Vi rapporterer en en-pott hydrotermisk syntese av mangan ferrite klynger (MFCs) som gir uavhengig kontroll over materiell dimensjon og sammensetning. Magnetisk separasjon muliggjør rask rensing mens overflatefunksjonalisering ved hjelp av sulfonerte polymerer sikrer at materialene ikke aggregeres i biologisk relevant medium. De resulterende produktene er godt posisjonert for biomedisinske applikasjoner.
Mangan ferrite klynger (MFCs) er sfæriske samlinger av titalls til hundrevis av primære nanokrystaller hvis magnetiske egenskaper er verdifulle i ulike applikasjoner. Her beskriver vi hvordan du danner disse materialene i en hydrotermisk prosess som tillater uavhengig kontroll av produktklyngestørrelse (fra 30 til 120 nm) og manganinnhold i det resulterende materialet. Parametere som den totale mengden vann som legges til de alkoholholdige reaksjonsmediene og forholdet mellom mangan og jernforløper er viktige faktorer for å oppnå flere typer MFC nanoskalaprodukter. En rask rensemetode bruker magnetisk separasjon for å gjenopprette materialene som gjør produksjon av gram magnetiske nanomaterialer ganske effektive. Vi overvinner utfordringen med magnetisk nanomaterialeaggregering ved å påføre høyt ladede sulfonatpolymerer på overflaten av disse nanomaterialer som gir kolloidalt stabile MFCer som forblir ikke-aggregerende selv i svært saltvannsmiljøer. Disse ikke-aggregerende, ensartede og justerbare materialene er utmerkede potensielle materialer for biomedisinske og miljømessige applikasjoner.
Inkluderingen av mangan som dopant i et jernoksidgitter kan under passende forhold øke materialets magnetisering på høye anvendte felt sammenlignet med rene jernoksider. Som et resultat er mangan ferrite (MnxFe3-xO4) nanopartikler svært ønskelige magnetiske nanomaterialer på grunn av deres høye metningsmagnetisering, sterk respons på eksterne felt og lav cytotoksisitet1,2,3,4,5. Både enkeltdomen nanokrystaller samt klynger av disse nanokrystallene, kalt multidomainpartikler, har blitt undersøkt i forskjellige biomedisinske applikasjoner, inkludert legemiddellevering, magnetisk hypertermi for kreftbehandling og magnetisk resonansavbildning (MR) 6,7,8. For eksempel brukte Hyeon-gruppen i 2017 enkeltdomenmangan ferrite nanopartikler som fentonkatalysator for å indusere krefthyksi og utnyttet materialets T2contrast for MR-sporing9. Det er overraskende i lys av disse og andre positive studier av ferrittmaterialer at det er få in vivo-demonstrasjoner sammenlignet med rent jernoksid (Fe3O4) nanomaterialer, og ingen rapporterte anvendelser hos mennesker9,10.
En enorm utfordring med å oversette egenskapene til ferrite nanomaterialer til klinikken er genereringen av ensartede, ikke-aggregerende, nanoskala klynger11,12,13,14. Mens konvensjonelle syntetiske tilnærminger til monodomene nanokrystaller er godt utviklet, produseres ikke multidomeneklynger av den typen interesse i dette arbeidet lett på en jevn og kontrollert måte15,16. I tillegg er ferrittsammensetning vanligvis ikke-stoichiometrisk og ikke bare relatert til startkonsentrasjonen av forløperne, og dette kan ytterligere skjule systematisk strukturfunksjonskarakterisering av disse materialene9,12,13,17. Her tar vi opp disse problemene ved å demonstrere en syntetisk tilnærming som gir uavhengig kontroll over både klyngedimensjonen og sammensetningen av mangan ferrite nanomaterialer.
Dette arbeidet gir også et middel til å overvinne den dårlige kolloidale stabiliteten til ferritt nanomaterialer18,19,20. Magnetiske nanopartikler er generelt utsatt for aggregering på grunn av sterk partikkelpartikkeltiltrekning; ferritter lider mer av dette problemet da deres større nettmagnetisering forsterker partikkelaggregasjon. I relevante biologiske medier gir disse materialene store nok aggregater som materialene raskt samler inn, og begrenser dermed deres eksponeringsveier for dyr eller mennesker20,21,22. Hilt et al. fant en annen konsekvens av partikkel-partikkelaggregering i deres studie av magnetotermisk oppvarming og fargestoffforringelse23. Ved litt høyere partikkelkonsentrasjoner, eller økt eksponeringstid for feltet, ble effektiviteten av materialene redusert etter hvert som materialer aggregert over tid og de aktive partikkeloverflateområdene ble redusert. Disse og andre applikasjoner vil dra nytte av klyngeoverflater designet for å gi steriske barrierer som utelukket partikkelpartikkelinteraksjoner24,25.
Her rapporterer vi en syntetisk tilnærming for å syntetisere mangan ferrite klynger (MFK) med kontrollerbare dimensjoner og sammensetning. Disse multidomain partiklene består av en montering av primære mangan ferrite nanokrystaller som er hardt aggregert; Den nære tilknytningen til de primære nanokrystalene forbedrer deres magnetiske egenskaper og sørger for en samlet klyngestørrelse, 50-300 nm, godt tilpasset de optimale dimensjonene for en nanomedisin. Ved å endre mengden vann og mangankloridforløper, kan vi selvstendig kontrollere den generelle diameteren og sammensetningen. Metoden benytter enkle og effektive en-pot hydrotermale reaksjoner som muliggjør hyppig eksperimentering og materialoptimalisering. Disse MFK-ene kan enkelt renses til en konsentrert produktløsning, som videre modifiseres av sulfonerte polymerer som gir kolloidal stabilitet. Deres tunabilitet, ensartethet og løsningsfasestabilitet er alle funksjoner av stor verdi i anvendelser av nanomaterialer i biomedisinsk og miljøteknikk.
Dette arbeidet demonstrerer en modifisert polyolsyntese av mangan ferrite nanokrystaller gruppert sammen i ensartede nanoskala aggregater29. I denne syntesen gjennomgår jern(III) klorid og mangan(II) klorid en tvungen hydrolysereaksjon og reduksjon, som danner molekylær MnxFe3-xO4. Disse ferrittmolekylene danner primære nanokrystaller under høy temperatur og høyt trykk i reaktorene, og til slutt monteres i sfæriske aggregater kalt her magnetitt fer…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble sjenerøst støttet av Brown University og Advanced Energy Consortium. Vi takker takknemlig Dr. Qingbo Zhang for hans etablerte syntetiske metode for jernoksid MFK.
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 |