Suspensions aqueuses stables d’amas de ferrite de manganèse avec dimension et composition à l’échelle nanométrique accordable

Résumé

Nous rapportons une synthèse hydrothermale à un pot d’amas de ferrite de manganèse (MFC) qui offre un contrôle indépendant sur la dimension et la composition du matériau. La séparation magnétique permet une purification rapide tandis que la fonctionnalisation de surface à l’aide de polymères sulfonés garantit que les matériaux ne sont pas agrégés dans un milieu biologiquement pertinent. Les produits qui en résultent sont bien positionnés pour les applications biomédicales.

Résumé

Les amas de ferrite de manganèse (MFC) sont des assemblages sphériques de dizaines à des centaines de nanocristaux primaires dont les propriétés magnétiques sont précieuses dans diverses applications. Nous décrivons ici comment former ces matériaux dans un processus hydrothermal qui permet le contrôle indépendant de la taille de la grappe de produits (de 30 à 120 nm) et de la teneur en manganèse du matériau résultant. Des paramètres tels que la quantité totale d’eau ajoutée au milieu réactionnel alcoolique et le rapport du manganèse au précurseur de fer sont des facteurs importants pour obtenir plusieurs types de produits à l’échelle nanométrique MFC. Une méthode de purification rapide utilise la séparation magnétique pour récupérer les matériaux, ce qui rend la production de grammes de nanomatériaux magnétiques très efficace. Nous surmontons le défi de l’agrégation magnétique des nanomatériaux en appliquant des polymères sulfonates hautement chargés à la surface de ces nanomatériaux, produisant des MFC colloïdaux stables qui restent non agrégeants même dans des environnements très salins. Ces matériaux non agrégeants, uniformes et accordables sont d’excellents matériaux potentiels pour des applications biomédicales et environnementales.

Introduction

L’inclusion de manganèse comme dopant dans un réseau d’oxyde de fer peut, dans les conditions appropriées, augmenter l’aimantation du matériau à des champs appliqués élevés par rapport aux oxydes de fer purs. En conséquence, les nanoparticules de ferrite de manganèse (MnxFe3-xO4) sont des nanomatériaux magnétiques hautement souhaitables en raison de leur aimantation à saturation élevée, de leur forte réponse aux champs externes et de leur faible cytotoxicité1,2,3,4,5. Les nanocristaux à domaine unique ainsi que les grappes de ces nanocristaux, appelés particules multidomaines, ont été étudiés dans diverses applications biomédicales, y compris l’administration de médicaments, l’hyperthermie magnétique pour le traitement du cancer et l’imagerie par résonance magnétique (IRM)^6,7,8. Par exemple, le groupe Hyeon en 2017 a utilisé des nanoparticules de ferrite de manganèse à domaine unique comme catalyseur Fenton pour induire une hypoxie cancéreuse et a exploité le contraste _T2 du matériau pour le suivi ^IRM9. Il est surprenant à la lumière de ces études et d’autres études positives sur les matériaux ferrites qu’il y ait peu de démonstrations in vivo par rapport aux nanomatériaux d’oxyde de fer pur (_Fe3O4), et aucune application signalée chez l’homme9,10.

Un immense défi rencontré dans la traduction des caractéristiques des nanomatériaux de ferrite dans la clinique est la génération de grappes uniformes, non agrégées, à l’échelle nanométrique11,12,13,14. Alors que les approches synthétiques conventionnelles des nanocristaux monodomaines sont bien développées, les groupes multidomaines du type d’intérêt pour ce travail ne sont pas facilement produits de manière uniforme et ^{contrôlée15,16}. De plus, la composition en ferrite est généralement non stœchiométrique et n’est pas simplement liée à la concentration initiale des précurseurs, ce qui peut obscurcir davantage la caractérisation systématique structure-fonction de ces matériaux9,12,13,17. Ici, nous abordons ces questions en démontrant une approche synthétique qui permet un contrôle indépendant sur la dimension de l’amas et la composition des nanomatériaux de ferrite de manganèse.

Ce travail fournit également un moyen de surmonter la faible stabilité colloïdale des nanomatériaux de ferrite18,19,20. Les nanoparticules magnétiques sont généralement sujettes à l’agrégation en raison de la forte attraction particule-particule; les ferrites souffrent davantage de ce problème car leur plus grande magnétisation nette amplifie l’agrégation des particules. Dans les milieux biologiques pertinents, ces matériaux produisent des agrégats suffisamment gros pour qu’ils les collectent rapidement, limitant ainsi leurs voies d’exposition aux animaux ou aux personnes20,21,22. Hilt et al. ont trouvé une autre conséquence de l’agrégation particule-particule dans leur étude du chauffage magnétothermique et de la dégradation des ^colorants23. À des concentrations de particules légèrement plus élevées ou à un temps d’exposition accru au champ, l’efficacité des matériaux a été réduite à mesure que les matériaux s’agrègent au fil du temps et que les surfaces des particules actives diminuent. Ces applications et d’autres bénéficieraient de surfaces de grappes conçues pour fournir des barrières stériques qui empêchaient les interactions ^{particule-particule24,25}.

Nous rapportons ici une approche synthétique pour synthétiser des amas de ferrite de manganèse (MFC) avec des dimensions et une composition contrôlables. Ces particules multidomaines sont constituées d’un assemblage de nanocristaux primaires de ferrite de manganèse qui sont agrégés durement; l’association étroite des nanocristaux primaires améliore leurs propriétés magnétiques et fournit une taille globale de grappe, 50-300 nm, bien adaptée aux dimensions optimales pour une nanomédecine. En modifiant la quantité d’eau et de précurseur de chlorure de manganèse, nous pouvons contrôler indépendamment le diamètre total et la composition. La méthode utilise des réactions hydrothermales simples et efficaces à un pot qui permettent des expérimentations fréquentes et l’optimisation des matériaux. Ces MFC peuvent être facilement purifiés en une solution de produit concentrée, qui est ensuite modifiée par des polymères sulfonés qui confèrent une stabilité colloïdale. Leur accordabilité, leur uniformité et leur stabilité de phase de solution sont toutes des caractéristiques d’une grande valeur dans les applications des nanomatériaux en génie biomédical et environnemental.

Protocole

1. Synthèse des MFC avec contrôle du diamètre total et de la composition en ferrite des MFC

1. Lavez et séchez soigneusement toute la verrerie à utiliser dans la synthèse. La quantité d’eau dans la synthèse a un impact sur les dimensions des MFC, il est donc crucial de s’assurer que la verrerie ne contient pas d’eau ^{résiduelle16,26}.
   1. Pour laver la verrerie, rincer à l’eau et au détergent et frotter avec une brosse à flacon pour enlever les débris. Rincer abondamment pour enlever tout le détergent et terminer avec un rinçage à l’eau désionisée.
   2. Pour sécher la verrerie, secouez les gouttelettes d’eau de la surface de la verrerie et placez-les dans un four à 60 °C jusqu’à ce qu’elles soient complètement sèches.
   3. Rincer les réacteurs revêtus de polyphénylène (PPL) avec 37% d’acide chlorhydrique pour éliminer les débris d’une utilisation antérieure. Pour ce faire, placez les réacteurs et leurs bouchons dans un grand bécher et remplissez-les d’acide chlorhydrique jusqu’à ce que les réacteurs soient complètement submergés. Laissez reposer pendant 30 minutes avant de verser l’acide chlorhydrique. Rincez continuellement le bécher contenant les réacteurs avec de l’eau pendant 1 à 2 minutes, puis placez les réacteurs dans le four pour qu’ils sèchent.
2. Utilisez une pipette automatique pour transférer 20 mL d’éthylène glycol dans un bécher de 50 mL avec une barre d’agitation magnétique.
3. Peser la quantité requise de chlorure de fer(III) (_FeCl3·_6H2O, solide) pour atteindre une concentration finale de 1,3 mM et l’ajouter au bécher. Placez le bécher sur une plaque à remuer et allumez-le à 480 tr/min pour commencer à remuer continuellement le bécher.
   REMARQUE: Comme il s’agit d’un hydrate, il doit être mesuré et ajouté rapidement pour éviter l’absorption indésirable de l’eau de l’air ambiant.
4. Peser 250 mg d’acide polyacrylique (PAA, Mw ~ 6 000, poudre) et l’ajouter au bécher. Après l’ajout de PAA, la solution devient opaque et légèrement plus claire.
5. Peser 1,2 g d’urée (CO(_NH2)₂, poudre) et l’ajouter au bécher.
6. À l’aide d’une pipette, ajouter 0,7 mM de chlorure de manganèse(II) (_MnCl2·_6H2O aq, 3,5 M, 0,2 mL) au bécher.
7. Enfin, à l’aide d’une pipette, ajoutez la quantité requise (0,5 mL) d’eau ultra-pure dans le bécher.
8. Laissez la solution remuer pendant 30 min et remarquez le changement de couleur. Il se présentera sous la forme d’une couleur orange foncé translucide.
9. Transférer le mélange réactionnel dans le réacteur revêtu de polyphénylène (PPL). Notez qu’une fois la solution agitée, certains solides peuvent s’être accumulés sur les côtés du bécher.
   1. Utilisez un aimant (aimant cubique permanent de terres rares, 40 x 40 x 20 mm, ci-après dénommé « aimant » pour toutes les procédures de séparation et de collecte magnétique) pour faire glisser la barre d’agitation autour des parois du bécher afin de s’assurer que les solides qui se sont accumulés sur les côtés sont dispersés dans la solution réactionnelle.
   2. Une fois la solution mélangée et prête, transférez-la dans le réacteur revêtu de PPL de 50 mL.
   3. Utilisez une pince et un levier pour sceller le réacteur dans l’autoclave en acier inoxydable aussi étroitement que possible. Serrez la cuve du réacteur à une surface stable et, à l’aide d’une tige insérée dans le capuchon comme levier, poussez le réacteur à sceller. Notez que le réacteur scellé ne doit pas pouvoir être ouvert à la main. Ceci est crucial car l’environnement à haute pression du four nécessite une étanchéité étanche sur le réacteur.
10. Placer le réacteur dans un four pendant 20 h à 215 °C.
11. Une fois la réaction hydrothermale terminée, retirez le réacteur du four et laissez-le refroidir à la température ambiante. La pression du four permettra d’ouvrir le réacteur à la main. Notez qu’à ce stade, le réacteur contiendra le produit MFC dispersé dans l’éthylène glycol avec d’autres impuretés, telles que le polymère non réagi, et sera une solution noire opaque. Le produit sera isolé dans les étapes suivantes.

2. Séparation magnétique et purification des MFC

1. Placer 200 mg de laine d’acier dans un flacon en verre. Remplissez le flacon de verre à mi-chemin avec le mélange réactionnel du réacteur. Remplissez le reste du flacon d’acétone et secouez bien. Notez que la laine d’acier augmente l’intensité du champ magnétique dans le flacon et aidera à la séparation magnétique des nanoclusters de la solution.
2. Placez le flacon sur un aimant pour que la collecte magnétique se produise. Le résultat sera une solution translucide avec précipité au fond.
   1. Versez la solution surnageante pendant que les MFC sont piégés magnétiquement par la laine d’acier en maintenant l’aimant au fond du flacon pendant le versement. L’éthylène glycol sera principalement éliminé à cette étape.
   2. Commencez le lavage avec le faible rapport acétone/eau et augmentez le rapport dans les lavages suivants jusqu’à ce qu’ils soient purs. Faites-le 3-4 fois.
3. Retirez le flacon de l’aimant et remplissez-le d’eau. Bien agiter pour dissoudre les MFC. Maintenant, le produit sera complètement dispersé dans l’eau.
4. Répétez les deux étapes précédentes plusieurs fois jusqu’à ce que la solution aqueuse des MFC ne produise pas de bulles lorsqu’elle est secouée. Le résultat sera un ferrofluide sombre et opaque qui répondra fortement aux aimants.
   REMARQUE: Dans une synthèse typique avec 20 mL d’éthylène glycol, environ 80 mg de produit MFC seront obtenus.

3. Fonctionnalisation de surface des MFC vers une stabilité colloïdale ultra-élevée

REMARQUE: La synthèse de nitro-dopamine et de Poly(AA-co-AMPS-co-PEG) peut être trouvée dans nos travaux ^{précédents16}. Le copolymère est fabriqué par polymérisation radicalaire. Ajouter 0,20 g de 2,2′-Azobis(2-méthylpropionitrile) (AIBN), 0,25 g d’acide acrylique (AA), 0,75 g d’acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS) et 1,00 g d’acrylate de poly(éthylène glycol) éther méthylique (PEG) dans 10 mL de N,N-diméthylformamide (DMF). Chauffer le mélange dans un bain-marie à 70 °C pendant 1 h et le transférer dans un sac de dialyse (membrane cellulosique, 3 kDa) dans de l’eau. Le rapport pondéral de AA, AMPS et PEG est de 1:3:4. La polymérisation de ces monomères a un taux de conversion de 100%, confirmé par la lyophilisation et la pesée.

1. Mélanger 10 mL de nanoparticules purifiées (environ 100 mg) dans un flacon de 20 mL avec 10 mL de solution saturée de N-[2-(3,4-dihydroxyphényl)éthyl]nitramide (nitro-dopamine) (~1 mg/mL). Attendez 5 min.
2. Lavez les MFC enduits de nitro-dopamine à l’aide d’une séparation magnétique. Versez le surnageant jaune pâle. Ajouter de l’eau et agiter vigoureusement. Ensuite, versez de l’eau à l’aide de l’aimant pour retenir le produit. Répétez ce lavage plusieurs fois en laissant la collection brun foncé dans le flacon.
   REMARQUE: Préparer une solution aqueuse à une concentration de 20 mg/mL, une solution tampon à une concentration de 100 mg/mL et une solution polymère poly(AA-co-AMPS-co-PEG) à une concentration de 20 mg/mL.
3. Mélanger 1 mL de solution d’EDC, 1 mL de tampon MES et 3 mL de solution polymère. Remuer légèrement en faisant tourbillonner le mélange et laisser reposer pendant environ 5 min. Il devrait s’agir d’une solution claire et incolore lorsqu’elle est entièrement combinée.
4. Ajouter ce mélange à la collection MFC et placer le flacon dans un bain de glace. Abaissez le sondeur de sonde dans la solution, puis allumez-le (250 watts de puissance à 20 kHz).
   1. Après un traitement de sonication de 5 minutes, ajoutez environ 5 mL d’eau ultra-pure au flacon pendant que le sonicator est encore en marche. Continuer de surveiller le navire pour s’assurer qu’aucun produit ne se déverse. Maintenez la glace dans le mélange glace-eau car une partie de la glace initiale fondra en raison de l’intensité et de la chaleur de la sonication.
   2. Laisser le mélange soniquer pendant 25 minutes supplémentaires, pour un total de 30 minutes.
5. Placez le flacon sur un aimant pour séparer les MFC et verser la solution surnageante.
6. Lavez plusieurs fois les MFC modifiés avec de l’eau désionisée.
7. Remplissez le flacon contenant les MFC avec de l’eau ultra-pure. Pipette ce fluide dans un système de filtration sous vide avec un filtre à membrane de polyéthersulfone de 0,1 μm pour éliminer tout MFC agrégé de manière irréversible. Assurez-vous de rincer les parois de l’entonnoir pour minimiser toute perte de produit.
8. Filtrez la solution sous vide. Répétez ce processus 2-3 fois. Le résultat sera une solution aqueuse purifiée de MFC monodispersés.
   REMARQUE: Environ 10% du produit sera agrégé de manière irréversible et ce matériau restera sur le filtre et devra être jeté.

Résultats

Après traitement hydrothermal, le mélange réactionnel se transforme en une dispersion noire visqueuse comme on peut le voir sur la figure 1. Ce qui résulte après la purification est une solution MFC hautement concentrée qui se comporte comme un ferrofluide. Le fluide dans le flacon réagit en quelques secondes lorsqu’il est placé près d’un aimant portatif (<0,5 T), formant une masse noire macroscopique qui peut être déplacée lorsque l’aimant est placé à différents endroit...

Discussion

Ce travail démontre une synthèse polyol modifiée de nanocristaux de ferrite de manganèse regroupés en agrégats uniformes à l’échelle ^{nanométrique29}. Dans cette synthèse, le chlorure de fer(III) et le chlorure de manganèse(II) subissent une réaction d’hydrolyse forcée et une réduction, formant du MnxFe3-xO4 moléculaire. Ces molécules de ferrite forment des nanocristaux primaires sous haute température et haute pression dans les réact...

matériels

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