met Ca/P =3.3 wordt verder onderzocht. Zoals getoond in Fig. 4a-b, wanneer de hydrothermische tijd 5 min is, zijn de monsters samengesteld uit poreuze microsferen. Zoals hierboven besproken, wanneer t =15 min, is het product ook samengesteld uit met dooierschaal gestructureerde microsferen (Fig. 4c-d). Wanneer de hydrothermische tijd wordt verlengd tot 60 min of de temperatuur wordt verhoogd tot 160 ^o C, vellen of staafgrenzen worden waargenomen (Fig. 4e-l). De morfologische transformatie van poreus naar dooierschaal naar vel of staaf wordt toegeschreven aan de verdere groei van ACP met de continue hydrolyse van ATP- en CG-moleculen in oplossing. Bovendien versnelt de hydrolyse van ATP- en CG-moleculen of hun derivaten geadsorbeerd aan het oppervlak op de ACP-microsferen ook de groei van ACP. Een interessant fenomeen deed zich voor op 60 min of 160 ^o C, deze vellen of staven zijn ook ontwikkeld op basis van ACP-nanodeeltjes (zoals weergegeven in rode vakken), wat wordt bevestigd door de DTA-analyse in Fig. S1. Een exotherme piek bij 650 °C wordt waargenomen in de DTA-curven [29, 30], die wordt toegeschreven aan de ACP-kristallisatie. De exotherme piek wordt geleidelijk zwak met de toename van de hydrothermische tijd of temperatuur, wat impliceert dat de transformatie van ACP in de producten naar crystillinecalciumfosfaat.

SEM- en TEM-beelden van ATP-CG-microsferen gesynthetiseerd met Ca/P =3,3 onder verschillende experimentele omstandigheden. een , b T =120 °C, t =5 minuten. c , d T =120 °C, t =15 minuten. e–h T =120 °C, t =60 minuten. i–l T =160 °C, t =15 minuten

De chemische samenstelling en structuur van monsters gesynthetiseerd met Ca/P =3.3 onder verschillende hydrothermische tijd of temperatuur worden onderzocht door de FTIR en XRD. Zoals getoond in Fig. 5a, zijn de karakteristieke pieken van PO₄ ³⁻ ionen van HAp bevinden zich op 1037 cm ⁻¹ en 603 cm ⁻¹ [27]. De piek op 1122 cm ⁻¹ wordt toegewezen aan karakteristieke piek van PO₄ ³⁻ ionen van ACP. De absorptie piekt bij 1620 cm ⁻¹ en 1383 cm ⁻¹ worden toegeschreven aan respectievelijk karakteristieke piek van C =O- en C-O-groepen van CG. De absorptiepiek bij 912 cm ⁻¹ verwijst naar de asymmetrische P-O-rektrilling van ATP. Door de hydrothermische tijd of temperatuur te verhogen, wordt de intensiteit van karakteristieke pieken van CG en ATP geleidelijk verlaagd, wat aangeeft dat de ATP- en CG-moleculen of hun derivaten die op het oppervlak van microsferen zijn geadsorbeerd, verder worden gehydrolyseerd. Ondertussen is de intensiteit van de karakteristieke piek van PO₄ ³⁻ ionen in HAp vertonen een geleidelijk toenemende trend met de afname van de intensiteit van de ACP-karakteristieke piek, wat de transformatie van de kristallijne fase van producten naar de HAp-fase verlicht.

een FTIR-spectra en b XRD-patronen van ATP-CG-microsferen gesynthetiseerd met Ca/P =3,3 onder verschillende experimentele omstandigheden

Figuur 5b toont XRD-patronen van verschillende monsters. Een karakteristieke bult van amorfe fase rond 2θ =30° van microsferen gesynthetiseerd na 5 of 15 min wordt waargenomen. Wanneer de hydrothermische tijd echter wordt verlengd tot 60 minuten of de temperatuur wordt verhoogd tot 160 °C, transformeert de kristallijne fase van microsferen grondig naar HAp, wat kan worden geïndexeerd als de standaardgegevens (JDCPS nr. 09-0432). De verbetering in de relatieve intensiteit van (211), (300) en (002) roostervlakken zou de toename van de kristalliniteit van producten verder kunnen verklaren. De XRD- en FTIR-resultaten bevestigen dus verder de kristallijne fasetransformatie van producten met de toename van de hydrothermische temperatuur of tijd.

ATP-CL Yolk-Shell-Structured Microspheres

Om het adsorptiegedrag van geneesmiddelen te vergelijken, werden de andere met dooierschaal gestructureerde microsferen bereid door CL te gebruiken als organische calciumbron door middel van een hydrothermische microgolfmethode [24]. In termen van morfologie bestaan ​​de monsters nog steeds uit dooierschaal-gestructureerde microsferen, wat wordt geverifieerd door de gebroken bollen (invoegen in Fig. 6a) en TEM-afbeeldingen (Fig. 6b, c). Het resultaat toont aan dat de verandering in calciumbron geen significant effect heeft op de morfologie van producten. Bovendien toont de elektronendiffractie van het geselecteerde gebied (SAED) de discrete SAED-spots (Fig. 6d), wat aantoont dat goed gekristalliseerde microsferen worden verkregen. Bovendien vertoont de EDS-mapping de gelijkmatige verdeling van Ca, P- en O-elementen in microsferen (figuur 6e). De overeenkomstige EDS-spectra bevestigen ook de aanwezigheid van Ca-, P- en O-elementen in microsferen (Fig. 6f), wat aangeeft dat de zoals bereide microsferen calciumfosfaat zijn.

een SEM. b , c TEM-afbeeldingen. d S elektronendiffractie met gekozen gebied (SAED). e EDS-mapping en f EDS-spectra van ATP-CL-microsferen

HEL-adsorptie- en adsorptiemechanisme van microsferen

Zoals getoond in Fig. 7, neemt de adsorptiecapaciteit van twee soorten microsferen toe met de toenemende initiële concentratie van HEL. Wanneer de initiële concentratie van HEL stijgt tot 6,5 mg/ml, bereikt de adsorptiecapaciteit van de ATP-CG-microsferen een plateau en is de maximale adsorptiecapaciteit van microsferen ongeveer 332 ± 36 mg/g (Fig. 7a), wat ongeveer tweemaal zo groot is. hoger dan die van ATP-CL-microsferen (176 ± 33 mg/g, 6 mg/ml, Fig. 7b).

Adsorptiecurve van microsferen bij verschillende beginconcentraties van HEL. een ATP-CG-microsferen. b ATP-CL microsferen

Het HEL-adsorptieresultaat wordt verder ondersteund door de FTIR-spectra en TG-curven. Zoals getoond in Fig. 8a, b, pieken de absorptie bij 1134 cm ⁻¹ (1139 cm ⁻¹ ) en 563 cm ⁻¹ (568 cm ⁻¹ ) toegewezen aan de karakteristieke piek PO₄ ³⁻ ionen van ACP en 1039 cm ⁻¹ (1040 cm ⁻¹ ) toegewezen aan karakteristieke piek van PO₄ ³⁻ ionen van HAp worden waargenomen in de HEL-geadsorbeerde microsferen, wat aangeeft dat de introductie van HEL in microsferen geen significante verandering in de structuur van microsferen veroorzaakt. De adsorptie piekt bij 1542 cm ⁻¹ en 1545 cm ⁻¹ toegeschreven aan de amidegroep van HEL worden waargenomen in HEL-geadsorbeerde microsferen, wat bevestigt dat HEL met succes wordt geadsorbeerd op de microsferen. Ondertussen zijn de adsorptiebanden bij 2966, 2962, 2935 en 2927 cm ⁻¹ afkomstig uit –CH₃ en –CH₂ groepen HEL worden ook gedetecteerd in HEL-geadsorbeerde microsferen, wat de aanwezigheid van HEL op de microsferen verder verifieert. De TGA-curven laten zien dat het gewichtsverlies van ATP-CG-microsferen voor en na HEL-adsorptie respectievelijk 11,3% en 36,7% is (Fig. 8c). Daarom is de HEL-adsorptiecapaciteit van ATP-CG-microsferen ongeveer 340 mg/g. Er wordt echter een gewichtsverlies van 21,1% ATP-CL verkregen vóór HEL-adsorptie en 37% verschijnt op de HEL-geadsorbeerde microsferen (Fig. 8d). De HEL-adsorptiecapaciteit is dus 189 mg/g voor ATP-CL-microsferen. De TGA-resultaten zijn gesloten voor het resultaat uit Fig. 7.

FT-IR-spectra en TGA-curven van microsferen voor en na HEL-adsorptie. een FTIR-spectra en c TGA-curven van ATP-CG-microsferen, b FTIR-spectra en d TGA-curven van ATP-CL-microsferen

Om de oorzaak van het verschil in adsorptiecapaciteit tussen twee soorten microsferen te onderzoeken, worden de evenwichtsadsorptiegegevens van microsferen verder geanalyseerd volgens het D-R isothermmodel. De aanpascurves worden getoond in Fig. 9 en de aanpasparameters worden respectievelijk vermeld in Tabel 1. Uit de fittingresultaten blijkt dat de correlatiecoëfficiënt van ATP-CG hoger is dan die van ATP-CL, wat suggereert dat het D-R-model geschikt is voor het beschrijven van het geneesmiddeladsorptiegedrag van ATP-CG-microsferen. Sinds de E waarde lager is dan 8 kJ/mol, is de adsorptie van HEL op ATP-CG-microsferen fysieke sorptie. De maximale capaciteit (Q _m ) van ATP-CG-microsferen voor HEL kan oplopen tot bijna 381 mg/g, wat dicht in de buurt komt van het resultaat van Fig. 7a.

een Adsorptie-isothermenmodel van HEL op ATP-CG-microsferen. b Adsorptie-isothermenmodel van HEL op ATP-CL-microsferen

Aangezien de adsorptie van HEL op de ATP-CG-microsferen fysieke sorptie is, wordt het oppervlaktepotentieel van microsferen onderzocht. Zoals getoond in Fig. 10a, is de zeta-potentiaalwaarde van ATP-CG, ATP-CL-microsferen en HEL in ultrapuur water respectievelijk - 17 mV, − 22 mV en 20 mV. Na HEL-adsorptie verandert de zeta-potentiaalwaarde van ATP-CG- en ATP-CL-microsferen in respectievelijk 2,7 mV en 1,5 mV, wat aangeeft dat de adsorptie van HEL-moleculen op het oppervlak van microsferen door de aantrekkende elektrostatische kracht. De aantrekkende elektrostatische kracht is echter niet de belangrijkste oorzaak van het verschil in adsorptiecapaciteit tussen twee soorten microsferen, omdat er geen significant verschil is in zeta-potentiaalwaarden (− 17 mV en – 22 mV) tussen microsferen.

Zeta-potentialen van HEL en microsferen voor en na HEL-adsorptie

Om de reden die het verschil in absorptiecapaciteit tussen microsferen veroorzaakt verder te verhelderen, wordt daarom het specifieke oppervlak van microsferen onderzocht. Zoals getoond in Fig. 11a, is het BET-specifieke oppervlak (S _BET ) van ATP-CG-microsferen is 143 m ² g ⁻¹ , die ongeveer drie keer zo hoog is als de ATP-CL-microsferen (55 m ² g ⁻¹ , Tafel 2). Het specifieke oppervlak kan dus bijdragen aan het verschil in absorptiecapaciteit tussen microsferen. Een dergelijk hoog specifiek oppervlak van ATP-CG-microsferen wordt voornamelijk toegeschreven aan de lage kristalliniteit [31]. Uit Fig. 11b vertonen ATP-CG-microsferen een lagere kristalliniteit dan die van ATP-CL-microsferen. Bovendien is het verschil in kristalliniteit tussen ATP-CG en ATP-CL voornamelijk te wijten aan de verschillende syntheseomstandigheden. In het algemeen neemt de kristalliniteit van het product toe met de mate van hydrolyse van reactanten onder bepaalde druk en temperatuur. Hierin is de zuurgraad van gluconzuur (pKa =3,39) hoger dan die van l-melkzuur (pKa =3,86), wat een langzamere hydrolysesnelheid zou veroorzaken en uiteindelijk een lagere kristalliniteit zou opleveren. Dientengevolge worden ATP-CG-microsferen met een hoger specifiek oppervlak verkregen door de calciumbron te veranderen.

een Stikstofadsorptie-desorptie-isothermen. b XRD-patronen van microsferen