チューニング可能なナノスケールの次元と組成を有するマンガンフェライトクラスターの安定した水性懸濁液
Summary
材料の寸法と組成を独立した制御を提供するマンガンフェライトクラスター(MFC)の1ポット熱水合成を報告する。磁気分離により、迅速な精製が可能となり、スルホン化ポリマーを使用した表面機能化により、材料が生物学的に関連する媒体で非凝集していることを保証します。結果として得られるプロダクトは生物医学の適用のために十分に位置付けられている。
Abstract
マンガンフェライトクラスター(MFC)は、多様な用途において磁気特性が価値のある数十から数百の原発ナノ結晶の球状集合体です。ここでは、これらの物質を、生成物のクラスターサイズ(30~120nm)およびマンガン含有量の独立制御を可能にする熱水プロセスで形成する方法を説明する。アルコール反応媒体に添加される水の総量や鉄前駆体に対するマンガンの比率などのパラメータは、複数の種類のMFCナノスケール製品を達成する上で重要な要素です。高速精製法は、磁性分離を使用して、磁性ナノ材料のグラムの生産を非常に効率的にする材料を回収します。これらのナノ材料の表面に高荷電スルホン酸ポリマーを適用することで、高い生理食塩水環境においても非凝集性のままのコロイド的に安定なMFCを生み出すことで、磁気ナノ材料凝集の課題を克服しています。これらの非凝集、均一および調整可能な材料は生物医学および環境適用のための優秀な前向き材料である。
Introduction
酸化鉄格子にドーパントとしてマンガンを含めることは、適切な条件下で、純粋な酸化鉄と比較して高く応用された分野での材料の磁化を増加させることができる。その結果、マンガンフェライト(MnxFe3-xO4)ナノ粒子は、高飽和磁化、外部磁場への強い応答、および低い細胞毒性のために非常に望ましい磁気ナノ材料である1、2、3、4、5。単一ドメインナノ結晶とこれらのナノ結晶のクラスター、マルチドメイン粒子と呼ばれる両方が、薬物送達、癌治療のための磁気温熱療法、および磁気共鳴画像(MRI)6,7,8を含む多様な生物医学的用途で研究されてきた。例えば、2017年のヒョングループは、単一ドメインマンガンフェライトナノ粒子をフェントン触媒として使用して癌低酸素症を誘導し、MRI tracking9のために材料のT2contrastを利用しました。これらのフェライト材料の肯定的な研究に照らして、純粋な酸化鉄(Fe3O4)ナノ材料と比較してインビボのデモンストレーションが少なく、ヒト9,10での応用は報告されていません。
フェライトナノ材料の特徴をクリニックに翻訳する際に直面する大きな課題の1つは、均一で非集約的なナノスケールのクラスター11,12,13,14の生成です。モノドメインナノ結晶に対する従来の合成アプローチは十分に発達しているが、この研究に関心のある種類のマルチドメインクラスターは、均一で制御された方法では容易に作り出されない15,16。さらに、フェライト組成物は、通常、非精和論的であり、単に前駆体の開始濃度に関連しておらず、これはこれらの材料の体系的な構造機能特性をさらにあいまいにすることができる9,12,13,17。ここでは、マンガンフェライトナノ材料のクラスター次元と組成の両方を独立した制御をもたらす合成アプローチを実証することによって、これらの問題に取り組んでいます。
また、この研究は、フェライトナノ材料のコロイド安定性の悪さを克服する手段を提供する18,19,20。磁性ナノ粒子は、一般に、強い粒子粒子の引力のために凝集する傾向があります。フェライトは、より大きなネット磁化が粒子凝集を増幅するので、この問題により苦しんでいます。関連する生物学的媒体において、これらの材料は、材料が急速に収集する十分な大きさの凝集体を生成し、それによって動物または人々への曝露経路を制限する20,21,22。Hiltらは、磁石の他熱と色素分解の研究における粒子粒子凝集の別の結果を発見した23。わずかに高い粒子濃度、またはフィールドへの暴露時間の増加では、材料が時間の経過とともに凝集し、活性粒子表面積が減少するにつれて材料の有効性が低下した。これらのアプリケーションやその他のアプリケーションは、粒子と粒子の相互作用を妨げる立体的な障壁を提供するように設計されたクラスターサーフェスの恩恵を受けるでしょう24,25。
ここでは、マンガンフェライトクラスター(MFC)を制御可能な寸法および組成で合成する合成アプローチを報告する。これらのマルチドメイン粒子は、凝集しにくい一次マンガンフェライトナノ結晶の集合体からなる。一次ナノ結晶の密接な関連は、その磁気特性を高め、ナノ医薬品の最適な寸法に十分に一致する、50-300 nmの全体的なクラスターサイズを提供します。水量と塩化マンガン前駆体の量を変えることで、我々は独立して全体の直径と組成を制御することができます。この方法は、頻繁な実験と材料最適化を可能にする簡単で効率的な1ポット熱水反応を利用しています。これらのMFCは、簡単に、コロイド安定性を付与するスルホン化ポリマーによって改変される濃縮物溶液に精製することができる。そのタンタンビリティ、均一性、および溶液相安定性は、いずれも生物医学および環境工学におけるナノ材料の応用において大きな価値を有する特徴である。
Protocol
1. MFC全体の直径とフェライト組成物を制御するMFCの合成 合成に使用するすべてのガラス製品を洗浄し、十分に乾燥させます。合成中の水の量はMFCの寸法に影響を与えるため、ガラス製品に残留水が含まれるようにすることが重要です16,26。 ガラス製品を洗う場合は、水と洗剤で洗い流し、フラスコブラシでスクラブして?…
Representative Results
熱水処理後、反応混合物は 図1に見られるように粘性黒色分散液に変わる。精製後に生じるものは、強気体のように動作する高濃度MFCソリューションです。バイアル内の流体は、ハンドヘルド磁石(<0.5T)の近くに置くと数秒以内に応答し、磁石が異なる場所に置かれると動き回ることができる巨視的な黒い塊を形成する。 この合成は、その寸法およ?…
Discussion
本研究は、マンガンフェライトナノ結晶を一様なナノスケールの凝集体に集結させた改変ポリオール合成を実証する。この合成では、塩化鉄(III)と塩化マンガン(II)は強制加水分解反応と還元を受け、分子MnxFe3-xO4を形成する。これらのフェライト分子は、原子炉の高温高圧下で一次ナノ結晶を形成し、最終的にはここでマグネタイトフェライ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、ブラウン大学と先端エネルギーコンソーシアムによって寛大に支援されました。酸化鉄MFCの合成方法を確立してくれた青保張博士に感謝します。
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 |
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Cite This Article
Effman, S., Avidan, S., Xiao, Z., Colvin, V. Stable Aqueous Suspensions of Manganese Ferrite Clusters with Tunable Nanoscale Dimension and Composition. J. Vis. Exp. (180), e63140, doi:10.3791/63140 (2022).