薬物放出のためのキトサンベースの三成分系からの窒素ドープ親水性メソポーラス炭素のワンステップ合成

はじめに

メソポーラスシリカ[1、2]、メソポーラスモレキュラーシーブ[3]、メソポーラスカーボン[4,5,6]、およびその他の材料は、生物医学の分野で広く使用されています。その中でも、メソポーラス炭素材料は、比表面積、細孔容積、優れた化学的安定性、および熱安定性の点で優れた特性を備えているため[7]、優れた薬物負荷材料として機能するのに適しています。メソポーラス炭素材料は、抗腫瘍薬の負荷に広く使用されていることが報告されています（カンプトテシン[8]、ドキソルビシン[9,10,11,12]、パクリタキセル[13,14,15,16]、光熱療法、統合療法、蛍光細胞の標識、ヒト毒性物質のバイオソープション、医用画像処理、およびバイオセンシング[17]。

現在、フェノール樹脂[18、19]およびスクロース[20、21]は、通常、メソポーラス炭素を調製するための炭素源として使用されています。ただし、炭素源として使用されるフェノール樹脂に関連する潜在的な環境ハザードがあります。また、ショ糖には、複雑な調製プロセスと高コストという欠点があります。これらの2つの炭素源材料から調製されたメソポーラス炭素材料の親水性は低く、注射および血液循環における薬物ローダーとしてのメソポーラス炭素の使用を制約します[17]。メソポーラスカーボンの親水性を高めるために、混酸酸化[9、12、22]またはメソポーラスカーボン材料に直接ドープされた窒素[23、24、25]によってメソポーラスカーボンを修飾する多くのアプローチが提案されています。ただし、強い酸化は、メソポーラスカーボンの表面特性と細孔構造に悪影響を及ぼし、薬物負荷の可能性に影響を与える可能性があります。一方、処理後の窒素ドーピングは面倒で費用がかかるため、大量生産には適していません。

キトサンは、炭素含有量が豊富で、ヒドロキシル（–OH）とアミノ（–NH ₂ ）[26、27]。メソポーラス炭素材料は、炭素源としてキトサンを使用して調製されます。

現在、キトサンは、蒸発誘起自己組織化（EISA）法によってメソポーラス炭素を調製するための炭素源として報告されています。たとえば、Sun [28]は、細孔径が2〜16 nm、比表面積が293〜927 m ² のメソポーラスカーボンを調製しました。 / g炭素源としてキトサン-非プロトン性塩を使用し、テンプレートとしてF127を使用します。 Feng [29]は、孔径5〜15 nm、比表面積41〜457 m ² のメソポーラスカーボンを調製しました。 / g炭素源としてキトサンを使用し、テンプレートとしてF127を使用します。 Andrzej [30]は、細孔径が3〜20 nm、比表面積が600〜1337 m ² のメソポーラスカーボンを調製しました。 / g炭素源としてキトサンとコロイド状SiO ₂ を使用 テンプレートとして。しかし、これらの調製されたメソポーラス炭素材料は、より広い細孔径分布、より低い比表面積、不規則な形態、およびより大きな粒子サイズ（>1μm）を特徴としています。一般的な抗がん剤の分子サイズは、通常、パクリタキセル、ドキソルビシン、ヒドロキシカンプトテシン（HCPT）などの1.1〜1.9 nmの範囲であり、1.90nm×1.19nm×0.07nm、1.52nm×1.08nm×0.71nm、それぞれ1.14nm×0.69nm×0.44nm（Materials Studioソフトウェアで計算）。一般的に言えば、多孔質材料の狭い細孔径分布は、吸着質分子の物質移動に有益であり、多孔質材料の適切な細孔径は、吸着質分子サイズの1.5〜3.0倍です[31]。したがって、薬物担体としてのメソポーラス炭素材料は、細孔径の範囲が狭く、体積が大きく、比表面積が大きく、生体適合性と親水性が良好で、ナノ球形である必要があります。直径1μm未満の球状メソポーラスカーボンは、以前の報告[32]の噴霧乾燥技術によって調製されました。ただし、調製されたメソポーラス炭素材料はより高い親水性を示しましたが（接触角シータは124.1 ^o ）炭素源としてショ糖を使用して調製したサンプルよりも（接触角シータは161.9 ^o ）、メソポーラス炭素の親水性と比表面積は、酸素含有基の量が少なく、炭化中にメソポーラス炭素前駆体によって形成される有機骨格の深刻な収縮と崩壊のために、依然として不十分です。酸性溶液中でのテトラエチルオルトシリケート（TEOS）の加水分解重縮合は、水素結合によってF127の親水性セグメントのエーテル結合と結合する豊富なシリコンヒドロキシル基を持つケイ酸凝集体を生成できることが報告されています[33]。炭化中の炭素構造[18]と、メソポーラス炭素材料の酸素含有基を増やします。

本明細書では、キトサンを炭素源および窒素源として使用し、F127およびTEOSをテンプレートとして使用して、炭化技術と組み合わせた噴霧乾燥を使用することにより、球状形態を有する親水性ナノメソポーラス炭素材料を調製した。 NMCの細孔構造、組成、および親水性特性に対するさまざまな炭素対シリコン比（C / Si）の影響を調べ、難溶性抗腫瘍薬ヒドロキシカンプトテシン（HCPT）のメソポーラス炭素材料の吸着および放出特性を調べました。調査されました。

材料と方法

原材料と試薬

両親媒性トリブロックコポリマーF127（ M _w =12,600、EO ₁₀₆ -PO ₇₀ -EO ₁₀₆ 、Sigma-Aldrich、米国）、TEOS（Aladdin Reagent Company、アメリカ）、CS（脱アセチル化度≥95％、粘度100〜200 mPa s; Aladdin Reagent Company、アメリカ）、HCPT（HCPT-160201; Chengdu Yuancheng Biotechnology Co 。、Ltd.、China）、および氷河酢酸、塩酸、無水エタノール、Tween-80、リン酸一カリウム、および水酸化ナトリウム（分析的に純粋; Shanghai Sinopharm Chemical Reagent Co.、Ltd.、China）を使用しました。すべての実験で脱イオン水を使用しました。

NMCの準備

窒素ドープメソポーラス炭素の調製は、図1の合成概略図で説明できます。（I）炭素および窒素源としてキトサンを使用し、テンプレートとしてトリブロックコポリマーF127およびテトラエチルオルトシリケート（TEOS）を使用する4つのステップがあります。エージェント。アルコール-水二相系では、球状ミセルはF127とTEOS間の二重電子結合によって形成されました。次に、加水分解によってSi–OHが形成され、–NH ₂ CSでは、酸性条件で水素結合が形成され、その後重合および架橋して複合体を形成する三成分系が生成されます。 （II）複合材料の噴霧成形は、噴霧乾燥プロセスを介して三成分系によって組み立てられた。 （III）窒素雰囲気中での焙焼および炭化によるF127の除去。 （IV）メソポーラス炭素材料を形成するためのシリコンの熱アルカリ除去。 4つの代表的なサンプルをさまざまなC / Si比で調製し、NMCs-5 / 3、NMCs-6 / 3、NMCs-7 / 3、およびNMCs-8 / 3とラベル付けしました。典型的な合成実験には、次のステップが含まれます。（a）CS溶液の調製-CS（7.0、8.4、9.8、または11.2 g）を40°Cの5％酢酸水溶液に溶解して、2.1％CS溶液を調製しました。 。 （b）NMCは、2.1gのF127を50mLのエタノール溶液に40°Cで溶解した後、15.6mLのTEOSと0.2M HCl（15 mL）を添加して加水分解することにより調製しました。 10分間の反応後、溶液をCS溶液に移し、60分間混合しました。次に、混合物を室温で60分間静置し、次に噴霧乾燥機（BUCHI B-290、BUCHI、スイス）を用いて、入口空気温度170℃および供給流量3.5mL /分で乾燥させた。得られたサンプルは、CS / SiO ₂ とラベル付けされました。 / F127; （c）炭化プロセス-CS / SiO ₂ / F127粉末を管状炉に入れ、200 cm ³ の窒素流量で保護しました。 / h、410°Cまで2°C /分の速度で加熱します。次に、この温度を2時間保持し、900°Cまで5°C /分の速度で上昇させ、2時間焼成して、C–Si複合材料を得ました。得られたC–Si複合材料から、85°Cで1 M NaOH水溶液を含む熱アルカリを2回使用してSiを除去し、中性のpH値が得られるまで脱イオン水で洗浄し、100°Cで乾燥させてメソポーラス炭素を生成しました。 （図1）。得られた材料は、溶液に使用されたCSの量（7.0、8.4、9.8、または11.2 g）に応じて、NMCs-5 / 3、NMCs-6 / 3、NMCs-7 / 3、およびNMCs-8 / 3とラベル付けされました。それぞれCS）。

NMCの製造プロセスの概略図

特性評価の方法

メソポーラスカーボンの比表面積、細孔容積、および細孔サイズは、Micrometrics ASAP2020 N ₂ を使用してテストされました。 吸着/脱着物理吸着装置。サンプルは、真空条件下（76 mmHg）、120°Cで12時間プレデガッシングされました。比表面積（ S _ベット ）は、Barrett–Emmer–Teller法を使用して計算されましたが、細孔容積（ V _BJH ）および細孔サイズ（ D _BJH ）は、バレット-ジョイナー-ハランダ（BJH）モデルを使用して計算されました。このモデルでは、相対圧力 P での吸収容量として細孔容積が計算されました。 / P ₀ =0.975。

NMCの元素組成（C、H、O、N）は、ElementarVario EL TypeIII元素分析装置を使用して特性評価されました。

F127、CS、および3成分系スプレー中間生成物CS / SiO ₂ の熱分解プロセス / F127は、Netzsch STA449C熱分析装置を使用して特性評価されました。温度範囲は、室温から1000°Cまで5°C /分の速度で設定されました。

NMCの結晶特性は、入射波長λのCuKα放射線を使用したBrukerD8 AdvanceX線回折計を使用して特性評価されました。 0.154060 nm、40.0kVおよび40.0mA、および2 θ 0.9〜4°の範囲（スキャン速度：0.5°/分、スキャンステップ長0.002°）。

メソポーラスカーボンの形態は、FEI Tecnai G2 F20S-Twin透過型電子顕微鏡によって加速電圧200kVで分析されました。

NMCの原子結合状態は、AlKα放射線源と次のパラメーターを使用したThermoScienfticEscalab 250XIX線光電子分光計を使用して特徴付けられました。テストスポットの直径、500μm;試験管電圧、15 kV;管電流、10 mA;分析チャンバーの極限圧力、2×10 ^–9 mbar。ピーク位置補正は、284.8eVのC1に従って行われました。

サンプルの表面の水接触角は、DataphysicsOCA25光学接触角測定装置を使用してテストされました。

NMCでのHCPTの吸収

HCPTを正確に10mgまで秤量し、50 mLの無水エタノール溶液に溶解して、200μg/ mLの標準原液を調製しました。次に、ストック溶液を濃度（0.4、0.5、1、3、5、7、および10μgmL ^–1 ）に希釈しました。 ）。絶対エタノール溶液を参照溶液として使用し、385nmでのUV分光光度法によって標準溶液の各濃度の吸光度値を測定しました。質量濃度（C）と吸光度（A）の回帰分析を実行して、回帰方程式 y を取得しました。 =0.07573 x + 0.04149;標準曲線は、0.4〜10μg / mLの測定範囲内で吸光度と濃度の間に良好な線形関係があり、相関係数 R ² =0.99947。

NMCへの薬物のロードは、有機溶媒浸漬溶液の方法で実行されました。 HCPT溶液（0.2〜1.2 mg mL ^–1 ）一定量（6〜36 mg）のHCPTを30mLの無水エタノールに溶解して調製しました。続いて、20 mgのさまざまなNMCを添加し、37°C​​で水浴中で24時間暗所で混合し、8000 r / minで10分間遠心分離して分離しました。次に、上澄みを抽出し、HCPTの濃度を最大吸収波長385nmでUV吸収分光法によって検出しました。薬物担体を40℃の真空乾燥領域に24時間置いた。 NMCサンプルに吸着された薬物の量は、吸着前後の濃度の変化に応じて決定されました。各NMCサンプルの薬物吸着容量は、次の式に従って計算されました。

HCPTの薬物放出

動的透析を使用して、15 mgの純粋なHCPTと、薬物をロードしたNMC（NMC-5 / 3 @ HCPT、NMC-6 / 3 @ HCPT、NMC-7 / 3 @ HCPT、およびNMC）からの薬物溶解を検出しました。 -8/3 @ HCPT）。インビトロ放出試験は、pH7.4およびpH5.0および0.1％Tween-80を含むリン酸緩衝液（PBS）で、37°C​​の暗所で実施されました。調製したPBSバッファー-NMCサンプル溶液（pH7.4およびpH5.0）を透析バッグ（MWCO =14,000）に入れ、pH 7.4、pH5.0のPBS500 mLに浸し、37°C​​で100 r / minで攪拌しました。 。 4 mLのアリコートを、1、2、4、6、8、10、および12時間の一定の時間間隔で取得し、新鮮な等温等容性PBSを補充しました。透析液を抽出し、8000 r / minで10分間遠心分離しました。 1 mLの上清を抽出し、20倍に希釈し、その吸光度を385nmでのUV分光光度法で測定しました。薬物濃度は検量線に従って計算され、HCPTの累積放出は次の式に従って計算されました。

ここで、 V ₁ は中容量（mL）、 V ₂ はサンプリング量（mL）、 C _n n のHCPTのサンプル濃度です。 サンプリング回数（μgmL ^–1 ）、 n はサンプリング試行の数であり、 W NMCにおけるHCPTの薬物含有量です。

結果と考察

炭化条件の決定

図2aは、フリーテンプレートエージェントF127、CS、およびCS / SiO ₂ の熱重量（TG）曲線を示しています。 / F127コンポジット。 F127は400°Cでほぼ完全に熱分解され[34]、約99.6％の重量減少が見られますが、CSでは250〜400°Cで56％の重量減少があり、その後400〜900°でプラトーになります。 C（800〜900°Cで1.53％の重量損失）。これは、800°Cで炭素骨格が形成されたことを示しています。 CS / SiO ₂ の減量 / F127は、主にF127とCSの熱分解により、主に500°C（55.5％）未満で発生しました。 800°Cを超えると、TG曲線は横ばい状態になり、CSがほぼ完全に炭化したことを示しています。 Andrzej [30]は、高い炭化温度（1000〜1100°C）では、材料の窒素含有量が減少することを示しました。したがって、F127を除去するために400°Cの温度を2時間保持し、炭素材料の窒素含有量と黒鉛化度を確実に高めるために、900°Cの温度を3時間保持しました。

a CS、F127、およびCS / SiO ₂ のTG曲線 / F127。加熱速度は窒素流下で5℃/分でした。 b NMCのNMCのXRDパターン- x / 3（ x =5,6,7,8）

メソポーラス炭素に対するC / Siの影響

メソポーラス炭素のXRD分析

準備されたサンプルNMCのXRDスペクトル- x / 3（ x =5,6,7,8）を図2bに示します。 2 θに広く広いピークがあります =4つの準備されたサンプルで23°。これは、アモルファスカーボン材料の典型的な特徴的なピークです[35]。準備された炭素材料NMC- x / 3はアモルファス構造であり、参考文献[36、37]で報告されている結果と一致しています。

メソポーラス炭素の細孔構造解析

N ₂ 4つのNMCサンプルの等温吸収および脱着曲線とそれらの細孔径分布曲線がプロットされています（図3）。関連する細孔構造データを表1に示します。 P の後 / P ₀ ≥0.4、N ₂ 4つのサンプルの吸着等温線は、メソポーラス炭素材料に典型的なヒステリシスループを示しています[38、39]。 4つのサンプルから、NMCのヒステリシスループ-7/3が最大です（図3a）。細孔径分布グラフは、炭素材料の細孔径分布が比較的狭く、主に2.01〜3.65 nm以内にあることを示しています（図3b）。これは、HCPTの空力等価直径の1.75〜3.2倍に相当します。近藤は、細孔径が小さいほど、吸着質の細孔への拡散速度が遅くなると主張しました[31]。細孔径が大きいほど、吸着質と固体表面の吸着ポテンシャルが固体表面での吸収不良につながります。吸収能力は、細孔径が吸着質の空力等価直径の1.5〜3.0倍のときに最適になります。したがって、ここで調製されたメソポーラスカーボンの細孔径は、HCPTの吸収に適しています。

N ₂ 吸脱着等温線（ a ）および細孔径分布曲線（ b ）NMC _S の

細孔構造データ（表1）は、NMC-x材料のメソポーラス細孔容積とBET比表面積が増加し、C / Si比の増加とともに減少し、C / Si =7：3で最大値に達することを示しています。これは、以下のメカニズムに起因する可能性があります。低いC / Si比（5/3）では、–OHおよび–NH ₂ の量 CSの場合も小さいですが、TEOSの場合は比較的大きいです。したがって、TEOSの加水分解と重縮合によって形成されるSi–OHの量も多く、したがって–OHと–NH ₂ では不十分な水素結合が発生しました。 CSで、3次元の架橋ネットワーク構造のゾルの減少につながります。その後、TEOSおよびF127テンプレートの除去に続いて、メソポーラス細孔容積が減少しました。さらに、TEOSが過剰であるため、形成されたミセルが大きく、TEOS除去後に得られる平均細孔径も大きくなります。逆に、CS含有量が高く、したがってC / Si比が高い（8/3）場合、CSはより多くの–OHおよび–NH ₂ を提供しました。 、TEOSの加水分解と重縮合によって形成されたSi–OHが不十分であるため、ミセルが小さくなり、ミセルが少なくなり、メソポーラスカーボンの細孔容積と細孔サイズが減少します。明らかに、7：3のC / Si比では、利用可能な–OHおよび–NH ₂ グループはTEOS上のSi–OHの量とよく一致し、より大きなメソポーラス細孔容積とBET比表面積の形成につながります。

メソポーラス炭素のTEM分析

NMC-7 / 3は比表面積とメソ細孔容積が最大であるため、細孔分布と微細構造のさらなるテストはこのサンプルに対してのみ実行され、データは図4に示されています。TEM画像は、調製されたメソポーラス炭素材料を示しています。 NMC-7 / 3は、さまざまな倍率で球状の構造をしており、その粒子サイズはすべて1μm未満です（図4a、b）。粒子サイズが約200nmのメソポーラス炭素材料は、細胞膜を介して薬物を効率的に運ぶことができるため、いくつかの独自の治療機能を発揮します[40]。図4cは、サンプルの細孔構造が見えており、明確で典型的なワームのような構造を示していることを示しています[34]（図4c）。キトサンの鎖構造の炭化と再編成、およびテンプレートの除去によって生成されるメソポーラス炭素粒子のエッジに、約2nmの細孔チャネルが観察されることがわかります。ただし、粒子の表面に見られる小さな白い点のサイズは、一般に2 nm未満です。これは、キトサンの炭化によって形成された鎖が重なり合って絡み合っているためです。

a – c NMCのTEM画像-さまざまな倍率での7/3

組成と親水性の分析

NMCの組成分析

メソポーラス炭素材料NMCのFTIRスペクトル- x / 3を図5aに示します。 3430 cm ^-1 N–HおよびO–Hの伸縮振動吸収ピーク[41]、1630 cm ^-1 はC =NおよびC =Cの伸縮振動吸収ピークであり、1120 cm ^-1 はC–NおよびC–Cの伸縮振動吸収ピークであり、窒素原子がNMCに正常に組み込まれていることを示しています。

FTIR（ a ）NMCのNMCのパターン- x / 3（ x =5,6,7,8）; SEM画像（ b – d ）サンプルNMC _S -7/3および要素マッピング（ e – g ）SEM画像の挿入画像（ d ）の球を狙った ）、要素C、O、および N に応答します それぞれ。

NMC-7 / 3のSEM（図5b–d）およびその表面のC（e）、O（f）、およびN（g）元素分析（図5e–g）は、メソポーラス炭素を明確に示しています。準備された材料は球形ですが、そのサイズは均一ではありません。これは噴霧乾燥プロセスによるものです。データをスキャンする元素は、C、O、およびN元素がナノスフェアメソポーラスカーボン内に分布していることを示しています。したがって、 N NMCへのドーピングに成功しました。

4つのNMCのXPSグラフを図6に示します。これは、4つのサンプルにO、N、およびCが含まれていることを示しています（図6a）。 N1はピークの分化とフィッティングで処理され（図6b–e）、ピリジニック窒素（N-6）に起因するそれぞれ398.37、400.80、402.40、および404.53eVの対応する結合エネルギーを持つ4つのピークへのN1の分割を示しています。 、ピロリック窒素（N-5）、第4級窒素（NQ）、および酸化–N（N–O）[36、42、43、44、45]。さらに、N-5とN-6のピーク面積が大きく、コンポジット内の含有量が多いことを示しています。これらの結果は、その場での N ピリジニックおよびピロリック窒素の形をとって、メソポーラス炭素にドープされました。

NMCのXPS調査（ a ）およびNMCS-5 / 3のN1sXPSスペクトル（ b ）、NMC-6 / 3（ c ）、NMC-7 / 3（ d ）、NMC-8 / 3（ e ）。ラマン（ f ）NMCのNMCのパターン- x / 3（ x =5、6、7、および8）

表2は、XPSおよび元素分析から得られた4つのNMCの表面のC、N、およびO含有量を示しています（各手法で検出された元素含有量の違いは微妙な違いでした）。合計 N NMCの表面のコンテンツは、NMC-5 / 3で最大であり、次にNMC-6 / 3、NMC-7 / 3、最後にNMC-8 / 3が続きます。したがって、C / Si比が増加すると、NMCの表面のN含有量は徐々に減少します。この現象は、C / Si比が低いほど、システム内のSi–OHの量が多くなり、–OHと–NH ₂ の量が少なくなるという事実に起因します。 CSで水素結合に利用できます。したがって、–NH ₂ の可能性が高くなります 形成された三次元ネット構造で強いSi–OHと接触し、それらの間の結合力が強くなり、焼成プロセス中に炭素骨格に残っているNの量が多くなります。ただし、C / Si比が高くなると、–OHおよび–NH ₂ on CSは、TEOSによる加水分解では三次元ネットワーク構造を形成できないため、N雰囲気への揮発により、焼成プロセス後に保持されるNが少なくなります。

炭素材料NMCのラマンスペクトル- x / 3を図6fに示します。 1350 cm ^-1 のすべてのサンプルに、2つの異なる特徴的なピークが現れました。 および1601cm ^-1 、 D に対応 および G それぞれ炭素材料のピーク。その中で、 D ピークは、原子変位、無秩序な炭素、エッジ欠陥、およびその他の欠陥の程度を反映しています（sp ³ 炭素材料中の炭素、ぶら下がっている炭素、空孔など）、および G ピークは、sp ² の順序付けの程度を反映しています 炭素。 D の比率 G のピーク ピーク（ I _D / 私 _G ）炭素材料の結晶化度を反映することができます[46]。 I の順番が指摘されている _D / 私 _G 値は N の値と同じです その表面の含有量とより多くの欠陥は、窒素含有量の増加とともに生成されます[47]。計算結果は、 I が _D / 私 _G 4つの炭素材料のうち、NMCs-5 / 3、NMCs-6 / 3、NMCs-7 / 3、およびNMCs-8 / 3は、それぞれ0.897、0.815、0.808、および0.704であり、サイズの順序は次のとおりです。それらの窒素含有量と同じです（表2を参照）。 I が大きいことがわかります _D / 私 _G NMCの値-5/3は、構造上の欠陥がより明白であることを示しています。これは、炭素材料への大量の窒素ドーピングが原因です。

NMCの親油性

NMCs-5 / 3、NMCs-6 / 3、NMCs-7 / 3、およびNMCs-8 / 3での水の動的接触角は、0.1秒（図7a–e）、0.3秒（図7f–）ごとに測定されました。 j）、0.4 s（図7k–o）、および0.7 s（図7p–t）は、NMCs-5 / 3、NMCs-6 / 3、NMCs-の水滴接触角を減らすのに必要な時間を示しています。 7/3、およびNMC-8 / 3から20°未満は、それぞれ0.45秒、1.15秒、1.54秒、および2.71秒でした。したがって、4つのサンプルは、窒素をドープしていないメソポーラスカーボンの対応物（129°）と比較して強い親水性を示します[37]。 NMCの窒素元素が活性部位を形成し、sp ² が増加しました。 炭素材料の表面粗さが向上したクラスター画分[48]、したがって、濡れ角が小さくなり、親水性と分散性が向上します。さらに、NMCのN-5、N-6、および水分子間の水素結合も、親水性の向上につながりました[23、49、50]。これらの効果を組み合わせることで、ドラッグデリバリーにおけるNMCの潜在的なアプリケーションが可能になります。

接触時間の関数としてのメソポーラスカーボンの表面の水接触角の光学顕微鏡写真（ a – e ）NMC-5 / 3、（ f – j ）NMC-6 / 3、（ k – o ）NMC-7 / 3、および（ p – t ）NMC-8 / 3

図8は、これら4つのNMCの接触角の経時変化の関係曲線です。図8からわかるように、NMCs-5 / 3、NMCs-6 / 3、NMCs-7 / 3、NMCs-8 / 3の水滴の接触角を20°未満に下げるのに必要な時間は0.45でした。 s、1.15 s、1.54 s、2.71 s、それぞれ。同じ接触角を実現するために必要な時間が短いほど、サンプルの親水性は向上します。明らかに、各NMCの親水性は、NMCs-5 / 3> NMCs-6 / 3> NMCs-7 / 3> NMCs-8 / 3のように降順でランク付けできます。これは、Nの含有量と一致しています。メソポーラスカーボンについて。言い換えれば、NMC-5 / 3のNの最高含有量は、最高の親水性を意味します。これは、メソポーラス炭素材料のN含有量が多いほど、表面粗さが大きくなるという事実に起因する可能性があります。さらに、N-5とN-6の含有量が多いと、NMCと水分子間の水素結合が強化されます。これらの2つの結合効果により、NMCの親水性が向上し、接触時間が最短であった理由を説明できます。

さまざまなメソポーラスカーボンの水接触角と接触時間のプロット

HCPTのNMCの吸着および放出特性の評価

4つのNMCのHCPT吸着曲線は、HCPT溶液の濃度の増加とともに徐々に増加する吸着容量を示しました（図9a）。これは、多孔質材料におけるHCPTの吸収と拡散が濃度勾配の原理に基づいており、HCPTの濃度が高いほど、濃度勾配の推進力が強くなり、吸着に到達するHCPTの量が多くなるという事実に起因します。吸着予備濃縮のためのNMCの表面上のサイトはより高くなります。

a NMCのHCPT吸着等温線- x （ x =5、6、7、および8）エタノール溶液中。 b 純粋なHCPTおよびNMCのXRDパターン- x / 3（ x =5、6、7、および8）@HCPT。 NMCSからのHCPTのinvitro放出プロファイル- x （ x =5、6、7、および8）@HCPTおよびpH =7.4の純粋な薬物（ c ）およびpH =5.0（ d ）PBS溶液

図9aから取得した実験データは、ラングミュア吸着モデルの式を使用して、ラングミュアモデル（処理されたデータを表3に示します）を使用してフィッティングしました。

ここで、 q は、平衡状態でのNMCの単位質量あたりの多孔質構造に吸着されたHCPTの質量です（mg g ^-1 ）、 q _m HCPTに対するNMCの飽和吸着容量（mg g ^-1 ）、 c は、吸着の平衡状態でのHCPTの濃度です（mg mL ^-1 ）、および K _L ラングミュア吸着定数（mg g min ^-1 。

NMCの多孔質構造へのHCPT分子の吸着は、ラングミュアの吸着法則に従いました。さらに、吸収定数の値は有意に変化しなかった。これは、HCPTに対する親和性が4つのNMC間で類似していたことを示唆している。特に、HCPTの4つのNMCすべての吸収能力は高く、1013.51 mg g ^-1 までです。 （50.33％の薬物負荷）。これは、HCPTの非Nドープ3次元マクロポーラス炭素材料（24％の薬物負荷）よりもはるかに高い[51]。ただし、HCPTの4つのNMCの吸収能力は、NMC-5 / 3の方が高く、次にNMC-6 / 3、NMC-7 / 3、最後にNMC-8 / 3の順である。メソポーラス炭素の表面のNの含有量。したがって、NMCの表面のN含有量が高いほど、HCPTの吸収能力は強くなります。これは、HCPTの吸収能力を高める表面粗さと親水性の増加に起因する可能性があります。

純粋なHCPTとHCPTNMCに吸着されたメソポーラス炭素のXRDパターン- x / 3（ x =5、6、7、および8）@HCPTを図9bに示します。純粋なHCPTには、2 θに強い結晶回折ピークがあります。 =6.9°、9.0°、11.70°、13.86°、19.73°、25.65°、27.27°、27.91°、および28.52°。これは、純粋なHCPTが結晶状態で存在したことを示しています。しかし、HCPTがメソポーラスカーボンにロードされている場合、HCPTの回折ピークはNMCで検出されません- x / 3（ x =5、6、7、および8）@HCPTサンプル。これは、メソポーラスカーボンに吸着されたHCPTがアモルファス状態にあることを意味します。これはQinfu Zhaoの報告[5]と一致しており、メソポーラスカーボンのナノポーラスチャネルは薬物をアモルファスおよびアモルファス状態にすることができ、薬物溶解の改善に役立ちます。レート。

NMCにおけるHCPTおよびPBS（pH 7.4および5.0）中の純粋な薬物HCPTのinvitro薬物放出挙動を評価しました（図9c、d）。 1時間後のPBSへの純粋な薬物放出率はわずか9.96％であり、12時間で22.7％に増加します。対照的に、HCPT薬物分子が4つのNCMに吸収されると、薬物放出率は大幅に改善され、1時間および12時間でそれぞれ35.42〜50.80％および86.67〜93.75％の薬物放出率を示します。同様の結果が、リン酸緩衝液（pH =5.0）で図9dに得られます。これらの観察結果は、メソポーラスカーボンのナノポーラス構造が薬物の結晶化を阻害し（図9bを参照）、微結晶またはアモルファス状態での薬物吸収を引き起こし、それによってその溶解度と放出速度を増加させるという事実に起因します[52]。

図9c、dから取得した実験データは、次のようにRetger-Peppas運動方程式を使用してフィッティングされました（処理されたデータは表4に示されています）。

ここで Q HCPTの部分放出、 t はリリースの時間であり、 k および n それぞれ、放出速度定数と指数です。

図と表から、 k 薬物放出速度の値は、メソポーラス炭素材料の窒素含有量と密接に関連しています。窒素含有量が最も高い（6.043％）NMC-5 / 3は、最も遅い放出速度（ k ）を示します。 値は小さいです）が、窒素含有量が最も低い（4.753％）NMC-8 / 3は、最も速い放出速度（ k ）を示します。 値が大きい）。これは、高窒素含有量のメソポーラス炭素材料NMCs-5 / 3が低窒素含有量のメソポーラス炭素材料NMCs-8 / 3よりも活性部位が多いため、HCPTとの相互作用が強くなり、拡散が妨げられるという事実に起因する可能性があります。培地に放出します。

pH 5.0の酸性環境でのHCPTの放出速度は、pH7.4の中性環境での放出速度よりも遅くなります。 HCPTの放出速度はpH依存性であり、放出速度が遅いのはpH値が低い環境であることがわかります。腫瘍の細胞外組織および細胞内リソソームとヌクレオソームの微小環境は酸性であるため[12]、酸性環境でpH =5.0のリン酸緩衝液からHCPTをゆっくりと放出することで、長期的な抗腫瘍の目標を達成できます。

このように、メソポーラスカーボンは窒素含有量が高く、親水性が高く、抗がん剤HCPTの吸着能力が大きい。同時に、窒素含有量が高いと、HCPTの吸着が増加し、メソポーラスチャネルからの薬物の放出速度が低下します。メソポーラス炭素の窒素含有量が多いほど、薬物放出は遅くなります。それどころか、メソポーラス炭素の窒素含有量が低いほど、薬物放出は速くなります。したがって、HCPTの放出速度は、メソポーラス炭素材料の窒素含有量とpH値を調整することによって制御できます。

結論

ナノスフェアメソポーラスカーボン材料は、高い比表面積（1342.9〜2061.6 m ² ）で正常に調製されます。 / g）、狭い細孔径分布（2.01〜3.65 nm）、および高い窒素含有量（4.75〜6.04％）。 C / Si比が増加すると、NMCの比表面積とメソ細孔容積が最初に増加してから減少し、C / Si比が7：3の場合、NMC-7 / 3が最大の S <を持ちます。 / i> _ベット （2061.6 m ² / g）および V _Mes （0.77 cm ³ / g）、およびより高いN含有量（5.026％）。その場でのＮのドーピングは、ＮＭＣの親水性を増加させ、それは、表面のＮ含有量とともに徐々に増加した。 NMC-5 / 3は、最高のN含有量と最高の親水性を備えています。