מתלים מימיים יציבים של אשכולות פריט מנגן עם ממד ננומטרי טונה והרכב

Summary

אנו מדווחים על סינתזה הידרותרמית של סיר אחד של אשכולות פריט מנגן (MFCs) המציע שליטה עצמאית על ממד החומר והרכב. הפרדה מגנטית מאפשרת טיהור מהיר בעוד פונקציונליזציה פני השטח באמצעות פולימרים גופרתיים מבטיח החומרים אינם צבירה במדיום רלוונטי ביולוגית. המוצרים המתקבלים ממוקמים היטב עבור יישומים ביו-רפואיים.

Abstract

אשכולות ברזל מנגן (MFCs) הם מכלולים כדוריים של עשרות עד מאות ננו-קריסטלים עיקריים שתכונותיהם המגנטיות יקרות ערך ביישומים מגוונים. כאן אנו מתארים כיצד ליצור חומרים אלה בתהליך הידרותרמי המאפשר שליטה עצמאית בגודל אשכול המוצר (מ 30 עד 120 ננומטר) ותכולת מנגן של החומר המתקבל. פרמטרים כגון כמות המים הכוללת שנוספה למדיית התגובה האלכוהולית והיחס בין מנגן למבשר ברזל הם גורמים חשובים להשגת סוגים מרובים של מוצרים ננומטריים MFC. שיטת טיהור מהירה משתמשת בהפרדה מגנטית כדי לשחזר את החומרים מה שהופך את הייצור של גרם של ננו מגנטי יעיל למדי. אנו מתגברים על האתגר של צבירת ננו-חומרים מגנטיים על ידי החלת פולימרים גופרתיים טעונים מאוד על פני השטח של ננו-חומרים אלה המניבים MFCs יציבים קולואידית שנותרו לא מצטברים אפילו בסביבות מלוחות מאוד. חומרים לא-צבירה, אחידים וטונה אלה הם חומרים פוטנציאליים מצוינים עבור יישומים ביו-רפואיים וסביבתיים.

Introduction

הכללת מנגן כסריג תחמוצת ברזל יכולה, בתנאים המתאימים, להגביר את המגנטיזציה של החומר בשדות מיושמים גבוהים בהשוואה לתחמוצות ברזל טהורות. כתוצאה מכך, חלקיקי מנגן פרייט (MnxFe3-xO4) הם ננו-חומרים מגנטיים רצויים ביותר בשל מגנטיזציה רוויה גבוהה שלהם, תגובה חזקה לשדות חיצוניים, וציטוקסיות נמוכה1,2,3,4,5. הן ננו-קריסטלים של תחום יחיד והן אשכולות של ננו-קריסטלים אלה, המכונים חלקיקים רב-תחומיים, נחקרו ביישומים ביו-רפואיים מגוונים, כולל אספקת תרופות, היפרתרמיה מגנטית לטיפול בסרטן והדמיה תהודה מגנטית (MRI)^6,7,8. לדוגמה, קבוצת Hyeon בשנת 2017 השתמשה חלקיקי פרייט מנגן דומיין יחיד כזרז פנטון כדי לגרום היפוקסיה סרטן וניצל את _T2contrast של החומר למעקב ^MRI9. זה מפתיע לאור אלה ומחקרים חיוביים אחרים של חומרים פריט כי יש מעט הדגמות vivo לעומת תחמוצת ברזל טהור (_Fe3O4) ננו, ואין יישומים מדווחים בבני ^אדם9,10.

אחד האתגרים העצומים העומדים בפני תרגום התכונות של ננו-חומרים של פריט למרפאה הוא יצירת אשכולות אחידים, לא מצטברים, ננומטריים11,12,13,14. בעוד גישות סינתטיות קונבנציונליות nanocrystals monodomain מפותחים היטב, אשכולות multidomain של סוג של עניין בעבודה זו אינם מיוצרים בקלות בצורה אחידה ^{ומבוקרת15,16}. בנוסף, הרכב פריט הוא בדרך כלל לא סטויצ'יומטרי ולא קשור רק לריכוז ההתחלתי של המבשרים וזה יכול לטשטש עוד יותר את אפיון המבנה-פונקציה השיטתי של חומרים אלה9,12,13,17. כאן, אנו מטפלים בנושאים אלה על ידי הדגמת גישה סינתטית שמניבה שליטה עצמאית הן על ממד האשכול והן על הרכב הננו-חומרים של מנגן פריט.

עבודה זו מספקת גם אמצעי להתגבר על היציבות הקולואידית הירודה של ננו-חומרים פריט18,19,20. חלקיקים מגנטיים נוטים בדרך כלל לצבירה עקב משיכת חלקיקים-חלקיקים חזקה; ferrites סובלים יותר מבעיה זו כמו מגנטיזציה נטו גדול שלהם מגביר את צבירת החלקיקים. במדיה הביולוגית הרלוונטית, חומרים אלה מניבים אגרגטים גדולים מספיק שהחומרים אוספים במהירות, ובכך מגבילים את נתיבי החשיפה שלהם לבעלי חיים או לאנשים20,21,22. Hilt et al. מצא תוצאה נוספת של צבירת חלקיקים במחקר שלהם של חימום מגנטותרמי וירידה ^צבע23. בריכוזים מעט גבוהים יותר של חלקיקים, או זמן חשיפה מוגבר לשדה, האפקטיביות של החומרים צומצמה ככל שהחומרים הצטברו לאורך זמן ואזורי פני החלקיקים הפעילים פחתו. יישומים אלה ואחרים ייהנו מפני שטחים מקבציים שנועדו לספק מחסומים סטריים שמנעו אינטראקציות בין חלקיקים-חלקיקים24,25.

כאן אנו מדווחים על גישה סינתטית לסנתז אשכולות פריט מנגן (MFCs) עם ממדים ניתנים לשליטה והרכב. חלקיקים מולטי-דומיינים אלה מורכבים הרכבה של ננו-קריסטלים מנגן פריט ראשוניים כי הם צבירה קשה; הקשר הקרוב של nanocrystals הראשי משפר את המאפיינים המגנטיים שלהם ומספק גודל אשכול כולל, 50-300 ננומטר, מותאם היטב לממדים האופטימליים עבור ננו-רפואה. על ידי שינוי כמות המים ומבשר הכלוריד המנגן, אנו יכולים לשלוט באופן עצמאי בקוטר ובהרכב הכלליים. השיטה משתמשת בתגובות הידרותרמיות פשוטות ויעילות של סיר אחד המאפשרות ניסויים תכופים ואופטימיזציה חומרית. ניתן לטהר בקלות את ה-MFCs האלה לתמיסת מוצר מרוכזת, אשר שונה עוד יותר על ידי פולימרים גופרתיים המעניקים יציבות קולואידית. הטונה, האחידות ויציבות שלב הפתרון שלהם הם כל התכונות בעלות ערך רב ביישומים של ננו-חומרים בהנדסה ביו-רפואית וסביבתית.

Protocol

1. סינתזה של MFCs עם שליטה על הקוטר הכולל של MFCs והרכב פריט

1. לשטוף ולייבש ביסודיות את כל כלי הזכוכית לשימוש בסינתזה. כמות המים בסינתזה משפיעה על הממדים של MFCs, ולכן חיוני להבטיח שלסכומי הזכוכית אין שאריות מים ^בו16,26.
   1. כדי לשטוף את כלי הזכוכית, לשטוף עם מים וחומר ניקוי ולשפשף עם מברשת בקבוקון כדי להסיר פסולת. יש לשטוף היטב כדי להסיר את כל חומרי הניקוי ולסיים בשטיפה של מים מתועדים.
   2. כדי לייבש את כלי הזכוכית, לנער טיפות מים מפני השטח של כלי הזכוכית ולהכניס לתנור ב 60 מעלות צלזיוס עד יבש לחלוטין.
   3. לשטוף את הכורים מצופים פוליפנילן (PPL) עם 37% חומצה הידרוכלורית כדי להסיר כל פסולת משימוש קודם. כדי לעשות זאת, מניחים את הכורים ואת כובעיהם בכוס גדולה ומלאים בחומצה הידרוכלורית עד שהכורים שקועים לחלוטין. תן לזה לשבת במשך 30 דקות לפני לשפוך את החומצה הידרוכלורית. לשטוף ברציפות את הכיס המכיל את הכורים עם מים במשך 1-2 דקות, ולאחר מכן למקם את הכורים בתנור להתייבש.
2. השתמש פיפטה אוטומטית להעביר 20 מל של אתילן גליקול לתוך 50 מל עם מוט ערבוב מגנטי.
3. שקול את הכמות הנדרשת של ברזל (III) כלוריד (_FeCl3·_6H2O, מוצק) כדי להשיג ריכוז סופי של 1.3 מ"מ ולהוסיף אותו לכיס. מניחים את הכיס על צלחת ערבוב ומפעילים אותה ב-480 סל"ד כדי להתחיל לערבב את הכיס.
   הערה: מכיוון שמדובר בהידרציה, יש למדוד אותו ולהוסיף אותו במהירות כדי למנוע ספיגה לא רצויה של מים מאוויר הסביבה.
4. שוקלים 250 מ"ג חומצה פוליאקרילית (PAA, Mw ~ 6,000, אבקה) ומוסיפים אותה לכוס. לאחר התוספת של PAA, הפתרון הופך אטום מעט בהיר יותר בצבע.
5. שוקלים 1.2 גרם אוריאה (CO(_NH2)₂, אבקה) ומוסיפים אותה לכיס.
6. בעזרת פיפטה, יש להוסיף לכלוריד מנגן (II) ב-0.7 מ"מ (_MnCl2·_6H2O aq, 3.5 מ', 0.2 מ"ל) ל-כף.
7. לבסוף, באמצעות pipette להוסיף את הכמות הנדרשת (0.5 מל) של מים טהורים במיוחד עבור.
8. תן לפתרון לערבב במשך 30 דקות ולשים לב לשינוי הצבע. הוא יוצג כצבע כתום שקוף וכהה.
9. מעבירים את תערובת התגובה לכור הפוליפנילן (PPL). שים לב כי לאחר הפתרון עורר כמה מוצקים ייתכן שהצטברו בצדי הכיס.
   1. השתמש במגנט (מגנט אדמה נדיר קבוע מעוקב, 40 x 40 x 20 מ"מ, המכונה להלן "מגנט" לכל הליכי ההפרדה והאיסוף המגנטי) כדי לגרור את מוט הערבוב סביב קירות הכיס כדי להבטיח שמוצקים שהצטברו בצדדים מפוזרים לפתרון התגובה.
   2. ברגע שהפתרון מעורבב ומוכן, העבר אותו לכור מצופה PPL 50 מ"ל.
   3. השתמש מהדק ומנוף כדי לאטום את הכור ב autoclave נירוסטה בחוזקה ככל האפשר. מהדקים את כלי הכור למשטח יציב, ובאמצעות מוט המוחדר למכסה כינוף, דוחפים את הכור לאטום. שים לב כי הכור האטום לא צריך להיות מסוגל להיפתח ביד. זה חיוני כמו הסביבה בלחץ גבוה של התנור דורש אטם הדוק על הכור.
10. מניחים את הכור בתנור במשך 20 שעות ב 215 °C (70 °F).
11. לאחר התגובה ההידרותרמית נעשית, להסיר את הכור מהתנור ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר. הלחץ של התנור יאפשר את הכור להיפתח ביד. שים לב כי בשלב זה, הכור יכיל את מוצר MFC מפוזר אתילן גליקול עם זיהומים אחרים, כגון פולימר לא נטען, ויהיה פתרון שחור אטום. המוצר יהיה מבודד בשלבים הבאים.

2. הפרדה מגנטית וטיהור של MFCs

1. מניחים 200 מ"ג של צמר פלדה לתוך בקבוקון זכוכית. מלא את בקבוקון הזכוכית באמצע הדרך עם תערובת התגובה מהכור. ממלאים את שאר הוויאל באצטון ומנערים היטב. שים לב כי צמר הפלדה מגביר את כוח השדה המגנטי בלוויה ויסייע בהפרדה מגנטית של nanoclusters מן הפתרון.
2. מניחים את הקרבון על מגנט כדי שהאוסף המגנטי יתרחש. התוצאה תהיה פתרון שקוף עם משקעים בתחתית.
   1. יוצקים את התמיסה supernatant בעוד MFCs לכודים מגנטית על ידי צמר הפלדה על ידי החזקת המגנט לתחתית של הקרבון בעת שפיכה. אתילן גליקול יוסר ברובו בשלב זה.
   2. התחל לשטוף עם היחס הנמוך של אצטון למים ולהגדיל את היחס בשטיפה הבאה עד טהור. תעשה את זה 3-4 פעמים.
3. מוציאים את הקרבון מהמגנט וממלאים אותו במים. לנער היטב כדי להמיס את MFCs. עכשיו המוצר יהיה מפוזר לחלוטין במים.
4. חזור על שני השלבים הקודמים מספר פעמים עד שהפתרון המימי של ה- MFCs אינו מייצר בועות בעת ניעור. התוצאה תהיה פרופלואיד כהה ואטומו שיגיב בעוצמה למגנטים.
   הערה: בסינתזה טיפוסית עם 20 מ"ל של אתילן גליקול, כ 80 מ ג של מוצר MFC יתקבל.

3. פונקציונליזציה פני השטח של MFCs לעבר יציבות קולואידית גבוהה במיוחד

הערה: הסינתזה של ניטרו-דופמין ופולי (AA-co-AMPS-co-PEG) ניתן למצוא בעבודה הקודמת ^שלנו16. הקופולימר מיוצר באמצעות פילמור רדיקלים חופשיים. יש להוסיף 0.20 גרם של 2,2′-אזובי (2-מתילפרופיוניטריל) (AIBN), 0.25 גרם חומצה אקרילית (AA), 0.75 גרם חומצה גופרתית 2-אקרילפידו-2-מתילפרופן (AMPS), ו-1.00 גרם פולי (אתילן גליקול) מתיל אתר אקרילט (PEG) ב-10 מ"ל של N-דימתילפורמיד (DMF). מחממים את התערובת באמבט מים של 70 מעלות צלזיוס למשך שעה אחת ומעבירים אותה לשקית דיאליזה (קרום תאית, 3 kDa) במים. יחס המשקל של AA, AMPS ו- PEG הוא 1:3:4. פילמור עבור מונומרים אלה יש שיעור המרה 100% כפי שאושר על ידי ייבוש קפוא ושקילה.

1. שלבו 10 מ"ל של חלקיקים מטוהרים (כ-100 מ"ג) במין 20 מ"ל עם 10 מ"ל של N-[2-(3,4-דיהידרוקסיפניל)אתיל]ניטראמיד (תמיסה ניטרו-דופמין) (~1 מ"ג/מ"ל). המתן 5 דקות.
2. לשטוף את MFCs מצופה ניטרו דופמין באמצעות הפרדה מגנטית. שפוך את הסופר-נט הצהוב-חיוור. מוסיפים מים ומנערים במרץ. לאחר מכן, לשפוך מים באמצעות המגנט כדי לשמור על המוצר. חזור על כביסה זו מספר פעמים משאיר את הקולקציה החומה הכהה בווינאל.
   הערה: הכן פתרון מימי עם ריכוז של 20 מ"ג / מ"ל, פתרון חיץ עם ריכוז של 100 מ"ג / מ"ל, ופולי (AA-co-CO-AMPS-CO-PEG) פתרון פולימר עם ריכוז של 20 מ"ג / מ"ל.
3. לערבב 1 מ"ל של פתרון EDC, 1 מ"ל של מאגר MES, ו 3 מ"ל של פתרון פולימר. מערבבים קלות על ידי מערבולת התערובת, ולתת לו לשבת במשך כ 5 דקות. זה צריך להיות פתרון ברור וחסר צבע כאשר משולב באופן מלא.
4. מוסיפים את התערובת לאוסף MFC ומניחים את הנקיון באמבט קרח. הפוך את sonicator בדיקה לתוך הפתרון, ולאחר מכן להפעיל אותו (250 וואט של כוח ב 20 kHz).
   1. לאחר טיפול sonication 5 דקות, להוסיף בערך 5 מ"ל של מים טהורים במיוחד להפליאה בזמן sonicator עדיין פועל. המשך לעקוב אחר כלי השיט כדי לוודא שלא נשפך מוצר. לשמור על הקרח בתערובת מי הקרח כמו חלק הקרח הראשוני יימס בשל עוצמת וחום sonication.
   2. אפשר לתערובת sonicate במשך 25 דקות נוספות, בסך הכל 30 דקות.
5. מניחים את הציפוי על גבי מגנט כדי להפריד את ה- MFCs ולשפוך את הפתרון העל-טבעי.
6. לשטוף את MFCs שונה עם מים deionized מספר פעמים.
7. מלאו את הקטוריון המכיל את ה-MFCs במים טהורים במיוחד. Pipette נוזל זה לתוך מערכת סינון ואקום עם מסנן קרום פוליאתרסולפון 0.1 מיקרומטר כדי להסיר כל MFCs מצטבר בלתי הפיך. הקפד לשטוף את הקירות של משפך כדי למזער כל אובדן של המוצר.
8. מסנן ואקום את הפתרון. חזור על תהליך זה 2-3 פעמים. התוצאה תהיה פתרון מימי מטוהר של MFCs מונודיספרס.
   הערה: בערך 10% מהמוצר יצטבר באופן בלתי הפיך וחומר זה יישאר על המסנן ויש להשליך אותו.

תוצאות

לאחר טיפול הידרותרמי, תערובת התגובה הופכת לפיזור שחור צמיג כפי שניתן לראות באיור 1. מה התוצאות לאחר הטיהור הוא פתרון MFC מרוכז מאוד שמתנהג כמו פרופלואיד. הנוזל בוויאליה מגיב בתוך שניות כאשר הוא ממוקם ליד מגנט כף יד (<0.5 T), ויוצר מסה שחורה מקרוסקופית שניתן להזיזה כאשר המגנט ממו?...

Discussion

עבודה זו מדגימה סינתזה פוליול שונה של nanocrystals ferrite מנגן מקובצים יחד לתוך אגרגטים ננומטריים ^{אחידים29}. בסינתזה זו, ברזל(III) כלוריד ומנגן (II) כלוריד לעבור תגובה הידרוליזה כפויה והפחתת, ויוצר MnxFe3-xO4 מולקולרי. מולקולות פריט אלה יוצרות ננו-קריסטלים ראשוניים תחת ?...

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