Stabile wässrige Suspensionen von Manganferritclustern mit abstimmbarer nanoskaliger Dimension und Zusammensetzung

Summary

Wir berichten über eine hydrothermale Ein-Topf-Synthese von Manganferritclustern (MFCs), die eine unabhängige Kontrolle über materialdimension und -zusammensetzung bietet. Die magnetische Trennung ermöglicht eine schnelle Reinigung, während die Oberflächenfunktionalisierung mit sulfonierten Polymeren sicherstellt, dass die Materialien in biologisch relevantem Medium nicht aggregieren. Die daraus resultierenden Produkte sind für biomedizinische Anwendungen gut positioniert.

Abstract

Manganferritcluster (MFCs) sind sphärische Anordnungen von Dutzenden bis Hunderten von primären Nanokristallen, deren magnetische Eigenschaften in verschiedenen Anwendungen wertvoll sind. Hier beschreiben wir, wie diese Materialien in einem hydrothermalen Prozess gebildet werden können, der die unabhängige Kontrolle der Produktclustergröße (von 30 bis 120 nm) und des Mangangehalts des resultierenden Materials ermöglicht. Parameter wie die Gesamtmenge an Wasser, die den alkoholischen Reaktionsmedien zugesetzt wird, und das Verhältnis von Mangan zu Eisenvorläufer sind wichtige Faktoren, um mehrere Arten von MFC-Nanoprodukten zu erhalten. Eine schnelle Reinigungsmethode verwendet magnetische Trennung, um die Materialien zurückzugewinnen, was die Herstellung von Gramm magnetischer Nanomaterialien sehr effizient macht. Wir meistern die Herausforderung der magnetischen Nanomaterialaggregation, indem wir hochgeladene Sulfonatpolymere auf die Oberfläche dieser Nanomaterialien auftragen, was zu kolloidal stabilen MFCs führt, die selbst in stark salzhaltigen Umgebungen nicht aggregierend bleiben. Diese nicht aggregierenden, einheitlichen und abstimmbaren Materialien sind ausgezeichnete prospektive Materialien für biomedizinische und Umweltanwendungen.

Introduction

Die Aufnahme von Mangan als Dotierstoff in ein Eisenoxidgitter kann unter den entsprechenden Bedingungen die Magnetisierung des Materials bei hohen Angelegten Feldern im Vergleich zu reinen Eisenoxiden erhöhen. Infolgedessen sind Manganferrit (MnxFe3-xO4) Nanopartikel aufgrund ihrer hohen Sättigungsmagnetisierung, ihrer starken Reaktion auf externe Felder und ihrer geringen Zytotoxizität sehr wünschenswerte magnetische Nanomaterialien1,2,3,4,5. Sowohl Einzeldomänen-Nanokristalle als auch Cluster dieser Nanokristalle, die als Multidomänenpartikel bezeichnet werden, wurden in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen untersucht, darunter Arzneimittelabgabe, magnetische Hyperthermie zur Krebsbehandlung und Magnetresonanztomographie (MRT)^6,7,8. Zum Beispiel verwendete die Hyeon-Gruppe im Jahr 2017 Einzeldomänen-Manganferrit-Nanopartikel als Fenton-Katalysator, um eine Krebshypoxie zu induzieren, und nutzte den _T2-Kontrast des Materials für die MRT-Verfolgung9. Angesichts dieser und anderer positiver Studien an Ferritmaterialien ist es überraschend, dass es im Vergleich zu reinen Eisenoxid (_Fe3O4)-Nanomaterialien nur wenige In-vivo-Demonstrationen und keine berichteten Anwendungen beim Menschen ^gibt9,10.

Eine immense Herausforderung bei der Übertragung der Eigenschaften von Ferrit-Nanomaterialien in die Klinik ist die Generierung einheitlicher, nicht aggregierender, nanoskaliger Cluster11,12,13,14. Während herkömmliche synthetische Ansätze für Monodomänen-Nanokristalle gut entwickelt sind, lassen sich Multidomain-Cluster der Art, die an dieser Arbeit interessiert sind, nicht ohne weiteres einheitlich und kontrolliert ^{herstellen15,16}. Darüber hinaus ist die Ferritzusammensetzung in der Regel nicht stöchiometrisch und hängt nicht einfach mit der Ausgangskonzentration der Vorläufer zusammen, was die systematische Struktur-Funktions-Charakterisierung dieser Materialien weiter verschleiern kann9,12,13,17. Hier adressieren wir diese Probleme, indem wir einen synthetischen Ansatz demonstrieren, der eine unabhängige Kontrolle sowohl über die Clusterdimension als auch über die Zusammensetzung von Manganferrit-Nanomaterialien ermöglicht.

Diese Arbeit bietet auch ein Mittel, um die schlechte kolloidale Stabilität von Ferrit-Nanomaterialien zu überwinden18,19,20. Magnetische Nanopartikel neigen im Allgemeinen zur Aggregation aufgrund einer starken Partikel-Partikel-Anziehung; Ferrite leiden mehr unter diesem Problem, da ihre größere Nettomagnetisierung die Partikelaggregation verstärkt. In relevanten biologischen Medien liefern diese Materialien ausreichend große Zuschlagstoffe, die die Materialien schnell sammeln, wodurch ihre Expositionswege gegenüber Tieren oder Menschen begrenzt werden20,21,22. Hilt et al. fanden eine weitere Konsequenz der Partikel-Partikel-Aggregation in ihrer Studie über magnetotherme Erwärmung und ^{Farbstoffabbau23}. Bei etwas höheren Partikelkonzentrationen oder einer erhöhten Expositionszeit gegenüber dem Feld wurde die Wirksamkeit der Materialien verringert, da sich die Materialien im Laufe der Zeit aggregierten und die aktiven Partikeloberflächen abnahmen. Diese und andere Anwendungen würden von Clusteroberflächen profitieren, die so konzipiert sind, dass sie sterische Barrieren bieten, die Partikel-Teilchen-Wechselwirkungen ^{ausschließen24,25}.

Hier berichten wir über einen synthetischen Ansatz zur Synthese von Manganferritclustern (MFCs) mit kontrollierbaren Abmessungen und Zusammensetzung. Diese Multidomänenpartikel bestehen aus einer Anordnung von primären Manganferrit-Nanokristallen, die hart aggregiert sind; Die enge Assoziation der primären Nanokristalle verstärkt ihre magnetischen Eigenschaften und sorgt für eine Gesamtclustergröße von 50-300 nm, die gut auf die optimalen Abmessungen für ein Nanoarzneimittel abgestimmt ist. Durch die Änderung der Menge an Wasser und Manganchlorid-Vorläufer können wir den Gesamtdurchmesser und die Zusammensetzung unabhängig voneinander steuern. Die Methode nutzt einfache und effiziente hydrothermale Eintopfreaktionen, die häufige Experimente und Materialoptimierungen ermöglichen. Diese MFCs können leicht zu einer konzentrierten Produktlösung gereinigt werden, die durch sulfonierte Polymere, die kolloidale Stabilität verleihen, weiter modifiziert wird. Ihre Abstimmbarkeit, Gleichmäßigkeit und Lösungsphasenstabilität sind alles Merkmale von großem Wert für Anwendungen von Nanomaterialien in der Biomedizin- und Umwelttechnik.

Protocol

1. Synthese von MFCs mit Kontrolle über den Gesamtdurchmesser und die Ferritzusammensetzung von MFCs Waschen und trocknen Sie alle Glaswaren, die bei der Synthese verwendet werden sollen, gründlich. Die Wassermenge in der Synthese beeinflusst die Abmessungen der MFCs, daher ist es wichtig sicherzustellen, dass die Glaswaren kein Restwasser enthalten16,26. Um die Glaswaren zu waschen, mit Wasser und Reinigungsmittel abspülen u…

Representative Results

Nach der hydrothermalen Behandlung verwandelt sich das Reaktionsgemisch in eine viskose schwarze Dispersion, wie in Abbildung 1 zu sehen ist. Das Ergebnis nach der Reinigung ist eine hochkonzentrierte MFC-Lösung, die sich wie ein Ferrofluid verhält. Die Flüssigkeit in der Durchstechflasche reagiert innerhalb von Sekunden, wenn sie in der Nähe eines Handmagneten (<0,5 T) platziert wird, und bildet eine makroskopische schwarze Masse, die bewegt werden kann, wenn der Magnet an verschiedenen…

Discussion

Diese Arbeit zeigt eine modifizierte Polyolsynthese von Manganferrit-Nanokristallen, die zu einheitlichen nanoskaligen Aggregaten zusammengefasst ^sind29. Bei dieser Synthese durchlaufen Eisen(III)-chlorid und Mangan(II)-chlorid eine erzwungene Hydrolysereaktion und -reduktion und bilden molekulares MnxFe3-xO4. Diese Ferritmoleküle bilden unter der hohen Temperatur und dem hohen Druck in den Reaktoren primäre Nanokristalle und setzen sich schließlich z…

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