유기 인 및 칼슘 공급원은 비표면적이 높은 인산칼슘의 난황-쉘 구조 미세구 합성을 유도합니다:HEL 흡착에 적용

결과 및 토론

미세구의 형태 및 화학적 특성

ATP-CG 노른자 껍질 구조의 마이크로스피어

그림 1의 SEM 이미지는 다양한 반응 조건에서 얻은 다양한 샘플의 형태를 보여줍니다. t에 =5분 또는 15분, 모든 제품은 균일한 미소구체로 구성됩니다. 그러나 열수 시간을 30분으로 추가로 늘리면 나노시트 자체 조립 미소구가 형성되었습니다(그림 1f, i, l 참조). 한편, 제품의 형태에 대한 Ca/P의 영향은 t에서도 관찰됩니다. =30분 Ca/P가 증가함에 따라 나노시트 자기조립 미세구체가 점차적으로 형성되었다(그림 1f, i, l 참조). 나노시트 자기조립 미소구체의 형성은 다음과 같은 이유로 설명될 수 있다. 첫째, 마이크로파 열수 과정에서 ATP 분자는 가수분해되어 아데노신 이인산(ADP), 아데노신 일인산(AMP) 및 아데노신을 포함한 아데노신 기반 분자를 형성하고 동시에 인산 이온(PO₄ ³⁻ ). 한편, CG 분자는 가수분해되어 글루코네이트와 칼슘 이온(Ca ²⁺ ). 그런 다음 인산 이온은 칼슘 이온과 반응하여 1차 ACP 핵을 형성합니다[25]. 그런 다음 초기 ACP 핵이 성장하고 조립되어 ACP 미소구체를 형성합니다. 따라서 열수 시간이 더 연장되면 용액의 ATP 및 CG 분자가 더 가수분해되어 더 많은 PO₄를 방출합니다. ³⁻ 및 Ca ²⁺ 시스템의 과포화도와 핵형성 속도를 개선하여 나노시트 자체 조립 미소구체의 형성을 유발하는 이온. 또한 Ca/P를 증가시켜 국소적으로 Ca ²⁺ 의 농도를 높입니다. 또한 위와 같은 방식으로 제품의 형태 변형을 가속화합니다. 위의 분석은 열수 시간과 Ca/P가 제품의 형태에 중요한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다.

120°C에서 마이크로파 열수법으로 제조된 ATP-CG 미소구체의 SEM 이미지

다음으로, 120°C에서 15분 동안 다양한 Ca/P로 합성된 미소구체의 FTIR 스펙트럼을 조사합니다(그림 2). 1620cm ⁻¹ 에서 피크 , 1383cm ⁻¹ 및 912cm ⁻¹ 이는 각각 C=O, CG의 C-O 및 ATP의 P-O 그룹의 특징적인 피크에 기인하며[26], 가수분해되지 않은 CG 및 ATP 분자 또는 그 유도체가 미소구체의 표면에 흡수됨을 의미합니다. PO₄의 희미한 특성 피크 ³⁻ HAp에서 1035cm ⁻¹ 에 있습니다. [27] 1122 cm ^-1 에서 흡수 피크 및 567cm ⁻¹ PO₄에 할당됨 ³⁻ ACP [28]의 이온은 제품이 ACP와 HAp로 구성되어 있음을 나타냅니다. FTIR 결과는 ATP를 인 공급원으로, CG를 칼슘 공급원으로 사용하여 인산칼슘이 성공적으로 준비되었음을 시사합니다.

120°C에서 15분 동안 다양한 Ca/P로 합성된 ATP-CG 미소구체의 FTIR 스펙트럼

또한, 120 °C에서 15분 동안 마이크로파 열수법을 통해 다양한 Ca/P로 합성된 시료의 SEM 및 TEM 이미지를 그림 3에 표시했습니다. Ca/P가 0.8 또는 1.67인 경우 시료는 다공성 미소구체( 그림 3b, d). Ca/P가 2.5이면 제품의 형태가 노른자 껍질 구조의 미소구체로 변형되기 시작합니다(그림 3f). Ca/P가 3.3으로 추가 증가함에 따라 제품은 완전히 노른자 껍질 구조의 미소구체로 구성됩니다(그림 3h). 그 외에도 기계적 파쇄 후 일부 깨진 구체와 노른자 껍질 미소구체의 노출된 코어(그림 3g 삽입)가 관찰되어 노른자와 껍질 사이에 중공 구조의 증거를 제공합니다. 위의 관찰을 바탕으로 우리는 다양한 Ca / P로 합성 된 난황 껍질 구조의 미세 구의 형성 메커니즘을 잠정적으로 제안합니다. Ca/P가 낮을수록 다공성 ACP 미세구가 먼저 형성되는데, 이는 미세구 표면에 흡착된 ATP 및 CG 분자 또는 그 유도체의 억제 효과에 기인한다. 그런 다음 Ca/P가 더 증가함에 따라 준안정 ACP가 더 성장할 것이며, 이는 시스템의 높은 과포화도에 의해 구동됩니다. 마지막으로, 결정질 HAp가 외부 표면에 형성되며, 이는 도 3i의 마이크로스피어의 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지에 의해 확인됩니다(0.308 nm의 면간 거리는 HAp의 (210)으로 인덱싱될 수 있음). 그 결과 HAp와 ACP 사이의 부피나 밀도의 차이로 인해 난황과 껍질 사이에 중공 구조가 생성된다[24]. 해당 EDS 매핑은 Ca, P 및 O 요소가 미소구체 전체에 균일하게 분포되어 있음을 나타냅니다. 그림 3k의 EDS 스펙트럼과 그림 3l의 XPS 스펙트럼은 미소구체의 화학 원소가 주로 Ca, P, O를 포함하고 있음을 보여주며, 이는 FTIR의 결과와 일치합니다(그림 2).

다양한 Ca/P로 합성된 ATP-CG 미소구체의 SEM 및 TEM 이미지. 아 , b 칼슘/피 =0.8. ㄷ , d 칼슘/피 =1.67. 이 , f 칼슘/피 =2.5. 지 , h 칼슘/피 =3.3. 나 HRTEM, j EDS 매핑, k EDS 스펙트럼, l Ca/P =3.3인 ATP-CG 미소구체의 XPS 스펙트럼

Ca/P =3.3으로 합성된 마이크로스피어의 형태에 대한 마이크로파 보조 열수 시간 및 온도의 영향이 추가로 조사되었습니다. 그림 4a-b와 같이 열수 시간이 5분일 때 시료는 다공성 미소구체로 구성되어 있다. 위에서 논의한 바와 같이 t =15분, 제품은 또한 난황-쉘 구조의 미소구체로 구성됩니다(그림 4c-d). 열수 시간을 60분으로 늘리거나 온도를 160도까지 높일 때 ^o C, 시트 또는 막대 경계가 관찰됩니다(그림 4e-l). 다공성에서 난황-쉘, 시트 또는 막대로의 형태 변형은 용액에서 ATP 및 CG 분자의 지속적인 가수분해와 함께 ACP의 추가 성장에 기인합니다. 또한, ACP 미소구체의 표면에 흡착된 ATP 및 CG 분자 또는 그 유도체의 가수분해도 ACP의 성장을 가속화합니다. 60분 또는 160도 ^o 에 흥미로운 현상이 나타났습니다. C에서 이러한 시트 또는 막대는 ACP 나노 입자(빨간색 상자에 표시됨)로 개발되었으며, 이는 그림 S1의 DTA 분석에 의해 확인됩니다. 650°C에서 발열 피크가 DTA 곡선에서 관찰되며[29, 30], 이는 ACP 결정화에 기인합니다. 발열 피크는 열수 시간 또는 온도가 증가함에 따라 점차 약해지며, 이는 생성물 내의 ACP가 크리스탈린 인산칼슘으로 변태됨을 의미한다.

다른 실험 조건에서 Ca/P =3.3으로 합성된 ATP-CG 미소구체의 SEM 및 TEM 이미지. 아 , b 티 =120°C, t =5분 ㄷ , d 티 =120°C, t =15분 에~에 티 =120°C, t =60분 나 티 =160°C, t =15분

다른 열수 시간 또는 온도에서 Ca/P =3.3으로 합성된 샘플의 화학적 구성 및 구조는 FTIR 및 XRD에 의해 조사됩니다. 도 5a에 도시된 바와 같이, PO₄의 특징적인 피크는 ³⁻ HAp의 이온은 1037cm ⁻¹ 에 있습니다. 및 603cm ⁻¹ [27]. 1122cm ⁻¹ 에서 피크 PO₄의 특성 피크에 할당됩니다. ³⁻ ACP의 이온. 1620cm ⁻¹ 에서 흡수 피크 및 1383cm ⁻¹ CG에서 각각 C=O 및 C–O 그룹의 특성 피크에 기인합니다. 912cm ⁻¹ 에서 흡수 피크 ATP의 비대칭 P-O 신축 진동을 나타냅니다. 열수 시간 또는 온도가 증가함에 따라 CG 및 ATP의 특성 피크의 강도가 점차 감소하여 미세구 표면에 흡착된 ATP 및 CG 분자 또는 그 유도체가 더 가수분해됨을 나타냅니다. 한편, PO₄의 특성 피크의 강도 ³⁻ HAp의 이온은 ACP 특성 피크의 세기가 감소함에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내며, 이는 제품의 결정상이 HAp상으로 변하는 것을 밝힙니다.

아 FTIR 스펙트럼 및 b 다양한 실험 조건에서 Ca/P =3.3으로 합성된 ATP-CG 미소구체의 XRD 패턴

그림 5b는 다양한 샘플의 XRD 패턴을 보여줍니다. 약 2θ에서 비정질 상의 특징적인 혹 =5분 또는 15분에 합성된 마이크로스피어의 30°가 관찰됩니다. 그러나 열수 시간이 60분으로 연장되거나 온도가 160°C로 증가하면 미소구체의 결정상은 완전히 HAp로 변환되어 표준 데이터(JDCPS no. 09-0432)로 인덱싱될 수 있습니다. (211), (300), (002) 격자면의 상대적 강도의 향상은 제품의 결정도 증가를 추가로 설명할 수 있습니다. 따라서 XRD 및 FTIR 결과는 열수 온도 또는 시간이 증가함에 따라 제품의 결정질 상 변형을 추가로 확인합니다.

ATP-CL 노른자 껍질 구조의 마이크로스피어

약물 흡착 거동을 비교하기 위해 마이크로파 열수법을 통해 CL을 유기 칼슘 공급원으로 사용하여 다른 난황-쉘 구조의 미소구체를 제조하였다[24]. 형태의 관점에서, 샘플은 여전히 ​​난황-쉘 구조의 미세구로 구성되어 있으며, 이는 깨진 구(그림 6a 삽입)와 TEM 이미지(그림 6b, c)로 확인됩니다. 결과는 칼슘 공급원의 변화가 제품의 형태에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 보여줍니다. 또한, SAED(selected-area electron diffraction)는 분리된 SAED 스폿을 보여주며(그림 6d), 잘 결정화된 미소구가 얻어짐을 보여줍니다. 또한 EDS 매핑은 미세구에서 Ca, P 및 O 요소의 균일한 분포를 나타냅니다(그림 6e). 상응하는 EDS 스펙트럼은 또한 미소구체에서 Ca, P 및 O 원소의 존재를 확인시켜주며(그림 6f), 준비된 미소구가 인산칼슘임을 나타냅니다.

아 검색엔진. ㄴ , ㄷ TEM 이미지. d S 선출 영역 전자 회절(SAED). 이 EDS 매핑 및 f ATP-CL 미소구체의 EDS 스펙트럼

미세구체의 HEL 흡착 및 흡착 메커니즘

Fig. 7에서 보는 바와 같이 HEL의 초기 농도가 증가함에 따라 두 종류의 미소구체의 흡착능력이 증가하였다. HEL의 초기 농도가 6.5 mg/mL로 증가하면 ATP-CG 미소구체의 흡착능은 안정기에 도달하고 미소구체의 최대 흡착능은 약 332 ± 36 mg/g(그림 7a)으로 약 2배입니다. ATP-CL 미소구체(176 ± 33 mg/g, 6 mg/mL, 그림 7b)보다 높습니다.

HEL의 다른 초기 농도에서 미소구체의 흡착 곡선. 아 ATP-CG 미소구체. ㄴ ATP-CL 마이크로스피어

HEL 흡착 결과는 FTIR 스펙트럼 및 TG 곡선에 의해 추가로 뒷받침됩니다. 도 8a, b에서 보는 바와 같이 흡수 피크는 1134 cm ^-1 (1139cm ⁻¹ ) 및 563cm ⁻¹ (568cm ⁻¹ ) 특성 피크 PO₄에 할당됨 ³⁻ ACP 및 1039cm ⁻¹ 이온 (1040cm ⁻¹ ) PO₄의 특성 피크에 할당됨 ³⁻ HAp의 이온은 HEL 흡착 미소구체에서 관찰되는데, 이는 미소구체에 HEL을 도입해도 미소구체 구조에 큰 변화를 일으키지 않음을 나타냅니다. 1542cm ⁻¹ 에서 흡착 피크 및 1545cm ⁻¹ HEL이 흡착된 미소구체에서 HEL의 아미드 그룹에 기인하는 것으로 관찰되어 HEL이 미소구체에 성공적으로 흡착되었음을 확인시켜준다. 한편, 2966, 2962, 2935 및 2927 cm의 흡착 밴드 ^-1 출처 –CH₃ 및 -CH₂ HEL 그룹은 또한 HEL 흡착 미소구체에서 검출되며, 이는 미소구체에 HEL의 존재를 추가로 확인합니다. TGA 곡선은 HEL 흡착 전과 후 ATP-CG 미소구체의 중량 손실이 각각 11.3% 및 36.7%임을 보여줍니다(그림 8c). 따라서 ATP-CG 미소구체의 HEL 흡착 용량은 약 340mg/g입니다. 그러나 HEL 흡착 전에 ATP-CL의 21.1%의 중량 손실이 얻어지고 HEL 흡착 미소구체에 37%가 나타납니다(그림 8d). 따라서 HEL 흡착 용량은 ATP-CL 미소구체의 경우 189mg/g입니다. TGA 결과는 그림 7의 결과에 가깝습니다.

HEL 흡착 전후의 미세구체의 FT-IR 스펙트럼 및 TGA 곡선. 아 FTIR 스펙트럼 및 c ATP-CG 미소구체의 TGA 곡선, b FTIR 스펙트럼 및 d ATP-CL 미소구체의 TGA 곡선

두 종류의 마이크로스피어 사이의 흡착 용량 차이의 원인을 조사하기 위해 마이크로스피어의 평형 흡착 데이터를 D-R 등온선 모델에 따라 추가로 분석했습니다. 피팅 곡선은 그림 9에 표시되어 있고 피팅 매개변수는 표 1에 각각 나열되어 있습니다. 피팅 결과에서 ATP-CG의 상관 계수는 ATP-CL보다 높으며, 이는 D-R 모델이 ATP-CG 미소구체의 약물 흡착 거동을 설명하는 데 적합함을 시사합니다. E 이후 값이 8 kJ/mol 미만이면 ATP-CG 미소구체에 대한 HEL의 흡착은 물리적 흡착입니다. 최대 용량(Q _m ) HEL에 대한 ATP-CG 미소구체의 수치는 381 mg/g 가까이까지 도달할 수 있으며, 이는 그림 7a의 결과에 가깝습니다.

아 ATP-CG 미소구체에 대한 HEL의 흡착 등온선 모델. ㄴ ATP-CL 미소구체에서 HEL의 흡착 등온선 모델

ATP-CG 미소구체에 대한 HEL의 흡착은 물리적 흡착이기 때문에 미소구체의 표면 전위가 조사됩니다. 도 10a에 도시된 바와 같이 초순수에서 ATP-CG, ATP-CL 미소구체 및 HEL의 제타 전위 값은 각각 -17mV, -22mV 및 20mV이다. HEL 흡착 후 ATP-CG 및 ATP-CL 마이크로스피어의 제타 전위 값은 각각 2.7mV 및 1.5mV로 변경되어 인력을 통해 HEL 분자가 마이크로스피어 표면에 흡착됨을 나타냅니다. 그러나 두 종류의 마이크로스피어 사이의 제타 전위 값(−17mV 및 –22mV)에는 큰 차이가 없기 때문에 인력은 두 종류의 마이크로스피어 간의 흡착 용량 차이의 주요 원인이 아닙니다.

HEL 흡착 전후의 HEL 및 미소구체의 제타 전위

따라서 미소구체 간의 흡수능 차이를 일으키는 원인을 더욱 규명하기 위하여 미소구체의 비표면적을 조사하였다. 도 11a에 도시된 바와 같이, BET 비표면적(S _베팅 )의 ATP-CG 미소구체는 143m ² 입니다. g ⁻¹ , ATP-CL 미소구체의 약 3배(55m ² ) g ⁻¹ , 표 2). 따라서 특정 표면적은 미소구체 간의 흡수 용량 차이에 기여할 수 있습니다. ATP-CG 미소구체의 이러한 높은 비표면적은 주로 낮은 결정도에 기인한다[31]. 도 11b에서 ATP-CG 미소구체는 ATP-CL 미소구체보다 낮은 결정성을 나타낸다. 또한 ATP-CG와 ATP-CL의 결정도 차이는 주로 합성 조건이 다르기 때문입니다. 일반적으로 제품의 결정화도는 특정 압력과 온도에서 반응물의 가수분해 정도에 따라 증가합니다. 여기서, 글루콘산(pKa =3.39)의 산도는 l-락트산(pKa =3.86)보다 높기 때문에 가수분해 속도가 느려지고 궁극적으로 낮은 결정도가 나타납니다. 결과적으로 칼슘 공급원을 변경하여 더 높은 비표면적을 갖는 ATP-CG 미소구체를 얻을 수 있습니다.

아 질소 흡탈착 등온선. ㄴ 미소구체의 XRD 패턴