Synthèse en une étape de carbones mésoporeux hydrophiles dopés à l'azote à partir d'un système triconstituant à base de chitosan pour la libération de médicaments

Introduction

La silice mésoporeuse [1, 2], les tamis moléculaires mésoporeux [3], le carbone mésoporeux [4,5, 6] et d'autres matériaux ont été largement utilisés dans le domaine de la biomédecine. Parmi eux, les matériaux carbonés mésoporeux ont de meilleures propriétés en termes de surface spécifique, de volume de pores, de bonne stabilité chimique et de stabilité thermique [7], et sont donc plus adaptés pour servir d'excellents matériaux de chargement de médicaments. Il a été rapporté que les matériaux carbonés mésoporeux ont été largement utilisés dans le chargement de médicaments antitumoraux (camptothécine [8], doxorubicine [9,10,11,12], paclitaxel [13,14,15,16], thérapie photothermique, thérapie intégrative, marquage de cellules fluorescentes, biosorption de substances toxiques humaines, imagerie médicale et biodétection [17].

Actuellement, les résines phénoliques [18, 19] et le saccharose [20, 21] sont généralement utilisés comme sources de carbone pour préparer le carbone mésoporeux. Cependant, il existe des risques potentiels pour l'environnement associés aux résines phénoliques utilisées comme source de carbone. De plus, le saccharose présente les inconvénients d'un processus de préparation complexe et d'un coût élevé. L'hydrophilie des matériaux carbonés mésoporeux préparés à partir de ces deux matériaux sources de carbone est faible, ce qui limite l'utilisation du carbone mésoporeux comme chargeur de médicament dans l'injection et la circulation sanguine [17]. Afin d'augmenter l'hydrophilie du carbone mésoporeux, de nombreuses approches ont été proposées pour modifier le carbone mésoporeux par oxydation acide mixte [9, 12, 22] ou directement dopé à l'azote sur des matériaux carbonés mésoporeux [23, 24, 25]. Cependant, une forte oxydation pourrait avoir un effet négatif sur les propriétés de surface et la structure des pores du carbone mésoporeux, affectant leur potentiel de charge médicamenteuse. En revanche, le dopage à l'azote après traitement est lourd et coûteux, ce qui n'est pas acceptable pour une production de masse.

Le chitosane est une sorte de biomasse à forte teneur en carbone, et en hydroxyle (-OH) et amino(-NH₂ ) [26, 27]. Les matériaux carbonés mésoporeux sont préparés en utilisant du chitosane comme source de carbone.

Actuellement, le chitosane a été signalé comme une source de carbone pour préparer du carbone mésoporeux par la méthode d'auto-assemblage induit par évaporation (EISA). Par exemple, Sun [28] a préparé du carbone mésoporeux avec une taille de pores de 2 à 16 nm et une surface spécifique de 293 à 927 m ² /g en utilisant le sel de chitosane-protique comme source de carbone et le F127 comme modèle. Feng [29] a préparé du carbone mésoporeux avec une taille de pores de 5 à 15 nm et une surface spécifique de 41 à 457 m ² /g en utilisant le chitosane comme source de carbone et le F127 comme modèle. Andrzej [30] a préparé du carbone mésoporeux avec une taille de pores de 3 à 20 nm et une surface spécifique de 600 à 1337 m ² /g utilisant du chitosane comme source de carbone et du SiO₂ colloïdal comme modèle. Cependant, ces matériaux carbonés mésoporeux préparés présentent une distribution de taille de pores plus large, une surface spécifique plus faible, une morphologie irrégulière et une taille de particule plus grande (> 1 m). Les tailles moléculaires des médicaments anticancéreux courants sont généralement comprises entre 1,1 et 1,9 nm, comme le paclitaxel, la doxorubicine et l'hydroxycamptothécine (HCPT), qui sont de 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, respectivement (calculé par le logiciel Materials Studio). De manière générale, la distribution étroite de la taille des pores des matériaux poreux est bénéfique pour le transfert de masse des molécules d'adsorbat, et la taille de pores appropriée des matériaux poreux est de 1,5 à 3,0 fois la taille des molécules d'adsorbat [31]. Ainsi, les matériaux carbonés mésoporeux en tant que support de médicament devraient avoir une plage étroite de taille de pores avec un grand volume, une surface spécifique élevée, une bonne biocompatibilité et hydrophilie, et la morphologie nanosphérique. Le carbone mésoporeux sphérique d'un diamètre inférieur à 1 µm a été préparé par la technologie de séchage par atomisation dans nos précédents rapports [32]. Cependant, bien que le matériau carboné mésoporeux préparé ait montré une hydrophilie plus élevée (l'angle de contact thêta est de 124,1 ^o ) que celui de l'échantillon préparé avec du saccharose comme source de carbone (l'angle de contact thêta est de 161,9 ^o ), l'hydrophilie et la surface spécifique du carbone mésoporeux sont encore insatisfaisantes en raison de la moindre quantité de groupes contenant de l'oxygène et du rétrécissement et de l'effondrement importants du squelette organique formé par les précurseurs du carbone mésoporeux lors de la carbonisation. Il a été rapporté que la polycondensation hydrolytique de l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) en solution acide peut produire des agrégats d'acide silicique avec de riches groupes hydroxyle de silicium se connectant à la liaison éther du segment hydrophile de F127 par liaison hydrogène [33], ce qui peut empêcher le rétrécissement et l'effondrement de structure du carbone pendant la carbonisation [18] et augmenter les groupes contenant de l'oxygène des matériaux carbonés mésoporeux.

Ici, le chitosane a été utilisé comme source de carbone et source d'azote, et F127 et TEOS ont été utilisés comme modèles pour préparer des matériaux carbonés nano-mésoporeux hydrophiles avec une morphologie sphérique en utilisant un séchage par atomisation couplé à une technique de carbonisation. Les effets de différents rapports carbone-silicium (C/Si) sur la structure des pores, la composition et les propriétés hydrophiles des NMC ont été examinés, ainsi que les propriétés d'adsorption et de libération des matériaux carbonés mésoporeux pour le médicament antitumoral peu soluble hydroxycamptothécine (HCPT) ont fait l'objet d'une enquête.

Matériaux et méthodes

Matières premières et réactifs

Copolymère tribloc amphiphile F127 (M _w =12 600, EO₁₀₆ -PO₇₀ -EO₁₀₆ , Sigma-Aldrich, USA), TEOS (Aladdin Reagent Company, America), CS (degré de désacétylation ≥ 95%, viscosité 100~200 mPa s; Aladdin Reagent Company, America), HCPT (HCPT-160201; Chengdu Yuancheng Biotechnology Co ., Ltd., Chine) et de l'acide acétique glacial, de l'acide chlorhydrique, de l'éthanol anhydre, du Tween-80, du phosphate monopotassique et de l'hydroxyde de sodium (analytiquement pur ; Shanghai Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd., Chine) ont été utilisés. De l'eau déminéralisée a été utilisée dans toutes les expériences.

Préparation des NMC

La préparation du carbone mésoporeux dopé à l'azote peut être décrite par le schéma de synthèse de la figure 1. Il y a quatre étapes :(I) en utilisant le chitosane comme source de carbone et d'azote, et le copolymère tribloc F127 et l'orthosilicate de tétraéthyle (TEOS) comme modèle agents. Dans un système biphasique alcool-eau, des micelles sphériques se sont formées par double couplage électronique entre F127 et TEOS. Si-OH a ensuite été formé par hydrolyse, et -NH₂ dans CS, des liaisons hydrogène se sont formées à l'état acide, conduisant à la création d'un système triconstituant ensuite polymérisé et réticulé pour former un complexe ; (II) le moulage par pulvérisation du matériau composite a été assemblé par un système à trois constituants via un processus de séchage par pulvérisation ; (III) élimination du F127 par grillage sous atmosphère d'azote et carbonisation; et (IV) l'élimination thermique alcaline du silicium pour former des matériaux carbonés mésoporeux. Quatre échantillons représentatifs ont été préparés avec un rapport C/Si variable et étiquetés comme NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 et NMCs-8/3. Une expérience de synthèse typique impliquait les étapes suivantes :(a) préparation d'une solution de CS—CS (7,0, 8,4, 9,8 ou 11,2 g) a été dissous dans une solution aqueuse d'acide acétique à 5 % à 40 °C pour préparer une solution de CS à 2,1 % . (b) Les NMC ont été préparées en dissolvant 2,1 g de F127 dans 50 ml d'une solution d'éthanol à 40 °C, puis en ajoutant 15,6 ml de TEOS et 0,2 M de HCl (15 ml) pour l'hydrolyse. Après 10 min de réaction, la solution a été transférée dans la solution de CS et mélangée pendant 60 min. Le mélange a ensuite été laissé au repos à température ambiante pendant 60 min puis séché avec un sécheur par pulvérisation (BUCHI B-290, BUCHI, Suisse) à une température d'air d'entrée de 170°C et un débit d'alimentation de 3,5 ml/min. L'échantillon obtenu a été étiqueté comme CS/SiO₂ /F127; et (c) processus de carbonisation—le CS/SiO₂ La poudre /F127 a été placée dans un four tubulaire, protégé par un débit d'azote de 200 cm ³ /h, et chauffé à une vitesse de 2 °C/min jusqu'à 410 °C. Cette température a ensuite été maintenue pendant 2 h, puis augmentée à une vitesse de 5 °C/min jusqu'à 900 °C, et calcinée pendant 2 h pour obtenir le matériau composite C-Si. Le Si a été retiré du matériau composite C-Si obtenu à l'aide d'un alcali chaud avec une solution aqueuse de NaOH 1 M à 85 °C deux fois, lavé avec de l'eau désionisée jusqu'à obtention d'un pH neutre et séché à 100 °C pour donner les carbones mésoporeux (Fig. 1). Les matériaux obtenus ont été étiquetés comme NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 et NMCs-8/3 selon la quantité de CS utilisée dans la solution (7,0, 8,4, 9,8 ou 11,2 g CS, respectivement).

Illustration schématique des procédés de fabrication des NMC

Méthode de caractérisation

La surface spécifique, le volume des pores et la taille des pores des charbons mésoporeux ont été testés à l'aide d'un Micrometrics ASAP2020 N₂ instrument d'adsorption physique d'adsorption/désorption. Les échantillons ont été pré-dégazés sous vide (76 mmHg) à 120 °C pendant 12 h. La surface spécifique (S _PARIER ) a été calculé selon la méthode de Barrett-Emmer-Teller, tandis que le volume poreux (V _BJH ) et la taille des pores (D _BJH ) ont été calculés à l'aide du modèle Barrett-Joyner-Halanda (BJH), dans lequel le volume des pores a été calculé comme la capacité d'absorption à la pression relative P /P ₀ =0,975.

La composition élémentaire (C, H, O, N) des NMC a été caractérisée à l'aide d'un analyseur élémentaire ElementarVario EL Type III.

Le procédé de pyrolyse du F127, CS, et le système ternaire de pulvérisation du produit intermédiaire CS/SiO₂ /F127 a été caractérisé en utilisant un analyseur thermique Netzsch STA 449C. La plage de température a été réglée de la température ambiante à 1000 °C à une vitesse de 5 °C/min.

Les caractéristiques cristallines des NMC ont été caractérisées à l'aide d'un diffractomètre à rayons X Bruker D8 Advance avec un rayonnement CuKα, longueur d'onde incidente λ de 0,154060 nm, à 40,0 kV et 40,0 mA, et un 2θ plage de 0,9 à 4° (vitesse de numérisation :0,5°/min, longueur de pas de numérisation 0,002°).

La morphologie du carbone mésoporeux a été analysée par un microscope électronique à transmission FEI Tecnai G2 F20 S-Twin à une tension d'accélération de 200 kV.

L'état de liaison atomique des NMC a été caractérisé à l'aide d'un spectromètre de photoélectrons à rayons X ThermoScienfticEscalab 250XI utilisant une source de rayonnement Al Kα et les paramètres suivants :énergie d'essai, 1486,8 eV; diamètre du spot de test, 500 m; tension du tube à essai, 15 kV; courant de tube, 10 mA; pression ultime de la chambre d'analyse, 2 × 10 ^–9 mbar. La correction de la position du pic a été effectuée selon C1s à 284,8 eV.

L'angle de contact avec l'eau à la surface des échantillons a été testé à l'aide du dispositif de mesure d'angle de contact optique Dataphysics OCA25.

Absorption de HCPT sur les NMC

L'HCPT a été pesée avec précision à 10 mg et dissoute dans 50 ml de solution d'éthanol absolu pour préparer 200 g/ml de solution mère standard. Ensuite, la solution mère a été diluée à des concentrations (0,4, 0,5, 1, 3, 5, 7 et 10 g mL ^–1 ). Une solution d'éthanol absolu a été utilisée comme solution de référence pour mesurer la valeur d'absorbance pour chaque concentration de solutions étalons par spectrophotométrie UV à 385 nm. Une analyse de régression de la concentration massique (C) avec l'absorbance (A) a été effectuée pour obtenir l'équation de régression y =0,07573x + 0,04149 ; la courbe standard avait une bonne relation linéaire entre l'absorbance et la concentration dans la plage mesurée de 0,4 ~ 10 g/mL, avec un coefficient de corrélation R ² =0,99947.

Le chargement des médicaments dans les NMC a été effectué avec la méthode de la solution d'immersion dans un solvant organique. Solution de HCPT (0,2~1,2 mg mL ^–1 ) a été préparé en dissolvant une certaine quantité (6~36 mg) de HCPT dans 30 ml d'éthanol absolu. Par la suite, 20 mg des différentes NMC ont ensuite été ajoutés, mélangés à 37 °C dans un bain-marie pendant 24 h à l'obscurité, et séparés par centrifugation à 8000 tr/min pendant 10 min. Le surnageant a ensuite été extrait et la concentration de HCPT a été détectée par spectroscopie d'absorption UV à la longueur d'onde d'absorption maximale de 385 nm. Le support de médicament a été placé dans une zone sous vide et sèche à 40 °C pendant 24 h. La quantité de médicament adsorbée sur les échantillons de NMC a été déterminée en fonction du changement de concentration avant et après adsorption. La capacité d'adsorption de médicament pour chaque échantillon de NMC a été calculée selon l'équation suivante :

Drogue Libération de HCPT

La dialyse dynamique a été utilisée pour détecter la dissolution du médicament à partir de 15 mg de HCPT pur ainsi que des NMC chargés de médicament (NMCs-5/3@HCPT, NMCs-6/3@HCPT, NMCs-7/3@HCPT et NMCs -8/3@HCPT). Un test de libération in vitro a été réalisé dans une solution tampon phosphate (PBS) à pH 7,4 et pH 5,0 et 0,1% de Tween-80 à 37°C dans l'obscurité. Les solutions d'échantillons de tampon PBS-NMC préparées (pH 7,4 et pH 5,0) ont été placées dans des sacs de dialyse (MWCO =14 000) et immergées dans 500 ml de PBS à pH 7,4, pH 5,0 et agitées à 100 tr/min à 37 ° C . Une aliquote de 4 ml a été récupérée à des intervalles de temps réguliers de 1, 2, 4, 6, 8, 10 et 12 h et reconstituée avec du PBS isotherme isovolumétrique frais. Le dialysat a été extrait et centrifugé à 8000 tr/min pendant 10 min; 1 mL de surnageant a été extrait et dilué par 20X et son absorbance a été mesurée par spectrophotométrie UV à 385 nm. La concentration du médicament a été calculée selon la courbe standard, et la libération cumulée de HCPT a été calculée selon l'équation suivante :

où V ₁ est le volume moyen (mL), V ₂ est le volume d'échantillonnage (mL), C _n est la concentration de l'échantillon de HCPT dans le n fois l'échantillonnage, (μg mL ^–1 ), n est le nombre d'essais d'échantillonnage, et W est la teneur en médicament de l'HCPT dans les NMC.

Résultats et discussion

Détermination des conditions de carbonisation

La figure 2a montre les courbes thermogravimétriques (TG) de l'agent modèle libre F127, CS et CS/SiO₂ /F127 composite. On peut voir que le F127 est presque complètement pyrolysé à 400 °C [34], avec une perte de poids d'environ 99,6 %, tandis que le CS subit une perte de poids de 56 % à 250-400 °C, suivi d'un plateau à 400-900 ° C (1,53 % de perte de poids à 800-900 °C), suggérant que le squelette carboné s'est formé à 800 °C. La perte de poids de CS/SiO₂ /F127 s'est produit principalement en dessous de 500 °C (55,5%) principalement en raison de la pyrolyse du F127 et du CS ; au-dessus de 800 °C, les courbes TG plafonnaient, suggérant que le CS était presque complètement carbonisé. Andrzej [30] a indiqué qu'à des températures de carbonisation élevées (1000–1100 °C), la teneur en azote des matériaux diminue. Par conséquent, la température de 400 °C a été maintenue pendant 2 h pour éliminer le F127, et la température de 900 °C a été maintenue pendant 3 h pour garantir que les matériaux carbonés avaient une teneur en azote et un degré de graphitisation plus élevés.

un Courbes TG de CS, F127 et CS/SiO₂ /F127. La vitesse de chauffage était de 5 °C/min sous flux d'azote. b Modèles XRD des NMC des NMC-x /3(x =5,6,7,8)

Effets du C/Si sur les carbones mésoporeux

Analyse XRD des carbones mésoporeux

Les spectres XRD des échantillons préparés NMCs-x /3(x =5,6,7,8) est illustré à la figure 2b. Il y a un large pic large à 2θ =23° sur les quatre échantillons préparés, ce qui correspond aux pics caractéristiques typiques des matériaux carbonés amorphes [35]. On peut voir que le matériau carboné préparé NMCs-x /3 a une structure amorphe, ce qui est cohérent avec les résultats rapportés dans les références [36, 37].

Analyse de la structure des pores des carbones mésoporeux

Le N₂ les courbes d'absorption et de désorption isothermes des quatre échantillons de NMC et leurs courbes de distribution de la taille des pores sont tracées (Fig. 3); les données pertinentes sur la structure des pores sont fournies dans le tableau 1. Après P /P ₀ 0,4, le N₂ les isothermes d'adsorption des quatre échantillons montrent des boucles d'hystérésis typiques des matériaux carbonés mésoporeux [38, 39] ; parmi les quatre échantillons, la boucle d'hystérésis pour les NMC-7/3 est la plus grande (Fig. 3a). Les graphiques de distribution de la taille des pores montrent que la distribution de la taille des pores des matériaux carbonés est relativement étroite, principalement entre 2,01 et 3,65 nm (Fig. 3b), ce qui équivaut à 1,75 à 3,2 fois le diamètre équivalent aérodynamique du HCPT. Kondo a soutenu [31] que plus la taille des pores est petite, plus la vitesse de diffusion de l'adsorbat dans les pores est lente; plus la taille des pores est grande, le potentiel d'adsorption de l'adsorbat et de la surface solide conduira à une mauvaise absorption sur la surface solide. La capacité d'absorption est la meilleure lorsque la taille des pores est de 1,5 à 3,0 fois le diamètre équivalent aérodynamique de l'adsorbat. Ainsi, la taille des pores des carbones mésoporeux préparés ici est appropriée pour l'absorption du HCPT.

N₂ isothermes d'adsorption-désorption (a ) et les courbes de distribution de la taille des pores (b ) de NMC_S

Les données sur la structure des pores (tableau 1) montrent que le volume des pores mésoporeux et la surface spécifique BET des matériaux NMC-x augmentent puis diminuent avec un rapport C/Si croissant, atteignant une valeur maximale à C/Si =7:3. Cela peut être attribué au mécanisme suivant. A un faible rapport C/Si (5/3), la quantité de –OH et –NH₂ sur le CS est également petite, alors que celle de TEOS est relativement grande; par conséquent, la quantité de Si-OH formée par l'hydrolyse et la polycondensation du TEOS est également importante et, par conséquent, une liaison hydrogène insuffisante s'est produite avec -OH et -NH₂ sur CS, conduisant à une réduction des sols de la structure de réseau réticulé tridimensionnel. Par la suite, après le retrait des matrices TEOS et F127, le volume des pores mésoporeux a diminué. De plus, comme il y a un excès de TEOS, les micelles formées sont grandes et la taille moyenne des pores obtenue après élimination du TEOS est également grande. A l'inverse, à forte teneur en CS, et donc rapport C/Si élevé (8/3), le CS a fourni plus de –OH et –NH₂ , de sorte que le Si-OH formé par l'hydrolyse et la polycondensation du TEOS est insuffisant, conduisant à la formation de micelles de plus en plus petites, diminuant le volume et la taille des pores du carbone mésoporeux. Évidemment, à un rapport C/Si de 7 :3, les –OH et –NH₂ disponibles groupes correspondent bien à la quantité de Si-OH sur TEOS, conduisant à la formation d'un volume de pores mésoporeux et d'une surface spécifique BET plus importants.

Analyse MET des carbones mésoporeux

Étant donné que NMC-7/3 a la plus grande surface spécifique et le plus grand volume de mésopores, d'autres tests sur la distribution des pores et la microstructure sont effectués uniquement pour cet échantillon, et les données sont présentées sur la figure 4. Les images MET montrent que le matériau de carbone mésoporeux préparé NMC-7/3 a une structure sphérique à différents grossissements et leurs tailles de particules sont toutes inférieures à 1 m (Fig. 4a, b). Les matériaux carbonés mésoporeux avec une taille de particule d'environ 200 nm peuvent transporter efficacement des médicaments à travers les membranes cellulaires, exerçant ainsi des fonctions thérapeutiques uniques [40]. La figure 4c montre que la structure des pores de l'échantillon est visible et présente une structure vermiforme claire et typique [34] (Fig. 4c). On peut voir que des canaux de pores d'environ 2 nm peuvent être observés sur le bord des particules de carbone mésoporeux, qui sont générés par la carbonisation et la réorganisation de la structure de la chaîne du chitosane et l'élimination du modèle. Cependant, la taille des petits points blancs observés à la surface des particules est généralement inférieure à 2 nm, ce qui est dû au chevauchement et à l'entrelacement des chaînes formées par la carbonisation du chitosane.

un –c Images MET des NMC-7/3 à différents grossissements

Analyse de la composition et de l'hydrophilie

Analyse de la composition des NMC

Spectre FTIR du matériau carboné mésoporeux NMCs-x /3 est représenté sur la figure 5a ; 3430 cm ⁻¹ est le pic d'absorption des vibrations d'étirement de N–H et O–H [41], 1630 cm ⁻¹ est le pic d'absorption des vibrations d'étirement de C=N et C=C, et 1120 cm ⁻¹ est le pic d'absorption des vibrations d'étirement de C-N et C-C, ce qui indique que les atomes d'azote sont incorporés avec succès dans les NMC.

FTIR(a ) modèles des NMC des NMCs-x /3(x =5,6,7,8); Image SEM (b –d ) de l'échantillon NMC_S -7/3 et cartographie élémentaire (e –g ) visant la sphère dans l'image incrustée de l'image SEM (d ), quelles réponses aux éléments C, O et N , respectivement.

Le SEM de NMC-7/3 (Fig. 5b–d) et l'analyse élémentaire C(e), O(f) et N(g) de sa surface (Fig. 5e–g) montrent clairement que le carbone mésoporeux le matériau préparé est sphérique, mais sa taille n'est pas uniforme. Cela est dû au processus de séchage par pulvérisation. Les données de balayage des éléments indiquent que les éléments C, O et N sont répartis dans la nanosphère de carbone mésoporeux. Par conséquent, N a été dopé avec succès dans les NMC.

Les graphiques XPS des quatre NMC sont présentés sur la figure 6, indiquant que les quatre échantillons contenaient O, N et C (figure 6a). Les N1 ont été traités avec différenciation et ajustement des pics (Fig. 6b-e), montrant une division des N1 en quatre pics avec des énergies de liaison correspondantes de 398,37, 400,80, 402,40 et 404,53 eV, respectivement, attribuées à l'azote pyridinique (N-6) , l'azote pyrrolique (N-5), l'azote quaternaire (NQ) et le –N (N–O) oxydé [36, 42, 43, 44, 45]. De plus, les zones de pic de N-5 et N-6 étaient plus grandes, indiquant une plus grande teneur dans le composite. Ces résultats indiquent clairement qu'in situ N a été dopé dans les carbones mésoporeux, prenant la forme d'azote pyridinique et pyrrolique.

Enquête XPS des NMC (a ) et les spectres XPS N1s de NMCS-5/3 (b ), NMCs-6/3 (c ), NMC-7/3 (d ), NMCs-8/3 (e ). Raman(f ) modèles des NMC des NMCs-x /3(x =5, 6, 7 et 8)

Le tableau 2 montre les teneurs en C, N et O à la surface des quatre NMC obtenues à partir d'analyses XPS et élémentaires (les différences de teneur en éléments détectées par chaque technique étaient une distinction subtile). Le total N le contenu à la surface des NMCs est le plus important pour les NMCs-5/3, suivis des NMCs-6/3, des NMCs-7/3 et, enfin, des NMCs-8/3. Ainsi, au fur et à mesure que le rapport C/Si augmente, la teneur en N à la surface des NMC diminue progressivement. Ce phénomène est attribué au fait que, à des rapports C/Si inférieurs, plus la quantité de Si-OH dans le système est élevée et plus les quantités de -OH et -NH₂ sont faibles. sur CS disponible pour la liaison hydrogène. Par conséquent, il y a plus de chances pour -NH₂ au contact avec Si-OH fort dans la structure nette tridimensionnelle formée et la force de liaison entre eux est plus forte, conduisant à une plus grande quantité de N laissé dans le squelette carboné pendant le processus de calcination. Cependant, à des rapports C/Si plus élevés, -OH et -NH₂ sur CS ne peut pas former une structure de réseau tridimensionnel par hydrolyse avec TEOS, et par conséquent, moins de N est retenu après le processus de calcination en raison de la volatilisation dans l'atmosphère N.

Spectre Raman du matériau carbone NMCs-x /3 est représenté sur la figure 6f. Deux pics caractéristiques distincts sont apparus dans tous les échantillons à 1350 cm ⁻¹ et 1601 cm ⁻¹ , correspondant à D et G pics de matériaux carbonés, respectivement. Parmi eux, D Le pic reflète le degré de déplacement atomique, le carbone désordonné, les défauts de bord et d'autres défauts (sp ³ carbone, carbone pendant et vides, etc.) dans les matériaux en carbone, et G pic reflète le degré d'ordre de sp ² carbone. Un rapport de D pic à G pic (I _D /Je _G ) peut refléter le degré de cristallinité des matériaux carbonés [46]. Il est précisé que l'ordre de I _D /Je _G la valeur est la même que celle de N contenu à sa surface et plus de défauts sont générés avec l'augmentation de la teneur en azote [47]. Les résultats calculés montrent que le I _D /Je _G des quatre matériaux carbonés, NMCs-5/3, NMCs-6/3, NMCs-7/3 et NMCs-8/3, sont respectivement de 0,897, 0,815, 0,808 et 0,704, et l'ordre de leur taille est la même que celle de leur teneur en azote (voir tableau 2). On peut voir que le plus grand I _D /Je _G valeur de NMCs-5/3 indique que le défaut structurel est plus évident, ce qui est dû à la grande quantité de dopage à l'azote sur le matériau carboné.

Hydrophilie des NMC

Les angles de contact dynamique de l'eau sur les NMC-5/3, NMC-6/3, NMC-7/3 et NMC-8/3 mesurés toutes les 0,1 s (Fig. 7a-e), 0,3 s (Fig. 7f- j), 0,4 s (Fig. 7k–o) et 0,7 s (Fig. 7p–t) montrent que le temps nécessaire pour réduire l'angle de contact des gouttelettes d'eau sur les NMC-5/3, NMC-6/3, NMC- 7/3 et NMCs-8/3 à moins de 20° était de 0,45 s, 1,15 s, 1,54 s et 2,71 s, respectivement. Ainsi, les quatre échantillons présentent une forte hydrophilie par rapport à leurs homologues en carbone mésoporeux non dopé à l'azote (129°) [37]. Les éléments azotés dans les NMC ont formé des sites actifs, entraînant une augmentation de la sp ² fraction d'agrégat, avec une amélioration de la rugosité de surface des matériaux carbonés [48], et donc, un angle de mouillage plus petit et une hydrophilie et une dispersibilité améliorées. De plus, la liaison hydrogène entre N-5, N-6 et les molécules d'eau dans les NMC a également conduit à une hydrophilie améliorée [23, 49, 50]. Le couplage de ces effets permet l'application potentielle des NMC dans l'administration de médicaments.

Micrographies optiques des angles de contact de l'eau à la surface du carbone mésoporeux en fonction du temps de contact (a –e ) NMCs-5/3, (f –j ) NMCs-6/3, (k –o ) NMCs-7/3, et (p –t ) NMC-8/3

La figure 8 est les courbes de relation de la variation des angles de contact sur ces quatre NMC au cours du temps. Comme le montre la figure 8, le temps requis pour réduire les angles de contact des gouttelettes d'eau sur les NMC-5/3, NMC-6/3, NMC-7/3 et NMC-8/3 à moins de 20° était de 0,45 s, 1,15 s, 1,54 s et 2,71 s, respectivement. Plus le temps requis pour réaliser le même angle de contact est court, meilleure sera l'hydrophilie des échantillons. Evidemment, l'hydrophilie de chaque NMCs peut être classée par ordre décroissant comme NMCs-5/3> NMCs-6/3> NMCs-7/3> NMCs-8/3, ce qui est conforme à celui de la teneur en N sur les carbones mésoporeux. En d'autres termes, la teneur la plus élevée en N sur les NMC-5/3 signifie la meilleure hydrophilie. Ceci peut être attribué au fait que plus la teneur en N sur le matériau carboné mésoporeux est élevée, plus la rugosité de surface sera grande; en outre, la teneur plus élevée en N-5 et N-6 conduit également à une meilleure liaison hydrogène entre les NMC et les molécules d'eau; ces deux effets couplés ont amélioré l'hydrophilie des NMC, ce qui peut expliquer pourquoi le temps de contact a été le plus court.

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:

où 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:

où Q is the fractional release of HCPT, t is the time of release, and k et 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 _PARIER (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.

Disponibilité des données et des matériaux

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

Abréviations

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:

hydroxyle

PBS :

Phosphate buffer solution

Raman:

Raman spectra

SEM :

Microscope électronique à balayage

Si–OH:

Silicon hydroxyl

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TEOS :

Orthosilicate de tétraéthyle

TG :

Thermogravimetry

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X sur poudre