Suspensiones acuosas estables de grupos de ferrita de manganeso con dimensión y composición a nanoescala sintonizables
Summary
Informamos de una síntesis hidrotermal de una sola olla de grupos de ferrita de manganeso (MFC) que ofrece un control independiente sobre la dimensión y composición del material. La separación magnética permite una purificación rápida, mientras que la funcionalización de la superficie utilizando polímeros sulfonados garantiza que los materiales no se agreguen en un medio biológicamente relevante. Los productos resultantes están bien posicionados para aplicaciones biomédicas.
Abstract
Los cúmulos de ferrita de manganeso (MFC) son ensamblajes esféricos de decenas a cientos de nanocristales primarios cuyas propiedades magnéticas son valiosas en diversas aplicaciones. Aquí describimos cómo formar estos materiales en un proceso hidrotermal que permite el control independiente del tamaño del grupo de productos (de 30 a 120 nm) y el contenido de manganeso del material resultante. Parámetros como la cantidad total de agua agregada a los medios de reacción alcohólicos y la proporción de manganeso a precursor de hierro son factores importantes para lograr múltiples tipos de productos a nanoescala MFC. Un método de purificación rápida utiliza la separación magnética para recuperar los materiales, lo que hace que la producción de gramos de nanomateriales magnéticos sea bastante eficiente. Superamos el desafío de la agregación de nanomateriales magnéticos aplicando polímeros de sulfonato altamente cargados a la superficie de estos nanomateriales produciendo MFC coloidealmente estables que permanecen sin agregación incluso en entornos altamente salinos. Estos materiales no agregables, uniformes y sintonizables son excelentes materiales prospectivos para aplicaciones biomédicas y ambientales.
Introduction
La inclusión de manganeso como dopante en una red de óxido de hierro puede, en las condiciones apropiadas, aumentar la magnetización del material en campos de alta aplicación en comparación con los óxidos de hierro puros. Como resultado, las nanopartículas de ferrita de manganeso (MnxFe3-xO4) son nanomateriales magnéticos altamente deseables debido a su alta magnetización de saturación, fuerte respuesta a campos externos y baja citotoxicidad1,2,3,4,5. Tanto los nanocristales de dominio único como los grupos de estos nanocristales, denominados partículas multidominio, se han investigado en diversas aplicaciones biomédicas, incluida la administración de fármacos, la hipertermia magnética para el tratamiento del cáncer y la resonancia magnética (IRM)6,7,8. Por ejemplo, el grupo Hyeon en 2017 utilizó nanopartículas de ferrita de manganeso de dominio único como catalizador de Fenton para inducir hipoxia por cáncer y explotó el contraste T2 del material para el seguimiento de la resonancia magnética9. Es sorprendente a la luz de estos y otros estudios positivos de materiales de ferrita que haya pocas demostraciones in vivo en comparación con los nanomateriales de óxido de hierro puro (Fe3O4), y no se hayan reportado aplicaciones en humanos9,10.
Un inmenso desafío que se enfrenta al traducir las características de los nanomateriales de ferrita en la clínica es la generación de grupos a nanoescala uniformes, no agregadores11,12,13,14. Si bien los enfoques sintéticos convencionales de los nanocristales monodominio están bien desarrollados, los grupos multidominio del tipo de interés en este trabajo no se producen fácilmente de manera uniforme y controlada15,16. Además, la composición de la ferrita suele no ser estequiométrica y no está simplemente relacionada con la concentración inicial de los precursores, lo que puede oscurecer aún más la caracterización sistemática de la estructura-función de estos materiales9,12,13,17. Aquí, abordamos estos problemas demostrando un enfoque sintético que produce un control independiente sobre la dimensión del clúster y la composición de los nanomateriales de ferrita de manganeso.
Este trabajo también proporciona un medio para superar la pobre estabilidad coloidal de los nanomateriales de ferrita18,19,20. Las nanopartículas magnéticas son generalmente propensas a la agregación debido a la fuerte atracción partícula-partícula; Las ferritas sufren más de este problema ya que su magnetización neta más grande amplifica la agregación de partículas. En los medios biológicos relevantes, estos materiales producen agregados lo suficientemente grandes como para que los materiales se acumulen rápidamente, limitando así sus rutas de exposición a animales o personas20,21,22. Hilt et al. encontraron otra consecuencia de la agregación partícula-partícula en su estudio del calentamiento magnetotérmico y la degradación del colorante23. A concentraciones de partículas ligeramente más altas, o un mayor tiempo de exposición al campo, la efectividad de los materiales se redujo a medida que los materiales se agregaron con el tiempo y las áreas de superficie de partículas activas disminuyeron. Estas y otras aplicaciones se beneficiarían de las superficies de racimo diseñadas para proporcionar barreras estéricas que impidieran las interacciones partícula-partícula24,25.
Aquí informamos un enfoque sintético para sintetizar grupos de ferrita de manganeso (MFC) con dimensiones y composición controlables. Estas partículas multidominio consisten en un conjunto de nanocristales primarios de ferrita de manganeso que se agregan duramente; la estrecha asociación de los nanocristales primarios mejora sus propiedades magnéticas y proporciona un tamaño de clúster general, 50-300 nm, bien adaptado a las dimensiones óptimas para una nanomedicina. Al cambiar la cantidad de agua y precursor de cloruro de manganeso, podemos controlar de forma independiente el diámetro general y la composición. El método utiliza reacciones hidrotermales simples y eficientes de una sola olla que permiten la experimentación frecuente y la optimización del material. Estos MFC se pueden purificar fácilmente en una solución de producto concentrado, que se modifica aún más mediante polímeros sulfonados que imparten estabilidad coloidal. Su capacidad de ajuste, uniformidad y estabilidad de la fase de solución son características de gran valor en aplicaciones de nanomateriales en ingeniería biomédica y ambiental.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabajo demuestra una síntesis de poliol modificado de nanocristales de ferrita de manganeso agrupados en agregados uniformes a nanoescala29. En esta síntesis, el cloruro de hierro (III) y el cloruro de manganeso (II) experimentan una reacción de hidrólisis forzada y reducción, formando MnxFe3-xO4 molecular. Estas moléculas de ferrita forman nanocristales primarios bajo la alta temperatura y alta presión en los reactores, en última instancia…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue generosamente apoyado por la Universidad de Brown y el Consorcio de Energía Avanzada. Agradecemos al Dr. Qingbo Zhang por su método sintético establecido de MFC de óxido de hierro.
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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