약물 방출을 위한 키토산 기반 삼성분 시스템에서 질소 도핑된 친수성 메조포러스 탄소의 한 단계 합성

결과 및 토론

탄화 조건의 결정

그림 2a는 자유 템플릿 에이전트 F127, CS 및 CS/SiO₂의 열중량(TG) 곡선을 보여줍니다. /F127 합성. F127은 400°C에서 거의 완전히 열분해되며 [34] 약 99.6%의 중량 손실이 있는 반면 CS는 250–400°C에서 56%의 체중 감소를 경험하고 400–900°에서 정체기를 경험합니다. C(800–900 °C에서 1.53% 무게 감소)는 탄소 골격이 800 °C에서 형성되었음을 시사합니다. CS/SiO₂의 중량 감소 /F127은 주로 F127 및 CS의 열분해로 인해 주로 500°C(55.5%) 미만에서 발생했습니다. 800 °C 이상에서 TG 곡선은 안정되어 CS가 거의 완전히 탄화되었음을 시사합니다. Andrzej[30]는 높은 탄화 온도(1000–1100 °C)에서 재료의 질소 함량이 감소한다고 지적했습니다. 따라서 400°C의 온도를 2시간 동안 유지하여 F127을 제거하고 900°C의 온도를 3시간 동안 유지하여 탄소 재료가 더 높은 질소 함량과 흑연화 정도를 갖도록 하였다.

아 CS, F127 및 CS/SiO₂의 TG 곡선 /F127. 가열 속도는 질소 흐름 하에 5℃/분이었다. ㄴ NMC의 NMC의 XRD 패턴-x /3(x =5,6,7,8)

메조다공성 탄소에 대한 C/Si의 효과

중다공성 탄소의 XRD 분석

준비된 샘플 NMC의 XRD 스펙트럼-x /3(x =5,6,7,8)은 그림 2b에 나와 있습니다. 2θ에 넓은 피크가 있습니다. =4개의 준비된 샘플에서 23°, 이는 비정질 탄소 재료의 전형적인 특성 피크입니다[35]. 준비된 탄소 재료 NMCs-x /3은 비정질 구조를 가지고 있으며 이는 참고문헌 [36, 37]에 보고된 결과와 일치합니다.

메조다공성 탄소의 기공 구조 분석

N₂ 4개의 NMC 샘플의 등온 흡수 및 탈착 곡선과 기공 크기 분포 곡선이 표시됩니다(그림 3). 관련 기공 구조 데이터는 표 1에 나와 있습니다. P 이후 /피 ₀ ≥ 0.4, N₂ 4개 샘플의 흡착 등온선은 메조포러스 탄소 재료의 전형적인 히스테리시스 루프를 보여줍니다[38, 39]. 4개의 샘플에서 NMC-7/3에 대한 히스테리시스 루프가 가장 큽니다(그림 3a). 기공 크기 분포 그래프는 탄소 재료의 기공 크기 분포가 주로 2.01~3.65 nm(그림 3b) 내로 비교적 좁은 것을 보여주며, 이는 HCPT의 공기역학적 등가 직경의 1.75~3.2배에 해당합니다. Kondo는 기공 크기가 작을수록 흡착물의 기공 내로의 확산 속도가 느려진다고 주장했다[31]. 기공 크기가 클수록 흡착물과 고체 표면의 흡착 전위는 고체 표면에서 잘 흡수되지 않게 됩니다. 기공 크기가 흡착물의 공기역학적 등가 직경의 1.5~3.0배일 때 흡수 능력이 가장 우수합니다. 따라서 여기서 제조된 메조포러스 탄소의 기공 크기는 HCPT의 흡수에 적합하다.

N₂ 흡탈착 등온선(a ) 및 기공 크기 분포 곡선(b ) NMC_S

기공 구조 데이터(표 1)는 NMC-x 재료의 메조다공성 기공 부피 및 BET 비표면적이 증가하고 C/Si 비율이 증가함에 따라 감소하여 C/Si =7:3에서 최대값에 도달함을 보여줍니다. 이것은 다음 메커니즘에 기인할 수 있습니다. 낮은 C/Si 비율(5/3)에서 –OH 및 –NH₂의 양 CS의 경우도 작은 반면 TEOS의 경우는 상대적으로 큽니다. 따라서 TEOS의 가수분해 및 중축합에 의해 형성되는 Si-OH의 양도 많아 -OH와 -NH₂와의 수소결합이 불충분하다. CS에 대한 3차원 가교 네트워크 구조의 졸 감소로 이어집니다. 그 후, TEOS 및 F127 템플릿 제거 후 메조포러스 기공 부피가 감소했습니다. 또한, TEOS가 과량으로 존재하기 때문에 형성된 미셀이 크고 TEOS 제거 후 얻어지는 평균 기공 크기도 크다. 반대로 CS 함량이 높기 때문에 C/Si 비율이 높으면(8/3) CS는 더 많은 -OH 및 -NH₂를 제공합니다. , TEOS의 가수분해 및 중축합에 의해 형성된 Si-OH가 불충분하여 더 작고 더 적은 미셀이 형성되어 메조다공성 탄소의 기공 부피 및 기공 크기가 감소한다. 분명히, 7:3의 C/Si 비율에서 사용 가능한 –OH 및 –NH₂ 그룹은 TEOS의 Si-OH 양과 잘 일치하여 더 큰 메조다공성 기공 부피와 BET 비표면적을 형성합니다.

메조다공성 탄소의 TEM 분석

NMC-7/3은 가장 큰 비표면적과 메조세공 부피를 가지므로 이 샘플에 대해서만 세공 분포 및 미세 구조에 대한 추가 테스트를 수행했으며 데이터는 그림 4에 나와 있습니다. TEM 이미지는 준비된 메조세공 탄소 재료를 보여줍니다. NMC-7/3은 다양한 배율에서 구형 구조를 가지며 입자 크기는 모두 1μm 미만입니다(그림 4a, b). 입자 크기가 약 200 nm인 메조포러스 탄소 물질은 세포막을 통해 약물을 효율적으로 운반할 수 있어 몇 가지 독특한 치료 기능을 발휘합니다[40]. 그림 4c는 샘플의 기공 구조가 가시적이고 명확하고 전형적인 벌레 같은 구조를 나타냄을 보여줍니다[34](그림 4c). ~2nm 기공 채널이 키토산의 사슬 구조의 탄화 및 재구성 및 템플릿 제거에 의해 생성된 메조포러스 탄소 입자의 가장자리에서 관찰될 수 있음을 알 수 있습니다. 그러나 입자 표면에서 관찰되는 작은 흰색 점의 크기는 일반적으로 2nm 미만이며, 이는 키토산의 탄화에 의해 형성된 사슬이 중첩 및 얽혀 있기 때문입니다.

아 –ㄷ 다른 배율에서 NMCs-7/3의 TEM 이미지

구성 및 친수성 분석

NMC의 구성 분석

메조포러스 탄소 재료 NMC의 FTIR 스펙트럼-x /3은 도 5a에 도시되어 있다. 3430cm ⁻¹ N–H와 O–H의 신축 진동 흡수 피크[41], 1630cm ⁻¹ C=N, C=C의 신축진동흡수 피크, 1120 cm ^-1 는 질소 원자가 NMC에 성공적으로 통합되었음을 나타내는 C–N 및 C–C의 신축 진동 흡수 피크입니다.

FTIR(a ) NMC의 NMC 패턴-x /3(x =5,6,7,8); SEM 이미지(b –d ) 샘플 NMC_S -7/3 및 요소 매핑(e –지 ) SEM 이미지(d)의 삽입 사진에서 구를 겨냥 ), 요소 C, O 및 N에 응답 , 각각.

NMC-7/3(그림 5b-d)의 SEM과 표면의 C(e), O(f) 및 N(g) 원소 분석(그림 5e-g)은 메조포러스 탄소 준비된 재료는 구형이지만 크기가 균일하지 않습니다. 이것은 분무 건조 과정 때문입니다. 원소 스캐닝 데이터는 C, O 및 N 원소가 나노구 메조포러스 탄소 내에 분포되어 있음을 나타냅니다. 따라서 N NMC에 성공적으로 도핑되었습니다.

4개의 NMC의 XPS 그래프가 그림 6에 나와 있으며, 이는 4개의 샘플에 O, N 및 C가 포함되어 있음을 나타냅니다(그림 6a). N1은 피크 분화 및 피팅으로 처리되었으며(그림 6b–e), N1이 피리딘 질소(N-6)에 기인한 각각 398.37, 400.80, 402.40 및 404.53eV의 해당 결합 에너지를 가진 4개의 피크로 분할되는 것을 보여줍니다. , 열성 질소(N-5), 4차 질소(NQ) 및 산화된 -N(N-O) [36, 42,43,44,45]. 또한, N-5 및 N-6의 피크 면적이 더 커서 복합재 내 함량이 더 높음을 나타냅니다. 이러한 결과는 현장에서 N 메조다공성 탄소에 도핑되어 피리딘계 및 피롤계 질소의 형태를 취했습니다.

NMC에 대한 XPS 설문조사(a ) 및 NMCS-5/3의 N1s XPS 스펙트럼(b ), NMC-6/3(c ), NMCs-7/3(d ), NMC-8/3(e ). 라만(f ) NMC의 NMC 패턴-x /3(x =5, 6, 7, 8)

표 2는 XPS와 원소분석을 통해 얻은 4개의 NMC 표면의 C, N, O 함량을 나타낸 것이다(각 기법에서 검출된 원소 함량의 차이는 미묘함). 총 N NMC 표면의 함량은 NMCs-5/3이 가장 크며, 그 다음이 NMCs-6/3, NMCs-7/3, 마지막으로 NMCs-8/3입니다. 따라서 C/Si 비율이 증가함에 따라 NMC 표면의 N 함량은 점차 감소합니다. 이 현상은 C/Si 비율이 낮을수록 시스템에서 Si-OH의 양이 많아지고 -OH와 -NH₂의 양이 적어지기 때문입니다. CS에 수소 결합에 사용할 수 있습니다. 따라서 –NH₂에 대한 더 많은 기회가 있습니다. 형성된 3차원 그물 구조에서 Si-OH와의 접촉이 강하고 이들 사이의 결합력이 강해 소성 과정에서 탄소 골격에 더 많은 양의 N이 남게 된다. 그러나 더 높은 C/Si 비율에서 -OH 및 -NH₂ CS의 경우 TEOS와의 가수분해에 의해 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 없으므로 N 분위기로의 휘발로 인해 소성 과정 후에 더 적은 N이 유지됩니다.

탄소 재료 NMC의 라만 스펙트럼-x /3은 도 6f에 도시되어 있다. 1350cm ⁻¹ 에서 모든 샘플에서 두 개의 뚜렷한 특징적인 피크가 나타났습니다. 및 1601cm ⁻¹ , D에 해당 그리고 G 탄소 재료의 피크, 각각. 그 중 디 피크는 원자 변위, 무질서한 탄소, 가장자리 결함 및 기타 결함의 정도를 반영합니다(sp ³ 탄소, 댕글링 탄소 및 공석 등) 탄소 재료의 G 피크는 sp ² 의 순서도를 반영합니다. 탄소. D 비율 최대 G 피크(나 _디 /나 _G ) 탄소 재료의 결정화도를 반영할 수 있다[46]. 나의 순서는 _디 /나 _G 값은 N의 값과 동일합니다. 표면의 함량이 증가하고 질소 함량이 증가함에 따라 더 많은 결함이 생성됩니다[47]. 계산된 결과는 I _디 /나 _G 4가지 탄소 재료 중 NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3, NMCs-8/3은 각각 0.897, 0.815, 0.808, 0.704이며, 크기 순서는 다음과 같습니다. 질소 함량과 동일합니다(표 2 참조). 더 큰 I _디 /나 _G NMCs-5/3의 값은 탄소 재료에 다량의 질소 도핑으로 인한 구조적 결함이 더 분명함을 나타냅니다.

NMC의 친수성

NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 및 NMCs-8/3에서 물의 동적 접촉각은 0.1초(그림 7a–e), 0.3초마다 측정되었습니다(그림 7f– j), 0.4초(그림 7k–o) 및 0.7초(그림 7p–t)는 NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-에서 물방울 접촉각을 줄이는 데 필요한 시간을 보여줍니다. 7/3 및 NMCs-8/3에서 20° 미만은 각각 0.45초, 1.15초, 1.54초 및 2.71초였습니다. 따라서 4개의 샘플은 질소가 도핑되지 않은 메조포러스 탄소 대응물(129°)에 비해 강한 친수성을 나타냅니다[37]. NMC의 질소 원소는 활성 부위를 형성하여 sp ² 클러스터 분율, 탄소 재료의 표면 거칠기 향상 [48], 따라서 더 작은 습윤 각도 및 향상된 친수성 및 분산성. 또한 NMC에서 N-5, N-6 및 물 분자 사이의 수소 결합도 친수성을 향상시켰다[23, 49, 50]. 이러한 효과의 결합은 약물 전달에 NMC의 잠재적인 적용을 허용합니다.

접촉 시간에 따른 메조포러스 탄소 표면의 물 접촉각 광학 현미경 사진(a –이 ) NMC-5/3, (f –j ) NMC-6/3, (k –오 ) NMC-7/3 및 (p –t ) NMC-8/3

그림 8은 이러한 4개의 NMC에 대한 시간 경과에 따른 접촉각 변화의 관계 곡선입니다. 그림 8에서 보는 바와 같이 NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3, NMCs-8/3에서 물방울의 접촉각을 20° 이하로 감소시키는데 필요한 시간은 0.45 s, 1.15s, 1.54s, 2.71s. 동일한 접촉각을 구현하는 데 필요한 시간이 짧을수록 샘플의 친수성이 더 좋습니다. 분명히, 각 NMC의 친수성은 NMCs-5/3> NMCs-6/3> NMCs-7/3> NMCs-8/3의 내림차순으로 순위가 매겨질 수 있습니다. 메조포러스 탄소에. 즉, NMCs-5/3의 N 함량이 가장 높을수록 친수성이 가장 우수함을 의미합니다. 이것은 메조다공성 탄소 재료의 N 함량이 높을수록 표면 거칠기가 더 커지기 때문일 수 있습니다. 또한 N-5와 N-6의 함량이 높으면 NMC와 물 분자 사이의 수소 결합이 향상됩니다. 이 두 가지 결합 효과는 접촉 시간이 가장 짧은 이유를 설명할 수 있는 NMC의 친수성을 향상시켰습니다.

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.

아 HCPT adsorption isotherms of NMCs-x (x =5, 6, 7, and 8) in ethanol solution. ㄴ 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:

여기서 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:

여기서 Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k 그리고 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.