Suspensões aquosas estáveis de aglomerados de ferrite de manganês com dimensão e composição de nanoescala tunable
Summary
Relatamos uma síntese hidrotérmica de um pote de aglomerados de ferrita de manganês (MFCs) que oferece controle independente sobre a dimensão e a composição do material. A separação magnética permite a purificação rápida enquanto a funcionalização da superfície usando polímeros sulfoados garante que os materiais não sejam agregados em meio biologicamente relevante. Os produtos resultantes estão bem posicionados para aplicações biomédicas.
Abstract
Os aglomerados de ferrite de manganês (MFCs) são conjuntos esféricos de dezenas a centenas de nanocristais primários cujas propriedades magnéticas são valiosas em diversas aplicações. Aqui descrevemos como formar esses materiais em um processo hidrotérmico que permite o controle independente do tamanho do cluster do produto (de 30 a 120 nm) e o teor de manganês do material resultante. Parâmetros como a quantidade total de água adicionada à mídia de reação alcoólica e a razão entre manganês e precursor de ferro são fatores importantes para alcançar múltiplos tipos de produtos nanoescala MFC. Um método de purificação rápida usa a separação magnética para recuperar os materiais que fazem a produção de gramas de nanomateriais magnéticos bastante eficiente. Superamos o desafio da agregação de nanomateriais magnéticos aplicando polímeros sulfonatos altamente carregados à superfície desses nanomateriais que produzem MFCs coloidalmente estáveis que permanecem não agregando mesmo em ambientes altamente salinos. Esses materiais não agregadores, uniformes e incompará-los são excelentes materiais prospectivos para aplicações biomédicas e ambientais.
Introduction
A inclusão de manganês como dopant em uma rede de óxido de ferro pode, sob as condições adequadas, aumentar a magnetização do material em campos de alta aplicação em comparação com óxidos de ferro puros. Como resultado, as nanopartículas de manganês ferrite (MnxFe3-xO4) são nanomateriais magnéticos altamente desejáveis devido à sua alta magnetização de saturação, forte resposta a campos externos e baixa citotoxicidade1,2,3,4,5. Tanto os nanocristais de domínio único quanto os agrupamentos desses nanocristais, denominados partículas multidomainas, têm sido investigados em diversas aplicações biomédicas, incluindo entrega de medicamentos, hipertermia magnética para tratamento do câncer e ressonância magnética (RM)6,7,8. Por exemplo, o grupo Hyeon em 2017 usou nanopartículas de ferrite de manganês de domínio único como um catalisador fenton para induzir a hipóxia do câncer e explorou o T2contrast do material para rastreamento de ressonância magnética9. É surpreendente à luz desses e outros estudos positivos de materiais ferritais que há poucas demonstrações in vivo em comparação com nanomateriais de óxido de ferro puro (Fe3O4), e nenhuma aplicação relatada em humanos9,10.
Um imenso desafio enfrentado na tradução das características dos nanomateriais ferrite para a clínica é a geração de aglomerados uniformes, não agregadores e nanoescala11,12,13,14. Embora as abordagens sintéticas convencionais para os nanocristais monodomínios sejam bem desenvolvidas, os aglomerados multidomain do tipo de interesse neste trabalho não são facilmente produzidos de forma uniforme e controlada15,16. Além disso, a composição ferrita geralmente não é estequiométrica e não apenas está relacionada à concentração inicial dos precursores e isso pode obscurecer ainda mais a caracterização sistemática estrutura-função desses materiais9,12,13,17. Aqui, abordamos essas questões demonstrando uma abordagem sintética que produz controle independente sobre a dimensão do cluster e a composição de nanomateriais de ferrite de manganês.
Este trabalho também fornece um meio de superar a pobre estabilidade coloidal dos nanomateriais ferrite18,19,20. As nanopartículas magnéticas são geralmente propensas à agregação devido à forte atração de partículas de partículas; ferrites sofrem mais com esse problema à medida que sua magnetização líquida maior amplifica a agregação de partículas. Em meios biológicos relevantes, esses materiais produzem grandes agregados suficientes que os materiais coletam rapidamente, limitando assim suas rotas de exposição a animais ou pessoas20,21,22. Hilt et al. encontraram outra consequência da agregação de partículas-partículas em seu estudo de aquecimento magnetotémico e degradação de corante23. Em concentrações de partículas ligeiramente maiores, ou aumento do tempo de exposição ao campo, a eficácia dos materiais foi reduzida à medida que os materiais agregados ao longo do tempo e as áreas de superfície de partículas ativas diminuíram. Essas e outras aplicações se beneficiariam de superfícies de cluster projetadas para fornecer barreiras estéricas que impediam interações partículas-partícula24,25.
Aqui relatamos uma abordagem sintética para sintetizar os aglomerados de ferrite de manganês (MFCs) com dimensões e composição controláveis. Essas partículas de multidomaina consistem em um conjunto de nanocristais de ferrite de manganês primários que são agregados duramente; a associação próxima dos nanocristais primários melhora suas propriedades magnéticas e fornece um tamanho total de cluster, 50-300 nm, bem combinado com as dimensões ideais para uma nanomedicina. Alterando a quantidade de água e o precursor do cloreto de manganês, podemos controlar independentemente o diâmetro e a composição globais. O método utiliza reações hidrotérmicas simples e eficientes de um pote que permitem experimentação frequente e otimização de materiais. Esses MFCs podem ser facilmente purificados em uma solução concentrada de produtos, que é ainda modificada por polímeros sulfoados que transmitem estabilidade coloidal. Sua sintonia, uniformidade e estabilidade de fase de solução são características de grande valor nas aplicações de nanomateriais em engenharia biomédica e ambiental.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabalho demonstra uma síntese de poliol modificada de nanocristais de ferrite de manganês agrupados em agregados de nanoescala uniforme29. Nesta síntese, o cloreto de ferro (III) e o cloreto de manganês(II) sofrem uma reação e redução da hidrólise forçada, formando MnxFe3-xO4 molecular. Estas moléculas de ferrite formam nanocristais primários sob a alta temperatura e alta pressão nos reatores, finalmente se reunindo em agregados esfér…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi generosamente apoiado pela Universidade Brown e pelo Consórcio de Energia Avançada. Agradecemos ao Dr. Qingbo Zhang por seu método sintético estabelecido de MFCs de óxido de ferro.
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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