キトサンからワンステップで合成した窒素ドープ親水性メソポーラス炭素球によるヒドロキシカンプトテシン送達の強化

要旨

キトサン、トリブロックコポリマーF127、テトラエチルオルトシリケート（TEOS）をカップリングし、窒素ドープ親水性メソポーラス炭素球（NMCs-x/3、x=5、6、7、8）を生成する単一ステップのスプレー乾燥法を報告します。得られた材料は高比表面積（最大2061.6 m² g⁻¹）、狭いポアサイズ窓（2.01-3.65 nm）、顕著な窒素含有量（4.75-6.04%）を示します。親水性は表面窒素とともに増加し、ヒドロキシカンプトテシン（HCPT）吸着の向上と相関：q_NMCs-5/3 > q_NMCs-6/3 > q_NMCs-7/3 > q_NMCs-8/3。NMC-5/3は1013.51 mg g⁻¹の飽和HCPTロードと93.75%の溶出率を達成。これらの知見は、難溶性抗腫瘍薬のロードと調節可能な放出プロファイルを実現するスケーラブルなプラットフォームを示します。

はじめに

メソポーラス材料（シリカ、ゼオライト、炭素など）は、高比表面積、堅牢なポア構造、化学的安定性により医療分野で不可欠となっています。中でもメソポーラス炭素は優れた比表面積、ポア体積、耐熱性で際立ち、カンプトテシン、ドキソルビシン、パクリタキセルなどの疎水性抗腫瘍薬のドラッグキャリアとして魅力的です。

フェノール樹脂やスクロースなどの従来の炭素前駆体は環境懸念や高コスト・多段階合成を伴います。また、これら由来の炭素は親水性が低く、注射剤や全身投与への応用を制限します。事後窒素ドーピングや酸化処理で親水性を改善できますが、典型的にはポア構造を損傷するか複雑性を増します。

キトサンは天然豊富で生体適合性の多糖類で、-OHと-NH₂基が豊富に含まれ、炭素源と窒素源の二重役割を果たします。キトサンとF127を用いた先行研究ではメソポーラス炭素が得られましたが、ポア分布が広く比表面積が低い課題がありました。これを解決するため、TEOSを第二テンプレートとして導入：加水分解と縮合でSi-OH基を形成し、キトサン官能基と相互作用して炭素化中の多孔質ネットワークを安定化します。

本研究では、窒素ドープ親水性メソポーラス炭素球（NMCs-x/3）のスプレー乾燥ワンステップ合成を詳細に検討します。炭素-シリコン（C/Si）比を系統的に変化させポア構造、窒素含有量、親水性を調整し、難溶性抗がん剤ヒドロキシカンプトテシンのロードと放出能力を評価します。

材料と方法

原料と試薬

トリブロックコポリマーF127（Mw≈12,600、Sigma-Aldrich）、TEOS（Aladdin）、キトサン（≥95%脱アセチル化、Aladdin）、HCPT（Chengdu Yuancheng）、標準実験試薬を無精製で使用。全工程で脱イオン水を使用。

NMCs調製

キトサン溶液（2.1% w/w）を、7.0、8.4、9.8、11.2 gのキトサンを5%酢酸中で40 °C溶解して調製。並行して、2.1 g F127を50 mLエタノールに溶解し、15.6 mL TEOSと15 mL 0.2 M HClを添加。10分後、キトサン溶液と混合し60分撹拌、さらに60分静置。スプレー乾燥（入口170 °C、流量3.5 mL min⁻¹）で複合粉末（CS/SiO₂/F127）を得ます。粉末を窒素雰囲気で焼成：400 °C（2時間）でF127除去、続いて900 °C（2時間）でマトリックス炭素化。その後、85 °Cで1 M NaOH浸漬でシリカ除去し、最終NMCs-5/3、-6/3、-7/3、-8/3を得ました。

評価

BET比表面積とポアサイズ分布をN₂吸着（Micrometrics ASAP2020）で測定。元素組成（C、H、O、N）を元素分析で決定。熱的変化をTGA（Netzsch STA 449C）で監視。XRDパターン（Bruker D8、CuKα）でアモルファス炭素シグネチャを確認。TEM（FEI Tecnai G2）で形態観察。XPS（Thermo Scientific Escalab 250XI）で窒素種を同定。水接触角をDataphysics OCA25で記録。

HCPTロードと放出

HCPTをエタノール（0.2-1.2 mg mL⁻¹）に溶解し、各NMC 20 mgと37 °Cで24時間混合。薬物含有量をUV-Vis（λ=385 nm）で定量。放出試験はPBS（pH 7.4または5.0、0.1% Tween-80）に対する透析法で37 °C、1-12時間ごとにサンプリング。放出キネティクスをRitger-Peppasモデルでフィッティング。

結果と考察

熱的挙動と焼成戦略

CS/SiO₂/F127複合体のTGAでは、500 °C以下で約55%の重量減少（主にF127とキトサン熱分解）、800 °C以上でプラトーが完全炭素化を確認。400 °Cで2時間保持がF127を効率的に除去し、900 °C最終ステップで窒素保持とグラファイト化促進。

ポア構造と形態

BET解析でNMCs-x/3シリーズはC/Si比7:3で最大比表面積（2061.6 m² g⁻¹）とポア体積（0.77 cm³ g⁻¹）を示します。ポアサイズ分布（2.01-3.65 nm）はHCPT寸法とよく整合し、効率的なロードを促進。TEM像で1 µm未満の球状粒子とワームライクメソポーラス構造を確認。

組成と窒素ドーピング

FTIRとXPSでピリジン窒素、ピロール窒素、四級窒素種の存在を確認。窒素含有量はNMC-5/3の6.04%からNMC-8/3の4.75%へ減少し、C/Si比増加と相関。ラマンD/G比も同じ傾向で、高窒素ロードで無秩序度増大を示唆。

親水性

動的接触角測定でNMC-5/3が0.45秒で<20°に達し、NMC-8/3（2.71秒）より著しく高速。表面窒素と粗さの増加が水との水素結合を促進し濡れ性を改善：注射剤処方に不可欠な特徴です。

HCPT吸着と放出

吸着等温線はラングミュアモデルに適合し、NMC-5/3で最大ロード1013.51 mg g⁻¹を取得。ロード容量順序は窒素含有量と一致。HCPTロードサンプルのXRDで結晶ピーク消失、薬物のアモルファス化を示し溶解加速を示唆。放出試験でpH 7.4にて12時間で86.7-93.8%のHCPT放出、pH 5.0ではより遅い放出で腫瘍微小環境に適合。高窒素含有量は薬物-キャリア相互作用強化により放出を遅延させ、調節可能な放出プロファイルを提供します。

結論

キトサン、F127、TEOSから窒素ドープ親水性メソポーラス炭素球を作製するスケーラブルなワンステップ合成を確立しました。最適C/Si比（7:3）が最高比表面積、ポア体積、窒素含有量をもたらし、優れたHCPTロードと制御可能な放出に直結。材料の高親水性と調節可能な薬物動態は、難溶性抗腫瘍薬の有望なキャリアとして位置づけられます。