تعليق مائي مستقر لمجموعات المنغنيز فيريت مع البعد والتركيب النانوي غير القادر

Summary

نحن نبلغ عن تركيب حراري مائي وعاء واحد من مجموعات فيريت المنغنيز (MFCs) التي توفر سيطرة مستقلة على البعد المادي وتكوينها. يسمح الفصل المغناطيسي بالتنقية السريعة بينما يضمن التشغيل السطحي باستخدام البوليمرات المعطوبات أن المواد غير مجمعة في وسيط ذي صلة بيولوجيا. المنتجات الناتجة هي في وضع جيد للتطبيقات الطبية الحيوية.

Abstract

مجموعات المنغنيز فيريت (MFCs) هي تجميعات كروية من عشرات إلى مئات من البلورات النانوية الأولية التي خصائصها المغناطيسية ذات قيمة في تطبيقات متنوعة. هنا نحن وصف كيفية تشكيل هذه المواد في عملية الحرارية المائية التي تسمح للسيطرة المستقلة على حجم الكتلة المنتج (من 30 إلى 120 نانومتر) ومحتوى المنغنيز من المواد الناتجة. المعلمات مثل الكمية الإجمالية للمياه المضافة إلى وسائل الإعلام رد فعل الكحولية ونسبة المنغنيز إلى الحديد السلائف هي عوامل هامة في تحقيق أنواع متعددة من المنتجات النانوية MFC. طريقة تنقية سريعة يستخدم الفصل المغناطيسي لاستعادة المواد مما يجعل إنتاج غرام من المواد النانوية المغناطيسية فعالة جدا. نتغلب على تحدي تجميع المواد النانوية المغناطيسية من خلال تطبيق بوليمرات السلفونات المشحونة للغاية على سطح هذه المواد النانوية التي تنتج MFCs مستقرة غرويا والتي لا تزال غير مجمعة حتى في البيئات المالحة للغاية. هذه المواد غير المجمعة والزي الموحد وغير القادرة هي مواد مستقبلية ممتازة للتطبيقات الطبية الحيوية والبيئية.

Introduction

إدراج المنغنيز كدوبت في شعرية أكسيد الحديد يمكن، في ظل الظروف المناسبة، وزيادة ممغنطة المواد في الحقول التطبيقية العالية بالمقارنة مع أكاسيد الحديد النقي. ونتيجة لذلك، فإن الجسيمات النانوية المنغنيز فيريت (MnxFe3-xO4) هي مواد نانوية مغناطيسية مرغوبة للغاية بسبب مغنطة التشبع العالية، والاستجابة القوية للحقول الخارجية، وانخفاض السمية ^{الخلوية1،2،3،4،5}. وقد تم التحقيق في كل من البلورات النانوية مجال واحد، فضلا عن مجموعات من هذه البلورات النانوية، والجزيئات متعددة المجالات، في تطبيقات الطب الحيوي المتنوعة، بما في ذلك تسليم الأدوية، وارتفاع الحرارة المغناطيسي لعلاج السرطان، والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)^6،7،8. على سبيل المثال، استخدمت مجموعة هيون في عام 2017 جسيمات نانوية منغنيز فيريت ذات مجال واحد كمحفز فنتون للحث على نقص الأكشاجة السرطانية واستغلت _T2contrast للمادة لتتبع التصوير بالرنين ^{المغناطيسي9}. ومن المدهش في ضوء هذه الدراسات وغيرها من الدراسات الإيجابية للمواد الفريت أن هناك عدد قليل في المظاهرات في الجسم الحي بالمقارنة مع أكسيد الحديد النقي (_Fe3O4) المواد النانوية، وليس التطبيقات المبلغ عنها في ^humans9،10.

أحد التحديات الهائلة التي تواجه في ترجمة ميزات المواد النانوية الفريت إلى العيادة هو توليد مجموعات موحدة وغير مجمعة ونانوية الحجم11,12,13,14. في حين أن النهج الاصطناعية التقليدية للبلورات النانوية أحادية النطاق متطورة بشكل جيد ، فإن مجموعات متعددة المجالات من نوع الاهتمام بهذا العمل لا يتم إنتاجها بسهولة بطريقة موحدة وخاضعة ^{للرقابة15،16}. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تكوين الفريت عادة ما يكون غير قياسي وليس مرتبطا ببساطة بالتركيز الأولي للسلائف، وهذا يمكن أن يزيد من حجب توصيف وظيفة الهيكل المنهجي لهذه المواد ^{9،12،13،17}. وهنا، نعالج هذه المسائل من خلال إظهار نهج اصطناعي يسفر عن سيطرة مستقلة على كل من البعد العنقودي وتكوين المواد النانوية المنغنيز الفريتية.

ويوفر هذا العمل أيضا وسيلة للتغلب على الاستقرار الغرواني الفقير للمواد النانوية الفريتية18,19,20. الجسيمات النانوية المغناطيسية هي عموما عرضة لتجميع بسبب جذب الجسيمات الجسيم قوية; فيريت تعاني أكثر من هذه المشكلة كما أكبر المغناطيسية صافي تضخيم تجميع الجسيمات. وفي الوسائط البيولوجية ذات الصلة، تنتج هذه المواد مجاميع كبيرة بما يكفي لجمعها بسرعة، مما يحد من طرق تعرضها للحيوانات أو البشر 20,21,22. ووجد هيلت وآخرون نتيجة أخرى لتجميع الجسيمات الجسيمية في دراستهم للتدفئة المغناطيسية وتدهور ^{الصبغة23}. وفي تركيزات الجسيمات الأعلى قليلا، أو زيادة وقت التعرض للحقل، انخفضت فعالية المواد مع تجميع المواد مع مرور الوقت وانخفاض مساحات سطح الجسيمات النشطة. وستستفيد هذه التطبيقات وغيرها من الأسطح العنقودية المصممة لتوفير حواجز ستيرية تحول دون التفاعلات بين الجسيمات ^{والجسيمات24,25}.

هنا نبلغ عن نهج اصطناعي لتجميع مجموعات فيريت المنغنيز (MFCs) ذات الأبعاد والتكوين القابل للتحكم. هذه الجسيمات متعددة المجالات تتكون من تجميع البلورات النانوية المنغنيز الأولية الفريت التي يتم تجميعها الثابت. الارتباط الوثيق للبلورات النانوية الأولية يعزز خصائصها المغناطيسية ويوفر لحجم الكتلة الكلية، 50-300 نانومتر، مطابقة بشكل جيد للأبعاد المثلى للطب النانوي. عن طريق تغيير كمية المياه وسلائف كلوريد المنغنيز، يمكننا التحكم بشكل مستقل في القطر الإجمالي وتكوينها. تستخدم هذه الطريقة ردود فعل حرارية مائية بسيطة وفعالة ذات وعاء واحد تسمح بالتجريب المتكرر وتحسين المواد. ويمكن تنقية هذه MFCs بسهولة إلى محلول منتج مركز ، والذي يتم تعديله بشكل أكبر بواسطة البوليمرات السلفونات التي تضفي الاستقرار الغرواني. إن قابليتها للتونة وتوحيدها واستقرار مرحلة الحل كلها ميزات ذات قيمة كبيرة في تطبيقات المواد النانوية في الهندسة الطبية الحيوية والبيئية.

Protocol

1. تركيب MFCs مع السيطرة على القطر الكلي لMFCs وتكوين الفريت

1. غسل وتجفيف جميع الأواني الزجاجية تماما لاستخدامها في التوليف. تؤثر كمية المياه في التركيب على أبعاد الشركات متعددة الأجهزة متعددة الأجهزة ، لذلك من الأهمية بمكان ضمان عدم وجود مياه متبقية في الأواني الزجاجية في ^it16،26.
   1. لغسل الأواني الزجاجية، اشطف بالماء والمنظفات وفرك بفرشاة قارورة لإزالة الحطام. شطف جيدا لإزالة جميع المنظفات والانتهاء مع شطف من الماء deionized.
   2. لتجفيف الأواني الزجاجية، هز قطرات الماء من سطح الأواني الزجاجية ووضعها في فرن في 60 درجة مئوية حتى تجف تماما.
   3. شطف المفاعلات المبطنة بالبوليفينيلين (PPL) بحمض هيدروكلوريك بنسبة 37٪ لإزالة أي حطام من الاستخدام السابق. للقيام بذلك، ضع المفاعلات وقبعاتها في كوب كبير وملئها بحمض الهيدروكلوريك حتى تغمر المفاعلات بالكامل. دع هذا الجلوس لمدة 30 دقيقة قبل صب حمض الهيدروكلوريك. شطف باستمرار الكأس التي تحتوي على المفاعلات بالماء لمدة 1-2 دقيقة، ومن ثم وضع المفاعلات في الفرن لتجف.
2. استخدم ماصة أوتوماتيكية لنقل 20 مل من جلايكول الإيثيلين إلى كوب سعة 50 مل مع شريط تحريك مغناطيسي.
3. وزن الكمية المطلوبة من كلوريد الحديد (III) (_FeCl3·_6H2O، صلبة) لتحقيق تركيز نهائي من 1.3 mM وإضافته إلى الكأس. ضعي الكأس على لوحة تحريك واقلبيها على 480 دورة في الدقيقة للبدء في التحريك المستمر للكاتب.
   ملاحظة: بما أن هذا هو هيدرات، يجب قياسه وإضافته بسرعة لتجنب امتصاص المياه غير المرغوب فيه من الهواء المحيط.
4. وزن 250 ملغ من حمض البولي أكريليك (PAA، ميغاواط ~ 6000، مسحوق) وإضافته إلى الكأس. بعد إضافة PAA ، يصبح الحل معتما وأخف قليلا في اللون.
5. وزن 1.2 غرام من اليوريا (CO(_NH2)₂، مسحوق) وإضافته إلى الكأس.
6. باستخدام ماصة، إضافة 0.7 mM المنغنيز (II) كلوريد (MnCl2·_6H2O aq، 3.5 M، 0.2 مل) إلى الكأس.
7. وأخيرا، باستخدام ماصة إضافة الكمية المطلوبة (0.5 مل) من المياه فائقة النقاء إلى الكأس.
8. دع الحل يحرك لمدة 30 دقيقة ولاحظ تغير اللون. وسوف يقدم بلون برتقالي شفاف ومظلم.
9. نقل خليط التفاعل إلى مفاعل البوليفينيلين المبطن (PPL). لاحظ أنه بعد أن أثار الحل بعض المواد الصلبة قد تراكمت على جانبي الكأس.
   1. استخدام المغناطيس (مكعب مغناطيس الأرض النادرة الدائمة، 40 × 40 × 20 ملم، ويشار إليها فيما بعد باسم "المغناطيس" لجميع إجراءات الفصل وجمع المغناطيسي) لسحب شريط ضجة حول جدران الكأس لضمان أي المواد الصلبة التي تراكمت على الجانبين يتم تفريقها في حل رد الفعل.
   2. بمجرد خلط الحل وجاهزة، نقله إلى مفاعل PPL مبطنة 50 مل.
   3. استخدام المشبك ورافعة لختم المفاعل في الأوتوكلاف الفولاذ المقاوم للصدأ بإحكام قدر الإمكان. المشبك وعاء المفاعل إلى سطح مستقر، واستخدام قضيب إدراجها في الغطاء كرافعة، ودفع المفاعل لختم. لاحظ أن المفاعل المغلق لا ينبغي أن يكون قادرا على فتحه باليد. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن بيئة الضغط العالي في الفرن تتطلب ختما محكما على المفاعل.
10. ضع المفاعل في فرن لمدة 20 ساعة عند 215 درجة مئوية.
11. بعد الانتهاء من التفاعل الحراري المائي، قم بإزالة المفاعل من الفرن واتركه يبرد إلى درجة حرارة الغرفة. ضغط الفرن سيمكن المفاعل من أن يفتح باليد. لاحظ أنه في هذه المرحلة، سيحتوي المفاعل على منتج MFC المنتشر في جلايكول الإيثيلين مع شوائب أخرى، مثل البوليمر غير المتفاعل، وسيكون محلولا أسود معتما. سيتم عزل المنتج في الخطوات التالية.

2. الفصل المغناطيسي وتنقية MFCs

1. ضع 200 ملغ من الصوف الفولاذي في قارورة زجاجية. ملء قارورة الزجاج في منتصف الطريق مع خليط رد الفعل من المفاعل. ملء بقية القارورة مع الأسيتون ويهز جيدا. لاحظ أن الصوف الصلب يزيد من قوة المجال المغناطيسي في القارورة وسيساعد على الفصل المغناطيسي للنانوكستر من المحلول.
2. ضع القارورة على مغناطيس لجمع المغناطيسي أن يحدث. والنتيجة ستكون حلا شفافا مع عجل في الجزء السفلي.
   1. صب قبالة محلول supernatant في حين أن محاصرين مغناطيسيا MFCs من قبل الصوف الصلب عن طريق عقد المغناطيس إلى الجزء السفلي من القارورة أثناء صب. سيتم إزالة جلايكول الإيثيلين في الغالب في هذه الخطوة.
   2. ابدأ الغسيل مع انخفاض نسبة الأسيتون إلى الماء وزيادة النسبة في يغسل اللاحقة حتى نقية. القيام بذلك 3-4 مرات.
3. إزالة القارورة من المغناطيس وملئها بالماء. يهز جيدا لإذابة MFCs. الآن سيتم توزيع المنتج بالكامل في الماء.
4. كرر الخطوتين السابقتين عدة مرات حتى الحل المائي للMFCs تنتج أي فقاعات عندما اهتزت. والنتيجة ستكون مظلمة، مبهمة ferrofluid التي سوف تستجيب بقوة للمغناطيس.
   ملاحظة: في توليفة نموذجية مع 20 مل من جلايكول الإيثيلين، سيتم الحصول على ما يقرب من 80 ملغ من منتج MFC.

3. التشغيل السطحي ل MFCs نحو استقرار غروي فائق الارتفاع

ملاحظة: تركيب نيترو الدوبامين وبولي (AA-CO-AMPS-CO-PEG) يمكن العثور عليها في عملنا ^{السابق16}. يرصد copolymer من خلال البلمرة الراديكالية الحرة. إضافة 0.20 غرام من 2,2′-Azobis(2-ميثيل بروبيونتريل) (AIBN), 0.25 غرام من حمض الاكريليك (AA), 0.75 غرام من 2-أكريلام حمض سلفونيك ميثيل بروبان (AMPS)، و1.00 غرام من بولي (الإيثيلين غليكول) الميثيل الأثير أكريلات (PEG) في 10 مل من N،N-Dimethylformamide (DMF). سخني الخليط في حمام مائي 70 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة ونقله إلى كيس غسيل الكلى (غشاء السليلوز، 3 كيلودا) في الماء. نسبة الوزن AA، AMPS، و PEG هي 1:3:4. البلمرة لهذه مونومرات لديها معدل تحويل 100٪ كما أكد من تجميد التجفيف والوزن.

1. الجمع بين 10 مل من الجسيمات النانوية المنقى (حوالي 100 ملغ) في قارورة 20 مل مع 10 مل من N-[2-(3,4-dihydroxyphenyl)إيثيل]نيتراميد (نيترو الدوبامين) حل (~1 ملغم/مل). انتظر لمدة 5 دقائق.
2. غسل نيترو الدوبامين المغلفة MFCs باستخدام الفصل المغناطيسي. صب خارج العملاق شاحب أصفر. يضاف الماء ويهز بقوة. ثم، صب الماء باستخدام المغناطيس للاحتفاظ بالمنتج. كرر هذا الغسيل عدة مرات تاركا المجموعة البني الداكن في القارورة.
   ملاحظة: إعداد محلول مائي بتركيز 20 ملغم/مل، ومحلول عازل بتركيز 100 ملغم/مل، ومحلول بوليمر بولي (AA-co-AMPS-co-PEG) بتركيز 20 ملغم/مل.
3. مزيج 1 مل من حل EDC، 1 مل من العازلة MES، و 3 مل من محلول البوليمر. يحرك المزيج بخفة، ويترك لمدة 5 دقائق تقريبا. وينبغي أن يكون حلا واضحا وعديم اللون عندما مجتمعة تماما.
4. أضف هذا الخليط إلى مجموعة MFC وضع القارورة في حمام جليدي. خفض سونيكاتور التحقيق في الحل، ومن ثم تشغيله (250 واط من الطاقة في 20 كيلوهرتز).
   1. بعد 5 دقائق من العلاج سونيكيشن، إضافة ما يقرب من 5 مل من المياه فائقة النقي إلى القارورة في حين أن sonicator لا يزال قيد التشغيل. مواصلة رصد السفينة لضمان عدم تسرب أي منتج. الحفاظ على الجليد في خليط الماء المثلج وبعض الجليد الأولي سوف تذوب بسبب كثافة ونحر سونيكيشن.
   2. السماح للخليط sonicate لمدة 25 دقيقة إضافية، ليصبح المجموع 30 دقيقة.
5. ضع القارورة فوق المغناطيس لفصل MFCs وصب محلول supernatant.
6. غسل MFCs المعدلة مع الماء deionized عدة مرات.
7. املأ القارورة التي تحتوي على MFCs بالمياه فائقة النقاء. ماصة هذا السائل في نظام الترشيح فراغ مع مرشح غشاء البولي إيثرسلفون 0.1 ميكرومتر لإزالة أي MFCs مجمعة بشكل لا رجعة فيه.
8. فراغ تصفية الحل. كرر هذه العملية 2-3 مرات. وستكون النتيجة محلول مائي منقى من MFCs أحادية التشتت.
   ملاحظة: سيتم تجميع 10٪ تقريبا من المنتج بشكل لا رجعة فيه، وستبقى هذه المادة على الفلتر ويجب التخلص منها.

النتائج

بعد المعالجة الحرارية المائية ، يتحول خليط التفاعل إلى تشتت أسود لزج كما يمكن رؤيته في الشكل 1. ما ينتج بعد تنقية هو محلول MFC مركزة للغاية التي تتصرف مثل ferrofluid. السائل في القارورة يستجيب في غضون ثوان عندما وضعت بالقرب من المغناطيس المحمولة (<0.5 T)، وتشكيل كتلة سوداء العيان الت?...

Discussion

يوضح هذا العمل توليفة بوليول معدلة من بلورات نانوية منغنيز فيريت مجمعة معا في مجاميع نانوية ^موحدة29. في هذا التوليف، الحديد (III) كلوريد والمنغنيز (II) كلوريد الخضوع لرد فعل التحلل المائي القسري والحد، وتشكيل الجزيئية MnxFe3-xO4. تشكل جزيئات الفريت هذه بلورات ن...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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