Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Sintesis Satu Langkah Karbon Mesopori Hidrofilik yang Didoping Nitrogen dari Sistem Trikonstituen Berbasis Kitosan untuk Pelepasan Obat

Abstrak

Bola karbon mesopori hidrofilik yang didoping nitrogen in situ dengan rasio karbon-ke-silikon (C/Si) yang berbeda (NMCs-x /3, x =5, 6, 7, dan 8) dibuat dengan metode satu langkah ditambah dengan pengeringan semprot dan teknik karbonisasi, di mana kopolimer triblok (F127) dan tetraetil ortosilikat (TEOS) digunakan sebagai agen templat, dan kitosan biokompatibel (CS ) digunakan sebagai sumber karbon dan sumber nitrogen. Bahan karbon tersebut dikarakterisasi dengan TG, BET, XRD, Raman, FTIR, TEM, XPS, dan alat ukur sudut kontak. Sifat adsorpsi dan pelepasan bahan karbon mesopori untuk obat antitumor hydroxycamptothecin (HCPT) yang sukar larut telah diselidiki. Hasil penelitian menunjukkan bahwa material karbon mesopori nanospherical berhasil dibuat dengan luas permukaan spesifik yang tinggi (2061,6 m 2 /g), distribusi ukuran pori yang sempit (2,01–3,65 nm), dan kandungan nitrogen yang tinggi (4,75–6,04%). NMC itu-x menunjukkan hidrofilisitas yang memuaskan, yang secara bertahap meningkat dengan meningkatnya kandungan N permukaan. Dan hidrofilisitas NMC yang lebih baik-x adalah, kapasitas adsorpsi yang lebih besar untuk HCPT. Kapasitas penyerapan NMC-x menuju HCPT adalah dalam urutan berikut:q NMCs-5/3 > q NMCs-6/3 > q NMCs-7/3 > q NMC-8/3 . NMCs-5/3 memiliki kapasitas adsorpsi jenuh terbesar dari HCPT (1013,51 mg g −1 ) dan tingkat disolusi yang lebih tinggi (93,75%).

Pengantar

Silika mesopori [1, 2], saringan molekuler mesopori [3], karbon mesopori [4,5,6], dan bahan lainnya telah banyak digunakan dalam bidang biomedis. Diantaranya, bahan karbon mesopori memiliki sifat yang lebih baik dalam hal luas permukaan spesifik, volume pori, stabilitas kimia yang baik, dan stabilitas termal [7], sehingga lebih cocok untuk dijadikan sebagai bahan pemuatan obat yang sangat baik. Telah dilaporkan bahwa bahan karbon mesopori telah banyak digunakan dalam pemuatan obat antitumor (camptothecin [8], doxorubicin [9,10,11,12], paclitaxel [13,14,15,16], terapi fototermal, terapi integratif, pelabelan sel fluoresen, biosorpsi zat beracun manusia, pencitraan medis, dan biosensing [17].

Saat ini, resin fenolik [18, 19] dan sukrosa [20, 21] biasanya digunakan sebagai sumber karbon untuk membuat karbon mesopori. Namun, ada potensi bahaya lingkungan yang terkait dengan resin fenolik yang digunakan sebagai sumber karbon. Juga, sukrosa memiliki kelemahan dari proses persiapan yang kompleks dan biaya tinggi. Hidrofilisitas bahan karbon mesopori yang dibuat dari kedua bahan sumber karbon ini buruk, yang membatasi penggunaan karbon mesopori sebagai drug loader dalam injeksi dan sirkulasi darah [17]. Untuk meningkatkan hidrofilisitas karbon mesopori, banyak pendekatan telah diusulkan untuk memodifikasi karbon mesopori dengan oksidasi asam campuran [9, 12, 22] atau langsung doping nitrogen pada bahan karbon mesopori [23,24,25]. Namun, oksidasi kuat dapat menyebabkan efek negatif pada sifat permukaan dan struktur pori karbon mesopori, yang mempengaruhi potensi pemuatan obatnya. Di sisi lain, doping nitrogen setelah perawatan rumit dan mahal, yang tidak dapat diterima untuk produksi massal.

Kitosan merupakan salah satu jenis biomassa dengan kandungan karbon melimpah, dan hidroksil (–OH) dan amino(–NH2 ) [26, 27]. Bahan karbon mesopori dibuat dengan menggunakan kitosan sebagai sumber karbon.

Saat ini, kitosan telah dilaporkan sebagai sumber karbon untuk membuat karbon mesopori dengan metode evaporasi-induced self-assembly (EISA). Misalnya, Matahari [28] menyiapkan karbon mesopori dengan ukuran pori 2–16 nm dan luas permukaan spesifik 293–927 m 2 /g menggunakan garam kitosan-protik sebagai sumber karbon dan F127 sebagai template. Feng [29] menyiapkan karbon mesopori dengan ukuran pori 5–15 nm dan luas permukaan spesifik 41–457 m 2 /g menggunakan kitosan sebagai sumber karbon dan F127 sebagai template. Andrzej [30] menyiapkan karbon mesopori dengan ukuran pori 3–20 nm dan luas permukaan spesifik 600–1337 m 2 /g menggunakan kitosan sebagai sumber karbon dan koloid SiO2 sebagai templat. Namun, bahan karbon mesopori yang disiapkan ini ditampilkan dengan distribusi ukuran pori yang lebih luas, luas permukaan spesifik yang lebih rendah, morfologi yang tidak beraturan, dan ukuran partikel yang lebih besar (> 1 m). Ukuran molekul obat antikanker yang umum biasanya berkisar 1,1-1,9 nm, seperti paclitaxel, doxorubicin, dan hydroxycamptothecin (HCPT), yaitu 1,90 nm × 1,19 nm × 0,07 nm, 1,52 nm × 1,08 nm × 0,71 nm, 1,14 nm × 0,69 nm × 0,44 nm, masing-masing (dihitung oleh perangkat lunak Material Studio). Secara umum, distribusi ukuran pori yang sempit dari bahan berpori bermanfaat bagi perpindahan massa molekul adsorbat, dan ukuran pori yang sesuai dari bahan berpori adalah 1,5~3,0 kali ukuran molekul adsorbat [31]. Dengan demikian, bahan karbon mesopori sebagai pembawa obat harus memiliki kisaran ukuran pori yang sempit dengan volume yang besar, luas permukaan spesifik yang tinggi, biokompatibilitas dan hidrofilisitas yang baik, serta morfologi nanospherical. Karbon mesopori bulat dengan diameter kurang dari 1 m dibuat dengan teknologi pengeringan semprot dalam laporan kami sebelumnya [32]. Namun, meskipun bahan karbon mesopori yang disiapkan menunjukkan hidrofilisitas yang lebih tinggi (sudut kontak theta adalah 124,1 o ) dibandingkan sampel yang dibuat dengan sukrosa sebagai sumber karbon (sudut kontak theta adalah 161,9 o ), hidrofilisitas dan luas permukaan spesifik karbon mesopori masih belum memuaskan karena jumlah gugus yang mengandung oksigen lebih sedikit dan penyusutan serius serta runtuhnya kerangka organik yang dibentuk oleh prekursor karbon mesopori selama karbonisasi. Telah dilaporkan bahwa polikondensasi hidrolitik tetraetil ortosilikat (TEOS) dalam larutan asam dapat menghasilkan agregat asam silikat dengan gugus hidroksil silikon yang kaya yang terhubung dengan ikatan eter segmen hidrofilik F127 melalui ikatan hidrogen [33], yang dapat mencegah penyusutan dan kolapsnya struktur karbon selama karbonisasi [18] dan meningkatkan kelompok yang mengandung oksigen dari bahan karbon mesopori.

Di sini, kitosan digunakan sebagai sumber karbon dan sumber nitrogen, dan F127 dan TEOS digunakan sebagai templat untuk menyiapkan bahan karbon nano-mesopori hidrofilik dengan morfologi sferis dengan menggunakan pengeringan semprot yang digabungkan dengan teknik karbonisasi. Efek dari rasio karbon-ke-silikon (C/Si) yang berbeda pada struktur pori, komposisi, dan sifat hidrofilik NMC diperiksa, dan sifat adsorpsi dan pelepasan bahan karbon mesopori untuk obat antitumor hidroksicamptothecin (HCPT) yang sukar larut. diselidiki.

Bahan dan Metode

Bahan Baku dan Reagen

Kopolimer triblok amfifilik F127 (M dengan =12.600, EO106 -PO70 -EO106 , Sigma-Aldrich, AS), TEOS (Perusahaan Reagen Aladdin, Amerika), CS (derajat deasetilasi 95%, viskositas 100~200 mPa s; Perusahaan Reagen Aladdin, Amerika), HCPT (HCPT-160201; Chengdu Yuancheng Biotechnology Co ., Ltd., Cina), dan asam asetat glasial, asam klorida, etanol anhidrat, Tween-80, monopotassium phosphate, dan natrium hidroksida (murni secara analitik; Shanghai Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Cina) digunakan. Air deionisasi digunakan dalam semua eksperimen.

Persiapan NMC

Pembuatan karbon mesopori yang didoping nitrogen dapat dijelaskan dengan diagram skema sintesis pada Gambar 1. Ada empat langkah:(I) menggunakan kitosan sebagai sumber karbon dan nitrogen, dan kopolimer triblok F127 dan tetraetil ortosilikat (TEOS) sebagai templat agen. Dalam sistem bifasik alkohol-air, misel bola dibentuk oleh kopling elektron ganda antara F127 dan TEOS. Si–OH kemudian dibentuk dengan hidrolisis, dan –NH2 di CS membentuk ikatan hidrogen dalam kondisi asam, yang mengarah pada penciptaan sistem trikonstituen yang kemudian dipolimerisasi dan dihubungkan silang untuk membentuk kompleks; (II) spray moulding dari material komposit dirakit dengan sistem triconstituent melalui proses spray drying; (III) penghilangan F127 dengan pemanggangan dalam atmosfer nitrogen dan karbonisasi; dan (IV) penghilangan alkali termal silikon untuk membentuk bahan karbon mesopori. Empat sampel representatif disiapkan dengan rasio C/Si yang bervariasi dan diberi label sebagai NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3, dan NMCs-8/3. Eksperimen sintesis tipikal melibatkan langkah-langkah berikut:(a) persiapan larutan CS—CS (7,0, 8.4, 9.8, atau 11,2 g) dilarutkan dalam larutan asam asetat 5% pada suhu 40 °C untuk menyiapkan larutan CS 2,1% . (b) NMC dibuat dengan melarutkan 2,1 g F127 dalam 50 mL larutan etanol pada 40 °C, diikuti dengan penambahan 15,6 mL TEOS dan 0,2 M HCl (15 mL) untuk hidrolisis. Setelah 10 menit reaksi, larutan dipindahkan ke dalam larutan CS dan dicampur selama 60 menit. Campuran kemudian didiamkan pada suhu kamar selama 60 menit dan kemudian dikeringkan dengan pengering semprot (BUCHI B-290, BUCHI, Swiss) pada suhu udara masuk 170 °C dan laju alir pengumpanan 3,5 mL/menit. Sampel yang diperoleh diberi label sebagai CS/SiO2 /F127; dan (c) proses karbonisasi—CS/SiO2 /F127 bubuk ditempatkan dalam tungku tabung, dilindungi dengan laju aliran nitrogen 200 cm 3 /jam, dan dipanaskan dengan laju 2 °C/menit hingga 410 °C. Temperatur ini kemudian ditahan selama 2 jam, kemudian dinaikkan dengan laju 5 °C/menit hingga 900 °C, dan dikalsinasi selama 2 jam untuk mendapatkan material komposit C–Si. Si dihilangkan dari material komposit C-Si yang diperoleh menggunakan alkali panas dengan larutan berair NaOH 1 M pada suhu 85 °C dua kali, dicuci dengan air deionisasi sampai diperoleh pembacaan pH netral, dan dikeringkan pada suhu 100 °C untuk menghasilkan karbon mesopori. (Gbr. 1). Bahan yang diperoleh diberi label sebagai NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3, dan NMCs-8/3 sesuai dengan jumlah CS yang digunakan dalam larutan (7.0, 8.4, 9.8, atau 11,2 g CS, masing-masing).

Ilustrasi skema proses fabrikasi NMC

Metode Karakterisasi

Luas permukaan spesifik, volume pori, dan ukuran pori karbon mesopori diuji menggunakan Micrometrics ASAP2020 N2 adsorpsi/desorpsi instrumen adsorpsi fisik. Sampel di-degassing dalam kondisi vakum (76 mmHg) pada 120 °C selama 12 jam. Luas permukaan spesifik (S BET ) dihitung menggunakan metode Barrett–Emmer–Teller, sedangkan volume pori (V BJH ) dan ukuran pori (D BJH ) dihitung menggunakan model Barrett–Joyner–Halanda (BJH), di mana volume pori dihitung sebagai kapasitas penyerapan pada tekanan relatif P /P 0 =0,975.

Komposisi unsur (C, H, O, N) dari NMC dikarakterisasi menggunakan penganalisis unsur ElementarVario EL Tipe III.

Proses pirolisis F127, CS, dan sistem terner menyemprotkan produk antara CS/SiO2 /F127 dikarakterisasi menggunakan Netzsch STA 449C Thermal Analyzer. Rentang suhu disetel dari suhu kamar hingga 1000 °C dengan kecepatan 5 °C/menit.

Karakteristik kristal NMC dikarakterisasi menggunakan difraktometer sinar-X Bruker D8 Advance dengan radiasi CuKα, panjang gelombang datang λ 0,154060 nm, pada 40,0 kV dan 40,0 mA, dan 2θ kisaran 0,9–4° (kecepatan pemindaian:0,5°/mnt, panjang langkah pemindaian 0,002°).

Morfologi karbon mesopori dianalisis dengan mikroskop elektron transmisi FEI Tecnai G2 F20 S-Twin pada tegangan percepatan 200 kV.

Keadaan pengikatan atom NMC dikarakterisasi menggunakan spektrometer fotoelektron sinar-X ThermoScienfticEscalab 250XI menggunakan sumber radiasi Al Kα dan parameter berikut:energi uji, 1486,8 eV; diameter titik uji, 500 m; tegangan tabung reaksi, 15 kV; arus tabung, 10 mA; tekanan tertinggi ruang analisis, 2 × 10 –9 mbar. Koreksi posisi puncak dibuat menurut C1 pada 284,8 eV.

Sudut kontak air pada permukaan sampel diuji menggunakan alat pengukur sudut kontak optik Dataphysics OCA25.

Penyerapan HCPT pada NMC

HCPT ditimbang secara akurat hingga 10 mg dan dilarutkan dalam 50 mL larutan etanol absolut untuk membuat 200 g/mL larutan stok standar. Kemudian, larutan stok diencerkan sampai konsentrasi (0,4, 0,5, 1, 3, 5, 7, dan 10 g mL –1 ). Larutan etanol absolut digunakan sebagai larutan referensi untuk mengukur nilai absorbansi untuk setiap konsentrasi larutan standar dengan spektrofotometri UV pada 385 nm. Analisis regresi konsentrasi massa (C) dengan absorbansi (A) dilakukan untuk mendapatkan persamaan regresi y =0,07573x + 0,04149; kurva standar memiliki hubungan linier yang baik antara absorbansi dan konsentrasi dalam rentang terukur 0,4~10 g/mL, dengan koefisien korelasi R 2 =0,99947.

Pemuatan obat ke dalam NMC dilakukan dengan metode larutan perendaman pelarut organik. Larutan HCPT (0,2~1,2 mg mL –1 ) dibuat dengan melarutkan sejumlah tertentu (6~36 mg) HCPT dalam 30 mL etanol absolut. Selanjutnya, 20 mg dari berbagai NMC kemudian ditambahkan, dicampur pada 37 ° C dalam penangas air selama 24 jam dalam gelap, dan dipisahkan dengan sentrifugasi pada 8000 r/min selama 10 menit. Supernatan kemudian diekstraksi dan konsentrasi HCPT dideteksi dengan spektroskopi serapan UV pada panjang gelombang serapan maksimum 385 nm. Pembawa obat ditempatkan dalam ruang hampa dan kering pada 40 ° C selama 24 jam. Jumlah obat yang teradsorpsi pada sampel NMC ditentukan berdasarkan perubahan konsentrasi sebelum dan sesudah adsorpsi. Kapasitas adsorpsi obat untuk setiap sampel NMC dihitung menurut persamaan berikut:

$$ \mathrm{Obat}\ \mathrm{adsorption}\ \mathrm{kapasitas}\left(\mathrm{mg}/\mathrm{g}\right)=\frac{\mathrm{Obat}\ \mathrm{konten }\ \mathrm{in}\ \mathrm{NMCs}}{\mathrm{Jumlah}\ \mathrm{of}\ \mathrm{NMCs}} $$

Pelepasan Obat HCPT

Dialisis dinamis digunakan untuk mendeteksi pelarutan obat dari 15 mg HCPT murni serta dari NMC yang mengandung obat (NMCs-5/3@HCPT, NMCs-6/3@HCPT, NMCs-7/3@HCPT, dan NMCs -8/3@HCPT). Uji pelepasan in vitro dilakukan dalam larutan buffer fosfat (PBS) dengan pH 7,4 dan pH 5,0 dan 0,1% Tween-80 pada suhu 37 °C dalam gelap. Larutan sampel buffer-NMC PBS yang telah disiapkan (pH 7,4 dan pH 5,0) ditempatkan dalam kantong dialisis (MWCO =14,000) dan direndam dalam 500 mL PBS pada pH 7,4, pH 5,0, dan diaduk dengan kecepatan 100 r/menit pada suhu 37 °C . Sebuah alikuot 4-mL diambil pada interval waktu reguler 1, 2, 4, 6, 8, 10, dan 12 jam dan diisi ulang dengan isotermal segar, PBS isovolumetrik. Dialisat diekstraksi dan disentrifugasi pada 8000 putaran/menit selama 10 menit; 1 mL supernatan diekstraksi dan diencerkan dengan 20X dan absorbansinya diukur dengan spektrofotometri UV pada 385 nm. Konsentrasi obat dihitung menurut kurva standar, dan pelepasan kumulatif HCPT dihitung menurut persamaan berikut:

$$ Q\left(\%\right)=\frac{V_1{C}_n+{V}_2\sum {C}_{n-1}}{W}\times 100\% $$

dimana V 1 adalah volume sedang (mL), V 2 adalah volume pengambilan sampel (mL), C n adalah konsentrasi sampel HCPT di n kali pengambilan sampel, (μg mL –1 ), n adalah jumlah percobaan pengambilan sampel, dan A adalah kandungan obat HCPT di NMC.

Hasil dan Diskusi

Penentuan Kondisi Karbonisasi

Gambar 2a menunjukkan kurva termogravimetri (TG) dari agen templat gratis F127, CS, dan CS/SiO2 /F127 komposit. Dapat dilihat bahwa F127 hampir sepenuhnya terpirolisis pada 400 °C [34], dengan penurunan berat sekitar 99,6%, sedangkan CS mengalami penurunan berat 56% pada 250–400 °C, diikuti oleh dataran tinggi pada 400–900 ° C (1,53% kehilangan berat pada 800–900 °C), menunjukkan bahwa kerangka karbon telah terbentuk pada 800 °C. Penurunan berat badan CS/SiO2 /F127 terjadi terutama di bawah 500 °C (55,5%) terutama karena pirolisis F127 dan CS; di atas 800 ° C, kurva TG mendatar, menunjukkan bahwa CS hampir sepenuhnya terkarbonisasi. Andrzej [30] menunjukkan bahwa pada suhu karbonisasi tinggi (1000-1100 °C), kandungan nitrogen bahan menurun. Oleh karena itu, suhu 400 °C ditahan selama 2 jam untuk menghilangkan F127, dan suhu 900 °C ditahan selama 3 jam untuk memastikan bahwa bahan karbon memiliki kandungan nitrogen dan tingkat grafitisasi yang lebih tinggi.

a Kurva TG dari CS, F127, dan CS/SiO2 /F127. Laju pemanasan adalah 5 °C/menit di bawah aliran nitrogen. b Pola XRD dari NMC dari NMC-x /3(x =5,6,7,8)

Pengaruh C/Si pada Karbon Mesopori

Analisis XRD Karbon Mesopori

Spektrum XRD dari sampel NMC yang disiapkan-x /3(x =5,6,7,8) ditunjukkan pada Gambar. 2b. Ada puncak lebar yang lebar di 2θ =23° pada empat sampel yang disiapkan, yang merupakan puncak karakteristik khas bahan karbon amorf [35]. Dapat dilihat bahwa bahan karbon yang disiapkan NMCs-x /3 memiliki struktur amorf, yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan dalam referensi [36, 37].

Analisis Struktur Pori Karbon Mesopori

N2 kurva penyerapan dan desorpsi isotermal dari empat sampel NMC dan kurva distribusi ukuran porinya diplot (Gbr. 3); data struktur pori yang relevan disajikan pada Tabel 1. Setelah P /P 0 0,4, N2 isoterm adsorpsi dari empat sampel menunjukkan loop histeresis khas bahan karbon mesopori [38, 39]; dari empat sampel, loop histeresis untuk NMCs-7/3 adalah yang terbesar (Gbr. 3a). Grafik distribusi ukuran pori menunjukkan bahwa distribusi ukuran pori bahan karbon relatif sempit, terutama dalam 2,01~3,65 nm (Gbr. 3b), yang setara dengan 1,75~3,2 kali diameter ekivalen aerodinamis HCPT. Kondo berpendapat [31] bahwa semakin kecil ukuran pori, semakin lambat laju difusi adsorbat ke dalam pori; semakin besar ukuran pori, potensi adsorpsi adsorbat dan permukaan padat akan menyebabkan penyerapan yang buruk pada permukaan padat. Kapasitas penyerapan adalah yang terbaik ketika ukuran pori 1,5~3,0 kali diameter ekivalen aerodinamis dari adsorbat. Dengan demikian, ukuran pori karbon mesopori yang disiapkan di sini sesuai untuk penyerapan HCPT.

N2 isoterm adsorpsi-desorpsi (a ) dan kurva distribusi ukuran pori (b ) dari NMCS

Data struktur pori (Tabel 1) menunjukkan bahwa volume pori mesopori dan luas permukaan spesifik BET bahan NMC-x meningkat kemudian menurun dengan meningkatnya rasio C/Si, mencapai nilai maksimum pada C/Si =7:3. Ini dapat dikaitkan dengan mekanisme berikut. Pada rasio C/Si rendah (5/3), jumlah –OH dan –NH2 pada CS juga kecil, sedangkan pada TEOS relatif besar; oleh karena itu, jumlah Si–OH yang terbentuk melalui hidrolisis dan polikondensasi TEOS juga besar dan oleh karena itu ikatan hidrogen yang tidak cukup terjadi dengan –OH dan –NH2 pada CS, yang mengarah pada pengurangan sol dari struktur jaringan cross-linked tiga dimensi. Selanjutnya, setelah penghapusan template TEOS dan F127, volume pori mesopori menurun. Selain itu, karena ada kelebihan TEOS, misel yang terbentuk besar dan ukuran pori rata-rata yang diperoleh setelah penghilangan TEOS juga besar. Sebaliknya, pada kandungan CS yang tinggi, dan rasio C/Si yang tinggi (8/3), CS memberikan lebih banyak –OH dan –NH2 , sehingga Si-OH yang dibentuk oleh hidrolisis dan polikondensasi TEOS tidak mencukupi, menyebabkan pembentukan misel yang lebih kecil dan lebih sedikit, mengurangi volume pori dan ukuran pori karbon mesopori. Terbukti, pada rasio C/Si 7:3, tersedia –OH dan –NH2 kelompok sangat cocok dengan jumlah Si–OH pada TEOS, yang mengarah pada pembentukan volume pori mesopori yang lebih besar dan luas permukaan spesifik BET.

Analisis TEM Karbon Mesopori

Karena NMC-7/3 memiliki luas permukaan spesifik dan volume mesopori terbesar, pengujian lebih lanjut pada distribusi pori dan struktur mikro dilakukan hanya untuk sampel ini, dan data ditunjukkan pada Gambar. 4. Gambar TEM menunjukkan bahwa bahan karbon mesopori yang disiapkan NMC-7/3 memiliki struktur bola pada perbesaran yang berbeda dan ukuran partikelnya semuanya di bawah 1 m (Gbr. 4a, b). Bahan karbon mesopori dengan ukuran partikel sekitar 200 nm dapat secara efisien membawa obat melalui membran sel, sehingga memberikan beberapa fungsi terapeutik yang unik [40]. Gambar 4c menunjukkan bahwa struktur pori sampel terlihat dan menyajikan struktur seperti cacing yang jelas dan khas [34] (Gbr. 4c). Dapat dilihat bahwa saluran pori ~2nm dapat diamati di tepi partikel karbon mesopori, yang dihasilkan oleh karbonisasi dan reorganisasi struktur rantai kitosan dan penghilangan template. Namun, ukuran bintik-bintik putih kecil yang diamati pada permukaan partikel umumnya kurang dari 2 nm, yang disebabkan oleh tumpang tindih dan jalinan rantai yang dibentuk oleh karbonisasi kitosan.

ac Gambar TEM dari NMCs-7/3 pada perbesaran yang berbeda

Analisis Komposisi dan Hidrofilisitas

Analisis Komposisi NMC

Spektrum FTIR bahan karbon mesopori NMCs-x /3 ditunjukkan pada Gambar 5a; 3430 cm −1 adalah puncak serapan vibrasi regangan N–H dan O–H [41], 1630 cm −1 adalah puncak serapan getaran regangan C=N dan C=C, dan 1120 cm −1 adalah puncak serapan getaran regangan C–N dan C–C, yang menunjukkan bahwa atom nitrogen berhasil dimasukkan ke dalam NMC.

FTIR(a ) pola NMC dari NMC-x /3(x =5,6,7,8); Gambar SEM (bd ) dari sampel NMCS -7/3 dan pemetaan unsur (eg ) ditujukan ke bola di gambar sisipan dari gambar SEM (d ), yang merespons elemen C, O, dan N , masing-masing.

SEM dari NMC-7/3 (Gbr. 5b-d) dan analisis unsur C(e), O(f), dan N(g) dari permukaannya (Gbr. 5e-g) dengan jelas menunjukkan bahwa karbon mesopori bahan yang disiapkan berbentuk bulat, tetapi ukurannya tidak seragam. Ini karena proses pengeringan semprot. Data pemindaian elemen menunjukkan bahwa elemen C, O, dan N didistribusikan di dalam karbon mesopori nanosfer. Oleh karena itu, N berhasil didoping ke dalam NMC.

Grafik XPS dari empat NMC ditunjukkan pada Gambar. 6 menunjukkan bahwa empat sampel mengandung O, N, dan C (Gbr. 6a). N1 diproses dengan diferensiasi dan pemasangan puncak (Gbr. 6b-e), menunjukkan pemisahan N1 menjadi empat puncak dengan energi ikat yang sesuai masing-masing 398,37, 400,80, 402,40, dan 404,53 eV, dikaitkan dengan nitrogen piridin (N-6) , nitrogen pirol (N-5), nitrogen kuaterner (NQ), dan –N teroksidasi (N–O) [36, 42,43,44,45]. Selanjutnya, area puncak N-5 dan N-6 lebih besar, menunjukkan kandungan yang lebih besar dalam komposit. Hasil ini dengan jelas menunjukkan bahwa in situ N didoping ke dalam karbon mesopori, berupa nitrogen piridinat dan pirolat.

Survei XPS dari NMC (a ) dan spektrum N1s XPS dari NMCS-5/3 (b ), NMCs-6/3 (c ), NMC-7/3 (d ), NMCs-8/3 (e ). Raman(f ) pola NMC dari NMC-x /3(x =5, 6, 7, dan 8)

Tabel 2 menunjukkan kandungan C, N, dan O pada permukaan keempat NMC yang diperoleh dari XPS dan analisis unsur (perbedaan kandungan unsur yang dideteksi oleh masing-masing teknik adalah perbedaan yang tidak kentara). Jumlahnya N konten pada permukaan NMC paling besar untuk NMCs-5/3, diikuti oleh NMCs-6/3, NMCs-7/3, dan, akhirnya, NMCs-8/3. Jadi, dengan meningkatnya rasio C/Si, kandungan N pada permukaan NMC secara bertahap menurun. Fenomena ini disebabkan oleh fakta bahwa, pada rasio C/Si yang lebih rendah, semakin besar jumlah Si–OH dalam sistem dan semakin rendah jumlah –OH dan –NH2 pada CS tersedia untuk ikatan hidrogen. Oleh karena itu, ada lebih banyak peluang untuk –NH2 untuk kontak dengan Si–OH kuat dalam struktur jaring tiga dimensi yang terbentuk dan gaya pengikatan di antara mereka lebih kuat, yang mengarah ke jumlah N yang lebih tinggi yang tersisa dalam kerangka karbon selama proses kalsinasi. Namun, pada rasio C/Si yang lebih tinggi, –OH dan –NH2 pada CS tidak dapat membentuk struktur jaringan tiga dimensi dengan hidrolisis dengan TEOS, dan oleh karena itu, lebih sedikit N yang tertahan setelah proses kalsinasi karena penguapan ke atmosfer N.

Spektrum Raman dari bahan karbon NMC-x /3 ditunjukkan pada Gambar. 6f. Dua puncak karakteristik yang berbeda muncul di semua sampel pada 1350 cm −1 dan 1601 cm −1 , sesuai dengan D dan G puncak bahan karbon, masing-masing. Di antara mereka, D puncak mencerminkan tingkat perpindahan atom, karbon tidak teratur, cacat tepi, dan cacat lainnya (sp 3 karbon, karbon menjuntai, dan lowongan, dll.) dalam bahan karbon, dan G puncak mencerminkan tingkat pemesanan sp 2 karbon. Rasio D puncak ke G puncak (I D /Aku G ) dapat mencerminkan derajat kristalinitas bahan karbon [46]. Hal ini menunjukkan bahwa urutan I D /Aku G nilainya sama dengan N konten di permukaannya dan lebih banyak cacat yang dihasilkan dengan meningkatnya kandungan nitrogen [47]. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa I D /Aku G dari empat bahan karbon, NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3, dan NMCs-8/3, masing-masing adalah 0,897, 0,815, 0,808, dan 0,704, dan urutan ukurannya adalah sama dengan kandungan nitrogennya (lihat Tabel 2). Dapat dilihat bahwa semakin besar I D /Aku G nilai NMCs-5/3 menunjukkan bahwa cacat struktural lebih jelas, yang disebabkan oleh banyaknya doping nitrogen pada bahan karbon.

Hidrofilisitas NMC

Sudut kontak dinamis air pada NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3, dan NMCs-8/3 diukur setiap 0,1 s (Gbr. 7a–e), 0,3 d (Gbr. 7f– j), 0,4 s (Gbr. 7k-o), dan 0,7 s (Gbr. 7p-t) menunjukkan bahwa waktu yang diperlukan untuk mengurangi sudut kontak tetesan air pada NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs- 7/3, dan NMCs-8/3 hingga di bawah 20° berturut-turut adalah 0,45 detik, 1,15 detik, 1,54 detik, dan 2,71 detik. Dengan demikian, keempat sampel menunjukkan hidrofilisitas yang kuat dibandingkan dengan karbon mesopori yang didoping non-nitrogen (129°) [37]. Unsur nitrogen di NMCs membentuk situs aktif, menyebabkan peningkatan sp 2 fraksi cluster, dengan peningkatan kekasaran permukaan bahan karbon [48], dan dengan demikian, sudut pembasahan yang lebih kecil dan peningkatan hidrofilisitas dan dispersibilitas. Selain itu, ikatan hidrogen antara N-5, N-6, dan molekul air di NMCs juga menyebabkan peningkatan hidrofilisitas [23, 49, 50]. Penggabungan efek ini memungkinkan penerapan potensial NMC dalam penghantaran obat.

Mikrograf optik sudut kontak air pada permukaan karbon mesopori sebagai fungsi waktu kontak (ae ) NMCs-5/3, (fj ) NMCs-6/3, (ko ) NMC-7/3, dan (pt ) NMC-8/3

Gambar 8 adalah kurva hubungan variasi sudut kontak pada keempat NMC ini dari waktu ke waktu. Seperti ditunjukkan dari Gambar. 8, waktu yang diperlukan untuk mengurangi sudut kontak tetesan air pada NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3, dan NMCs-8/3 hingga di bawah 20° adalah 0,45 s, 1,15 s, 1,54 s, dan 2,71 s, berturut-turut. Semakin pendek waktu yang dibutuhkan untuk mewujudkan sudut kontak yang sama, semakin baik hidrofilisitas sampel. Jelas, hidrofilisitas masing-masing NMC dapat diurutkan dalam urutan menurun sebagai NMCs-5/3> NMCs-6/3> NMCs-7/3> NMCs-8/3, yang sejalan dengan kandungan N pada karbon mesopori. Dengan kata lain, kandungan N tertinggi pada NMCs-5/3 berarti hidrofilisitas terbaik. Hal ini dapat dikaitkan dengan fakta bahwa semakin tinggi kandungan N pada bahan karbon mesopori, semakin besar kekasaran permukaannya; selain itu, kandungan N-5 dan N-6 yang lebih tinggi juga mengarah pada peningkatan ikatan hidrogen antara NMC dan molekul air; dua efek gabungan ini meningkatkan hidrofilisitas NMC yang dapat menjelaskan mengapa waktu kontak paling singkat.

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:

$$ q={K}_L{q}_mc/\left(1+{K}_Lc\right) $$

dimana 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:

$$ Q={kt}^n $$

dimana Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k dan 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 BET (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.

Ketersediaan data dan materi

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

Singkatan

TARUHAN:

Brunauer-Emmett-Teller

C/Si:

Carbon-to-silicon

CS:

Kitosan

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:

Pemindaian mikroskop elektron

Si–OH:

Silicon hydroxyl

TEM:

Mikroskop elektron transmisi

TEOS:

Tetraetil ortosilikat

TG:

Thermogravimetry

XPS:

Spektroskopi fotoelektron sinar-X

XRD:

Difraksi serbuk sinar-X


bahan nano

  1. Kerangka Logam–Organik Responsif Lingkungan sebagai Sistem Pengiriman Obat untuk Terapi Tumor
  2. Zebrafish:Sistem Model Waktu Nyata yang Menjanjikan untuk Pengiriman Obat Neurospesifik yang Dimediasi Nanoteknologi
  3. Nanoteknologi:dari Sistem Pencitraan Vivo hingga Pengiriman Obat Terkendali
  4. Mikrosfer Karbon Magnetik sebagai Adsorben yang Dapat Digunakan Kembali untuk Menghilangkan Sulfonamida dari Air
  5. Pendekatan Sederhana untuk Sintesis Titik Kuantum Karbon Berpendar dari Air Limbah Tahu
  6. Polimer berpori fungsional berbasis trifenilfosfin sebagai katalis heterogen yang efisien untuk sintesis karbonat siklik dari CO2
  7. Investigasi Karakteristik Fisikokimia Sistem Berbasis Nanoliposom untuk Penghantaran Obat Ganda
  8. Kinerja Sintesis dan Superkapasitor Komposit Karbon Mesopori Terurut Polianilin/Nitrogen-Doped
  9. Sintesis Mudah Sphere Karbon Mikropori yang Didoping Nitrogen untuk Superkapasitor Simetris Kinerja Tinggi
  10. Sintesis Satu Pot Titik Karbon Polidopamin yang Mudah untuk Terapi Fototermal