Suspensiones acuosas estables de grupos de ferrita de manganeso con dimensión y composición a nanoescala sintonizables

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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.

Protocolo

1. Síntesis de MFC con control sobre el diámetro total y la composición de ferritas de los MFC

1. Lavar y secar bien toda la cristalería que se utilizará en la síntesis. La cantidad de agua en la síntesis afecta las dimensiones de los MFC, por lo que es crucial asegurarse de que la cristalería no tenga agua ^{residual16,26}.
   1. Para lavar la cristalería, enjuague con agua y detergente y frote con un cepillo de matraz para eliminar los desechos. Enjuague bien para eliminar todo el detergente y termine con un enjuague con agua desionizada.
   2. Para secar la cristalería, agite las gotas de agua de la superficie de la cristalería y colóquelas en un horno a 60 ° C hasta que estén completamente secas.
   3. Enjuague los reactores revestidos de polifenileno (PPL) con ácido clorhídrico al 37% para eliminar cualquier residuo del uso anterior. Para hacer esto, coloque los reactores y sus tapas en un vaso de precipitados grande y llénelo con ácido clorhídrico hasta que los reactores estén completamente sumergidos. Deje reposar durante 30 minutos antes de verter el ácido clorhídrico. Enjuague continuamente el vaso de precipitados que contiene los reactores con agua durante 1-2 minutos, y luego coloque los reactores en el horno para que se sequen.
2. Utilice una pipeta automática para transferir 20 ml de etilenglicol a un vaso de precipitados de 50 ml con una barra de agitación magnética.
3. Pesar la cantidad requerida de cloruro de hierro (III) (_FeCl3·_6H2O, sólido) para lograr una concentración final de 1,3 mM y añadirlo al vaso de precipitados. Coloque el vaso de precipitados en una placa de agitación y enciéndalo a 480 rpm para comenzar la agitación continua del vaso de precipitados.
   NOTA: Como se trata de un hidrato, debe medirse y agregarse rápidamente para evitar la absorción no deseada de agua del aire ambiente.
4. Pesar 250 mg de ácido poliacrílico (PAA, Mw ~ 6,000, polvo) y agregarlo al vaso de precipitados. Después de la adición de PAA, la solución se vuelve opaca y de color ligeramente más claro.
5. Pesar 1,2 g de urea (CO(_NH2)₂, polvo) y añadirlo al vaso de precipitados.
6. Usando una pipeta, agregue 0.7 mM de cloruro de manganeso (II) (_MnCl2·_6H2O aq, 3.5 M, 0.2 mL) al vaso de precipitados.
7. Finalmente, usando una pipeta agregue la cantidad requerida (0.5 mL) de agua ultra pura al vaso de precipitados.
8. Deje que la solución se revuelva durante 30 minutos y observe el cambio de color. Se presentará como un color translúcido, naranja oscuro.
9. Transfiera la mezcla de reacción al reactor revestido de polifenileno (PPL). Tenga en cuenta que después de que la solución se haya agitado, algunos sólidos pueden haberse acumulado en los lados del vaso de precipitados.
   1. Use un imán (imán cúbico permanente de tierras raras, 40 x 40 x 20 mm, en lo sucesivo denominado "imán" para todos los procedimientos de separación y recolección magnética) para arrastrar la barra de agitación alrededor de las paredes del vaso de precipitados para garantizar que los sólidos que se hayan acumulado en los lados se dispersen en la solución de reacción.
   2. Una vez que la solución esté mezclada y lista, transfiérala al reactor revestido de PPL de 50 ml.
   3. Utilice una abrazadera y una palanca para sellar el reactor en el autoclave de acero inoxidable lo más firmemente posible. Sujete el recipiente del reactor a una superficie estable y, utilizando una varilla insertada en la tapa como palanca, empuje el reactor para que se selle. Tenga en cuenta que el reactor sellado no debe poder abrirse a mano. Esto es crucial ya que el entorno de alta presión del horno requiere un sello hermético en el reactor.
10. Coloque el reactor en un horno durante 20 h a 215 °C.
11. Una vez realizada la reacción hidrotermal, retire el reactor del horno y deje que se enfríe a temperatura ambiente. La presión del horno permitirá que el reactor se abra a mano. Tenga en cuenta que en este punto, el reactor contendrá el producto MFC disperso en etilenglicol con otras impurezas, como el polímero no reaccionado, y será una solución negra opaca. El producto se aislará en los siguientes pasos.

2. Separación magnética y purificación de MFC

1. Coloque 200 mg de lana de acero en un vial de vidrio. Llene el vial de vidrio hasta la mitad con la mezcla de reacción del reactor. Llene el resto del vial con acetona y agite bien. Tenga en cuenta que la lana de acero aumenta la intensidad del campo magnético en el vial y ayudará a la separación magnética de los nanoclusters de la solución.
2. Coloque el vial en un imán para que se produzca la recolección magnética. El resultado será una solución translúcida con precipitado en la parte inferior.
   1. Vierta la solución sobrenadante mientras los MFC quedan atrapados magnéticamente por la lana de acero sosteniendo el imán en la parte inferior del vial mientras se vierte. El etilenglicol se eliminará principalmente en este paso.
   2. Comience a lavar con la baja proporción de acetona a agua y aumente la proporción en lavados posteriores hasta que esté puro. Haga esto 3-4 veces.
3. Retire el vial del imán y llénelo con agua. Agitar bien para disolver los MFC. Ahora el producto se dispersará completamente en agua.
4. Repita los dos pasos anteriores varias veces hasta que la solución acuosa de los MFC no produzca burbujas cuando se agita. El resultado será un ferrofluido oscuro y opaco que responderá fuertemente a los imanes.
   NOTA: En una síntesis típica con 20 mL de etilenglicol, se obtendrán aproximadamente 80 mg de producto MFC.

3. Funcionalización superficial de los MFC hacia una estabilidad coloidal ultra alta

NOTA: La síntesis de nitro-dopamina y Poly(AA-co-AMPS-co-PEG) se puede encontrar en nuestro trabajo ^anterior16. El copolímero se fabrica a través de la polimerización de radicales libres. Añadir 0,20 g de 2,2′-Azobis(2-metilpropionitrilo) (AIBN), 0,25 g de ácido acrílico (AA), 0,75 g de ácido 2-Acrylamido-2-metilpropano sulfónico (AMPS) y 1,00 g de acrilato de poli(etilenglicol) metil éter (PEG) en 10 ml de N,N-dimetilformamida (DMF). Calentar la mezcla en un baño de agua a 70 °C durante 1 h y transferirla a una bolsa de diálisis (membrana de celulosa, 3 kDa) en agua. La relación de peso de AA, AMPS y PEG es 1:3:4. La polimerización para estos monómeros tiene una tasa de conversión del 100% según lo confirmado por la liofilización y el pesaje.

1. Combine 10 ml de nanopartículas purificadas (alrededor de 100 mg) en un vial de 20 ml con 10 ml de solución saturada de N-[2-(3,4-dihidroxifenil)etil]nitramida (nitropa dopamina) (~1 mg/ml). Espere 5 min.
2. Lave los MFC recubiertos de nitro-dopamina mediante separación magnética. Vierta el sobrenadante amarillo pálido. Añadir agua y agitar vigorosamente. Luego, vierta agua usando el imán para retener el producto. Repita este lavado varias veces dejando la colección de color marrón oscuro en el vial.
   NOTA: Prepare una solución acuosa con una concentración de 20 mg/ml, una solución tampón con una concentración de 100 mg/ml y una solución de polímero poli(AA-co-AMPS-co-PEG) con una concentración de 20 mg/ml.
3. Mezcle 1 ml de solución de EDC, 1 ml de tampón MES y 3 ml de solución polimérica. Revuelva ligeramente removiendo la mezcla y déjela reposar durante aproximadamente 5 minutos. Debe ser una solución transparente e incolora cuando se combina completamente.
4. Agregue esta mezcla a la colección de MFC y coloque el vial en un baño de hielo. Baje el sonicador de sonda en la solución y, a continuación, enciéndalo (250 vatios de potencia a 20 kHz).
   1. Después de un tratamiento de sonicación de 5 minutos, agregue aproximadamente 5 ml de agua ultrapura al vial mientras el sonicador todavía está funcionando. Continúe monitoreando el recipiente para asegurarse de que no se derrame el producto. Mantenga el hielo en la mezcla de hielo y agua, ya que parte del hielo inicial se derretirá debido a la intensidad y el calor de la sonicación.
   2. Deje que la mezcla se sonice durante 25 minutos adicionales, para un total de 30 minutos.
5. Coloque el vial encima de un imán para separar los MFC y vierta la solución sobrenadante.
6. Lave los MFC modificados con agua desionizada varias veces.
7. Llene el vial que contiene los MFC con agua ultrapura. Pipetear este fluido en un sistema de filtración al vacío con un filtro de membrana de polietersulfona de 0,1 μm para eliminar cualquier MFC agregado irreversiblemente. Asegúrese de enjuagar las paredes del embudo para minimizar cualquier pérdida de producto.
8. Filtre al vacío la solución. Repita este proceso 2-3 veces. El resultado será una solución acuosa purificada de MFC monodispersados.
   NOTA: Aproximadamente el 10% del producto se agregará irreversiblemente y este material permanecerá en el filtro y debe desecharse.

Resultados

Después del tratamiento hidrotermal, la mezcla de reacción se convierte en una dispersión negra viscosa como se puede ver en la Figura 1. Lo que resulta después de la purificación es una solución de MFC altamente concentrada que se comporta como un ferrofluido. El líquido en el vial responde en cuestión de segundos cuando se coloca cerca de un imán de mano (<0.5 T), formando una masa negra macroscópica que se puede mover a medida que el imán se coloca en diferentes lugares.

Discusión

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...

Materiales

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