Síntesis en un solo paso de carbonos mesoporosos hidrofílicos dopados con nitrógeno a partir del sistema triconstituyente a base de quitosano para la liberación de fármacos

N ₂ isotermas de adsorción-desorción ( a ) y curvas de distribución del tamaño de los poros ( b ) de NMC _S

Los datos de estructura de poros (Tabla 1) muestran que el volumen de poro mesoporoso y el área superficial específica de BET de materiales NMC-x aumentan y luego disminuyen con una relación C / Si creciente, alcanzando un valor máximo en C / Si =7:3. Esto se puede atribuir al siguiente mecanismo. En una relación C / Si baja (5/3), la cantidad de –OH y –NH ₂ en el CS también es pequeño, mientras que el de TEOS es relativamente grande; por lo tanto, la cantidad de Si-OH formada por hidrólisis y policondensación de TEOS también es grande y, por lo tanto, se produjo un enlace de hidrógeno insuficiente con –OH y –NH ₂ en CS, lo que lleva a una reducción de los soles de la estructura de red reticulada tridimensional. Posteriormente, tras la eliminación de la plantilla TEOS y F127, el volumen de poros mesoporosos disminuyó. Además, dado que hay un exceso de TEOS, las micelas formadas son grandes y el tamaño medio de poro obtenido tras la eliminación de TEOS también es grande. Por el contrario, con un alto contenido de CS y, por lo tanto, una alta relación C / Si (8/3), el CS proporcionó más –OH y –NH ₂ , de manera que el Si-OH formado por la hidrólisis y policondensación de TEOS es insuficiente, lo que lleva a la formación de más pequeñas y menos micelas, disminuyendo el volumen y tamaño de los poros del carbono mesoporoso. Evidentemente, en una relación C / Si de 7:3, el –OH y el –NH ₂ disponibles Los grupos coinciden bien con la cantidad de Si-OH en TEOS, lo que lleva a la formación de un volumen de poro mesoporoso más grande y un área de superficie específica de BET.

Análisis TEM de carbonos mesoporosos

Dado que NMC-7/3 tiene la mayor área de superficie específica y volumen de mesoporo, se realizan más pruebas sobre la distribución de poros y la microestructura solo para esta muestra, y los datos se muestran en la Fig. 4. Las imágenes TEM muestran que el material de carbono mesoporoso preparado El NMC-7/3 tiene una estructura esférica a diferentes aumentos y sus tamaños de partículas están por debajo de 1 μm (Fig. 4a, b). Los materiales de carbono mesoporoso con un tamaño de partícula de aproximadamente 200 nm pueden transportar eficazmente fármacos a través de las membranas celulares, ejerciendo así algunas funciones terapéuticas únicas [40]. La Figura 4c muestra que la estructura de poros de la muestra es visible y presenta una estructura clara y típica parecida a un gusano [34] (Figura 4c). Se puede observar que se pueden observar canales de poros de ~ 2 nm en el borde de las partículas de carbono mesoporosas, que se generan por carbonización y reorganización de la estructura de la cadena del quitosano y eliminación de la plantilla. Sin embargo, el tamaño de los pequeños puntos blancos observados en la superficie de las partículas es generalmente menor de 2 nm, lo que se debe al traslape y entrelazamiento de las cadenas formadas por la carbonización del quitosano.

un - c Imágenes TEM del NMC-7/3 a diferentes aumentos

Análisis de composición e hidrofilicidad

Análisis de composición de NMC

Espectro FTIR de materiales de carbono mesoporosos NMC- x / 3 se muestra en la Fig. 5a; 3430 cm ⁻¹ es el pico de absorción de vibraciones de estiramiento de N – H y O – H [41], 1630 cm ⁻¹ es el pico de absorción de vibración por estiramiento de C =N y C =C, y 1120 cm ⁻¹ es el pico de absorción de vibraciones de estiramiento de C – N y C – C, lo que indica que los átomos de nitrógeno se incorporan con éxito en los NMC.

FTIR ( a ) patrones de los NMC de los NMC- x / 3 ( x =5,6,7,8); Imagen SEM ( b - d ) de la muestra NMC _S -7/3 y mapeo elemental ( e - g ) dirigido a la esfera en la imagen insertada de la imagen SEM ( d ), que responde a los elementos C, O y N , respectivamente.

El SEM de NMC-7/3 (Fig. 5b-d) y el análisis elemental C (e), O (f) y N (g) de su superficie (Fig. 5e-g) muestran claramente que el carbono mesoporoso el material preparado es esférico, pero su tamaño no es uniforme. Esto se debe al proceso de secado por atomización. Los datos de escaneo de elementos indican que los elementos C, O y N están distribuidos dentro del carbono mesoporoso de la nanoesfera. Por lo tanto, N fue dopado con éxito en las NMC.

Los gráficos XPS de los cuatro NMC se muestran en la Fig. 6, lo que indica que las cuatro muestras contenían O, N y C (Fig. 6a). Los N1 se procesaron con diferenciación y ajuste de picos (Fig. 6b-e), mostrando una división de N1 en cuatro picos con energías de unión correspondientes de 398,37, 400,80, 402,40 y 404,53 eV, respectivamente, atribuidas al nitrógeno piridínico (N-6) , nitrógeno pirrólico (N-5), nitrógeno cuaternario (NQ) y –N (N – O) oxidado [36, 42,43,44,45]. Además, las áreas de los picos de N-5 y N-6 eran más grandes, lo que indica un mayor contenido dentro del compuesto. Estos resultados indican claramente que in situ N fue dopado en los carbonos mesoporosos, tomando la forma de nitrógeno piridínico y pirrólico.

Encuesta XPS de los NMC ( a ) y espectros XPS de N1s de NMCS-5/3 ( b ), NMC-6/3 ( c ), NMC-7/3 ( d ), NMC-8/3 ( e ). Raman ( f ) patrones de los NMC de los NMC- x / 3 ( x =5, 6, 7 y 8)

La Tabla 2 muestra los contenidos de C, N y O en la superficie de los cuatro NMC obtenidos de XPS y análisis elementales (las diferencias en el contenido elemental detectadas por cada técnica fueron una distinción sutil). El total de N El contenido en la superficie de los NMC es mayor para los NMC-5/3, seguido de los NMC-6/3, los NMC-7/3 y, finalmente, los NMC-8/3. Por lo tanto, a medida que aumenta la relación C / Si, el contenido de N en la superficie de los NMC disminuye gradualmente. Este fenómeno se atribuye al hecho de que, a menores relaciones C / Si, mayor es la cantidad de Si – OH en el sistema y menor es la cantidad de –OH y –NH ₂ en CS disponible para puentes de hidrógeno. Por lo tanto, hay más posibilidades de que –NH ₂ entrar en contacto con Si-OH fuerte en la estructura de red tridimensional formada y la fuerza de unión entre ellos es más fuerte, lo que lleva a una mayor cantidad de N que queda en el esqueleto de carbono durante el proceso de calcinación. Sin embargo, a relaciones C / Si más altas, –OH y –NH ₂ en CS no puede formar una estructura de red tridimensional por hidrólisis con TEOS y, por lo tanto, se retiene menos N después del proceso de calcinación debido a la volatilización en la atmósfera de N.

Espectro Raman de materiales de carbono NMC- x / 3 se muestra en la Fig. 6f. Aparecieron dos picos característicos distintos en todas las muestras a 1350 cm ⁻¹ y 1601 cm ⁻¹ , correspondiente a D y G picos de materiales de carbono, respectivamente. Entre ellos, D el pico refleja el grado de desplazamiento atómico, carbono desordenado, defectos en los bordes y otros defectos (sp ³ carbono, carbono colgante y vacantes, etc.) en materiales de carbono, y G pico refleja el grado de orden de sp ² carbón. Una proporción de D pico a G pico ( I _D / Yo _G ) puede reflejar el grado de cristalinidad de los materiales de carbono [46]. Se señala que el orden de I _D / Yo _G el valor es el mismo que el de N contenido en su superficie y se generan más defectos con el aumento del contenido de nitrógeno [47]. Los resultados calculados muestran que el I _D / Yo _G de los cuatro materiales de carbono, NMC-5/3, NMC-6/3, NMC-7/3 y NMC-8/3, son 0.897, 0.815, 0.808 y 0.704, respectivamente, y el orden de su tamaño es lo mismo que el de su contenido de nitrógeno (ver Tabla 2). Se puede ver que el I más grande _D / Yo _G El valor de NMCs-5/3 indica que el defecto estructural es más obvio, lo que se debe a la gran cantidad de nitrógeno dopado en el material de carbono.

Hidrofilicidad de los NMC

Los ángulos de contacto dinámico del agua en NMC-5/3, NMC-6/3, NMC-7/3 y NMC-8/3 medidos cada 0.1 s (Fig. 7a-e), 0.3 s (Fig. 7f– j), 0.4 s (Fig. 7k – o) y 0.7 s (Fig. 7p – t) muestran que el tiempo requerido para reducir el ángulo de contacto de la gota de agua en NMC-5/3, NMC-6/3, NMC- 7/3 y NMC-8/3 por debajo de 20 ° fue de 0,45 s, 1,15 s, 1,54 sy 2,71 s, respectivamente. Por tanto, las cuatro muestras muestran una fuerte hidrofilia en comparación con sus homólogos de carbono mesoporoso no dopado con nitrógeno (129 °) [37]. Los elementos de nitrógeno en los NMC formaron sitios activos, lo que llevó a un aumento en la sp ² fracción de racimo, con una mejora de la rugosidad de la superficie de los materiales de carbono [48] y, por tanto, un ángulo de humectación más pequeño y una hidrofilicidad y dispersabilidad mejoradas. Además, los enlaces de hidrógeno entre N-5, N-6 y moléculas de agua en los NMC también condujeron a una mayor hidrofilicidad [23, 49, 50]. El acoplamiento de estos efectos permite la posible aplicación de NMC en la administración de fármacos.

Micrografías ópticas de los ángulos de contacto del agua en la superficie del carbono mesoporoso en función del tiempo de contacto ( a - e ) NMC-5/3, ( f - j ) NMC-6/3, ( k - o ) NMC-7/3 y ( p - t ) NMC-8/3

La Figura 8 son las curvas de relación de la variación de los ángulos de contacto en estos cuatro NMC a lo largo del tiempo. Como se muestra en la Fig.8, el tiempo requerido para reducir los ángulos de contacto de las gotas de agua en NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 y NMCs-8/3 por debajo de 20 ° fue 0.45 s, 1,15 s, 1,54 sy 2,71 s, respectivamente. Cuanto menor sea el tiempo necesario para realizar el mismo ángulo de contacto, mejor será la hidrofilia de las muestras. Obviamente, la hidrofilia de cada NMC se puede clasificar en orden descendente como NMC-5/3> NMC-6/3> NMC-7/3> NMC-8/3, que está en línea con el contenido de N sobre carbonos mesoporosos. En otras palabras, el mayor contenido de N en NMC-5/3 significa la mejor hidrofilia. Esto puede atribuirse al hecho de que cuanto mayor sea el contenido de N en el material de carbono mesoporoso, mayor será la rugosidad de la superficie; además, el mayor contenido de N-5 y N-6 también conduce a un mejor enlace de hidrógeno entre los NMC y las moléculas de agua; Estos dos efectos acoplados mejoraron la hidrofilia de los NMC, lo que puede explicar por qué el tiempo de contacto fue el más corto.

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.

un 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:

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

donde 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:

$$ Q={kt}^n $$

donde Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k y 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 _APUESTA (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.

Disponibilidad de datos y materiales

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

Abreviaturas

APUESTA:

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:

Hidroxilo

PBS:

Solución tampón de fosfato

Raman:

Raman spectra

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

Si–OH:

Silicon hydroxyl

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

TEOS:

Ortosilicato de tetraetilo

TG:

Thermogravimetry

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X en polvo

Característica de conmutación resistiva de baja potencia en la memoria de acceso aleatorio resistiva de dos capas de HfO2 / TiOx Nanopartículas de oro con quitosano, quitosano N-acilado y oligosacárido de quitosano como portadores de ADN