Material mespor—termasuk silika, zeolit, dan karbon—telah menjadi tidak tergantikan dalam biomedik berkat luas permukaan tinggi, struktur pori yang kuat, dan stabilitas kimia. Di antara mereka, karbon mespor menonjol karena luas permukaan, volume pori, dan resistensi termal yang unggul, menjadikannya penawa obat yang menarik untuk agen antitumor hidrofobik seperti kamptotekin, doksorubisin, dan paklitaksel.
Precursor karbon konvensional seperti resin fenolik dan sukrosa menimbulkan kekhawatiran lingkungan atau melibatkan sintesis berlangkah yang mahal. Selain itu, karbon dari sumber ini seringkali menunjukkan hidrofilisitas buruk, membatasi aplikasinya dalam formulasi injeksi atau sistemik. Doping nitrogen pasca-sintesis atau oksidasi asam dapat meningkatkan hidrofilisitas tetapi biasanya merusak struktur pori atau menambah kompleksitas.
Chitosan—polisakarida alami yang melimpah, kompatibel biologis, dan kaya akan grup –OH dan –NH₂—menawarkan peran ganda sebagai sumber karbon dan nitrogen. Studi sebelumnya menggunakan chitosan dan F127 telah menghasilkan karbon mespor dengan distribusi pori yang luas dan luas permukaan rendah. Untuk mengatasi keterbatasan ini, kami memperkenalkan TEOS sebagai templat sekunder yang, melalui hidrolisis dan polikondensasi, membentuk grup Si–OH yang berinteraksi dengan grup fungsional chitosan, mengstabilkan jaringan poros selama karbonisasi.
Studi ini merinci sintesis satu langkah bola karbon mespor doped nitrogen hidrofilik (NMCs-x/3) melalui spray-drying. Kami secara sistematis memvariasi rasio karbon-ke-silikon (C/Si) untuk menyesuaikan struktur pori, konten nitrogen, dan hidrofilisitas, dan mengevaluasi kapasitas mereka untuk memuat dan melepaskan obat antikanker yang larutnya sulit hydroxycamptothecin.
Bahan dan Metode
Bahan Baku dan Reagen
Kopolimero triblok F127 (Mw ≈ 12.600, Sigma-Aldrich), TEOS (Aladdin), chitosan (≥ 95 % deasetilasi, Aladdin), HCPT (Chengdu Yuancheng), dan reagen laboratorium standar digunakan sebagaimana adanya. Air deionisis digunakan di seluruhnya.
Persiapan NMCs
Larutan chitosan (2,1 % b/b) disiapkan dengan melarutkan 7,0, 8,4, 9,8, atau 11,2 g chitosan dalam asam asetat 5 % pada 40 °C. Secara paralel, 2,1 g F127 dilarutkan dalam 50 mL etanol, ke dalamnya ditambahkan 15,6 mL TEOS dan 15 mL HCl 0,2 M. Setelah 10 menit, campuran digabungkan dengan larutan chitosan dan diaduk selama 60 menit, kemudian diam selama 60 menit. Spray drying (inlet 170 °C, aliran 3,5 mL min⁻¹) menghasilkan bubuk komposit (CS/SiO₂/F127). Bubuk dikalsinasi dalam atmosfer nitrogen: 400 °C (2 jam) untuk menghilangkan F127, diikuti oleh 900 °C (2 jam) untuk karbonisasi matriks. Selanjutnya direndam dalam NaOH 1 M pada 85 °C untuk menghilangkan silika, menghasilkan NMCs-5/3, -6/3, -7/3, dan -8/3 akhir.
Karakterisasi
Luas permukaan BET dan distribusi ukuran pori diukur melalui serapan N₂ (Micrometrics ASAP2020). Komposisi elemen (C, H, O, N) ditentukan melalui analisis elemen. Evolusi termal dipantau melalui TGA (Netzsch STA 449C). Pola XRD (Bruker D8, CuKα) mengungkapkan tanda karbon amorf. TEM (FEI Tecnai G2) memvisualisasikan morfologi. XPS (Thermo Scientific Escalab 250XI) mengidentifikasi spesies nitrogen. Sudut kontak air dicatat dengan Dataphysics OCA25.
Pemuatan dan Pelarasan HCPT
HCPT dilarutkan dalam etanol (0,2–1,2 mg mL⁻¹) dan dicampur dengan 20 mg setiap NMC pada 37 °C selama 24 jam. Kandungan obat dikuantifikasi melalui UV–Vis (λ = 385 nm). Studi pelarasan dilakukan dengan dialisis terhadap PBS (pH 7,4 atau 5,0, 0,1 % Tween-80) pada 37 °C, pengambilan sampel setiap 1–12 jam. Kinetika pelarasan difit ke model Ritger–Peppas.
Hasil dan Pembahasan
Perilaku Termal dan Strategi Kalsinasi
TGA komposit CS/SiO₂/F127 menunjukkan penurunan berat ~55 % di bawah 500 °C, terutama dari pirolisis F127 dan chitosan, dengan plat di atas 800 °C yang mengonfirmasi karbonisasi lengkap. Pemegang pada 400 °C selama 2 jam secara efisien menghilangkan F127, sementara langkah akhir 900 °C mempertahankan nitrogen dan meningkatkan grafitasi.
Struktur Pori dan Morfologi
Analisis BET mengungkapkan bahwa seri NMCs-x/3 menampilkan luas permukaan maksimum (2061,6 m² g⁻¹) dan volume pori (0,77 cm³ g⁻¹) pada rasio C/Si 7:3. Distribusi ukuran pori (2,01–3,65 nm) selaras dengan dimensi HCPT, memfasilitasi pemuatan yang efisien. Citra TEM mengonfirmasi partikel bola < 1 µm dengan mesoporوسي seperti cacing.
Komposisi dan Doping Nitrogen
FTIR dan XPS mengonfirmasi kehadiran spesies nitrogen piridinik, pirrolik, dan kuaternari. Konten nitrogen menurun dari 6,04 % (NMC-5/3) menjadi 4,75 % (NMC-8/3), berkorelasi dengan peningkatan rasio C/Si. Rasio D/G Raman mengikuti tren yang sama, menunjukkan ketertiban yang lebih tinggi pada muatan nitrogen yang lebih tinggi.
Hidrofilisitas
Pengukuran sudut kontak dinamis menunjukkan bahwa NMC-5/3 mencapai < 20° dalam 0,45 detik, jauh lebih cepat daripada NMC-8/3 (2,71 detik). Nitrogen permukaan yang ditingkatkan dan kekasaran mempromosikan ikatan hidrogen dengan air, meningkatkan daya basah—fitur kritis untuk formulasi injeksi.
Adsorpsi dan Pelarasan HCPT
Isoterm adsorpsi cocok dengan model Langmuir, menghasilkan pemuatan maksimum sebesar 1013,51 mg g⁻¹ untuk NMC-5/3. Urutan kapasitas pemuatan cocok dengan konten nitrogen. XRD sampel yang dimuat HCPT menunjukkan hilangnya puncak kristal, menunjukkan keadaan obat amorf yang mempercepat pelarasan. Studi pelarasan menunjukkan bahwa 86,7–93,8 % HCPT dilepaskan dalam 12 jam pada pH 7,4, dengan pelarasan yang lebih lambat pada pH 5,0, yang cocok untuk mikroenvironment tumor. Konten nitrogen yang lebih tinggi memperlambat pelarasan karena interaksi obat-penawa yang lebih kuat, menawarkan profil pelarasan yang dapat disesuaikan.
Kesimpulan
Kami telah menetapkan sintesis satu langkah yang dapat diskalakan dari bola karbon mespor doped nitrogen hidrofilik dari chitosan, F127, dan TEOS. Rasio C/Si optimal (7:3) menghasilkan luas permukaan, volume pori, dan konten nitrogen tertinggi, yang diterjemahkan menjadi pemuatan HCPT yang unggul dan pelarasan yang dapat dikontrol. Hidrofilisitas yang ditingkatkan dan kinetika obat yang dapat disesuaikan memosisikan material ini sebagai penawa yang menjanjikan untuk obat antitumor yang larutnya sulit.
