Stabile vandige fjæringer av mangan ferrite klynger med justerbar nanoskala dimensjon og sammensetning

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. Syntese av MFK-er med kontroll over MFK-enes generelle diameter og ferrittsammensetning Vask og tørk alt glass som skal brukes i syntesen grundig. Mengden vann i syntesen påvirker dimensjonene til MFK-ene, så det er avgjørende å sikre at glasset ikke har noe gjenværende vann i det16,26. For å vaske glasset, skyll med vann og vaskemiddel og skrubb med en kolbebørste for å fjerne rusk. Skyll grundig for å fjerne alt v…

Representative Results

Etter hydrotermal behandling blir reaksjonsblandingen til en viskøs svart dispersjon som det fremgår av figur 1. Hvilke resultater etter rensing er en høyt konsentrert MFC-løsning som oppfører seg som en ferrofluid. Væsken i hetteglasset reagerer i løpet av sekunder når den plasseres i nærheten av en håndholdt magnet (<0,5 T), og danner en makroskopisk svart masse som kan flyttes rundt når magneten plasseres på forskjellige steder. Denne syntesen gir p…

Discussion

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…

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