La fuente orgánica de fósforo y calcio induce la síntesis de microesferas estructuradas de cáscara de yema de fosfato de calcio con una superficie específica alta:aplicación en la adsorción de HEL

Resultados y discusión

Morfología y caracterización química de microesferas

Microesferas estructuradas con caparazón de yema ATP-CG

Las imágenes SEM en la Fig. 1 muestran las morfologías de varias muestras obtenidas bajo diferentes condiciones de reacción. En t =5 min o 15 min, todos los productos están compuestos por microesferas uniformes. Sin embargo, cuando el tiempo hidrotermal se incrementa aún más a 30 min, se formaron microesferas autoensambladas en nanohojas (como se muestra en la Fig. 1 f, i, l). Mientras tanto, el efecto de Ca / P sobre la morfología de los productos también se observa en t =30 min. A medida que aumentaba el Ca / P, las microesferas autoensambladas de nanohojas se formaron gradualmente (como se muestra en la Fig. 1 f, i, l). La formación de microesferas autoensambladas en nanohojas podría explicarse por las siguientes razones. En primer lugar, bajo el proceso hidrotermal de microondas, las moléculas de ATP podrían hidrolizarse para formar moléculas a base de adenosina que incluyen difosfato de adenosina (ADP), monofosfato de adenosina (AMP) y adenosina, y simultáneamente liberar iones fosfato (PO ₄ ³⁻ ). Mientras tanto, las moléculas de CG podrían hidrolizarse para formar iones de calcio y gluconato (Ca ²⁺ ). Entonces, los iones fosfato reaccionarían con los iones calcio para formar núcleos ACP primarios [25]. Luego, los núcleos de ACP iniciales crecen y se ensamblan para formar microesferas de ACP. Por lo tanto, cuando el tiempo hidrotermal se extiende más, las moléculas de ATP y CG en solución se hidrolizan aún más y liberan más PO ₄ ³⁻ y Ca ²⁺ iones, lo que provoca la formación de microesferas autoensambladas en nanohojas mediante la mejora de la sobresaturación del sistema y la velocidad de nucleación. Además, al aumentar el Ca / P, la alta concentración local de Ca ²⁺ también acelera la transformación morfológica de los productos de la misma forma que antes. El análisis anterior indica que el tiempo hidrotermal y el Ca / P tienen una influencia importante en la morfología de los productos.

Imágenes SEM de microesferas de ATP-CG preparadas por método hidrotermal de microondas a 120 ° C

A continuación, se investigan los espectros FTIR de microesferas sintetizadas con varios Ca / P a 120 ° C durante 15 min (Fig. 2). Los picos a 1620 cm ⁻¹ , 1383 cm ⁻¹ y 912 cm ⁻¹ atribuidos a los picos característicos de los grupos C =O, C – O de CG y P – O de ATP [26], respectivamente, lo que implica que las moléculas de CG y ATP no hidrolizadas o sus derivados se absorben en la superficie de las microesferas. El leve pico característico del PO ₄ ³⁻ de HAp se encuentra a 1035 cm ⁻¹ [27] y la absorción alcanza su punto máximo a 1122 cm ⁻¹ y 567 cm ⁻¹ están asignados a PO ₄ ³⁻ iones de ACP [28], lo que indica que los productos están compuestos de ACP y HAp. Los resultados de FTIR sugieren que el fosfato de calcio se prepara con éxito utilizando ATP como fuente de fósforo y CG como fuente de calcio.

Espectros FTIR de microesferas de ATP-CG sintetizadas con varios Ca / P a 120 ° C durante 15 min

Además, las imágenes SEM y TEM de muestras sintetizadas con varios Ca / P a través del método hidrotermal de microondas a 120 ° C durante 15 min se muestran en la Fig. 3. Cuando el Ca / P es 0.8 o 1.67, las muestras consisten en microesferas porosas ( Fig. 3b, d). Cuando el Ca / P es 2.5, la morfología de los productos comienza a transformarse en microesferas con estructura de cáscara de yema (Fig. 3f). A medida que el Ca / P aumenta aún más a 3,3, los productos están compuestos enteramente por microesferas estructuradas con cáscara de yema (Fig. 3h). Más allá de eso, se observan algunas de las esferas rotas y los núcleos expuestos de las microesferas de cáscara de yema (inserto en la figura 3g) después de la fractura mecánica, lo que proporciona evidencia de una estructura hueca entre la yema y la cáscara. Basándonos en la observación anterior, proponemos tentativamente el mecanismo de formación de microesferas con estructura de cáscara de yema sintetizadas con varios Ca / P. Cuando el Ca / P es menor, las microesferas de ACP porosas se forman primero, lo que se atribuye al efecto inhibidor de las moléculas de ATP y CG o sus derivados adsorbidos en la superficie de las microesferas. Luego, a medida que aumenta aún más el Ca / P, el ACP metaestable seguirá creciendo, lo que es impulsado por la alta sobresaturación del sistema. Finalmente, los HAps cristalinos se forman en la superficie externa, lo que se confirma mediante la imagen TEM de alta resolución (HRTEM) de las microesferas en la Fig. 3i (la distancia interplanar de 0.308 nm puede indexarse ​​a (210) de HAp). Como resultado, las estructuras huecas entre la yema y la cáscara se generan debido a la diferencia de volumen o densidad entre HAp y ACP [24]. El mapeo de EDS correspondiente indica que los elementos Ca, P y O están distribuidos uniformemente por las microesferas. Los espectros EDS en la Fig. 3k y el espectro XPS en la Fig. 3l revelan que los elementos químicos de las microesferas incluyen principalmente Ca, P y O, lo cual es consistente con el resultado de FTIR (Fig. 2).

Imágenes SEM y TEM de microesferas de ATP-CG sintetizadas con varios de Ca / P. un , b Ca / P =0,8. c , d Ca / P =1,67. e , f Ca / P =2,5. g , h Ca / P =3,3. yo HRTEM, j Mapeo EDS, k Espectros EDS, l Espectros XPS de microesferas de ATP-CG con Ca / P =3.3

Se investiga más a fondo el impacto del tiempo hidrotermal asistido por microondas y la temperatura en la morfología de las microesferas sintetizadas con Ca / P =3.3. Como se muestra en la Fig. 4a-b, cuando el tiempo hidrotermal es de 5 min, las muestras se componen de microesferas porosas. Como se discutió anteriormente, cuando t =15 min, el producto también se compone de microesferas con estructura de cáscara de yema (Fig. 4c-d). Cuando el tiempo hidrotermal se extiende a 60 min o la temperatura aumenta a 160 ^o C, se observan límites de láminas o varillas (Fig. 4e-l). La transformación morfológica de porosa a cáscara de yema a hoja o varilla se atribuye al crecimiento adicional de ACP con la hidrólisis continua de moléculas de ATP y CG en solución. Además, la hidrólisis de las moléculas de ATP y CG o sus derivados adsorbidos en la superficie de las microesferas de ACP también acelera el crecimiento de ACP. Un fenómeno interesante surgió a los 60 minutos o 160 ^o C, estas láminas o varillas también se desarrollan a partir de nanopartículas de ACP (como se muestra en los recuadros rojos), lo que se confirma mediante el análisis de DTA en la Fig. S1. Se observa un pico exotérmico a 650 ° C en las curvas DTA [29, 30], que se atribuye a la cristalización de ACP. El pico exotérmico se debilita gradualmente con el aumento del tiempo hidrotermal o la temperatura, lo que implica que la transformación de ACP en los productos hacia fosfato cálcico de criestilina.

Imágenes SEM y TEM de microesferas de ATP-CG sintetizadas con Ca / P =3.3 en diferentes condiciones experimentales. un , b T =120 ° C, t =5 min. c , d T =120 ° C, t =15 min. e – h T =120 ° C, t =60 min. i – l T =160 ° C, t =15 minutos

La constitución química y la estructura de las muestras sintetizadas con Ca / P =3.3 bajo diferentes tiempos o temperaturas hidrotermales son investigadas por FTIR y XRD. Como se muestra en la Fig. 5a, los picos característicos de PO ₄ ³⁻ Los iones de HAp se encuentran a 1037 cm ⁻¹ y 603 cm ⁻¹ [27]. El pico a 1122 cm ⁻¹ se asigna al pico característico de PO ₄ ³⁻ iones de ACP. La absorción alcanza su punto máximo a 1620 cm ⁻¹ y 1383 cm ⁻¹ se atribuyen al pico característico de los grupos C =O y C – O de CG, respectivamente. El pico de absorción a 912 cm ⁻¹ se refiere a la vibración asimétrica de estiramiento P – O del ATP. Al aumentar el tiempo hidrotermal o la temperatura, la intensidad de los picos característicos de CG y ATP disminuye gradualmente, lo que indica que las moléculas de ATP y CG o sus derivados adsorbidos en la superficie de las microesferas se hidrolizan aún más. Mientras tanto, la intensidad del pico característico de PO ₄ ³⁻ Los iones en HAp presentan una tendencia creciente gradualmente con la disminución de la intensidad del pico característico de ACP, iluminando la transformación de la fase cristalina de los productos hacia la fase HAp.

un Espectros FTIR y b Patrones XRD de microesferas de ATP-CG sintetizadas con Ca / P =3.3 en diferentes condiciones experimentales

La Figura 5b muestra los patrones XRD de diferentes muestras. Una joroba característica de fase amorfa de alrededor de 2 θ Se observa =30 ° de microesferas sintetizadas a los 5 o 15 min. Sin embargo, cuando el tiempo hidrotermal se extiende a 60 min o la temperatura aumenta a 160 ° C, la fase cristalina de las microesferas se transforma completamente en HAp, que podría indexarse ​​como datos estándar (JDCPS no. 09-0432). La mejora en la intensidad relativa de los planos de celosía (211), (300) y (002) podría explicar aún más el aumento de la cristalinidad de los productos. Por lo tanto, los resultados de XRD y FTIR confirman aún más la transformación de la fase cristalina de los productos con el aumento de la temperatura o el tiempo hidrotermal.

Microesferas estructuradas con capa de yema ATP-CL

Para comparar el comportamiento de adsorción del fármaco, las otras microesferas con estructura de cáscara de yema se prepararon utilizando CL como fuente de calcio orgánico mediante el método hidrotermal de microondas [24]. En términos de morfología, las muestras todavía consisten en microesferas estructuradas con caparazón de yema, que se verifica mediante las esferas rotas (inserto en la Fig. 6a) y las imágenes TEM (Fig. 6b, c). El resultado demuestra que el cambio en la fuente de calcio no tiene un efecto significativo sobre la morfología de los productos. Además, la difracción de electrones de área seleccionada (SAED) muestra los puntos SAED discretos (Fig. 6d), lo que demuestra que se obtienen microesferas bien cristalizadas. Además, el mapeo EDS exhibe la distribución uniforme de elementos Ca, P y O en microesferas (Fig. 6e). Los espectros de EDS correspondientes también confirman la presencia de elementos de Ca, P y O en las microesferas (Fig. 6f), lo que indica que las microesferas preparadas son fosfato de calcio.

un SEM . b , c Imágenes TEM . d S difracción de electrones de área elegida (SAED) . e Mapeo EDS y f Espectros EDS de microesferas ATP-CL

HEL Mecanismo de adsorción y adsorción de microesferas

Como se muestra en la Fig. 7, la capacidad de adsorción de dos tipos de microesferas aumenta con la concentración inicial creciente de HEL. Cuando la concentración inicial de HEL aumenta a 6,5 ​​mg / ml, la capacidad de adsorción de las microesferas de ATP-CG alcanza una meseta y la capacidad máxima de adsorción de las microesferas es de aproximadamente 332 ± 36 mg / g (Fig. 7a), que es aproximadamente el doble más alto que el de las microesferas de ATP-CL (176 ± 33 mg / g, 6 mg / mL, Fig. 7b).

Curva de adsorción de microesferas a diferentes concentraciones iniciales de HEL. un Microesferas de ATP-CG. b Microesferas de ATP-CL

El resultado de la adsorción HEL está respaldado además por los espectros FTIR y las curvas TG. Como se muestra en la Fig. 8a, b, la absorción alcanza un máximo a 1134 cm ⁻¹ (1139 cm ⁻¹ ) y 563 cm ⁻¹ (568 cm ⁻¹ ) asignado al pico característico PO ₄ ³⁻ iones de ACP y 1039 cm ⁻¹ (1040 cm ⁻¹ ) asignado al pico característico de PO ₄ ³⁻ Se observan iones de HAp en las microesferas adsorbidas con HEL, lo que indica que la introducción de HEL en las microesferas no provoca ningún cambio significativo en la estructura de las microesferas. La adsorción alcanza su punto máximo a 1542 cm ⁻¹ y 1545 cm ⁻¹ atribuidos al grupo amida de HEL se observan en microesferas adsorbidas por HEL, lo que confirma que HEL se adsorbe con éxito en las microesferas. Mientras tanto, las bandas de adsorción a 2966, 2962, 2935 y 2927 cm ⁻¹ se originó a partir de –CH ₃ y –CH ₂ También se detectan grupos de HEL en microesferas adsorbidas con HEL, lo que verifica además la presencia de HEL en las microesferas. Las curvas de TGA muestran que la pérdida de peso de las microesferas de ATP-CG antes y después de la adsorción de HEL es de 11,3% y 36,7%, respectivamente (Fig. 8c). Por tanto, la capacidad de adsorción de HEL de las microesferas de ATP-CG es de aproximadamente 340 mg / g. Sin embargo, se obtiene una pérdida de peso del 21,1% de ATP-CL antes de la adsorción de HEL y aparece un 37% en las microesferas adsorbidas con HEL (Fig. 8d). Entonces, la capacidad de adsorción de HEL es de 189 mg / g para microesferas de ATP-CL. Los resultados de TGA se cierran al resultado de la Fig. 7.

Espectros FT-IR y curvas TGA de microesferas antes y después de la adsorción de HEL . un Espectros FTIR y c Curvas TGA de microesferas ATP-CG, b Espectros FTIR y d Curvas TGA de microesferas ATP-CL

Para investigar la causa de la diferencia de capacidad de adsorción entre dos tipos de microesferas, los datos de adsorción de equilibrio de las microesferas se analizan adicionalmente de acuerdo con el modelo de isoterma D-R. Las curvas de ajuste se muestran en la Fig. 9 y los parámetros de ajuste se enumeran en la Tabla 1, respectivamente. A partir de los resultados del ajuste, el coeficiente de correlación de ATP-CG es más alto que el de ATP-CL, lo que sugiere que el modelo D-R es adecuado para describir el comportamiento de adsorción de fármacos de las microesferas de ATP-CG. Dado que el E valor es inferior a 8 kJ / mol, la adsorción de HEL en microesferas de ATP-CG es sorción física. La capacidad máxima ( Q _m ) de microesferas de ATP-CG para HEL podría alcanzar hasta cerca de 381 mg / g, que está cerca del resultado de la Fig. 7a.

un Modelo de isotermas de adsorción de HEL en microesferas de ATP-CG. b Modelo de isotermas de adsorción de HEL en microesferas de ATP-CL

Dado que la adsorción de HEL en las microesferas de ATP-CG es una sorción física, se investiga el potencial de superficie de las microesferas. Como se muestra en la Fig. 10a, el valor de potencial zeta de ATP-CG, microesferas de ATP-CL y HEL en agua ultrapura es - 17 mV, - 22 mV y 20 mV, respectivamente. Después de la adsorción de HEL, el valor de potencial zeta de las microesferas de ATP-CG y ATP-CL cambia a 2,7 mV y 1,5 mV, respectivamente, lo que indica que la adsorción de moléculas de HEL en la superficie de las microesferas a través de la fuerza electrostática de atracción. Sin embargo, la fuerza electrostática atractiva no es la causa principal de la diferencia de capacidad de adsorción entre dos tipos de microesferas, porque no hay una diferencia significativa en los valores de potencial zeta (- 17 mV y - 22 mV) entre microesferas.

Potenciales zeta de HEL y microesferas antes y después de la adsorción de HEL

Por lo tanto, para aclarar aún más la razón que causa la diferencia de capacidad de absorción entre microesferas, se investiga el área superficial específica de las microesferas. Como se muestra en la Fig. 11a, el área de superficie específica BET ( S _APUESTA ) de microesferas de ATP-CG es 143 m ² g ⁻¹ , que es aproximadamente tres veces más alto que las microesferas de ATP-CL (55 m ² g ⁻¹ , Tabla 2). Entonces, el área de superficie específica puede contribuir a la diferencia de capacidad de absorción entre microesferas. Esta alta superficie específica de las microesferas de ATP-CG se atribuye principalmente a la baja cristalinidad [31]. De la Fig. 11b, las microesferas de ATP-CG exhiben una cristalinidad más baja que la de las microesferas de ATP-CL. Además, la diferencia de cristalinidad entre ATP-CG y ATP-CL se debe principalmente a las diferentes condiciones de síntesis. Generalmente, la cristalinidad del producto aumenta con el grado de hidrólisis de los reactivos bajo cierta presión y temperatura. Aquí, la acidez del ácido glucónico (pKa =3.39) es más alta que la del ácido l-láctico (pKa =3.86), lo que provocaría una tasa de hidrólisis más lenta y finalmente presentaría una cristalinidad más baja. Como resultado, se obtienen microesferas de ATP-CG con un área de superficie específica más alta cambiando la fuente de calcio.

un Isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno. b Patrones XRD de microesferas