Einstufige Synthese von stickstoffdotierten hydrophilen mesoporösen Kohlenstoffen aus einem Chitosan-basierten Trikonstituentensystem zur Wirkstofffreisetzung

Einführung

Mesoporöses Siliciumdioxid [1, 2], mesoporöse Molekularsiebe [3], mesoporöser Kohlenstoff [4,5,6] und andere Materialien werden im Bereich der Biomedizin häufig verwendet. Unter diesen haben mesoporöse Kohlenstoffmaterialien bessere Eigenschaften hinsichtlich spezifischer Oberfläche, Porenvolumen, guter chemischer Stabilität und thermischer Stabilität [7] und sind daher besser geeignet, als ausgezeichnete Wirkstoffbeladungsmaterialien zu dienen. Es wurde berichtet, dass mesoporöse Kohlenstoffmaterialien in großem Umfang zum Beladen mit Antitumor-Wirkstoffen verwendet wurden (Camptothecin [8], Doxorubicin [9,10,11,12], Paclitaxel [13,14,15,16], photothermische Therapie, integrative Therapie, Markierung fluoreszierender Zellen, Biosorption humaner toxischer Substanzen, medizinische Bildgebung und Biosensorik [17].

Gegenwärtig werden Phenolharze [18, 19] und Saccharose [20, 21] als Kohlenstoffquellen verwendet, um mesoporösen Kohlenstoff herzustellen. Es gibt jedoch potenzielle Umweltgefahren im Zusammenhang mit Phenolharzen, die als Kohlenstoffquelle verwendet werden. Außerdem hat Saccharose die Nachteile des komplexen Herstellungsverfahrens und der hohen Kosten. Die Hydrophilie von mesoporösen Kohlenstoffmaterialien, die aus diesen beiden Kohlenstoffquellenmaterialien hergestellt werden, ist gering, was die Verwendung von mesoporösem Kohlenstoff als Wirkstoffbeladung bei Injektionen und Blutzirkulation einschränkt [17]. Um die Hydrophilie von mesoporösem Kohlenstoff zu erhöhen, wurden viele Ansätze vorgeschlagen, den mesoporösen Kohlenstoff durch gemischte Säureoxidation [9, 12, 22] oder direkt dotierten Stickstoff auf mesoporösen Kohlenstoffmaterialien zu modifizieren [23, 24, 25]. Eine starke Oxidation könnte jedoch zu einer negativen Auswirkung auf die Oberflächeneigenschaften und die Porenstruktur des mesoporösen Kohlenstoffs führen und ihr Wirkstoffbeladungspotential beeinträchtigen. Andererseits ist die Stickstoffdotierung nach der Behandlung umständlich und teuer, was für die Massenproduktion nicht akzeptabel ist.

Chitosan ist eine Art Biomasse mit reichlich Kohlenstoff und Hydroxyl (–OH) und Amino(–NH₂ ) [26, 27]. Mesoporöse Kohlenstoffmaterialien werden unter Verwendung von Chitosan als Kohlenstoffquelle hergestellt.

Derzeit wird Chitosan als Kohlenstoffquelle zur Herstellung von mesoporösem Kohlenstoff durch das Verfahren der verdampfungsinduzierten Selbstorganisation (EISA) beschrieben. Sun [28] stellte beispielsweise mesoporösen Kohlenstoff mit einer Porengröße von 2–16 nm und einer spezifischen Oberfläche von 293–927 m ² . her /g unter Verwendung von Chitosan-protischem Salz als Kohlenstoffquelle und F127 als Templat. Feng [29] stellte mesoporösen Kohlenstoff mit einer Porengröße von 5–15 nm und einer spezifischen Oberfläche von 41–457 m ² . her /g unter Verwendung von Chitosan als Kohlenstoffquelle und F127 als Templat. Andrzej [30] stellte mesoporösen Kohlenstoff mit einer Porengröße von 3–20 nm und einer spezifischen Oberfläche von 600–1337 m ² . her /g unter Verwendung von Chitosan als Kohlenstoffquelle und kolloidalem SiO₂ als Vorlage. Diese präparierten mesoporösen Kohlenstoffmaterialien zeichnen sich jedoch durch eine breitere Porengrößenverteilung, eine geringere spezifische Oberfläche, eine unregelmäßige Morphologie und eine größere Partikelgröße (> 1 μm) aus. Die Molekülgrößen gängiger Krebsmedikamente liegen normalerweise im Bereich von 1,1–1,9 nm, wie Paclitaxel, Doxorubicin und Hydroxycamptothecin (HCPT), die 1,90 nm × 1,19 nm × 0,07 nm, 1,52 nm × 1,08 nm × 0,71 nm betragen. 1,14 nm × 0,69 nm × 0,44 nm (berechnet mit der Software Materials Studio). Im Allgemeinen ist die enge Porengrößenverteilung poröser Materialien für den Massentransfer von Adsorbatmolekülen von Vorteil, und die geeignete Porengröße poröser Materialien beträgt das 1,5–3,0-fache der Größe der Adsorbatmoleküle [31]. Somit sollten die mesoporösen Kohlenstoffmaterialien als Wirkstoffträger einen engen Porengrößenbereich mit großem Volumen, hoher spezifischer Oberfläche, guter Biokompatibilität und Hydrophilie und nanosphärischer Morphologie aufweisen. Der kugelförmige mesoporöse Kohlenstoff mit einem Durchmesser von weniger als 1 µm wurde in unseren früheren Berichten durch Sprühtrocknungstechnologie hergestellt [32]. Obwohl das hergestellte mesoporöse Kohlenstoffmaterial eine höhere Hydrophilie zeigte (Kontaktwinkel Theta beträgt 124,1 ^o ) als die der Probe, die mit Saccharose als Kohlenstoffquelle hergestellt wurde (Kontaktwinkel Theta beträgt 161,9 ^o ) ist die Hydrophilie und die spezifische Oberfläche des mesoporösen Kohlenstoffs aufgrund der geringeren Menge an sauerstoffhaltigen Gruppen und der starken Schrumpfung und des Zusammenbruchs des organischen Gerüsts, das durch mesoporöse Kohlenstoffvorläufer während der Carbonisierung gebildet wird, immer noch unbefriedigend. Es wurde berichtet, dass die hydrolytische Polykondensation von Tetraethylorthosilikat (TEOS) in saurer Lösung Kieselsäureaggregate mit reichen Siliciumhydroxylgruppen erzeugen kann, die mit der Etherbindung des hydrophilen Segments von F127 durch Wasserstoffbrückenbindung verbunden sind [33], was das Schrumpfen und Zusammenbrechen von . verhindern kann Kohlenstoffstruktur während der Karbonisierung [18] und erhöhen die sauerstoffhaltigen Gruppen mesoporöser Kohlenstoffmaterialien.

Hier wurde Chitosan als Kohlenstoffquelle und Stickstoffquelle verwendet, und F127 und TEOS wurden als Templaten verwendet, um hydrophile nano-mesoporöse Kohlenstoffmaterialien mit sphärischer Morphologie unter Verwendung von Sprühtrocknung gekoppelt mit einer Karbonisierungstechnik herzustellen. Die Auswirkungen verschiedener Kohlenstoff-Silizium-Verhältnisse (C/Si) auf die Porenstruktur, Zusammensetzung und hydrophilen Eigenschaften von NMCs wurden untersucht, sowie die Adsorptions- und Freisetzungseigenschaften von mesoporösen Kohlenstoffmaterialien für das schwerlösliche Antitumor-Medikament Hydroxycamptothecin (HCPT). wurden untersucht.

Materialien und Methoden

Rohstoffe und Reagenzien

Amphiphiles Triblockcopolymer F127 (M _w =12.600, EO₁₀₆ -PO₇₀ -EO₁₀₆ , Sigma-Aldrich, USA), TEOS (Aladdin Reagent Company, Amerika), CS (Deacetylierungsgrad ≥ 95%, Viskosität 100~200 mPa·s; Aladdin Reagent Company, Amerika), HCPT (HCPT-160201; Chengdu Yuancheng Biotechnology Co ., Ltd., China) und Eisessig, Salzsäure, wasserfreies Ethanol, Tween-80, Monokaliumphosphat und Natriumhydroxid (analytisch rein; Shanghai Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China) verwendet. In allen Experimenten wurde entionisiertes Wasser verwendet.

Vorbereitung von NMCs

Die Herstellung von stickstoffdotiertem mesoporösem Kohlenstoff kann durch das schematische Synthesediagramm in Abb. 1 beschrieben werden. Es gibt vier Schritte:(I) Verwendung von Chitosan als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle und Triblockcopolymer F127 und Tetraethylorthosilikat (TEOS) als Templat Agenten. In einem zweiphasigen Alkohol-Wasser-System wurden kugelförmige Micellen durch Doppelelektronenkopplung zwischen F127 und TEOS gebildet. Si-OH wurde dann durch Hydrolyse gebildet und –NH₂ in CS bildeten sich im sauren Zustand Wasserstoffbrückenbindungen, was zur Bildung eines Dreikomponentensystems führte, das anschließend polymerisiert und vernetzt wurde, um einen Komplex zu bilden; (II) Spritzgießen des Verbundmaterials wurde durch ein Dreikomponentensystem durch ein Sprühtrocknungsverfahren zusammengesetzt; (III) Entfernung von F127 durch Rösten in einer Stickstoffatmosphäre und Karbonisieren; und (IV) thermische Alkalientfernung von Silizium, um mesoporöse Kohlenstoffmaterialien zu bilden. Vier repräsentative Proben wurden mit einem variierenden C/Si-Verhältnis hergestellt und als NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 und NMCs-8/3 bezeichnet. Ein typisches Syntheseexperiment umfasste die folgenden Schritte:(a) Herstellung einer CS-Lösung – CS (7,0, 8,4, 9,8 oder 11,2 g) wurde in einer 5%igen wässrigen Essigsäurelösung bei 40 °C gelöst, um eine 2,1%ige CS-Lösung herzustellen . (b) NMCs wurden durch Auflösen von 2,1 g F127 in 50 ml Ethanollösung bei 40 °C hergestellt, gefolgt von der Zugabe von 15,6 ml TEOS und 0,2 M HCl (15 ml) zur Hydrolyse. Nach 10 min Reaktionszeit wurde die Lösung in die CS-Lösung überführt und 60 min gemischt. Die Mischung wurde dann 60 min bei Raumtemperatur ruhen gelassen und dann mit einem Sprühtrockner (BÜCHI B-290, BÜCHI, Schweiz) bei einer Einlasslufttemperatur von 170 °C und einer Zufuhrflussrate von 3,5 ml/min getrocknet. Die erhaltene Probe wurde als CS/SiO₂ . gekennzeichnet /F127; und (c) Karbonisierungsprozess – das CS/SiO₂ /F127-Pulver wurde in einen Röhrenofen gegeben, geschützt mit einer Stickstoffflussrate von 200 cm ³ /h und erhitzt mit einer Geschwindigkeit von 2 °C/min auf 410 °C. Diese Temperatur wurde dann 2 h gehalten, dann mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/min auf 900 °C erhöht und 2 h kalziniert, um das C-Si-Kompositmaterial zu erhalten. Si wurde aus dem erhaltenen C-Si-Verbundmaterial unter Verwendung von heißem Alkali mit 1 M wässriger NaOH-Lösung bei 85 °C zweimal entfernt, mit entionisiertem Wasser gewaschen, bis ein neutraler pH-Wert erreicht wurde, und bei 100 °C getrocknet, um die mesoporösen Kohlenstoffe zu ergeben (Abb. 1). Die erhaltenen Materialien wurden entsprechend der in der Lösung verwendeten CS-Menge (7,0, 8,4, 9,8 oder 11,2 g .) als NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 und NMCs-8/3 bezeichnet CS bzw.).

Schematische Darstellung der Herstellungsprozesse von NMCs

Charakterisierungsmethode

Die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen und die Porengröße mesoporöser Kohlenstoffe wurden mit einem Micrometrics ASAP2020 N₂ . getestet physikalisches Adsorptionsgerät zur Adsorption/Desorption. Die Proben wurden unter Vakuumbedingungen (76 mmHg) bei 120 °C für 12 h vorentgast. Die spezifische Oberfläche (S _WETTEN ) wurde mit der Barrett-Emmer-Teller-Methode berechnet, während das Porenvolumen (V _BJH ) und Porengröße (D _BJH ) wurden mit dem Barrett-Joyner-Halanda (BJH)-Modell berechnet, bei dem das Porenvolumen als Absorptionskapazität bei Relativdruck P . berechnet wurde /P ₀ =0,975.

Die elementare Zusammensetzung (C, H, O, N) von NMCs wurde mit einem ElementarVario EL Typ III Elementaranalysator charakterisiert.

Der Pyrolyseprozess von F127, CS und dem ternären Systemspray-Zwischenprodukt CS/SiO₂ /F127 wurde unter Verwendung eines Netzsch STA 449C Thermoanalysators charakterisiert. Der Temperaturbereich wurde von Raumtemperatur bis 1000 °C mit einer Geschwindigkeit von 5 °C/min eingestellt.

Die Kristalleigenschaften von NMCs wurden mit einem Bruker D8 Advance Röntgendiffraktometer mit CuKα-Strahlung, einfallende Wellenlänge λ . charakterisiert von 0,154060 nm, bei 40,0 kV und 40,0 mA und einem 2θ Bereich von 0,9–4° (Scangeschwindigkeit:0,5°/min, Scanschrittlänge 0,002°).

Die Morphologie des mesoporösen Kohlenstoffs wurde mit einem FEI Tecnai G2 F20 S-Twin Transmissionselektronenmikroskop bei einer Beschleunigungsspannung von 200 kV analysiert.

Der atomare Bindungszustand von NMCs wurde unter Verwendung eines ThermoScenfticEscalab 250XI Röntgen-Photoelektronenspektrometers unter Verwendung einer Al Kα-Strahlungsquelle und der folgenden Parameter charakterisiert:Testenergie 1486,8 eV; Prüffleckdurchmesser, 500 µm; Reagenzglasspannung, 15 kV; Röhrenstrom, 10 mA; Enddruck der Analysekammer, 2 × 10 ^–9 mbar. Die Korrektur der Spitzenposition wurde gemäß C1s bei 284,8 eV durchgeführt.

Der Wasserkontaktwinkel auf der Oberfläche der Proben wurde mit dem optischen Kontaktwinkelmessgerät Dataphysics OCA25 getestet.

Aufnahme von HCPT auf NMCs

HCPT wurde genau auf 10 mg abgewogen und in 50 ml absoluter Ethanollösung gelöst, um 200 ug/ml Standard-Stammlösung herzustellen. Dann wurde die Stammlösung auf Konzentrationen verdünnt (0,4, 0,5, 1, 3, 5, 7 und 10 μg ml ^–1 ). Als Referenzlösung wurde eine absolute Ethanollösung verwendet, um den Absorptionswert für jede Konzentration von Standardlösungen durch UV-Spektrophotometrie bei 385 nm zu messen. Eine Regressionsanalyse der Massenkonzentration (C) mit der Extinktion (A) wurde durchgeführt, um die Regressionsgleichung y . zu erhalten =0,07573x + 0,04149; die Standardkurve hatte eine gute lineare Beziehung zwischen der Extinktion und der Konzentration innerhalb des gemessenen Bereichs von 0,4~10 µg/ml, mit Korrelationskoeffizient R ² =0,99947.

Die Beladung der NMCs mit Medikamenten wurde mit der Methode der Immersionslösung in organischem Lösungsmittel durchgeführt. HCPT-Lösung (0,2~1,2 mg ml ^–1 ) wurde durch Auflösen einer bestimmten Menge (6~36 mg) HCPT in 30 ml absolutem Ethanol hergestellt. Anschließend wurden 20 mg der verschiedenen NMCs zugegeben, bei 37 °C im Wasserbad 24 h im Dunkeln gemischt und durch Zentrifugation bei 8000 U/min für 10 min getrennt. Der Überstand wurde dann extrahiert und die Konzentration von HCPT wurde durch UV-Absorptionsspektroskopie bei der maximalen Absorptionswellenlänge von 385 nm nachgewiesen. Der Wirkstoffträger wurde in einen Vakuum- und Trockenbereich bei 40 °C für 24 Stunden gelegt. Die an den NMC-Proben adsorbierte Arzneimittelmenge wurde entsprechend der Konzentrationsänderung vor und nach der Adsorption bestimmt. Die Arzneistoffadsorptionskapazität für jede NMC-Probe wurde gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

Arzneimittelfreigabe von HCPT

Die dynamische Dialyse wurde verwendet, um die Wirkstoffauflösung aus 15 mg reinem HCPT sowie aus den Wirkstoff-beladenen NMCs (NMCs-5/3@HCPT, NMCs-6/3@HCPT, NMCs-7/3@HCPT und NMCs .) nachzuweisen -8/3@HCPT). Ein in vitro Freisetzungstest wurde in Phosphatpufferlösung (PBS) mit pH 7,4 und pH 5,0 und 0,1% Tween-80 bei 37 °C im Dunkeln durchgeführt. Die vorbereiteten PBS-Puffer-NMC-Probenlösungen (pH 7,4 und pH 5,0) wurden in Dialysebeutel (MWCO =14.000) gegeben und in 500 ml PBS bei pH 7,4, pH 5,0 getaucht und bei 100 U/min bei 37 °C gerührt . Ein 4-ml-Aliquot wurde in regelmäßigen Zeitintervallen von 1, 2, 4, 6, 8, 10 und 12 h entnommen und mit frischem isothermem, isovolumetrischem PBS aufgefüllt. Das Dialysat wurde extrahiert und 10 Minuten bei 8000 U/min zentrifugiert; 1 ml Überstand wurde extrahiert und 20-fach verdünnt und seine Absorption wurde durch UV-Spektrophotometrie bei 385 nm gemessen. Die Wirkstoffkonzentration wurde gemäß der Standardkurve berechnet und die kumulative Freisetzung von HCPT wurde gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

wo V ₁ ist das mittlere Volumen (ml), V ₂ ist das Probenahmevolumen (ml), C _n ist die Probenkonzentration von HCPT im n mal Probenahme, (μg ml ^–1 ), n ist die Anzahl der Probenahmeversuche und W ist der Wirkstoffgehalt von HCPT in NMCs.

Ergebnisse und Diskussion

Bestimmung der Karbonisierungsbedingungen

Abbildung 2a zeigt die thermogravimetrischen (TG) Kurven des freien Templatagens F127, CS und CS/SiO₂ /F127 zusammengesetzt. Es ist ersichtlich, dass F127 bei 400 °C fast vollständig pyrolysiert wird [34] mit einem Gewichtsverlust von etwa 99,6 %, während CS bei 250–400 °C einen Gewichtsverlust von 56 % erfährt, gefolgt von einem Plateau bei 400–900 ° C (1,53% Gewichtsverlust bei 800–900 °C), was darauf hindeutet, dass sich das Kohlenstoffgerüst bei 800 °C gebildet hat. Der Gewichtsverlust von CS/SiO₂ /F127 trat hauptsächlich unter 500 °C (55,5%) auf, hauptsächlich aufgrund der Pyrolyse von F127 und CS; oberhalb von 800 °C erreichten die TG-Kurven ein Plateau, was darauf hindeutet, dass CS fast vollständig karbonisiert war. Andrzej [30] weist darauf hin, dass bei hohen Karbonisierungstemperaturen (1000–1100 °C) der Stickstoffgehalt der Materialien abnimmt. Daher wurde die Temperatur von 400 °C 2 Stunden lang gehalten, um F127 zu entfernen, und die Temperatur von 900 °C wurde 3 Stunden lang gehalten, um sicherzustellen, dass die Kohlenstoffmaterialien einen höheren Stickstoffgehalt und Graphitisierungsgrad aufwiesen.

a TG-Kurven von CS, F127 und CS/SiO₂ /F127. Die Heizrate betrug 5 °C/min unter Stickstoffstrom. b XRD-Muster der NMCs der NMCs-x /3(x =5,6,7,8)

Auswirkungen von C/Si auf mesoporöse Kohlenstoffe

XRD-Analyse mesoporöser Kohlenstoffe

Die XRD-Spektren der präparierten Proben NMCs-x /3(x =5,6,7,8) ist in Abb. 2b dargestellt. Es gibt einen breiten breiten Peak bei 2θ =23° auf den vier präparierten Proben, was typische charakteristische Peaks von amorphen Kohlenstoffmaterialien sind [35]. Es ist ersichtlich, dass das vorbereitete Kohlenstoffmaterial NMCs-x /3 hat eine amorphe Struktur, die mit den in den Referenzen [36, 37] berichteten Ergebnissen übereinstimmt.

Porenstrukturanalyse mesoporöser Kohlenstoffe

Die N₂ isotherme Absorptions- und Desorptionskurven der vier NMC-Proben und ihre Porengrößenverteilungskurven sind aufgetragen (Abb. 3); die relevanten Porenstrukturdaten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Nach P /P ₀ ≥ 0,4, die N₂ Adsorptionsisothermen der vier Proben zeigen Hystereseschleifen, die für mesoporöse Kohlenstoffmaterialien typisch sind [38, 39]; von den vier Proben ist die Hystereseschleife für NMCs-7/3 am größten (Abb. 3a). Die Diagramme der Porengrößenverteilung zeigen, dass die Porengrößenverteilung der Kohlenstoffmaterialien relativ eng ist, hauptsächlich innerhalb von 2,01-3,65 nm (Abb. 3b), was dem 1,75-3,2-fachen des aerodynamischen Äquivalentdurchmessers von HCPT entspricht. Kondo argumentierte [31], dass die Diffusionsgeschwindigkeit des Adsorbats in die Poren umso langsamer ist, je kleiner die Porengröße ist; je größer die Porengröße ist, führt das Adsorptionspotential des Adsorbats und der festen Oberfläche zu einer schlechten Absorption auf der festen Oberfläche. Die Absorptionskapazität ist am besten, wenn die Porengröße das 1,5- bis 3,0-fache des aerodynamischen Äquivalentdurchmessers des Adsorbats beträgt. Somit ist die Porengröße der hier hergestellten mesoporösen Kohlenstoffe für die Absorption von HCPT geeignet

N₂ Adsorptions-Desorptions-Isothermen (a ) und Porengrößenverteilungskurven (b ) von NMC_S

Die Porenstrukturdaten (Tabelle 1) zeigen, dass das mesoporöse Porenvolumen und die BET-spezifische Oberfläche von NMC-x-Materialien mit zunehmendem C/Si-Verhältnis zunehmen und dann abnehmen und einen Maximalwert bei C/Si =7:3 erreichen. Dies kann auf den folgenden Mechanismus zurückgeführt werden. Bei einem niedrigen C/Si-Verhältnis (5/3) ist die Menge an –OH und –NH₂ auf der CS ist ebenfalls klein, während die von TEOS relativ groß ist; daher ist auch die Menge an Si-OH, die durch Hydrolyse und Polykondensation von TEOS gebildet wird, groß und daher traten unzureichende Wasserstoffbrückenbindungen mit –OH und –NH₂ . auf auf CS, was zu einer Verringerung der Sole der dreidimensionalen vernetzten Netzwerkstruktur führt. Anschließend, nach der Entfernung von TEOS und F127-Templat, nahm das mesoporöse Porenvolumen ab. Da außerdem ein Überschuss an TEOS vorhanden ist, sind die gebildeten Micellen groß und die nach der TEOS-Entfernung erhaltene durchschnittliche Porengröße ist ebenfalls groß. Umgekehrt lieferte CS bei einem hohen CS-Gehalt und damit einem hohen C/Si-Verhältnis (8/3) mehr –OH und –NH₂ , so dass das durch Hydrolyse und Polykondensation von TEOS gebildete Si‐OH nicht ausreicht, was zur Bildung kleinerer und weniger Micellen führt, wodurch das Porenvolumen und die Porengröße des mesoporösen Kohlenstoffs verringert werden. Offensichtlich sind bei einem C/Si-Verhältnis von 7:3 die verfügbaren –OH und –NH₂ Gruppen stimmen gut mit der Menge an Si-OH auf TEOS überein, was zur Bildung eines größeren mesoporösen Porenvolumens und einer BET-spezifischen Oberfläche führt.

TEM-Analyse mesoporöser Kohlenstoffe

Da NMC-7/3 die größte spezifische Oberfläche und das größte Mesoporenvolumen hat, werden weitere Untersuchungen zur Porenverteilung und Mikrostruktur nur für diese Probe durchgeführt und die Daten sind in Abb. 4 dargestellt. TEM-Bilder zeigen, dass das präparierte mesoporöse Kohlenstoffmaterial NMC-7/3 hat sphärische Struktur bei unterschiedlichen Vergrößerungen und ihre Partikelgrößen liegen alle unter 1 µm (Abb. 4a, b). Die mesoporösen Kohlenstoffmaterialien mit einer Partikelgröße von etwa 200 nm können Wirkstoffe effizient durch Zellmembranen transportieren und üben somit einige einzigartige therapeutische Funktionen aus [40]. Abbildung 4c zeigt, dass die Porenstruktur der Probe sichtbar ist und eine klare und typische wurmartige Struktur aufweist [34] (Abb. 4c). Es ist zu erkennen, dass am Rand der mesoporösen Kohlenstoffpartikel ~2 nm Porenkanäle beobachtet werden können, die durch Carbonisierung und Reorganisation der Kettenstruktur von Chitosan und Entfernung des Templats erzeugt werden. Die Größe der kleinen weißen Punkte, die auf der Oberfläche der Partikel beobachtet werden, beträgt jedoch im Allgemeinen weniger als 2 nm, was auf die Überlappung und Verflechtung der durch die Karbonisierung von Chitosan gebildeten Ketten zurückzuführen ist.

a –c TEM-Bilder der NMCs-7/3 in verschiedenen Vergrößerungen

Zusammensetzungs- und Hydrophilieanalyse

Zusammensetzungsanalyse von NMCs

FTIR-Spektrum mesoporöser Kohlenstoffmaterial-NMCs-x /3 ist in Fig. 5a gezeigt; 3430 cm ⁻¹ ist der Streckschwingungsabsorptionspeak von N–H und O–H [41], 1630 cm ⁻¹ ist der Streckschwingungsabsorptionspeak von C=N und C=C und 1120 cm ⁻¹ ist der Streckschwingungsabsorptionspeak von C–N und C–C, was darauf hindeutet, dass Stickstoffatome erfolgreich in NMCs eingebaut werden.

FTIR(a ) Muster der NMCs der NMCs-x /3(x =5,6,7,8); SEM-Bild (b –d ) der Beispiel-NMC_S -7/3 und elementares Mapping (e –g ) auf die Kugel im Nebenbild des REM-Bildes gerichtet (d ), die auf die Elemente C, O und N reagiert , bzw.

Das SEM von NMC-7/3 (Abb. 5b–d) und die C(e), O(f) und N(g)-Elementaranalyse seiner Oberfläche (Abb. 5e–g) zeigen deutlich, dass der mesoporöse Kohlenstoff Das vorbereitete Material ist kugelförmig, aber seine Größe ist nicht einheitlich. Dies ist auf das Sprühtrocknungsverfahren zurückzuführen. Die Daten des Elementscannings zeigen, dass C-, O- und N-Elemente innerhalb des mesoporösen Kohlenstoffs der Nanokügelchen verteilt sind. Daher N wurde erfolgreich in die NMCs dotiert.

Die XPS-Graphen der vier NMCs sind in Fig. 6 gezeigt, was darauf hinweist, dass die vier Proben O, N und C enthielten (Fig. 6a). N1s wurde mit Peakdifferenzierung und -anpassung verarbeitet (Abb. 6b–e), was eine Aufspaltung von N1s in vier Peaks mit entsprechenden Bindungsenergien von 398,37, 400,80, 402,40 bzw. 404,53 eV zeigt, die dem Pyridinstickstoff zugeschrieben werden (N-6) , Pyrrolstickstoff (N-5), quartärer Stickstoff (NQ) und oxidiertes –N (N–O) [36, 42,43,44,45]. Außerdem waren die Peakflächen von N-5 und N-6 größer, was auf einen größeren Gehalt innerhalb des Komposits hinweist. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass in situ N wurde in die mesoporösen Kohlenstoffe dotiert und nahm die Form von pyridinischem und pyrrolischem Stickstoff an.

XPS-Umfrage der NMCs (a ) und N1s XPS-Spektren von NMCS-5/3 (b ), NMCs-6/3 (c ), NMCs-7/3 (d ), NMCs-8/3 (e ). Raman(f ) Muster der NMCs der NMCs-x /3(x =5, 6, 7 und 8)

Tabelle 2 zeigt die C-, N- und O-Gehalte auf der Oberfläche der vier NMCs, die aus XPS- und Elementaranalysen erhalten wurden (die Unterschiede im Elementargehalt, die von jeder Technik festgestellt wurden, waren ein subtiler Unterschied). Insgesamt N Der Inhalt auf der Oberfläche der NMCs ist für NMCs-5/3 am höchsten, gefolgt von NMCs-6/3, NMCs-7/3 und schließlich NMCs-8/3. Somit nimmt der N-Gehalt auf der Oberfläche der NMCs mit zunehmendem C/Si-Verhältnis allmählich ab. Dieses Phänomen wird der Tatsache zugeschrieben, dass bei niedrigeren C/Si-Verhältnissen die Menge an Si-OH im System und die Mengen an –OH und –NH₂ . umso geringer sind auf CS verfügbar für Wasserstoffbrückenbindungen. Daher gibt es mehr Chancen für –NH₂ Kontakt mit Si-OH stark in der gebildeten dreidimensionalen Netzstruktur und die Bindungskraft zwischen ihnen ist stärker, was dazu führt, dass während des Kalzinierungsprozesses eine größere Menge an N im Kohlenstoffgerüst zurückbleibt. Bei höheren C/Si-Verhältnissen jedoch –OH und –NH₂ auf CS kann durch Hydrolyse mit TEOS keine dreidimensionale Netzwerkstruktur bilden, und daher wird nach dem Kalzinierungsprozess aufgrund der Verflüchtigung in die N-Atmosphäre weniger N zurückgehalten.

Raman-Spektrum von Kohlenstoff-Material-NMCs-x /3 ist in Abb. 6f dargestellt. In allen Proben traten zwei charakteristische Peaks bei 1350 cm ⁻¹ . auf und 1601 cm ⁻¹ , entsprechend D und G Spitzen von Kohlenstoffmaterialien bzw. Unter ihnen D Peak spiegelt den Grad der atomaren Verschiebung, des ungeordneten Kohlenstoffs, der Kantendefekte und anderer Defekte wider (sp ³ Kohlenstoff, baumelnder Kohlenstoff und Leerstellen usw.) in Kohlenstoffmaterialien und G Peak spiegelt den Ordnungsgrad von sp ² . wider Kohlenstoff. Ein Verhältnis von D Spitze bis G Spitze (ich _D /Ich _G ) kann den Kristallinitätsgrad von Kohlenstoffmaterialien widerspiegeln [46]. Es wird darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge von I _D /Ich _G Wert ist der gleiche wie der von N Gehalt an seiner Oberfläche und mit steigendem Stickstoffgehalt werden mehr Defekte erzeugt [47]. Die berechneten Ergebnisse zeigen, dass das I _D /Ich _G der vier Kohlenstoffmaterialien NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 und NMCs-8/3 sind 0,897, 0,815, 0,808 bzw. 0,704, und ihre Größe ist ebenso wie ihr Stickstoffgehalt (siehe Tabelle 2). Es ist zu sehen, dass das größere I _D /Ich _G Der Wert von NMCs-5/3 zeigt an, dass der Strukturfehler offensichtlicher ist, was auf die große Menge an Stickstoffdotierung auf dem Kohlenstoffmaterial zurückzuführen ist.

Hydrophilie von NMCs

Die dynamischen Kontaktwinkel von Wasser auf NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 und NMCs-8/3 gemessen alle 0,1 s (Abb. 7a–e), 0,3 s (Abb. 7f– j), 0,4 s (Abb. 7k–o) und 0,7 s (Abb. 7p–t) zeigen, dass die erforderliche Zeit zum Reduzieren des Wassertropfenkontaktwinkels auf NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs- 7/3 und NMCs-8/3 bis unter 20° betrugen 0,45 s, 1,15 s, 1,54 s bzw. 2,71 s. Somit zeigen die vier Proben eine starke Hydrophilie im Vergleich zu ihren nicht mit Stickstoff dotierten mesoporösen Kohlenstoff-Gegenstücken (129°) [37]. Die Stickstoffelemente in den NMCs bildeten aktive Zentren, was zu einem Anstieg des sp ² . führte Clusterfraktion, mit einer Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit der Kohlenstoffmaterialien [48] und damit einem kleineren Benetzungswinkel und verbesserter Hydrophilie und Dispergierbarkeit. Darüber hinaus führte auch die Wasserstoffbrückenbindung zwischen N-5, N-6 und Wassermolekülen in NMCs zu einer erhöhten Hydrophilie [23, 49, 50]. Die Kopplung dieser Effekte ermöglicht die potenzielle Anwendung von NMCs bei der Wirkstoffabgabe.

Optische Schliffbilder der Wasserkontaktwinkel auf der Oberfläche von mesoporösem Kohlenstoff als Funktion der Kontaktzeit (a –e ) NMCs-5/3, (f –j ) NMCs-6/3, (k –o ) NMCs-7/3 und (p –t ) NMCs-8/3

Abbildung 8 zeigt die Beziehungskurven der Variation der Kontaktwinkel auf diesen vier NMCs im Laufe der Zeit. Wie aus Abb. 8 hervorgeht, betrug die erforderliche Zeit zum Reduzieren der Kontaktwinkel von Wassertropfen auf NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 und NMCs-8/3 auf unter 20° 0,45 . s, 1,15 s, 1,54 s bzw. 2,71 s. Je kürzer die erforderliche Zeit zur Realisierung des gleichen Kontaktwinkels ist, desto besser ist die Hydrophilie der Proben. Offensichtlich kann die Hydrophilie der einzelnen NMCs in absteigender Reihenfolge als NMCs-5/3> NMCs-6/3> NMCs-7/3> NMCs-8/3 eingestuft werden, was dem Gehalt an N . entspricht auf mesoporösen Kohlenstoffen. Mit anderen Worten, der höchste Gehalt an N auf NMCs-5/3 bedeutet die beste Hydrophilie. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Oberflächenrauhigkeit umso größer ist, je höher der N-Gehalt des mesoporösen Kohlenstoffmaterials ist; außerdem führt der höhere Gehalt an N-5 und N-6 auch zu einer verstärkten Wasserstoffbrückenbindung zwischen NMCs und Wassermolekülen; Diese beiden gekoppelten Effekte verstärkten die Hydrophilie von NMCs, was erklären kann, warum die Kontaktzeit am kürzesten war.

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.

a 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:

wo 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:

wo Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k und 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.

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 _WETTEN (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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

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

Abkürzungen

WET:

Brunauer-Emmett-Teller

C/Si:

Carbon-to-silicon

CS:

Chitosan

FTIR:

Fourier Transform infrared spectroscopy

HCPT:

Hydroxycamptothecin

–NH₂ :

Amino

NMCs:

Nitrogen-doped mesoporous carbon spheres

–OH:

Hydroxyl

PBS:

Phosphate buffer solution

Raman:

Raman spectra

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

Si–OH:

Silicon hydroxyl

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TEOS:

Tetraethylorthosilikat

TG:

Thermogravimetry

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenpulverbeugung