키토산으로부터 원스텝 합성한 질소 도핑 친수성 메조포러스 탄소 구체의 하이드록시캄포테신 전달 향상

요약

키토산, 트라이블록 공중합체 F127, 테트라에틸 오르토실리케이트(TEOS)를 결합하여 질소 도핑 친수성 메조포러스 탄소 구체(NMCs-x/3, x = 5, 6, 7, 8)를 생성하는 단일 단계 스프레이 드라이 접근법을 보고합니다. 결과 소재는 높은 비표면적(최대 2061.6 m² g^-1), 좁은 기공 크기 범위(2.01-3.65 nm), 유의미한 질소 함량(4.75-6.04%)을 보입니다. 친수성은 표면 질소와 함께 증가하며, 우수한 하이드록시캄포테신(HCPT) 흡착과 상관관계: q_NMCs-5/3 > q_NMCs-6/3 > q_NMCs-7/3 > q_NMCs-8/3. NMC-5/3은 1013.51 mg g^-1 포화 HCPT 로딩과 93.75% 용출률을 달성했습니다. 이 결과는 난용성 항종양 약물 로딩을 위한 조절 가능한 방출 프로파일의 확장 가능한 플랫폼을 입증합니다.

서론

실리카, 제올라이트, 탄소 등 메조포러스 소재는 높은 표면적, 견고한 기공 구조, 화학적 안정성으로 생의학에서 필수적이 되었습니다. 그중 메조포러스 탄소는 우수한 표면적, 기공 부피, 열 저항으로 소수성 항종양 약물(캄포테신, 독소루비신, 파클리탁셀 등) 약물 캐리어로 매력적입니다.

페놀 수지, 수크로스 등 기존 탄소 전구체는 환경 우려나 비용이 많이 드는 다단계 합성을 수반합니다. 또한 이들 소스 탄소는 종종 친수성이 낮아 주사제나 전신 전달 적용을 제한합니다. 사후 질소 도핑이나 산 산화로 친수성을 높일 수 있지만 일반적으로 기공 구조를 손상시키거나 복잡성을 더합니다.

키토산은 자연 풍부, 생체 적합성 다당류로 -OH와 -NH₂ 기가 풍부하여 탄소와 질소 공급원으로 이중 역할을 합니다. 키토산과 F127을 사용한 이전 연구는 넓은 기공 분포와 낮은 표면적의 메조포러스 탄소를 생성했습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 TEOS를 이차 템플릿으로 도입했습니다. 가수분해와 축합을 통해 Si-OH 기를 형성하여 키토산 작용기와 상호작용하며 탄화 중 다공성 네트워크를 안정화합니다.

본 연구는 키토산, F127, TEOS로부터 질소 도핑 친수성 메조포러스 탄소 구체(NMCs-x/3)의 스프레이 드라이 원스텝 합성을 상세히 다룹니다. 탄소-실리콘(C/Si) 비율을 체계적으로 변화시켜 기공 구조, 질소 함량, 친수성을 조절하고, 난용성 항암제 하이드록시캄포테신 로딩 및 방출 능력을 평가했습니다.

재료 및 방법

원료 및 시약

트라이블록 공중합체 F127(Mw ≈ 12,600, Sigma-Aldrich), TEOS(Aladdin), 키토산(≥95% 탈아세틸화, Aladdin), HCPT(Chengdu Yuancheng), 표준 실험 시약을 수령 그대로 사용했습니다. 탈염수를 전 과정에 사용했습니다.

NMCs 제조

키토산 용액(2.1% w/w)을 5% 아세트산에 40°C에서 7.0, 8.4, 9.8, 11.2 g 키토산 용해로 제조했습니다. 병렬로 2.1 g F127을 50 mL 에탄올에 용해하고 15.6 mL TEOS와 15 mL 0.2 M HCl을 첨가했습니다. 10분 후 키토산 용액과 혼합하여 60분 교반, 60분 정지했습니다. 스프레이 드라이(유입 170°C, 유량 3.5 mL min^-1)로 복합 분말(CS/SiO₂/F127)을 얻었습니다. 분말을 질소 분위기에서 소성: 400°C(2시간) F127 제거, 900°C(2시간) 매트릭스 탄화. 이후 1 M NaOH 85°C 침지로 실리카 제거로 최종 NMCs-5/3, -6/3, -7/3, -8/3 생산.

특성 분석

BET 비표면적과 기공 크기 분포는 N₂ 흡착(Micrometrics ASAP2020)으로 측정했습니다. 원소 조성(C, H, O, N)은 원소 분석으로 결정했습니다. 열적 변화는 TGA(Netzsch STA 449C)로 모니터링했습니다. XRD 패턴(Bruker D8, CuKα)은 비정질 탄소 시그니처를 보여줍니다. TEM(FEI Tecnai G2)으로 형태를 시각화했습니다. XPS(Thermo Scientific Escalab 250XI)로 질소 종을 식별했습니다. 물 접촉각은 Dataphysics OCA25로 기록했습니다.

HCPT 로딩 및 방출

HCPT를 에탄올(0.2-1.2 mg mL^-1)에 용해하고 각 NMC 20 mg과 37°C에서 24시간 혼합했습니다. 약물 함량은 UV-Vis(λ = 385 nm)로 정량했습니다. 방출 연구는 PBS(pH 7.4 또는 5.0, 0.1% Tween-80)에 대한 투석으로 37°C에서 수행하며 1-12시간마다 시료 채취했습니다. 방출 동역학은 Ritger-Peppas 모델로 피팅했습니다.

결과 및 논의

열적 거동 및 소성 전략

CS/SiO₂/F127 복합체 TGA는 500°C 이하 ~55% 중량 손실(F127과 키토산 열분해 주), 800°C 이상 평탄으로 완전 탄화 확인. 400°C 2시간 유지로 F127 효율적 제거, 900°C 최종 단계로 질소 보존 및 흑연화 향상.

기공 구조 및 형태

BET 분석에서 NMCs-x/3 시리즈가 C/Si 비율 7:3에서 최대 비표면적(2061.6 m² g^-1)과 기공 부피(0.77 cm³ g^-1) 나타냄. 기공 크기 분포(2.01-3.65 nm)는 HCPT 치수와 잘 맞아 효율적 로딩 촉진. TEM 이미지는 1 µm 미만 구형 입자와 웜형 메조포로시티 확인.

조성 및 질소 도핑

FTIR과 XPS로 피리딘, 피롤, 4차 질소 종 존재 확인. 질소 함량은 NMC-5/3 6.04%에서 NMC-8/3 4.75%로 감소하며 C/Si 비율 증가와 상관관계. D/G 라만 비율도 같은 경향으로 높은 질소 로딩에서 더 높은 무질서도 나타냄.

친수성

동적 접촉각 측정에서 NMC-5/3이 0.45초 내 <20° 도달, NMC-8/3(2.71초)보다 현저히 빠름. 향상된 표면 질소와 거칠기가 물과 수소 결합 촉진, 습윤성 개선 - 주사 제형에 중요한 특징.

HCPT 흡착 및 방출

흡착 등온선은 랑뮤어 모델 피팅, NMC-5/3 최대 로딩 1013.51 mg g^-1. 로딩 용량 순서가 질소 함량과 일치. HCPT 로딩 샘플 XRD에서 결정 피크 소실로 비정질 약물 상태 확인, 용해 가속. 방출 연구에서 pH 7.4에서 12시간 내 86.7-93.8% HCPT 방출, pH 5.0에서 더 느린 방출로 종양 미세환경 적합. 높은 질소 함량이 약물-캐리어 상호작용 강화로 방출 지연, 조절 가능한 방출 프로파일 제공.

결론

키토산, F127, TEOS로부터 질소 도핑 친수성 메조포러스 탄소 구체의 확장 가능한 원스텝 합성을 확립했습니다. 최적 C/Si 비율(7:3)이 최대 비표면적, 기공 부피, 질소 함량 산출로 우수한 HCPT 로딩과 제어 방출로 이어집니다. 소재의 향상된 친수성과 조절 가능한 약물 동역학은 난용성 항종양 약물 캐리어로 유망합니다.