Sospensioni acquose stabili di cluster di ferrite di manganese con dimensioni e composizione su scala nanometrica sintonizzabili

Riepilogo

Riportiamo una sintesi idrotermale one-pot di cluster di ferrite di manganese (MFC) che offre un controllo indipendente sulla dimensione e la composizione del materiale. La separazione magnetica consente una rapida purificazione, mentre la funzionalizzazione superficiale con polimeri solfonati garantisce che i materiali non siano aggregati in mezzi biologicamente rilevanti. I prodotti risultanti sono ben posizionati per applicazioni biomediche.

Abstract

Gli ammassi di ferrite di manganese (MFC) sono assemblaggi sferici da decine a centinaia di nanocristalli primari le cui proprietà magnetiche sono preziose in diverse applicazioni. Qui descriviamo come formare questi materiali in un processo idrotermale che consente il controllo indipendente della dimensione del cluster di prodotto (da 30 a 120 nm) e del contenuto di manganese del materiale risultante. Parametri come la quantità totale di acqua aggiunta al mezzo di reazione alcolico e il rapporto tra manganese e precursore del ferro sono fattori importanti per ottenere più tipi di prodotti su scala nanometrica MFC. Un metodo di purificazione veloce utilizza la separazione magnetica per recuperare i materiali rendendo la produzione di grammi di nanomateriali magnetici abbastanza efficiente. Superiamo la sfida dell'aggregazione magnetica dei nanomateriali applicando polimeri solfonati altamente carichi sulla superficie di questi nanomateriali producendo MFC colloidali stabili che rimangono non aggreganti anche in ambienti altamente salini. Questi materiali non aggreganti, uniformi e sintonizzabili sono eccellenti materiali prospettici per applicazioni biomediche e ambientali.

Introduzione

L'inclusione del manganese come drogante in un reticolo di ossido di ferro può, nelle condizioni appropriate, aumentare la magnetizzazione del materiale in campi applicati elevati rispetto agli ossidi di ferro puri. Di conseguenza, le nanoparticelle di ferrite di manganese (MnxFe3-xO4) sono nanomateriali magnetici altamente desiderabili grazie alla loro elevata magnetizzazione a saturazione, alla forte risposta ai campi esterni e alla bassa citotossicità1,2,3,4,5. Sia i nanocristalli a dominio singolo che i cluster di questi nanocristalli, chiamati particelle multidominio, sono stati studiati in diverse applicazioni biomediche, tra cui la somministrazione di farmaci, l'ipertermia magnetica per il trattamento del cancro e la risonanza magnetica (MRI)^6,7,8. Ad esempio, il gruppo Hyeon nel 2017 ha utilizzato nanoparticelle di ferrite di manganese a dominio singolo come catalizzatore Fenton per indurre l'ipossia del cancro e ha sfruttato il contratto _T2 del materiale per il monitoraggio della risonanza ^magnetica9. È sorprendente alla luce di questi e di altri studi positivi sui materiali in ferrite che ci siano poche dimostrazioni in vivo rispetto ai nanomateriali di ossido di ferro puro (_Fe3O4) e nessuna applicazione segnalata nell'uomo9,10.

Un'immensa sfida affrontata nel tradurre le caratteristiche dei nanomateriali di ferrite nella clinica è la generazione di cluster uniformi, non aggregati, su scala nanometrica11,12,13,14. Mentre gli approcci sintetici convenzionali ai nanocristalli monodominio sono ben sviluppati, i cluster multidominio del tipo di interesse in questo lavoro non sono facilmente prodotti in modo uniforme e ^{controllato15,16}. Inoltre, la composizione della ferrite è solitamente non stechiometrica e non semplicemente correlata alla concentrazione iniziale dei precursori e questo può ulteriormente oscurare la caratterizzazione sistematica struttura-funzione di questi materiali9,12,13,17. Qui, affrontiamo questi problemi dimostrando un approccio sintetico che produce un controllo indipendente sia sulla dimensione del cluster che sulla composizione dei nanomateriali di ferrite di manganese.

Questo lavoro fornisce anche un mezzo per superare la scarsa stabilità colloidale dei nanomateriali di ferrite18,19,20. Le nanoparticelle magnetiche sono generalmente inclini all'aggregazione a causa della forte attrazione particella-particella; le ferriti soffrono maggiormente di questo problema poiché la loro maggiore magnetizzazione netta amplifica l'aggregazione delle particelle. Nei mezzi biologici rilevanti, questi materiali producono aggregati abbastanza grandi che i materiali raccolgono rapidamente, limitando così le loro vie di esposizione agli animali o alle persone20,21,22. Hilt et al. hanno trovato un'altra conseguenza dell'aggregazione particella-particella nel loro studio del riscaldamento magnetotermico e della degradazione del ^colorante23. A concentrazioni di particelle leggermente più elevate o ad un aumento del tempo di esposizione al campo, l'efficacia dei materiali è stata ridotta man mano che i materiali si aggregavano nel tempo e le aree superficiali delle particelle attive diminuivano. Queste e altre applicazioni trarrebbero beneficio dalle superfici a grappolo progettate per fornire barriere steriche che precludessero le interazioni particella-particella24,25.

Qui riportiamo un approccio sintetico per sintetizzare cluster di ferrite di manganese (MFC) con dimensioni e composizione controllabili. Queste particelle multidominio sono costituite da un insieme di nanocristalli primari di ferrite di manganese che sono aggregati duramente; la stretta associazione dei nanocristalli primari ne esalta le proprietà magnetiche e fornisce una dimensione complessiva del cluster, 50-300 nm, ben abbinata alle dimensioni ottimali per una nanomedicina. Modificando la quantità di acqua e precursore del cloruro di manganese, possiamo controllare in modo indipendente il diametro e la composizione complessivi. Il metodo utilizza reazioni idrotermali one-pot semplici ed efficienti che consentono frequenti sperimentazioni e ottimizzazione dei materiali. Questi MFC possono essere facilmente purificati in una soluzione di prodotto concentrato, che viene ulteriormente modificata da polimeri solfonati che conferiscono stabilità colloidale. La loro sintoniabilità, uniformità e stabilità della fase di soluzione sono tutte caratteristiche di grande valore nelle applicazioni dei nanomateriali nell'ingegneria biomedica e ambientale.

Protocollo

1. Sintesi di MFC con controllo del diametro complessivo e della composizione della ferrite delle MFC

1. Lavare e asciugare accuratamente tutti gli oggetti in vetro da utilizzare nella sintesi. La quantità di acqua nella sintesi influisce sulle dimensioni delle MFC, quindi è fondamentale assicurarsi che la vetreria non contenga acqua ^residua16,26.
   1. Per lavare i bicchieri, risciacquare con acqua e detersivo e strofinare con una spazzola a palloncino per rimuovere i detriti. Risciacquare abbondantemente per rimuovere tutto il detergente e terminare con un risciacquo di acqua deionizzata.
   2. Per asciugare la vetreria, scuotere le gocce d'acqua dalla superficie della vetreria e metterle in forno a 60 ° C fino a completa asciugatura.
   3. Risciacquare i reattori rivestiti di polifenilene (PPL) con il 37% di acido cloridrico per rimuovere eventuali detriti dall'uso precedente. Per fare questo, posizionare i reattori e i loro tappi in un grande becher e riempire con acido cloridrico fino a quando i reattori non sono completamente sommersi. Lasciare riposare per 30 minuti prima di versare l'acido cloridrico. Risciacquare continuamente il becher contenente i reattori con acqua per 1-2 minuti, quindi posizionare i reattori nel forno ad asciugare.
2. Utilizzare una pipetta automatica per trasferire 20 mL di glicole etilenico in un becher da 50 mL con una barra magnetica.
3. Pesare la quantità richiesta di cloruro di ferro (III) (_FeCl3·_6H2O, solido) per ottenere una concentrazione finale di 1,3 mM e aggiungerla al becher. Metti il becher su una piastra di agitazione e accendilo a 480 giri / min per iniziare a mescolare continuamente il becher.
   NOTA: Poiché si tratta di un idrato, deve essere misurato e aggiunto rapidamente per evitare l'assorbimento indesiderato di acqua dall'aria ambiente.
4. Pesare 250 mg di acido poliacrilico (PAA, Mw ~ 6.000, polvere) e aggiungerlo al becher. Dopo l'aggiunta di PAA, la soluzione diventa opaca e leggermente più chiara.
5. Pesare 1,2 g di urea (CO(_NH2)₂, polvere) e aggiungerlo al becher.
6. Utilizzando una pipetta, aggiungere 0,7 mM di cloruro di manganese (II) (_MnCl2·_6H2O aq, 3,5 M, 0,2 mL) al becher.
7. Infine, utilizzando una pipetta aggiungere la quantità richiesta (0,5 ml) di acqua ultrapura al becher.
8. Lasciare che la soluzione si mescoli per 30 minuti e notare il cambiamento di colore. Si presenterà come un colore arancione scuro traslucido.
9. Trasferire la miscela di reazione nel reattore rivestito di polifenilene (PPL). Si noti che dopo che la soluzione è stata mescolata alcuni solidi potrebbero essersi accumulati sui lati del becher.
   1. Utilizzare un magnete (magnete cubico permanente in terre rare, 40 x 40 x 20 mm, di seguito denominato "magnete" per tutte le procedure di separazione e raccolta magnetica) per trascinare la barra di agitazione attorno alle pareti del becher per garantire che tutti i solidi che si sono accumulati sui lati siano dispersi nella soluzione di reazione.
   2. Una volta che la soluzione è miscelata e pronta, trasferirla nel reattore rivestito in PPL da 50 ml.
   3. Utilizzare un morsetto e una leva per sigillare il reattore nell'autoclave in acciaio inossidabile il più strettamente possibile. Bloccare il recipiente del reattore su una superficie stabile e, utilizzando un'asta inserita nel cappuccio come leva, spingere il reattore a sigillare. Si noti che il reattore sigillato non dovrebbe poter essere aperto a mano. Questo è fondamentale in quanto l'ambiente ad alta pressione del forno richiede una tenuta ermetica sul reattore.
10. Mettere il reattore in un forno per 20 ore a 215 °C.
11. Al termine della reazione idrotermale, rimuovere il reattore dal forno e lasciarlo raffreddare a temperatura ambiente. La pressione del forno consentirà di aprire il reattore a mano. Si noti che a questo punto, il reattore conterrà il prodotto MFC disperso nel glicole etilenico con altre impurità, come il polimero non reagito, e sarà una soluzione nera opaca. Il prodotto verrà isolato nei seguenti passaggi.

2. Separazione magnetica e purificazione delle MFC

1. Introdurre 200 mg di lana d'acciaio in un flaconcino di vetro. Riempire il flaconcino di vetro a metà strada con la miscela di reazione del reattore. Riempire il resto del flaconcino con acetone e agitare bene. Si noti che la lana d'acciaio aumenta l'intensità del campo magnetico nella fiala e aiuterà la separazione magnetica dei nanocluster dalla soluzione.
2. Posizionare il flaconcino su un magnete per la raccolta magnetica. Il risultato sarà una soluzione traslucida con precipitato nella parte inferiore.
   1. Versare la soluzione surnatante mentre le MFC sono intrappolate magneticamente dalla lana d'acciaio tenendo il magnete sul fondo del flaconcino durante il versamento. Il glicole etilenico sarà per lo più rimosso in questa fase.
   2. Iniziare il lavaggio con il basso rapporto tra acetone e acqua e aumentare il rapporto nei lavaggi successivi fino a quando non è puro. Fallo 3-4 volte.
3. Rimuovere il flaconcino dal magnete e riempirlo d'acqua. Agitare bene per sciogliere gli MFC. Ora il prodotto sarà completamente disperso in acqua.
4. Ripetere più volte i due passaggi precedenti fino a quando la soluzione acquosa degli MFC non produce bolle quando viene scossa. Il risultato sarà un ferrofluido scuro e opaco che risponderà fortemente ai magneti.
   NOTA: In una sintesi tipica con 20 ml di glicole etilenico, si otterranno circa 80 mg di prodotto MFC.

3. Funzionalizzazione superficiale delle MFC verso un'altissima stabilità colloidale

NOTA: La sintesi di nitro-dopamina e Poly(AA-co-AMPS-co-PEG) può essere trovata nel nostro lavoro ^precedente16. Il copolimero è realizzato attraverso la polimerizzazione dei radicali liberi. Aggiungere 0,20 g di 2,2′-Azobis(2-metilpropionitrile) (AIBN), 0,25 g di acido acrilico (AA), 0,75 g di acido 2-acrilammido-2-metilpropano solfonico (AMPS) e 1,00 g di policil(glicole etilenico) acrilato di metile (PEG) in 10 ml di N,N-dimetilformammide (DMF). Riscaldare la miscela a bagnomaria a 70 °C per 1 ora e trasferirla in una sacca per dialisi (Membrana di Cellulosa, 3 kDa) in acqua. Il rapporto di peso di AA, AMPS e PEG è 1:3:4. La polimerizzazione per questi monomeri ha un tasso di conversione del 100%, come confermato dalla liofilizzazione e dalla pesatura.

1. Combinare 10 mL di nanoparticelle purificate (circa 100 mg) in un flaconcino da 20 mL con 10 mL di soluzione satura di N-[2-(3,4-diidrossifenil)etil]nitramide (nitro-dopamina) (~1 mg/mL). Attendere 5 minuti.
2. Lavare gli MFC rivestiti con nitro-dopamina utilizzando la separazione magnetica. Versare il surnatante giallo pallido. Aggiungere acqua e agitare energicamente. Quindi, versare acqua usando il magnete per trattenere il prodotto. Ripetere questo lavaggio più volte lasciando la raccolta marrone scuro nel flaconcino.
   NOTA: Preparare una soluzione acquosa con una concentrazione di 20 mg/ml, una soluzione tampone con una concentrazione di 100 mg/mL e una soluzione polimerica poli(AA-co-AMPS-co-PEG) con una concentrazione di 20 mg/ml.
3. Miscelare 1 mL di soluzione EDC, 1 mL di tampone MES e 3 mL di soluzione polimerica. Mescolare leggermente facendo roteare il composto e lasciarlo riposare per circa 5 minuti. Dovrebbe essere una soluzione chiara e incolore quando completamente combinata.
4. Aggiungere questa miscela alla raccolta MFC e posizionare il flaconcino in un bagno di ghiaccio. Abbassare il sonicatore della sonda nella soluzione, quindi accenderlo (250 watt di potenza a 20 kHz).
   1. Dopo un trattamento di sonicazione di 5 minuti, aggiungere circa 5 ml di acqua ultrapura alla fiala mentre il sonicatore è ancora in funzione. Continuare a monitorare la nave per assicurarsi che nessun prodotto fuoriuscisca. Mantenere il ghiaccio nella miscela ghiaccio-acqua poiché parte del ghiaccio iniziale si scioglierà a causa dell'intensità e del calore della sonicazione.
   2. Lasciare sonicare la miscela per altri 25 minuti, per un totale di 30 minuti.
5. Posizionare il flaconcino sopra un magnete per separare gli MFC e versare la soluzione surnatante.
6. Lavare più volte gli MFC modificati con acqua deionizzata.
7. Riempire il flaconcino contenente gli MFC con acqua purissima. Pipettare questo fluido in un sistema di filtrazione sotto vuoto con un filtro a membrana di polietersolfone da 0,1 μm per rimuovere eventuali MFC aggregati irreversibilmente. Assicurarsi di lavare le pareti dell'imbuto per ridurre al minimo qualsiasi perdita di prodotto.
8. Filtrare a vuoto la soluzione. Ripeti questo processo 2-3 volte. Il risultato sarà una soluzione acquosa purificata di MFC monodispersi.
   NOTA: Circa il 10% del prodotto sarà aggregato in modo irreversibile e questo materiale rimarrà sul filtro e dovrà essere scartato.

Risultati

Dopo il trattamento idrotermale, la miscela di reazione si trasforma in una dispersione nera viscosa come si può vedere nella Figura 1. Ciò che risulta dopo la purificazione è una soluzione MFC altamente concentrata che si comporta come un ferrofluido. Il fluido nel flaconcino risponde in pochi secondi quando viene posizionato vicino a un magnete portatile (<0,5 T), formando una massa nera macroscopica che può essere spostata mentre il magnete viene posizionato in posizioni diverse.

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Discussione

Questo lavoro dimostra una sintesi di polioli modificata di nanocristalli di ferrite di manganese raggruppati insieme in aggregati uniformi su scala ^{nanometrica29}. In questa sintesi, il cloruro di ferro (III) e il cloruro di manganese (II) subiscono una reazione e una riduzione di idrolisi forzata, formando MnxFe3-xO4 molecolare. Queste molecole di ferrite formano nanocristalli primari sotto l'alta temperatura e l'alta pressione nei reattori, assemblando...

Materiali

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