Micoesferas de fosfato cálcico yema-cáscara de alta área superficial a partir de fuentes orgánicas de fósforo y calcio para adsorción mejorada de LHE

Resumen

Las micoesferas de fosfato cálcico con estructura yema-cáscara tienen gran potencial para aplicaciones médicas por sus excelentes propiedades fisicoquímicas y biocompatibilidad. Sin embargo, desarrollar una estructura yema-cáscara de fosfato cálcico con alta capacidad de adsorción sigue siendo un reto. Aquí se sintetizó con éxito una micoesfera porosa yema-cáscara (ATP-CG) de fosfato cálcico con alta área superficial específica [S_BET = 143 m² g⁻¹, ~3 veces superior a micoesferas ATP-CL sintetizadas sustituyendo fuente calcio por lactato cálcico L-pentahidratado (CL)] usando trifosfato de adenosina 5'-disódico (ATP) como fuente fósforo y gluconato cálcico monohidratado (CG) como fuente calcio mediante auto-templado. Se investigaron influencias de ratio molar Ca/P, temperatura hidrotérmica y tiempo en morfología micoesferas ATP-CG. Se halló que fuentes orgánicas calcio y fósforo juegan papel vital en formación estructura yema-cáscara. Experimentos adsorción por lotes investigaron mecanismo adsorción dos tipos micoesferas yema-cáscara sintetizadas con diferentes fuentes calcio. Resultados: capacidad adsorción ATP-CG (332 ± 36 mg/g) ~2 veces superior ATP-CL (176 ± 33 mg/g). Mayor área superficial específica causada por fuente calcio y propiedades químicas superficiales únicas ATP-CG juegan papel importante en mejora capacidad adsorción LHE. Estudio indica micoesferas yema-cáscara preparadas prometedoras para liberación fármacos y enfoque efectivo para mejorar capacidad adsorción fármacos.

Introducción

Fosfato cálcico ha ganado considerable atención últimos años por excelente biocompatibilidad, alta capacidad carga y eficiencia entrega. Biomateriales fosfato cálcico usados ampliamente en biomedicina: ingeniería tisular, reparación ósea, liberación fármacos. Para extender rango aplicación y mejorar rendimiento materiales base fosfato cálcico, reportadas diversas morfologías y microestructuras: micoesferas hidroxiapatita carbonatada (HAp), microtubos HAp, micoesferas HAp huecas, nanoesferas yema@jaula-cáscara mesoporosas fosfato cálcico amorfo (ACP).

Entre morfologías, micoesferas yema-cáscara atraen más atención, como materiales frontera y por características morfológicas únicas. En micoesferas yema-cáscara, espacio vacío entre núcleo yema y cáscara sirve reservorio cargas y cáscara porosa vía difusión moléculas huésped, gran potencial aplicaciones: catálisis, baterías iones litio, fotocatálisis, biomedicina. Tradicionalmente, métodos plantilla sacrificada son principales para preparar micoesferas yema-cáscara. Estas estrategias plantilla han logrado éxito ajustando estructura y propiedades. Sin embargo, presentan desventajas: pasos procesado tediosos, surfactantes o reactivos direccionadores estructura, potencialmente peligrosos salud. Actualmente, métodos auto-templado usados ampliamente en investigación micoesferas yema-cáscara. A diferencia enfoques plantilla tradicionales, plantillas en auto-templado no solo forman vacíos, sino también precursores micoesferas yema-cáscara. Así, auto-templado métodos convenientes para preparar micoesferas yema-cáscara. Sin embargo, introducción auto-templado a síntesis micoesferas fosfato cálcico yema-cáscara sigue siendo reto interesante.

Además, materiales fosfato cálcico usados para transportar diferentes cargas: proteínas, DNA, siRNA. Sin embargo, pobre capacidad adsorción fármacos fosfato cálcico necesita solución urgente. Generalmente, enfoques inmovilización moléculas fármaco sobre superficie transportador dependen propiedades superficiales: potencial superficial, hidrofobicidad/hidrofilicidad, enlace hidrógeno, área superficial específica. Mejorar propiedades superficiales y área superficial específica es enfoque válido para mejorar capacidad adsorción fármaco transportador.

Aquí preparamos micoesferas porosas yema-cáscara fosfato cálcico usando trifosfato adenosina 5'-disódico (ATP) como fuente fósforo y gluconato cálcico monohidratado (CG) como fuente calcio mediante auto-templado asistido microondas. Sin adición agente plantilla, micoesferas fosfato cálcico yema-cáscara preparadas muestran área superficial específica particularmente alta. Además, comportamiento adsorción lisozima huevo gallina (LHE) micoesferas ATP-CG investigado comparando con micoesferas ATP-CL preparadas sustituyendo fuente calcio por lactato cálcico L-pentahidratado (CL). Resultados revelan diferencia área superficial específica causada por fuente calcio y propiedades químicas superficiales juegan papel vital en mejora capacidad adsorción LHE.

Métodos

Materiales

Trifosfato adenosina 5'-disódico (ATP) de Macklin Biochemical Co., Ltd (Shanghai, China). Gluconato cálcico monohidratado (CG) y lactato (L)-cálcico pentahidratado (CL) de Sangon Biotech Co., Ltd (Shanghai, China). Lisozima huevo gallina (LHE, ~70000 U/mg) de Sigma-Aldrich (Taufkirchen, Alemania).

Síntesis y caracterización micoesferas ATP-CG y ATP-CL yema-cáscara

Micoesferas ATP-CG preparadas: 0,9 g CG disuelto 20 ml agua ultrapura solución C 60 °C; 0,11 g ATP disuelto 5 ml agua ultrapura solución P. Solución C enfriada temp. ambiente, mezclada con P agitación vigorosa, pH ajustado con NaOH 2 M a 5. Volumen final 30 ml con agua ultrapura extra, ratio molar Ca/P = 3,3. Solución final transferida sistema digestión microondas reacción hidrotérmica microondas 120 °C 15 min. Precipitados recogidos centrifugación (4500 rpm, 10 min), lavados agua ultrapura, liofilizados 48 h. Micoesferas ATP-CL preparadas según procedimientos literatura [24].

Fase cristalina caracterizada difracción rayos X (XRD, Cu Kα, λ=0,154 nm). Morfología observada microscopía electrónica barrido (SEM), transmisión (TEM), alta resolución (HRTEM). Composiciones estudiadas espectrofotometría infrarrojo transformada Fourier (FTIR). Área superficial específica Brunauer-Emmett-Teller (BET). Termogravimetría (TGA) propiedades térmicas 10 °C/min atmósfera nitrógeno.

Adsorción LHE y caracterización

Experimentos adsorción LHE dos micoesferas: cantidades ciertas micoesferas yema-cáscara (ATP-CG, Ca/P=3,3, 120 °C, 15 min; ATP-CL, Ca/P=2,5, 120 °C, 30 min) dispersadas agua con ultrasónicos constante 10 min formar suspensión 1,5 mg/ml. Añadidos 0,5 ml soluciones acuosas varias concentraciones LHE a 1 ml suspensión, concentraciones finales fármaco 1–7,5 mg/ml. Cada solución agitada (200 rpm) 37 °C 6 h. Centrifugación, cantidades LHE sobrenadantes medidas espectrofotómetro UV-Vis 280 nm. Potenciales zeta y composiciones micoesferas antes/después carga fármaco caracterizadas analizador potencial zeta, espectrómetro FTIR, analizador termogravimétrico (TGA, 10 °C min⁻¹, nitrógeno).

Isoterma adsorción

Para investigar comportamiento adsorción, modelo isoterma Dubinin-Radushkevich (D-R) usado. Modelo D-R basado teoría llenado microporos, describe sorción no ideal superficie heterogénea y distingue mecanismo (sorción física o química). Ecuación: Q_eq = Q_m exp(-K_DR ε²); ε = RT ln(1+1/C_eq); E = 1/√K_DR. Q_eq capacidad adsorción equilibrio (mg/g), C_eq concentración adsorbato fase acuosa equilibrio (ml/L), Q_m capacidad máxima adsorción, R constante gases 8,314 J/(mol·K), T temperatura absoluta, E energía libre media estimar tipo adsorción. E < 8 kJ/mol: adsorción física; 8–16 kJ/mol: intercambio iónico; >16 kJ/mol: adsorción química.

Análisis estadístico adsorción fármaco

Datos media ± desviación estándar (SD). Diferencias significativas (p < 0,05) calculadas ANOVA unidireccional entre grupos. Experimentos triplicado, datos analizados software DPS.

Resultados y discusión

Morfología y caracterización química micoesferas

Micoesferas ATP-CG yema-cáscara

Imágenes SEM Fig. 1 muestran morfologías varias muestras distintas condiciones reacción. t=5 min o 15 min: productos micoesferas uniformes. Tiempo hidrotérmico 30 min: micoesferas autoensambladas nanoláminas (Fig. 1 f, i, l). Efecto Ca/P observado t=30 min: al aumentar Ca/P, nanoláminas autoensambladas formadas gradualmente. Formación explicada: proceso hidrotérmico microondas, ATP hidroliza formando moléculas adenosina (ADP, AMP, adenosina) liberando iones fosfato (PO₄³⁻). CG hidroliza formando gluconato e iones calcio (Ca²⁺). Iones fosfato reaccionan calcio formando núcleos ACP primarios. Núcleos ACP iniciales crecen ensamblan micoesferas ACP. Al extender tiempo hidrotérmico, ATP y CG hidrolizan más liberando más PO₄³⁻ y Ca²⁺, aumentando sobresaturación sistema y tasa nucleación. Aumentar Ca/P, alta concentración local Ca²⁺ acelera transformación morfológica misma forma. Análisis indica tiempo hidrotérmico y Ca/P influyen morfología productos.

Espectros FTIR micoesferas sintetizadas varios Ca/P 120 °C 15 min (Fig. 2). Picos 1620, 1383, 912 cm⁻¹: C=O, C–O CG y P–O ATP, implicando CG y ATP no hidrolizados o derivados absorbidos superficie micoesferas. Pico característico PO₄³⁻ HAp 1035 cm⁻¹; picos 1122, 567 cm⁻¹: PO₄³⁻ ACP. Resultados FTIR sugieren fosfato cálcico preparado exitosamente ATP fuente fósforo, CG fuente calcio.

Imágenes SEM y TEM muestras varios Ca/P microondas 120 °C 15 min (Fig. 3). Ca/P 0,8 o 1,67: micoesferas porosas (Fig. 3b, d). Ca/P 2,5: morfología empieza transformar micoesferas yema-cáscara (Fig. 3f). Ca/P 3,3: productos enteramente micoesferas yema-cáscara (Fig. 3h). Esferas rotas y núcleos expuestos (recadro Fig. 3g) observados tras fractura mecánica, evidencia estructura hueca entre yema y cáscara. Proponemos mecanismo formación: Ca/P bajo → micoesferas ACP porosas por inhibición ATP/CG o derivados adsorbidos superficie. Ca/P aumenta → ACP metaestable crece por alta sobresaturación. Finalmente HAp cristalino forma superficie externa, confirmado HRTEM Fig. 3i (distancia interplanar 0,308 nm indizado (210) HAp). Estructuras huecas entre yema y cáscara generadas por diferencia volumen/densidad HAp vs ACP. EDS mapping: Ca, P, O uniformes. EDS Fig. 3k y XPS Fig. 3l: elementos principales Ca, P, O, consistente FTIR.

Impacto tiempo y temperatura hidrotérmica microondas Ca/P=3,3 investigado (Fig. 4). t=5 min: micoesferas porosas (Fig. 4a-b). t=15 min: micoesferas yema-cáscara (Fig. 4c-d). t=60 min o T=160 °C: haces láminas/varillas (Fig. 4e-l). Transformación porosa→yema-cáscara→lámina/varilla por crecimiento ACP con hidrólisis continua ATP/CG. Interesante: 60 min o 160 °C, láminas/varillas también desarrolladas desde nanopartículas ACP (recuadros rojos), confirmado DTA Fig. S1. Pico exotérmico 650 °C curvas DTA: cristalización ACP. Pico debilita al aumentar tiempo/temperatura, implicando transformación ACP→fosfato cálcico cristalino.

Constitución química y estructura muestras Ca/P=3,3 distintos tiempo/temperatura por FTIR y XRD (Fig. 5). Fig. 5a: picos característicos PO₄³⁻ HAp 1037, 603 cm⁻¹; pico 1122 cm⁻¹: PO₄³⁻ ACP; picos 1620, 1383 cm⁻¹: C=O, C–O CG; pico 912 cm⁻¹: vibración asimétrica P–O ATP. Aumentar tiempo/temperatura: intensidad picos CG/ATP disminuye gradualmente, indicando hidrólisis adicional ATP/CG adsorbidos. Intensidad pico PO₄³⁻ HAp aumenta con disminución pico ACP, iluminando transformación fase cristalina→HAp.

Fig. 5b: patrones XRD. Joroba característica fase amorfa ~2θ=30° micoesferas 5 o 15 min. Tiempo 60 min o T=160 °C: fase cristalina transforma totalmente HAp, indizado datos estándar (JDCPS 09-0432). Mejora intensidad relativa planos (211), (300), (002) explica aumento cristalinidad. XRD y FTIR confirman transformación fase cristalina con aumento temperatura/tiempo hidrotérmico.

Micoesferas ATP-CL yema-cáscara

Para comparar adsorción fármaco, otras micoesferas yema-cáscara preparadas CL fuente calcio orgánica microondas hidrotérmica [24]. Morfología: micoesferas yema-cáscara, verificado esferas rotas (recadro Fig. 6a) e imágenes TEM (Fig. 6b, c). Cambio fuente calcio no efecto significativo morfología. Difracción electrónica área seleccionada (SAED): puntos discretos SAED (Fig. 6d), micoesferas bien cristalizadas. EDS-mapping: distribución uniforme Ca, P, O (Fig. 6e). EDS confirma Ca, P, O (Fig. 6f), indicando micoesferas fosfato cálcico.

Adsorción LHE y mecanismo micoesferas

Fig. 7: capacidad adsorción dos micoesferas aumenta con concentración inicial LHE. Concentración LHE 6,5 mg/ml: capacidad ATP-CG meseta ~332 ± 36 mg/g (Fig. 7a), ~2 veces ATP-CL (176 ± 33 mg/g, 6 mg/ml, Fig. 7b).

Resultado adsorción LHE apoyado espectros FTIR y curvas TG. Fig. 8a, b: picos 1134 (1139), 563 (568) cm⁻¹: PO₄³⁻ ACP; 1039 (1040) cm⁻¹: PO₄³⁻ HAp en micoesferas con LHE, indicando introducción LHE no causa cambio significativo estructura. Picos 1542, 1545 cm⁻¹: grupo amida LHE observados, confirmando LHE adsorbido exitosamente. Bandas 2966, 2962, 2935, 2927 cm⁻¹: –CH₃, –CH₂ LHE detectadas, verificando presencia LHE. Curvas TGA: pérdida peso ATP-CG antes/después adsorción LHE 11,3 % y 36,7 % (Fig. 8c) → capacidad ~340 mg/g. ATP-CL: pérdida 21,1 % antes, 37 % después (Fig. 8d) → capacidad 189 mg/g. Resultados TGA cercanos Fig. 7.

Para investigar causa diferencia capacidad adsorción, datos equilibrio analizados modelo D-R. Curvas ajuste Fig. 9, parámetros Tabla 1. Coeficiente correlación ATP-CG > ATP-CL, sugiriendo D-R adecuado describir adsorción fármaco ATP-CG. E < 8 kJ/mol: adsorción LHE ATP-CG es sorción física. Capacidad máxima Q_m ATP-CG ~381 mg/g, cercano Fig. 7a.

Al ser adsorción física, investigado potencial superficial micoesferas. Fig. 10a: potencial zeta ATP-CG, ATP-CL, LHE agua ultrapura: –17 mV, –22 mV, +20 mV. Tras adsorción LHE: ATP-CG 2,7 mV, ATP-CL 1,5 mV, indicando adsorción LHE por fuerza electrostática atractiva. Pero fuerza electrostática no causa principal diferencia capacidad, pues no diferencia significativa potencial zeta (–17 vs –22 mV).

Para iluminar razón diferencia capacidad, investigada área superficial específica. Fig. 11a: BET ATP-CG 143 m² g⁻¹, ~3 veces ATP-CL (55 m² g⁻¹, Tabla 2). Área superficial específica contribuye diferencia capacidad. Alta área ATP-CG atribuida baja cristalinidad [31]. Fig. 11b: ATP-CG menor cristalinidad ATP-CL. Diferencia cristalinidad debido condiciones síntesis. Generalmente, cristalinidad producto aumenta con hidrólisis reactivos bajo presión/temperatura. Aquí, acidez ácido glucónico (pKa=3,39) > ácido L-láctico (pKa=3,86), causa velocidad hidrólisis menor y menor cristalinidad. Resultado: ATP-CG alta área superficial cambiando fuente calcio.

Conclusiones

Micoesferas ATP-CG yema-cáscara diseñadas usando ATP fuente fósforo orgánica y CG fuente calcio orgánica mediante método hidrotérmico asistido microondas. Micoesferas muestran alta área superficial y alta capacidad adsorción. Influencias Ca/P, temperatura, tiempo hidrotérmica en morfología y estructura investigadas. Fuentes orgánicas fósforo y calcio tienen efecto significativo formación micoesferas yema-cáscara. Condiciones hidrotérmicas (Ca/P, tiempo, temperatura) responsables formación micoesferas yema-cáscara. Área superficial específica y propiedades químicas superficiales (potencial superficie) son dos factores clave afectan capacidad adsorción comparando comportamiento adsorción LHE dos micoesferas distintas fuentes calcio.

Disponibilidad datos y materiales

Todos los datos respaldan conclusiones incluidos en artículo.

Abreviaturas

BET:

Medidas Brunauer-Emmett-Teller

FTIR:

Espectroscopía infrarroja transformada Fourier

TEM:

Microscopía electrónica transmisión

XRD:

Difracción rayos X

TGA:

Análisis termogravimétrico

HRTEM:

TEM alta resolución

SAED:

Difracción electrónica área seleccionada