Ein-Schritt-Synthese von stickstoffdotierten hydrophilen mesoporösen Kohlenstoffsphären aus Chitosan für verbesserte Hydroxycamptothecin-Abgabe

Zusammenfassung

Wir berichten über einen einstufigen Sprüh-Trocknungsansatz, der stickstoffdotierte, hydrophile mesoporöse Kohlenstoffsphären (NMCs-x/3, x = 5, 6, 7, 8) durch Kopplung von Chitosan, Triblock-Copolymer F127 und Tetraethylorthosilikat (TEOS) erzeugt. Die resultierenden Materialien weisen eine hohe spezifische Oberfläche (bis zu 2061,6 m² g⁻¹), ein enges Porengrößenfenster (2,01–3,65 nm) und signifikanten Stickstoffgehalt (4,75–6,04 %) auf. Ihre Hydrophilie nimmt mit Oberflächen-Stickstoff zu, korrelierend mit überlegener Hydroxycamptothecin (HCPT) Adsorption: q_NMCs-5/3 > q_NMCs-6/3 > q_NMCs-7/3 > q_NMCs-8/3. NMC-5/3 erreicht eine gesättigte HCPT-Beladung von 1013,51 mg g⁻¹ und eine Auflösungsrate von 93,75 %. Diese Ergebnisse demonstrieren eine skalierbare Plattform für das Beladen schwer löslicher Antitumor-Mittel mit einstellbaren Freisetzungsprofilen.

Einleitung

Mesoporöse Materialien – einschließlich Silica, Zeolithe und Kohlenstoff – sind in der Biomedizin aufgrund ihrer hohen Oberfläche, robuster Porenstrukturen und chemischer Stabilität unverzichtbar geworden. Unter ihnen sticht mesoporöser Kohlenstoff durch seine überlegene Oberfläche, Porenvolumen und thermische Beständigkeit hervor, was ihn zu einem attraktiven Drug Carrier für hydrophobe Antitumor-Mittel wie Camptothecin, Doxorubicin und Paclitaxel macht.

Konventionelle Kohlenstoffvorläufer wie Phenolharze und Saccharose werfen Umweltbedenken auf oder erfordern kostspielige, mehrstufige Synthesen. Zudem weist Kohlenstoff aus diesen Quellen oft schlechte Hydrophilie auf, was ihre Anwendung in injizierbaren oder systemischen Abgabesystemen limitiert. Post-synthetische Stickstoffdotierung oder Säureoxidation können Hydrophilie verbessern, beschädigen aber typischerweise die Porenstruktur oder erhöhen Komplexität.

Chitosan – ein natürlich reichlich vorhandenes, biokompatibles Polysaccharid reich an –OH und –NH₂ Gruppen – bietet eine doppelte Rolle als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle. Frühere Studien mit Chitosan und F127 produzierten mesoporöse Karbone mit weiten Porenverteilungen und niedrigen Oberflächen. Um diese Limitationen zu adressieren, führen wir TEOS als sekundäres Template ein, das durch Hydrolyse und Polykondensation Si-OH-Gruppen bildet, die mit Chitosans Funktionsgruppen interagieren und das poröse Netzwerk während der Karbonisierung stabilisieren.

Diese Studie beschreibt eine Sprüh-Trocknung, einstufige Synthese von stickstoffdotierten, hydrophilen mesoporösen Kohlenstoffsphären (NMCs-x/3). Wir variieren systematisch das Kohlenstoff-zu-Silicium-Verhältnis (C/Si), um Porenstruktur, Stickstoffgehalt und Hydrophilie einzustellen, und evaluieren ihre Kapazität, das schwer lösliche Antikrebs-Medikament Hydroxycamptothecin zu laden und freizusetzen.

Materialien und Methoden

Rohmaterialien und Reagenzien

Triblock-Copolymer F127 (Mw ≈ 12.600, Sigma-Aldrich), TEOS (Aladdin), Chitosan (≥ 95 % Deacetylierung, Aladdin), HCPT (Chengdu Yuancheng) und Standard-Laborreagenzien wurden als erhalten verwendet. Deionisiertes Wasser wurde durchgängig eingesetzt.

Präparation der NMCs

Chitosan-Lösungen (2,1 % Gew./Gew.) wurden durch Auflösen von 7,0, 8,4, 9,8 oder 11,2 g Chitosan in 5 % Essigsäure bei 40 °C hergestellt. Parallel wurden 2,1 g F127 in 50 ml Ethanol gelöst, woraufhin 15,6 ml TEOS und 15 ml 0,2 M HCl zugegeben wurden. Nach 10 min wurde die Mischung mit der Chitosan-Lösung kombiniert und 60 min gerührt, dann 60 min ruhen gelassen. Sprüh-Trocknung (Einlass 170 °C, Fluss 3,5 ml min⁻¹) ergab ein Kompositpulver (CS/SiO₂/F127). Das Pulver wurde in Stickstoffatmosphäre kalziniert: 400 °C (2 h) zur Entfernung von F127, gefolgt von 900 °C (2 h) zur Karbonisierung der Matrix. Nachfolgende Immersion in 1 M NaOH bei 85 °C entfernte Silica, wodurch die finalen NMCs-5/3, -6/3, -7/3 und -8/3 entstanden.

Charakterisierung

BET-Oberflächen und Porengrößenverteilungen wurden durch N₂-Adsorption (Micrometrics ASAP2020) gemessen. Elementare Zusammensetzung (C, H, O, N) wurde durch Elementaranalyse bestimmt. Thermische Entwicklung wurde via TGA (Netzsch STA 449C) überwacht. XRD-Muster (Bruker D8, CuKα) zeigten amorphe Kohlenstoffsignaturen. TEM (FEI Tecnai G2) visualisierte Morphologie. XPS (Thermo Scientific Escalab 250XI) identifizierte Stickstoffspezies. Wasser-Kontaktwinkel wurden mit einem Dataphysics OCA25 aufgezeichnet.

HCPT Beladung und Freisetzung

HCPT wurde in Ethanol (0,2–1,2 mg ml⁻¹) gelöst und mit 20 mg jedes NMCs bei 37 °C für 24 h gemischt. Der Wirkstoffgehalt wurde per UV-Vis (λ = 385 nm) quantifiziert. Freisetzungsstudien nutzten Dialyse gegen PBS (pH 7,4 oder 5,0, 0,1 % Tween-80) bei 37 °C, Probenahme alle 1–12 h. Freisetzungskinetik wurde an das Ritger-Peppas-Modell angepasst.

Ergebnisse und Diskussion

Thermisches Verhalten und Kalzinierungsstrategie

TGA des CS/SiO₂/F127-Komposits zeigt ~55 % Gewichtsverlust unter 500 °C, hauptsächlich durch F127- und Chitosan-Pyrolyse, mit Plateau über 800 °C, das vollständige Karbonisierung bestätigt. Halten bei 400 °C für 2 h entfernt F127 effizient, während ein 900 °C Endschritt Stickstoff bewahrt und Graphitisierung fördert.

Porensstruktur und Morphologie

BET-Analyse zeigt, dass die NMCs-x/3-Serie maximale Oberfläche (2061,6 m² g⁻¹) und Porenvolumen (0,77 cm³ g⁻¹) bei C/Si-Verhältnis 7:3 aufweist. Die Porengrößenverteilung (2,01–3,65 nm) passt gut zu den Dimensionen von HCPT, was effizientes Laden erleichtert. TEM-Bilder bestätigen kugelförmige Partikel < 1 µm mit wurmähnlicher Mesoporosität.

Zusammensetzung und Stickstoffdotierung

FTIR und XPS bestätigen das Vorhandensein von pyridinischem, pyrrolischem und quartärem Stickstoff. Stickstoffgehalt sinkt von 6,04 % (NMC-5/3) auf 4,75 % (NMC-8/3), korrelierend mit zunehmendem C/Si-Verhältnis. Das D/G Raman-Verhältnis folgt demselben Trend, was höhere Unordnung bei höheren Stickstoffbeladungen anzeigt.

Hydrophilie

Dynamische Kontaktwinkel-Messungen zeigen, dass NMC-5/3 < 20° innerhalb von 0,45 s erreicht, deutlich schneller als NMC-8/3 (2,71 s). Erhöhter Oberflächenstickstoff und Rauheit fördern Wasserstoffbrückenbindung mit Wasser, verbessern Benetzbarkeit – ein kritisches Merkmal für injizierbare Formulierungen.

HCPT Adsorption und Freisetzung

Adsorptionsisothermen passen zum Langmuir-Modell, mit maximaler Beladung von 1013,51 mg g⁻¹ für NMC-5/3. Die Beladungskapazitätsreihenfolge folgt dem Stickstoffgehalt. XRD von HCPT-beladenen Proben zeigt Verlust kristalliner Peaks, was einen amorphen Arzneimittelzustand anzeigt, der die Auflösung beschleunigt. Freisetzungsstudien demonstrieren, dass 86,7–93,8 % von HCPT innerhalb von 12 h bei pH 7,4 freigesetzt werden, mit langsamerer Freisetzung bei pH 5,0, geeignet für Tumormikroumgebungen. Höherer Stickstoffgehalt verlangsamt Freisetzung aufgrund stärkerer Arzneimittel-Träger-Wechselwirkungen, was ein einstellbares Freisetzungsprofil bietet.

Schlussfolgerung

Wir haben eine skalierbare, einstufige Synthese von stickstoffdotierten, hydrophilen mesoporösen Kohlenstoffsphären aus Chitosan, F127 und TEOS etabliert. Das optimale C/Si-Verhältnis (7:3) liefert höchste Oberfläche, Porenvolumen und Stickstoffgehalt, was in überlegener HCPT-Beladung und kontrollierbarer Freisetzung resultiert. Die verbesserte Hydrophilie und einstellbare Arzneimittelkinetik positionieren diese Materialien als vielversprechende Träger für schwer lösliche Antitumor-Medikamente.