Síntese em uma etapa de carbonos mesoporosos hidrofílicos dopados com nitrogênio a partir do sistema triconstituinte à base de quitosana para liberação de drogas

Resumo

Esferas de carbono mesoporosas hidrofílicas dopadas com nitrogênio in situ com diferentes razões de carbono para silício (C / Si) (NMCs- x / 3, x =5, 6, 7 e 8) foram preparados pelo método de uma etapa acoplado a uma técnica de secagem por pulverização e carbonização, em que copolímero tribloco (F127) e ortossilicato de tetraetila (TEOS) foram usados ​​como agentes de molde, e quitosana biocompatível (CS ) foi usado como fonte de carbono e fonte de nitrogênio. Esses materiais de carbono foram caracterizados por TG, BET, XRD, Raman, FTIR, TEM, XPS e dispositivo de medição do ângulo de contato. As propriedades de adsorção e liberação de materiais de carbono mesoporoso para o fármaco antitumoral fracamente solúvel hidroxicamptotecina (HCPT) foram investigadas. Os resultados mostraram que materiais de carbono mesoporosos nanosféricos foram preparados com sucesso com área de superfície específica elevada (2061,6 m ² / g), distribuição de tamanho de poro estreito (2,01–3,65 nm) e alto teor de nitrogênio (4,75–6,04%). Esses NMCs- x mostrou uma hidrofilicidade satisfatória, que aumentou gradualmente com o aumento do teor de N na superfície. E a melhor hidrofilicidade dos NMCs- x foi, a maior capacidade de adsorção para HCPT. A capacidade de absorção dos NMCs- x para HCPT estava nas seguintes ordens: q _NMCs-5/3 > q _NMCs-6/3 > q _NMCs-7/3 > q _NMCs-8/3 . NMCs-5/3 teve a maior capacidade de adsorção saturada de HCPT (1013,51 mg g ⁻¹ ) e maior taxa de dissolução (93,75%).

Introdução

Sílica mesoporosa [1, 2], peneiras moleculares mesoporosas [3], carbono mesoporoso [4,5,6] e outros materiais têm sido amplamente utilizados no campo da biomedicina. Entre eles, os materiais de carbono mesoporoso têm melhores propriedades em termos de área de superfície específica, volume de poro, boa estabilidade química e estabilidade térmica [7], portanto, são mais adequados para servir como excelentes materiais de carregamento de drogas. Foi relatado que materiais de carbono mesoporoso têm sido amplamente utilizados na carga de drogas antitumorais (camptotecina [8], doxorrubicina [9,10,11,12], paclitaxel [13,14,15,16], terapia fototérmica, terapia integrativa, rotulagem de células fluorescentes, biossorção de substâncias tóxicas humanas, imagens médicas e biossensorização [17].

Atualmente, resinas fenólicas [18, 19] e sacarose [20, 21] são normalmente usadas como fontes de carbono para preparar carbono mesoporoso. No entanto, existem riscos ambientais potenciais associados às resinas fenólicas usadas como fonte de carbono. Além disso, a sacarose tem as desvantagens do complexo processo de preparação e do alto custo. A hidrofilicidade dos materiais de carbono mesoporoso preparados a partir desses dois materiais de fonte de carbono é pobre, o que restringe o uso de carbono mesoporoso como carregador de drogas em injeção e circulação sanguínea [17]. A fim de aumentar a hidrofilicidade do carbono mesoporoso, muitas abordagens foram propostas para modificar o carbono mesoporoso por oxidação com ácido misto [9, 12, 22] ou nitrogênio diretamente dopado em materiais de carbono mesoporoso [23,24,25]. No entanto, a oxidação forte pode levar a um efeito negativo nas propriedades da superfície e na estrutura dos poros do carbono mesoporoso, afetando seu potencial de carga de fármaco. Por outro lado, a dopagem com nitrogênio após o tratamento é complicada e cara, o que não é aceitável para a produção em massa.

Quitosana é um tipo de biomassa com abundante conteúdo de carbono, hidroxila (–OH) e amino (–NH ₂ ) [26, 27]. Materiais de carbono mesoporoso são preparados usando quitosana como fonte de carbono.

Atualmente, a quitosana tem sido relatada como uma fonte de carbono para preparar carbono mesoporoso pelo método de auto-montagem induzida por evaporação (EISA). Por exemplo, Sun [28] preparou carbono mesoporoso com um tamanho de poro de 2-16 nm e área de superfície específica de 293-927 m ² / g usando sal prótico de quitosana como fonte de carbono e F127 como modelo. Feng [29] preparou carbono mesoporoso com um tamanho de poro de 5-15 nm e área de superfície específica de 41-457 m ² / g usando quitosana como fonte de carbono e F127 como modelo. Andrzej [30] preparou carbono mesoporoso com um tamanho de poro de 3–20 nm e área de superfície específica de 600–1337 m ² / g usando quitosana como fonte de carbono e SiO coloidal ₂ como um modelo. No entanto, esses materiais de carbono mesoporoso preparados são caracterizados por uma distribuição de tamanho de poro mais ampla, menor área de superfície específica, morfologia irregular e tamanho de partícula maior (> 1 μm). Os tamanhos moleculares dos medicamentos anticâncer comuns estão geralmente na faixa de 1,1-1,9 nm, como paclitaxel, doxorrubicina e hidroxicamptotecina (HCPT), que são 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, respectivamente (calculado pelo software Materials Studio). De um modo geral, a distribuição estreita do tamanho dos poros de materiais porosos é benéfica para a transferência de massa de moléculas de adsorvato, e o tamanho de poro adequado de materiais porosos é 1,5 ~ 3,0 vezes o tamanho das moléculas de adsorbato [31]. Assim, os materiais de carbono mesoporoso como um carreador de fármaco devem ter uma faixa estreita de tamanho de poro com grande volume, alta área de superfície específica, boa biocompatibilidade e hidrofilicidade e a morfologia nanoesférica. O carbono esférico mesoporoso com um diâmetro menor que 1 μm foi preparado por tecnologia de secagem por spray em nossos relatórios anteriores [32]. No entanto, embora o material de carbono mesoporoso preparado mostrasse maior hidrofilicidade (ângulo de contato teta é 124,1 ^o ) do que a amostra preparada com sacarose como fonte de carbono (ângulo de contato theta é 161,9 ^o ), a hidrofilicidade e a área de superfície específica do carbono mesoporoso ainda são insatisfatórias devido à menor quantidade de grupos contendo oxigênio e ao sério encolhimento e colapso do esqueleto orgânico formado por precursores de carbono mesoporoso durante a carbonização. Foi relatado que a policondensação hidrolítica de tetraetilortosilicato (TEOS) em solução ácida pode produzir agregados de ácido silícico com ricos grupos hidroxila de silício conectando-se com ligação éter do segmento hidrofílico de F127 por ligação de hidrogênio [33], o que pode prevenir o encolhimento e colapso de estrutura do carbono durante a carbonização [18] e aumenta os grupos contendo oxigênio de materiais de carbono mesoporosos.

Aqui, a quitosana foi usada como fonte de carbono e fonte de nitrogênio, e F127 e TEOS foram usados ​​como modelos para preparar materiais de carbono nano-mesoporosos hidrofílicos com morfologia esférica usando secagem por spray acoplada à técnica de carbonização. Os efeitos de diferentes proporções de carbono para silício (C / Si) na estrutura dos poros, composição e propriedades hidrofílicas de NMCs foram examinados, e as propriedades de adsorção e liberação de materiais de carbono mesoporoso para o fármaco antitumor pouco solúvel hidroxicamptotecina (HCPT) foram investigados.

Materiais e métodos

Matérias-primas e reagentes

Copolímero tribloco anfifílico F127 ( M _w =12.600, EO ₁₀₆ -PO ₇₀ -EO ₁₀₆ , Sigma-Aldrich, EUA), TEOS (Aladdin Reagent Company, América), CS (grau de desacetilação ≥ 95%, viscosidade 100 ~ 200 mPa s; Aladdin Reagent Company, América), HCPT (HCPT-160201; Chengdu Yuancheng Biotechnology Co ., Ltd., China), e foram usados ​​ácido acético glacial, ácido clorídrico, etanol anidro, Tween-80, fosfato monopotássico e hidróxido de sódio (analiticamente puro; Shanghai Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., China). Água desionizada foi usada em todos os experimentos.

Preparação de NMCs

A preparação de carbono mesoporoso dopado com nitrogênio pode ser descrita pelo diagrama esquemático de síntese na Fig. 1. Existem quatro etapas:(I) usando quitosana como fonte de carbono e nitrogênio, e copolímero tribloco F127 e ortossilicato de tetraetila (TEOS) como molde agentes. Em um sistema bifásico álcool-água, micelas esféricas foram formadas por duplo acoplamento eletrônico entre F127 e TEOS. Si – OH foi então formado por hidrólise, e –NH ₂ em CS formaram ligações de hidrogênio na condição ácida, levando à criação de um sistema triconstituinte subsequentemente polimerizado e reticulado para formar um complexo; (II) a moldagem por spray do material compósito foi montada por sistema triconstituinte através do processo de spray drying; (III) remoção de F127 por torrefação em atmosfera de nitrogênio e carbonização; e (IV) remoção de álcali térmico de silício para formar materiais de carbono mesoporosos. Quatro amostras representativas foram preparadas com uma razão C / Si variável e rotuladas como NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 e NMCs-8/3. Um experimento de síntese típico envolveu as seguintes etapas:(a) preparação da solução de CS - CS (7,0, 8,4, 9,8 ou 11,2 g) foi dissolvido em uma solução aquosa de ácido acético a 5% a 40 ° C para preparar uma solução de CS a 2,1% . (b) NMCs foram preparados dissolvendo 2,1 g de F127 em 50 mL de solução de etanol a 40 ° C, seguido pela adição de 15,6 mL de TEOS e 0,2 M de HCl (15 mL) para hidrólise. Após 10 min de reação, a solução foi transferida para a solução de CS e misturada durante 60 min. A mistura foi então deixada em repouso à temperatura ambiente por 60 min e depois seca com um secador por pulverização (BUCHI B-290, BUCHI, Suíça) a uma temperatura de ar de entrada de 170 ° C e taxa de fluxo de alimentação de 3,5 mL / min. A amostra obtida foi rotulada como CS / SiO ₂ / F127; e (c) processo de carbonização - o CS / SiO ₂ / F127 pó foi colocado em um forno tubular, protegido com a taxa de fluxo de nitrogênio de 200 cm ³ / h, e aquecido a uma taxa de 2 ° C / min até 410 ° C. Esta temperatura foi então mantida por 2 h, então aumentada a uma taxa de 5 ° C / min até 900 ° C, e calcinada por 2 h para obter o material compósito C – Si. O Si foi removido do material composto C – Si obtido usando álcali quente com solução aquosa de NaOH 1 M a 85 ° C duas vezes, lavado com água desionizada até que uma leitura de pH neutro fosse obtida e seco a 100 ° C para produzir os carbonos mesoporosos (Figura 1). Os materiais obtidos foram marcados como NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 e NMCs-8/3 de acordo com a quantidade de CS usado na solução (7,0, 8,4, 9,8 ou 11,2 g CS, respectivamente).

Ilustração esquemática dos processos de fabricação de NMCs

Método de caracterização

A área de superfície específica, volume de poro e tamanho de poro de carbonos mesoporosos foram testados usando um Micrometrics ASAP2020 N ₂ adsorção / dessorção instrumento físico de adsorção. As amostras foram pré-desgaseificadas sob condições de vácuo (76 mmHg) a 120 ° C por 12 h. A área de superfície específica ( S _APOSTA ) foi calculado usando o método Barrett – Emmer – Teller, enquanto o volume do poro ( V _BJH ) e tamanho do poro ( D _BJH ) foram calculados usando o modelo Barrett – Joyner – Halanda (BJH), em que o volume do poro foi calculado como a capacidade de absorção à pressão relativa P / P ₀ =0,975.

A composição elementar (C, H, O, N) dos NMCs foi caracterizada usando um analisador elementar ElementarVario EL Tipo III.

O processo de pirólise de F127, CS e o produto intermediário de pulverização do sistema ternário CS / SiO ₂ / F127 foi caracterizado usando um analisador térmico Netzsch STA 449C. A faixa de temperatura foi ajustada desde a temperatura ambiente até 1000 ° C a uma taxa de 5 ° C / min.

As características do cristal dos NMCs foram caracterizadas usando um difratômetro de raios-X Bruker D8 Advance com radiação CuKα, comprimento de onda incidente λ de 0,154060 nm, a 40,0 kV e 40,0 mA, e um 2 θ faixa de 0,9–4 ° (velocidade de varredura:0,5 ° / min, comprimento da etapa de varredura 0,002 °).

A morfologia do carbono mesoporoso foi analisada por um microscópio eletrônico de transmissão FEI Tecnai G2 F20 S-Twin a uma tensão de aceleração de 200 kV.

O estado de ligação atômica dos NMCs foi caracterizado usando um espectrômetro de fotoelétrons de raios-X ThermoScienfticEscalab 250XI usando uma fonte de radiação Al Kα e os seguintes parâmetros:energia de teste, 1486,8 eV; diâmetro do ponto de teste, 500 μm; tensão do tubo de ensaio, 15 kV; corrente do tubo, 10 mA; pressão final da câmara de análise, 2 × 10 ^–9 mbar. A correção da posição de pico foi feita de acordo com C1s em 284,8 eV.

O ângulo de contato da água na superfície das amostras foi testado usando o dispositivo óptico de medição do ângulo de contato Dataphysics OCA25.

Absorção de HCPT em NMCs

HCPT foi pesado com precisão para 10 mg e dissolvido em 50 mL de solução de etanol absoluto para preparar 200 μg / mL de solução estoque padrão. Em seguida, a solução estoque foi diluída para as concentrações (0,4, 0,5, 1, 3, 5, 7 e 10 μg mL ^–1 ) Uma solução de etanol absoluto foi usada como solução de referência para medir o valor de absorbância para cada concentração de soluções padrão por espectrofotometria UV a 385 nm. Uma análise de regressão da concentração de massa (C) com absorbância (A) foi realizada para obter a equação de regressão y =0,07573 x + 0,04149; a curva padrão teve uma boa relação linear entre a absorbância e a concentração dentro da faixa medida de 0,4 ~ 10 μg / mL, com coeficiente de correlação R ² =0,99947.

O carregamento dos fármacos nos NMCs foi realizado com o método de solução de imersão em solvente orgânico. Solução HCPT (0,2 ~ 1,2 mg mL ^–1 ) foi preparado dissolvendo uma certa quantidade (6 ~ 36 mg) de HCPT em 30 mL de etanol absoluto. Subsequentemente, 20 mg dos vários NMCs foram então adicionados, misturados a 37 ° C em banho-maria por 24 h no escuro e separados por centrifugação a 8000 r / min por 10 min. O sobrenadante foi então extraído e a concentração de HCPT foi detectada por espectroscopia de absorção de UV no comprimento de onda de absorção máximo de 385 nm. O carreador do fármaco foi colocado em vácuo e área seca a 40 ° C por 24 h. A quantidade de droga adsorvida nas amostras de NMC foi determinada de acordo com a mudança de concentração antes e depois da adsorção. A capacidade de adsorção de drogas para cada amostra NMC foi calculada de acordo com a seguinte equação:
$$ \ mathrm {Droga} \ \ mathrm {adsorção} \ \ mathrm {capacidade} \ left (\ mathrm {mg} / \ mathrm {g} \ right) =\ frac {\ mathrm {Drug} \ \ mathrm {content } \ \ mathrm {in} \ \ mathrm {NMCs}} {\ mathrm {Amount} \ \ mathrm {of} \ \ mathrm {NMCs}} $$

Liberação de droga de HCPT

A diálise dinâmica foi usada para detectar a dissolução da droga de 15 mg de HCPT puro, bem como dos NMCs carregados com a droga (NMCs-5/3 @ HCPT, NMCs-6/3 @ HCPT, NMCs-7/3 @ HCPT e NMCs -8 / 3 @ HCPT). Um teste de liberação in vitro foi realizado em solução tampão de fosfato (PBS) com pH 7,4 e pH 5,0 e Tween-80 0,1% a 37 ° C no escuro. As soluções de amostra de tampão PBS-NMC preparadas (pH 7,4 e pH 5,0) foram colocadas em bolsas de diálise (MWCO =14.000) e imersas em 500 mL de PBS a pH 7,4, pH 5,0 e agitadas a 100 r / min a 37 ° C . Uma alíquota de 4 mL foi recuperada em intervalos de tempo regulares de 1, 2, 4, 6, 8, 10 e 12 he reabastecida com PBS isotérmico isovolumétrico fresco. O dialisado foi extraído e centrifugado a 8.000 r / min durante 10 min; Extraiu-se 1 mL do sobrenadante, diluiu-se 20X e mediu-se a absorbância por espectrofotometria UV a 385 nm. A concentração da droga foi calculada de acordo com a curva padrão, e a liberação cumulativa de HCPT foi calculada de acordo com a seguinte equação:
$$ Q \ left (\% \ right) =\ frac {V_1 {C} _n + {V} _2 \ sum {C} _ {n-1}} {W} \ times 100 \% $$
onde V ₁ é o volume médio (mL), V ₂ é o volume de amostra (mL), C _n é a concentração da amostra de HCPT no n amostragem de tempos, (μg mL ^–1 ), n é o número de tentativas de amostragem, e W é o conteúdo de drogas de HCPT em NMCs.

Resultados e discussão

Determinação das condições de carbonização

A Figura 2a mostra as curvas termogravimétricas (TG) do agente de molde livre F127, CS e o CS / SiO ₂ / F127 composto. Pode ser visto que F127 é quase completamente pirolisado a 400 ° C [34], com uma perda de peso de aproximadamente 99,6%, enquanto CS experimenta uma perda de peso de 56% a 250-400 ° C, seguido por um platô a 400-900 ° C C (1,53% de perda de peso a 800–900 ° C), sugerindo que o esqueleto de carbono se formou a 800 ° C. A perda de peso de CS / SiO ₂ / F127 ocorreu principalmente abaixo de 500 ° C (55,5%) principalmente devido à pirólise de F127 e CS; acima de 800 ° C, as curvas TG estabilizaram, sugerindo que CS estava quase completamente carbonizado. Andrzej [30] indicou que em altas temperaturas de carbonização (1000–1100 ° C), o conteúdo de nitrogênio dos materiais diminui. Portanto, a temperatura de 400 ° C foi mantida por 2 h para remover F127, e a temperatura de 900 ° C foi mantida por 3 h para garantir que os materiais de carbono tivessem um maior teor de nitrogênio e grau de grafitização.

a Curvas TG de CS, F127 e CS / SiO ₂ / F127. A taxa de aquecimento foi de 5 ° C / min sob fluxo de nitrogênio. b Padrões de XRD dos NMCs dos NMCs- x / 3 ( x =5,6,7,8)

Efeitos de C / Si em carbonos mesoporosos

Análise de DRX de carbonos mesoporosos

Os espectros de XRD das amostras preparadas NMCs- x / 3 ( x =5,6,7,8) é mostrado na Fig. 2b. Há um pico largo e largo em 2 θ =23 ° nas quatro amostras preparadas, que são picos característicos típicos de materiais de carbono amorfo [35]. Pode-se ver que o material de carbono preparado NMCs- x / 3 tem uma estrutura amorfa, que é consistente com os resultados relatados nas referências [36, 37].

Análise da estrutura de poros de carbonos mesoporosos

O N ₂ Absorção isotérmica e curvas de dessorção das quatro amostras NMC e suas curvas de distribuição de tamanho de poro são plotadas (Fig. 3); os dados relevantes da estrutura de poros são fornecidos na Tabela 1. Após P / P ₀ ≥ 0,4, o N ₂ as isotermas de adsorção das quatro amostras mostram loops de histerese típicos de materiais de carbono mesoporosos [38, 39]; das quatro amostras, o ciclo de histerese para NMCs-7/3 é o maior (Fig. 3a). Os gráficos de distribuição de tamanho de poro mostram que a distribuição de tamanho de poro dos materiais de carbono é relativamente estreita, principalmente dentro de 2,01 ~ 3,65 nm (Fig. 3b), o que é equivalente a 1,75 ~ 3,2 vezes do diâmetro equivalente aerodinâmico de HCPT. Kondo argumentou [31] que quanto menor o tamanho do poro, mais lenta é a taxa de difusão do adsorvato nos poros; quanto maior for o tamanho do poro, o potencial de adsorção do adsorbato e da superfície sólida estará levando a uma má absorção na superfície sólida. A capacidade de absorção é melhor quando o tamanho do poro é 1,5 ~ 3,0 vezes do diâmetro equivalente aerodinâmico do adsorbato. Assim, o tamanho dos poros dos carbonos mesoporosos aqui preparados é apropriado para a absorção de HCPT.

N ₂ isotermas de adsorção-dessorção ( a ) e curvas de distribuição de tamanho de poro ( b ) do NMC _S

Os dados de estrutura de poro (Tabela 1) mostram que o volume de poro mesoporoso e a área de superfície específica de BET de materiais NMC-x aumentam e depois diminuem com o aumento da razão C / Si, atingindo um valor máximo em C / Si =7:3. Isso pode ser atribuído ao seguinte mecanismo. Em uma relação C / Si baixa (5/3), a quantidade de –OH e –NH ₂ no CS também é pequeno, enquanto que no TEOS é relativamente grande; portanto, a quantidade de Si – OH formada pela hidrólise e policondensação de TEOS também é grande e, portanto, ligação de hidrogênio insuficiente ocorreu com –OH e –NH ₂ em CS, levando a uma redução nos sóis da estrutura de rede reticulada tridimensional. Posteriormente, após a remoção do molde TEOS e F127, o volume do poro mesoporoso diminuiu. Além disso, uma vez que existe um excesso de TEOS, as micelas formadas são grandes e o tamanho médio dos poros obtido após a remoção de TEOS também é grande. Por outro lado, em um alto conteúdo de CS e, portanto, alta relação C / Si (8/3), CS forneceu mais –OH e –NH ₂ , de forma que o Si – OH formado pela hidrólise e policondensação dos TEOS é insuficiente, levando à formação de micelas cada vez menores, diminuindo o volume e tamanho dos poros do carbono mesoporoso. Evidentemente, em uma razão C / Si de 7:3, o –OH e –NH ₂ disponíveis grupos são bem combinados com a quantidade de Si – OH em TEOS, levando à formação de um maior volume de poro mesoporoso e área de superfície específica de BET.

Análise de TEM de carbonos mesoporosos

Uma vez que NMC-7/3 tem a maior área de superfície específica e volume mesoporoso, outros testes na distribuição de poros e microestrutura são realizados apenas para esta amostra, e os dados são mostrados na Fig. 4. Imagens TEM mostram que o material de carbono mesoporoso preparado NMC-7/3 tem estrutura esférica em diferentes ampliações e seus tamanhos de partícula estão todos abaixo de 1 μm (Fig. 4a, b). Os materiais de carbono mesoporoso com um tamanho de partícula de cerca de 200 nm podem transportar drogas com eficiência através das membranas celulares, exercendo assim algumas funções terapêuticas únicas [40]. A Figura 4c mostra que a estrutura de poros da amostra é visível e apresenta uma estrutura semelhante a um verme nítida e típica [34] (Fig. 4c). Pode-se observar que canais de poros de ~ 2 nm podem ser observados na borda das partículas mesoporosas de carbono, que é gerado pela carbonização e reorganização da estrutura da cadeia da quitosana e remoção do molde. Porém, o tamanho dos pequenos pontos brancos observados na superfície das partículas é geralmente menor que 2 nm, o que se deve à sobreposição e entrelaçamento das cadeias formadas pela carbonização da quitosana.

a - c Imagens TEM dos NMCs-7/3 em diferentes ampliações

Análise de composição e hidrofilicidade

Análise de composição de NMCs

Espectro de FTIR de NMCs de material de carbono mesoporoso- x / 3 é mostrado na Fig. 5a; 3430 cm ⁻¹ é o pico de absorção de vibração de alongamento de N – H e O – H [41], 1630 cm ⁻¹ é o pico de absorção de vibração de alongamento de C =N e C =C e 1120 cm ⁻¹ é o pico de absorção de vibração de alongamento de C – N e C – C, o que indica que os átomos de nitrogênio são incorporados com sucesso aos NMCs.

FTIR ( a ) padrões dos NMCs dos NMCs- x / 3 ( x =5,6,7,8); Imagem SEM ( b - d ) da amostra NMC _S -7/3 e mapeamento elementar ( e - g ) visando a esfera na imagem de inserção da imagem SEM ( d ), que responde ao elemento C, O e N , respectivamente.

O SEM de NMC-7/3 (Fig. 5b-d) e a análise elementar C (e), O (f) e N (g) de sua superfície (Fig. 5e-g) mostram claramente que o carbono mesoporoso o material preparado é esférico, mas seu tamanho não é uniforme. Isso se deve ao processo de secagem por spray. Os dados de varredura dos elementos indicam que os elementos C, O e N estão distribuídos dentro do carbono mesoporoso da nanosfera. Portanto, N foi dopado com sucesso nos NMCs.

Os gráficos XPS dos quatro NMCs são mostrados na Fig. 6, indicando que as quatro amostras continham O, N e C (Fig. 6a). N1s foi processado com diferenciação de pico e ajuste (Fig. 6b-e), mostrando uma divisão de N1s em quatro picos com energias de ligação correspondentes de 398,37, 400,80, 402,40 e 404,53 eV, respectivamente, atribuídos ao nitrogênio piridínico (N-6) , nitrogênio pirrólico (N-5), nitrogênio quaternário (NQ) e –N oxidado (N – O) [36, 42,43,44,45]. Além disso, as áreas dos picos de N-5 e N-6 eram maiores, indicando um maior conteúdo dentro do composto. Estes resultados indicam claramente que in situ N foi dopado nos carbonos mesoporosos, assumindo a forma de nitrogênio piridínico e pirrólico.

Levantamento XPS dos NMCs ( a ) e espectros de N1s XPS de NMCS-5/3 ( b ), NMCs-6/3 ( c ), NMCs-7/3 ( d ), NMCs-8/3 ( e ) Raman ( f ) padrões dos NMCs dos NMCs- x / 3 ( x =5, 6, 7 e 8)

A Tabela 2 mostra os conteúdos de C, N e O na superfície dos quatro NMCs obtidos a partir de XPS e análises elementares (as diferenças no conteúdo elementar detectadas por cada técnica foram sutis distinções). O total de N o conteúdo na superfície dos NMCs é maior para NMCs-5/3, seguido por NMCs-6/3, NMCs-7/3 e, finalmente, NMCs-8/3. Assim, à medida que a razão C / Si aumenta, o conteúdo de N na superfície dos NMCs diminui gradualmente. Este fenômeno é atribuído ao fato de que, em relações C / Si mais baixas, maior será a quantidade de Si – OH no sistema e menor será a quantidade de –OH e –NH ₂ no CS disponível para ligações de hidrogênio. Portanto, há mais chances de –NH ₂ entrar em contato com Si – OH forte na estrutura tridimensional formada e a força de ligação entre eles é mais forte, levando a uma maior quantidade de N deixado no esqueleto de carbono durante o processo de calcinação. No entanto, em razões C / Si mais altas, –OH e –NH ₂ em CS não pode formar uma estrutura de rede tridimensional por hidrólise com TEOS e, portanto, menos N é retido após o processo de calcinação devido à volatilização na atmosfera de N.

Espectro Raman de NMCs de material de carbono- x / 3 é mostrado na Fig. 6f. Dois picos característicos distintos apareceram em todas as amostras a 1350 cm ⁻¹ e 1601 cm ⁻¹ , correspondendo a D e G picos de materiais de carbono, respectivamente. Entre eles, D pico reflete o grau de deslocamento atômico, carbono desordenado, defeitos de borda e outros defeitos (sp ³ carbono, carbono pendente e vagas, etc.) em materiais de carbono e G pico reflete o grau de ordenação de sp ² carbono. Uma proporção de D pico para G pico ( I _D / eu _G ) pode refletir o grau de cristalinidade de materiais de carbono [46]. É apontado que a ordem de eu _D / eu _G o valor é o mesmo de N conteúdo em sua superfície e mais defeitos são gerados com o aumento do conteúdo de nitrogênio [47]. Os resultados calculados mostram que o I _D / eu _G dos quatro materiais de carbono, NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 e NMCs-8/3, são 0,897, 0,815, 0,808 e 0,704, respectivamente, e a ordem de seu tamanho é o mesmo que o de seu conteúdo de nitrogênio (ver Tabela 2). Pode-se ver que quanto maior o I _D / eu _G valor de NMCs-5/3 indica que o defeito estrutural é mais óbvio, que é devido à grande quantidade de dopagem de nitrogênio no material de carbono.

Hidrofilicidade de NMCs

Os ângulos de contato dinâmico da água em NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 e NMCs-8/3 medidos a cada 0,1 s (Fig. 7a-e), 0,3 s (Fig. 7f- j), 0,4 s (Fig. 7k – o) e 0,7 s (Fig. 7p – t) mostram que o tempo necessário para reduzir o ângulo de contato da gota de água em NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs- 7/3 e NMCs-8/3 abaixo de 20 ° foi de 0,45 s, 1,15 s, 1,54 s e 2,71 s, respectivamente. Assim, as quatro amostras mostram forte hidrofilicidade em comparação com suas contrapartes de carbono mesoporoso não dopado com nitrogênio (129 °) [37]. Os elementos de nitrogênio nos NMCs formaram sítios ativos, levando a um aumento na sp ² fração de agrupamento, com um aumento da rugosidade da superfície dos materiais de carbono [48] e, portanto, um ângulo de umedecimento menor e hidrofilia e dispersibilidade aprimoradas. Além disso, a ligação de hidrogênio entre N-5, N-6 e moléculas de água em NMCs também levou a um aumento da hidrofilicidade [23, 49, 50]. O acoplamento desses efeitos permite a aplicação potencial de NMCs na entrega de drogas.

Micrografias ópticas dos ângulos de contato da água na superfície do carbono mesoporoso em função do tempo de contato ( a - e ) NMCs-5/3, ( f - j ) NMCs-6/3, ( k - o ) NMCs-7/3, e ( p - t ) NMCs-8/3

A Figura 8 apresenta as curvas de relação da variação dos ângulos de contato nesses quatro NMCs ao longo do tempo. Como é mostrado na Fig. 8, o tempo necessário para reduzir os ângulos de contato das gotículas de água nos NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 e NMCs-8/3 para abaixo de 20 ° foi de 0,45 s, 1,15 s, 1,54 s e 2,71 s, respectivamente. Quanto mais curto for o tempo necessário para realizar o mesmo ângulo de contato, melhor será a hidrofilicidade das amostras. Obviamente, a hidrofilicidade de cada NMCs pode ser classificada em ordem decrescente como NMCs-5/3> NMCs-6/3> NMCs-7/3> NMCs-8/3, que está em linha com o conteúdo de N em carbonos mesoporosos. Em outras palavras, o maior conteúdo de N em NMCs-5/3 significa a melhor hidrofilicidade. Isso pode ser atribuído ao fato de que quanto maior for o conteúdo de N no material de carbono mesoporoso, maior será a rugosidade da superfície; além disso, o maior teor de N-5 e N-6 também leva a ligações de hidrogênio aprimoradas entre NMCs e moléculas de água; esses dois efeitos acoplados aumentaram a hidrofilicidade dos NMCs, o que pode explicar por que o tempo de contato foi o mais curto.

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:
$$ q={K}_L{q}_mc/\left(1+{K}_Lc\right) $$
onde 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:
$$ Q={kt}^n $$
onde Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k e 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 _APOSTA (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.

Disponibilidade de dados e materiais

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

Abreviações

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

C/Si:

Carbon-to-silicon

CS:

Chitosan

FTIR:

Fourier Transform infrared spectroscopy

HCPT:

Hydroxycamptothecin

–NH₂ :

Amino

NMCs:

Nitrogen-doped mesoporous carbon spheres

–OH:

Hidroxila

PBS:

Phosphate buffer solution

Raman:

Raman spectra

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura

Si–OH:

Silicon hydroxyl

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão

TEOS:

Ortosilicato de tetraetilo

TG:

Termogravimetria

XPS:

espectroscopia de fotoelétrons de raios-X

XRD:

Difração de pó de raios-x

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