Stabiele waterige suspensies van mangaan ferrietclusters met instelbare nanoschaaldimensie en -samenstelling

Summary

We rapporteren een eenpotige hydrothermale synthese van mangaan ferrietclusters (MFC’s) die onafhankelijke controle biedt over de materiaaldimensie en -samenstelling. Magnetische scheiding maakt een snelle zuivering mogelijk, terwijl oppervlaktefunctionalisatie met behulp van gesulfoneerde polymeren ervoor zorgt dat de materialen niet-aggregerend zijn in biologisch relevant medium. De resulterende producten zijn goed gepositioneerd voor biomedische toepassingen.

Abstract

Mangaan ferrietclusters (MFC’s) zijn bolvormige assemblages van tientallen tot honderden primaire nanokristallen waarvan de magnetische eigenschappen waardevol zijn in diverse toepassingen. Hier beschrijven we hoe deze materialen kunnen worden gevormd in een hydrothermaal proces dat de onafhankelijke controle van de grootte van de productcluster (van 30 tot 120 nm) en het mangaangehalte van het resulterende materiaal mogelijk maakt. Parameters zoals de totale hoeveelheid water die aan de alcoholische reactiemedia wordt toegevoegd en de verhouding tussen mangaan en ijzerprecursor zijn belangrijke factoren bij het bereiken van meerdere soorten MFC-producten op nanoschaal. Een snelle zuiveringsmethode maakt gebruik van magnetische scheiding om de materialen terug te winnen, waardoor de productie van grammen magnetische nanomaterialen vrij efficiënt is. We overwinnen de uitdaging van magnetische nanomateriaalaggregatie door sterk geladen sulfonaatpolymeren toe te passen op het oppervlak van deze nanomaterialen, wat colloïdaal stabiele MFC’s oplevert die zelfs in zeer zoute omgevingen niet-aggregerend blijven. Deze niet-aggregerende, uniforme en afstembare materialen zijn uitstekende toekomstige materialen voor biomedische en milieutoepassingen.

Introduction

De opname van mangaan als een dopant in een ijzeroxiderooster kan, onder de juiste omstandigheden, de magnetisatie van het materiaal op hoog toegepaste velden verhogen in vergelijking met zuivere ijzeroxiden. Als gevolg hiervan zijn mangaan ferriet (MnxFe3-xO4) nanodeeltjes zeer wenselijke magnetische nanomaterialen vanwege hun hoge verzadigingsmagnetisatie, sterke respons op externe velden en lage cytotoxiciteit1,2,3,4,5. Zowel single domain nanokristallen als clusters van deze nanokristallen, multidomeindeeltjes genaamd, zijn onderzocht in diverse biomedische toepassingen, waaronder medicijnafgifte, magnetische hyperthermie voor kankerbehandeling en magnetische resonantie beeldvorming (MRI)^6,7,8. De Hyeon-groep gebruikte bijvoorbeeld in 2017 single-domein mangaan ferriet nanodeeltjes als fentonkatalysator om kankerhypoxie te induceren en maakte gebruik van het _T2contrast van het materiaal voor MRI-tracking9. Het is verrassend in het licht van deze en andere positieve studies van ferrietmaterialen dat er weinig in vivo demonstraties zijn in vergelijking met zuivere ijzeroxide (_Fe3O4) nanomaterialen, en geen gerapporteerde toepassingen bij ^mensen9,10.

Een immense uitdaging bij het vertalen van de kenmerken van ferriet nanomaterialen naar de kliniek is het genereren van uniforme, niet-aggregerende clusters op nanoschaal11,12,13,14. Hoewel conventionele synthetische benaderingen van monodomein nanokristallen goed ontwikkeld zijn, zijn multidomeinclusters van het type interesse in dit werk niet gemakkelijk te produceren op een uniforme en gecontroleerde ^manier15,16. Bovendien is de ferrietsamenstelling meestal niet-stoichiometrisch en niet alleen gerelateerd aan de beginconcentratie van de voorlopers en dit kan de systematische structuur-functiekarakterisering van deze materialen verder verdoezelen9,12,13,17. Hier pakken we deze problemen aan door een synthetische benadering te demonstreren die onafhankelijke controle oplevert over zowel de clusterdimensie als de samenstelling van mangaan ferriet nanomaterialen.

Dit werk biedt ook een middel om de slechte colloïdale stabiliteit van ferriet nanomaterialen18,19,20 te overwinnen. Magnetische nanodeeltjes zijn over het algemeen gevoelig voor aggregatie als gevolg van sterke deeltjes-deeltjesaantrekking; ferrieten hebben meer last van dit probleem omdat hun grotere netto magnetisatie de deeltjesaggregatie versterkt. In relevante biologische media leveren deze materialen voldoende grote aggregaten op die de materialen snel verzamelen, waardoor hun blootstellingsroutes voor dieren of mensen ^{worden beperkt20,21,22}. Hilt et al. vonden een ander gevolg van deeltjes-deeltjesaggregatie in hun studie van magnetothermische verwarming en kleurstofdegradatie23. Bij iets hogere deeltjesconcentraties, of een langere tijd van blootstelling aan het veld, werd de effectiviteit van de materialen verminderd naarmate materialen in de loop van de tijd werden geaggregeerd en de actieve deeltjesoppervlakken afnamen. Deze en andere toepassingen zouden baat hebben bij clusteroppervlakken die zijn ontworpen om sterische barrières te bieden die deeltjes-deeltjesinteracties ^{uitsluiten24,25}.

Hier rapporteren we een synthetische benadering om mangaan ferrietclusters (MFC’s) te synthetiseren met controleerbare afmetingen en samenstelling. Deze multidomeindeeltjes bestaan uit een samenstel van primaire mangaan ferriet nanokristallen die hard geaggregeerd zijn; de nauwe associatie van de primaire nanokristallen verbetert hun magnetische eigenschappen en zorgt voor een totale clustergrootte, 50-300 nm, goed afgestemd op de optimale afmetingen voor een nanogeneeskunde. Door de hoeveelheid water en mangaanchloridevoorloper te veranderen, kunnen we de totale diameter en samenstelling onafhankelijk regelen. De methode maakt gebruik van eenvoudige en efficiënte hydrothermale reacties met één pot die frequente experimenten en materiaaloptimalisatie mogelijk maken. Deze MFC’s kunnen gemakkelijk worden gezuiverd tot een geconcentreerde productoplossing, die verder wordt gewijzigd door gesulfoneerde polymeren die colloïdale stabiliteit geven. Hun tunability, uniformiteit en stabiliteit van de oplossingsfase zijn allemaal kenmerken van grote waarde bij toepassingen van nanomaterialen in biomedische en milieutechniek.

Protocol

1. Synthese van MFC’s met controle over de totale diameter en ferrietsamenstelling van MFC’s Was en droog al het glaswerk grondig om te gebruiken in de synthese. De hoeveelheid water in de synthese heeft invloed op de afmetingen van de MFC’s, dus het is cruciaal om ervoor te zorgen dat het glaswerk geen restwater bevat16,26. Om het glaswerk te wassen, spoel af met water en afwasmiddel en schrob met een kolfborstel om vuil te ver…

Representative Results

Na hydrothermale behandeling verandert het reactiemengsel in een viskeuze zwarte dispersie zoals te zien is in figuur 1. Wat na zuivering ontstaat, is een sterk geconcentreerde MFC-oplossing die zich gedraagt als een ferrofluïde. De vloeistof in de injectieflacon reageert binnen enkele seconden wanneer deze in de buurt van een handmagneet (<0,5 T) wordt geplaatst en een macroscopische zwarte massa vormt die kan worden verplaatst terwijl de magneet op verschillende locaties wordt geplaatst.<…

Discussion

Dit werk demonstreert een gemodificeerde polyolsynthese van mangaan ferriet nanokristallen geclusterd in uniforme aggregaten op ^nanoschaal29. In deze synthese ondergaan ijzer(III)chloride en mangaan(II)chloride een geforceerde hydrolysereactie en -reductie, waarbij moleculair MnxFe3-xO4 wordt gevormd. Deze ferrietmoleculen vormen primaire nanokristallen onder de hoge temperatuur en hoge druk in de reactoren en assembleren uiteindelijk tot bolvormige aggr…

Materials

0.1 Micron Vaccum Filtration Filter	Thermo Fisher Scientific	NC9902431	for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution
2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS, 99%)	Sigma-Aldrich	282731-250G	reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media
2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN)	Sigma-Aldrich	441090-100G	reagent used in copolymer making as the free ridical generator
4-Morpholineethanesulfonic acid, 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES)	Sigma-Aldrich	M3671-250G	acidic buffer used to stabilize nanocluster surface coating process
Acrylic acid	Sigma-Aldrich	147230-100G	reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media; anhydrous, contains 200 ppm MEHQ as inhibitor, 99%
Analytical Balance	Avantor	VWR-205AC	used to weigh out solid chemical reagents for use in synthesis and dilution
Digital Sonifier and Probe	Branson	B450	used to sonicate nanocluster solution during surface coating to break up aggregates
Dopamine hydrochloride	Sigma-Aldrich	H8502-25G	used in surface coating for ligand exchange reaction
Ethylene glycol (anhydrous, 99.8%)	Sigma-Aldrich	324558-2L	reagent used as solvent in hydrothermal synthesis of nanoclusters
Glass Vials (20mL)	Premium Vials	B1015	container for nanocluster solution during washing and surface coating as well as polymer solutions
Graduated Beaker (100mL)	Corning	1000-100	container for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis (to be transferred into autoclave reactor before oven)
Handheld Magnet	MSC Industrial Supply, Inc.	92673904	1/2" Long x 1/2" Wide x 1/8" High, 5 Poles, Rectangular Neodymium Magnet low strength magnet used to precipitate nanoclusters from solution (field strength is increased with steel wool when needed)
Hydrochloric acid (ACS grade, 37%)	Fisher Scientific	7647-01-0	for removing leftover nanocluster debris and cleaning autoclave reactors for next use
Hydrothermal Autoclave Reactor	Toption	TOPT-HP500	container for finished reagent mixture to withstand high temperature and pressure created by the oven in hydrothermal synthesis
Iron(III) Chloride Hexahydrate (FeCl3·6H2O, ACS reagent, 97%)	ACS	236489-500G	reagent used in synthesis of nanoclusters as source of iron (III) that becomes iron (II) in finished nanocluster product (keep dry and weigh out quickly to avoid water contamination)
Labware Washer Brushes	Fisher Scientific	13-641-708	used to wash and clean glassware before synthesis
Magnetic Stir Plate	Thermo Fisher Scientific	50093538	for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis
Manganese chloride tetrahydrate (MnCl2·4H2O, 99.0%, crystals, ACS)	Sigma-Aldrich	1375127-2G	reagent used in synthesis of nanoclusters as source of manganese
Micropipette (100-1000μL)	Thermo Fisher Scientific	FF-1000	for transferring liquid reagents such as water and manganese chloride
N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC)	Sigma-Aldrich	25952-53-8	used in surface coating to assist in ligand exchange of copolymer (keep bulk chemical in freezer and diluted solution in refrigerator)
N,N-Dimethylformamide (DMF)	Sigma-Aldrich	227056-2L	reagent used in copolymer making as the solvent
Polyacrylic acid sodium salt (PAA, Mw~6,000)	PolyScience Inc.	06567-250	reagent used in hydrothermal synthesis to initially coat the nanoclusters (eventually replaced in surface coating step)
Poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate	Sigma-Aldrich	454990-250ML	reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media; average Mn 480, contains 100 ppm BHT as inhibitor, 100 ppm MEHQ as inhibitor
Reagents Acetone, 4L, ACS Reagent	Cole-Parmer	UX-78920-66	used as solvent to precipitate nanoclusters during washing
Single Channel Pipette, Adjustable 1-10 mL	Eppendorf	3123000080	for transferring ethylene glycol and other liquids
Steel Wool	Lowe's	788470	used to increase the magnetic field strength in the vial to aid in precipitation of nanoclusters for washing and surface coating
Stirring Bar	Thomas Scientific	8608S92	for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis
Table Clamp	Grainger	29YW53	for tight sealing of autoclave reactor to withstand high pressure of oven during hyrothermal synthesis
Urea (ACS reagent, 99.0%)	Sigma-Aldrich	U5128-500G	reagent used in hydrothermal synthesis to create a basic solution
Vaccum Filtration Bottle Tops	Thermo Fisher Scientific	596-3320	for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution
Vacuum Controller V-850	Buchi	BU-V850	for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution
Vacuum Oven	Fisher Scientific	13-262-51	used to create high temperature and pressure needed for nanocluster formation in hydrothermal synthesis