喷雾干燥一步法合成氮掺杂亲水介孔碳球增强羟基喜树碱递送

摘要

我们报道一种单步喷雾干燥法，耦合壳聚糖、三嵌段共聚物F127和四乙基正硅酸酯（TEOS），制备氮掺杂亲水介孔碳球（NMCs-x/3，x=5,6,7,8）。材料展现高比表面积（高达2061.6 m² g⁻¹）、窄孔径分布（2.01-3.65 nm）和显著氮含量（4.75-6.04%）。亲水性随表面氮增加而增强，与优异羟基喜树碱（HCPT）吸附相关：q_NMCs-5/3 > q_NMCs-6/3 > q_NMCs-7/3 > q_NMCs-8/3。NMC-5/3达HCPT饱和载药1013.51 mg g⁻¹、溶出率93.75%。发现证明了可规模化平台用于难溶抗肿瘤药物载载与可调释放。

引言

介孔材料——含二氧化硅、沸石、碳——因高比表面积、稳健孔结构、化学稳定性成为生物医学不可或缺工具。介孔碳以优越比表面积、孔容、热稳定性脱颖而出，成为疏水抗肿瘤药物（喜树碱、阿霉素、紫杉醇）诱人载体。

传统碳前驱体如酚醛树脂、蔗糖引发环境担忧或涉及昂贵多步合成。且这些来源碳常疏水性差，限制注射或全身给药应用。后合成氮掺杂或酸氧化虽增亲水性，但典型破坏孔结构或增加复杂性。

壳聚糖——天然丰富、生物相容多糖，富含-OH和-NH₂基团——双重角色作为碳和氮源。前人用壳聚糖和F127制备介孔碳，但孔分布宽、比表面积低。为解决限制，引入TEOS作为第二模板，水解缩合形成Si-OH基团与壳聚糖官能团相互作用，碳化时稳定多孔网络。

本研究详述喷雾干燥一步法合成氮掺杂亲水介孔碳球（NMCs-x/3）。系统调节碳硅比（C/Si）调控孔结构、氮含量、亲水性，评估难溶抗癌药羟基喜树碱载载释放能力。

材料与方法

原料与试剂

三嵌段共聚物F127（Mw≈12600，Sigma-Aldrich）、TEOS（阿拉丁）、壳聚糖（≥95%脱乙酰，阿拉丁）、HCPT（成都元成）、标准实验室试剂按收到使用。全程去离子水。

NMCs制备

壳聚糖溶液（2.1% w/w）以7.0、8.4、9.8、11.2 g壳聚糖溶于5%乙酸中40°C制备。并行溶解2.1 g F127于50 mL乙醇，加入15.6 mL TEOS和15 mL 0.2 M HCl。10分钟后混合液与壳聚糖溶液合并，搅拌60分钟，静置60分钟。喷雾干燥（进风170°C，流量3.5 mL min⁻¹）得复合粉末（CS/SiO₂/F127）。粉末氮气中煅烧：400°C（2小时）除F127，继900°C（2小时）碳化基质。后浸1 M NaOH 85°C除去二氧化硅，得最终NMCs-5/3、-6/3、-7/3、-8/3。

表征

BET比表面积和孔径分布用N₂吸附（Micrometrics ASAP2020）测定。元素组成（C、H、O、N）经元素分析测定。热演变经TGA（Netzsch STA 449C）监测。XRD（布鲁克D8，CuKα）显示非晶碳特征。TEM（FEI Tecnai G2）观察形貌。XPS（Thermo Scientific Escalab 250XI）鉴定氮物种。水接触角用Dataphysics OCA25记录。

HCPT载药与释放

HCPT溶于乙醇（0.2-1.2 mg mL⁻¹）与各NMC 20 mg于37°C混合24小时。药物含量经UV-Vis（λ=385 nm）定量。释放研究用透析对抗PBS（pH 7.4或5.0，0.1% Tween-80）37°C，每1-12小时取样。释放动力学拟合Ritger-Peppas模型。

结果与讨论

热行为与煅烧策略

CS/SiO₂/F127复合物TGA显示500°C以下~55%失重，主要源F127和壳聚糖热解，800°C以上平台期确认完全碳化。400°C保温2小时高效除F127，900°C终步保留氮并增强石墨化。

孔结构与形貌

BET分析显示NMCs-x/3系列在C/Si比7:3达最大比表面积（2061.6 m² g⁻¹）和孔容（0.77 cm³ g⁻¹）。孔径分布（2.01-3.65 nm）与HCPT尺寸匹配，利于高效载药。TEM确认<1 µm球形颗粒具蠕虫状介孔。

组成与氮掺杂

FTIR和XPS确认吡啶氮、吡咯氮、石墨氮物种。氮含量随C/Si比增加从6.04%（NMC-5/3）降至4.75%（NMC-8/3）。拉曼D/G比同趋势，指示高氮掺杂下无序度增加。

亲水性

动态接触角测量显示NMC-5/3在0.45秒内达<20°，显著快于NMC-8/3（2.71秒）。表面氮增强和粗糙度促进与水氢键，改善润湿性——注射制剂关键特性。

HCPT吸附与释放

吸附等温线符合Langmuir模型，NMC-5/3最大载药1013.51 mg g⁻¹。载药能力序随氮含量。HCPT载药样品XRD显示晶峰消失，指示药物非晶态加速溶出。释放研究显示pH 7.4下12小时释放86.7-93.8% HCPT，pH 5.0释放较慢，适配肿瘤微环境。高氮含量因强药物-载体相互作用减缓释放，提供可调释放曲线。

结论

我们建立可规模化一步法合成氮掺杂亲水介孔碳球，源自壳聚糖、F127、TEOS。最佳C/Si比（7:3）产出最高比表面积、孔容、氮含量，转化为优异HCPT载药和可控释放。材料增强亲水性和可调药物动力学定位为难溶抗肿瘤药物有前途载体。