チューニング可能なナノスケールの次元と組成を有するマンガンフェライトクラスターの安定した水性懸濁液

要約

材料の寸法と組成を独立した制御を提供するマンガンフェライトクラスター(MFC)の1ポット熱水合成を報告する。磁気分離により、迅速な精製が可能となり、スルホン化ポリマーを使用した表面機能化により、材料が生物学的に関連する媒体で非凝集していることを保証します。結果として得られるプロダクトは生物医学の適用のために十分に位置付けられている。

要約

マンガンフェライトクラスター(MFC)は、多様な用途において磁気特性が価値のある数十から数百の原発ナノ結晶の球状集合体です。ここでは、これらの物質を、生成物のクラスターサイズ(30~120nm)およびマンガン含有量の独立制御を可能にする熱水プロセスで形成する方法を説明する。アルコール反応媒体に添加される水の総量や鉄前駆体に対するマンガンの比率などのパラメータは、複数の種類のMFCナノスケール製品を達成する上で重要な要素です。高速精製法は、磁性分離を使用して、磁性ナノ材料のグラムの生産を非常に効率的にする材料を回収します。これらのナノ材料の表面に高荷電スルホン酸ポリマーを適用することで、高い生理食塩水環境においても非凝集性のままのコロイド的に安定なMFCを生み出すことで、磁気ナノ材料凝集の課題を克服しています。これらの非凝集、均一および調整可能な材料は生物医学および環境適用のための優秀な前向き材料である。

概要

酸化鉄格子にドーパントとしてマンガンを含めることは、適切な条件下で、純粋な酸化鉄と比較して高く応用された分野での材料の磁化を増加させることができる。その結果、マンガンフェライト(MnxFe3-xO4)ナノ粒子は、高飽和磁化、外部磁場への強い応答、および低い細胞毒性のために非常に望ましい磁気ナノ材料である^{1、2、3、4、5}。単一ドメインナノ結晶とこれらのナノ結晶のクラスター、マルチドメイン粒子と呼ばれる両方が、薬物送達、癌治療のための磁気温熱療法、および磁気共鳴画像(MRI)^6,7,8を含む多様な生物医学的用途で研究されてきた。例えば、2017年のヒョングループは、単一ドメインマンガンフェライトナノ粒子をフェントン触媒として使用して癌低酸素症を誘導し、MRI ^tracking9のために材料の_T2contrastを利用しました。これらのフェライト材料の肯定的な研究に照らして、純粋な酸化鉄(_Fe3O4)ナノ材料と比較してインビボのデモンストレーションが少なく、ヒト^9,10での応用は報告されていません。

フェライトナノ材料の特徴をクリニックに翻訳する際に直面する大きな課題の1つは、均一で非集約的なナノスケールのクラスター11,12,13,14の生成です。モノドメインナノ結晶に対する従来の合成アプローチは十分に発達しているが、この研究に関心のある種類のマルチドメインクラスターは、均一で制御された方法では容易に作り出されない^15,16。さらに、フェライト組成物は、通常、非精和論的であり、単に前駆体の開始濃度に関連しておらず、これはこれらの材料の体系的な構造機能特性をさらにあいまいにすることができる9,12,13,17。ここでは、マンガンフェライトナノ材料のクラスター次元と組成の両方を独立した制御をもたらす合成アプローチを実証することによって、これらの問題に取り組んでいます。

また、この研究は、フェライトナノ材料のコロイド安定性の悪さを克服する手段を提供する18,19,20。磁性ナノ粒子は、一般に、強い粒子粒子の引力のために凝集する傾向があります。フェライトは、より大きなネット磁化が粒子凝集を増幅するので、この問題により苦しんでいます。関連する生物学的媒体において、これらの材料は、材料が急速に収集する十分な大きさの凝集体を生成し、それによって動物または人々への曝露経路を制限する20,21,22^。Hiltらは、磁石の他熱と色素分解の研究における粒子粒子凝集の別の結果を発見^した23。わずかに高い粒子濃度、またはフィールドへの暴露時間の増加では、材料が時間の経過とともに凝集し、活性粒子表面積が減少するにつれて材料の有効性が低下した。これらのアプリケーションやその他のアプリケーションは、粒子と粒子の相互作用を妨げる立体的な障壁を提供するように設計されたクラスターサーフェスの恩恵を受^{けるでしょう24,25}。

ここでは、マンガンフェライトクラスター(MFC)を制御可能な寸法および組成で合成する合成アプローチを報告する。これらのマルチドメイン粒子は、凝集しにくい一次マンガンフェライトナノ結晶の集合体からなる。一次ナノ結晶の密接な関連は、その磁気特性を高め、ナノ医薬品の最適な寸法に十分に一致する、50-300 nmの全体的なクラスターサイズを提供します。水量と塩化マンガン前駆体の量を変えることで、我々は独立して全体の直径と組成を制御することができます。この方法は、頻繁な実験と材料最適化を可能にする簡単で効率的な1ポット熱水反応を利用しています。これらのMFCは、簡単に、コロイド安定性を付与するスルホン化ポリマーによって改変される濃縮物溶液に精製することができる。そのタンタンビリティ、均一性、および溶液相安定性は、いずれも生物医学および環境工学におけるナノ材料の応用において大きな価値を有する特徴である。

プロトコル

1. MFC全体の直径とフェライト組成物を制御するMFCの合成

1. 合成に使用するすべてのガラス製品を洗浄し、十分に乾燥させます。合成中の水の量はMFCの寸法に影響を与えるため、ガラス製品に残留水が含まれるようにすることが重要です^16,26。
   1. ガラス製品を洗う場合は、水と洗剤で洗い流し、フラスコブラシでスクラブして破片を取り除きます。洗剤を全て取り除き、脱イオン水のすすいで仕上げに十分に洗い流します。
   2. ガラス製品を乾燥するには、ガラス製品の表面から水滴を振り、完全に乾燥するまで60°Cでオーブンに入れます。
   3. ポリフェニレン裏(PPL)反応器を37%塩酸でリンスし、以前の使用から残骸を取り除きます。これを行うには、原子炉とそのキャップを大きなビーカーに入れ、原子炉が完全に水没するまで塩酸で満たします。塩酸を注ぐ前に30分間座らせます。原子炉を含むビーカーを水で1〜2分間連続してすすいで、オーブンに入れて乾燥させます。
2. 自動ピペットを使用して、20 mLのエチレングリコールを磁気攪拌棒で50 mLビーカーに移します。
3. 必要な鉄(III)塩化物(_FeCl3·_6H2O、固体)を計量して、最終濃度1.3mMを達成し、ビーカーに加えます。ビーカーを攪拌プレートに置き、480 rpmでオンにしてビーカーの連続攪拌を開始します。
   注:これは水和物であるため、周囲の空気からの不要な水の吸収を避けるために、迅速に測定し、追加する必要があります。
4. 250mgのポリアクリル酸(PAA、Mw〜6,000、粉末)を加え、ビーカーに加えます。PAAを添加した後、溶液は不透明になり、色が少し明るくなります。
5. 尿素(CO(_NH2)₂、粉末の1.2gの重量を量り、ビーカーに加えます。
6. ピペットを使用して、ビーカーに0.7 mMマンガン(II)クロリド(MnCl2·_6H2O aq、3.5 M、0.2 mL)を加えます。
7. 最後に、ピペットを使用して、ビーカーに必要な量(0.5mL)の超純水を加えます。
8. 30分間かき混ぜ、色の変化に気づく。半透明の濃いオレンジ色で表示されます。
9. 反応混合物をポリフェニレン裏地(PPL)反応器に移します。なお、溶液が攪拌した後、ビーカーの側面に固形物が蓄積している可能性がある。
   1. 磁石(3次永久希土類磁石、40 x 40 x 20 mm、以下、すべての分離および磁気収集手順のための「磁石」と呼ぶ)を使用して、ビーカーの壁の周りに攪拌棒をドラッグして、側面に蓄積した固体が反応溶液に分散していることを確認します。
   2. 溶液が混合され、準備ができたら、それを50 mL PPLの裏打ちされた反応器に移します。
   3. クランプとレバーを使用して、可能な限りしっかりとステンレス製のオートクレーブに原子炉を密封します。原子炉容器を安定した表面にクランプし、キャップに挿入されたロッドをレバーとして使用して、リアクターを押してシールします。密閉されたリアクトルは手で開けてはならないことに注意してください。オーブンの高圧環境は、原子炉に密閉シールを必要とするので、これは非常に重要です。
10. 215 °Cで20時間オーブンに原子炉を入れます。
11. 熱水反応が終わったら、オーブンから反応器を取り出し、室温まで冷却します。オーブンの圧力は、手で開く原子炉を可能にします。この時点で、反応器は、非反応ポリマーなどの他の不純物とエチレングリコールに分散したMFC製品を含有し、不透明な黒色溶液になります。製品は、次の手順で分離されます。

2. MMFの磁気分離と精製

1. グラスバイアルに200mgのスチールウールを入れます。ガラスバイアルを反応器からの反応混合物で途中で満たします。バイアルの残りの部分をアセトンで満たし、よく振ります。スチールウールはバイアルの磁界強度を高め、ナノクラスターを溶液から磁気分離するのに役立ちます。
2. 磁石の上にバイアルを置き、磁気回収を行います。結果は底部に沈殿物を有する半透明の解決である。
   1. MFCが注ぎ込み中にバイアルの底に磁石を保持することによって、鋼ウールによって磁気的に閉じ込められている間、上清溶液を注ぎます。エチレングリコールは、このステップで大部分が除去されます。
   2. 水に対するアセトンの低い比率で洗浄を開始し、純粋になるまで、その後の洗浄で比率を高めます。これを3-4回行います。
3. 磁石からバイアルを取り出し、水で満たします。よく振ってMFCを溶かします。今、製品は完全に水に分散されます。
4. 上記の 2 つの手順を繰り返して、MFC の水溶液が揺れたときに泡が生成されなくなるまで繰り返します。結果は、磁石に強く反応する暗い、不透明な強気流になります。
   注:20 mLのエチレングリコールを用いた一般的な合成では、約80mgのMFC製品が得られます。

超高コロイド安定性に向けたMFCの表面機能化

注:ニトロドーパミンとポリ(AA-co-AMPS-co-PEG)の合成は、私たちの前の作品¹⁶で見つけることができます。コポリマーは、フリーラジカル重合を介して作られる。2,2′-アゾビス(2-メチルプロピオントリル)(AIBN)、0.25gのアクリル酸(AA)、2-アクリルアミドの0.75gを加える -2-メチルプロパンスルホン酸(AMPS)、および1.00gのポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(PEG)を10mLのN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に含む。70°Cの水浴で1時間加熱し、水に透析袋(セルロース膜、3 kDa)に移します。AA、AMPS、および PEG の重量比は 1:3:4 です。これらのモノマーに対する重合は、凍結乾燥および計量によって確認された100%の変換率を有する。

1. 精製ナノ粒子10mL(約100mg)を20mLバイアルに10mL、飽和N-[2-[3-3-3-4-ジヒドロキシフェニル)エチル]ニトラマイド(ニトロドーパミン)溶液(〜1mg/mL)を組み合わせます。5分待ちます。
2. ニトロドーパミンコーティングされたMFCを磁気分離で洗浄します。淡黄色の上清を注ぎます。水を加え、激しく振ります。その後、磁石を使って水を注ぎ、製品を保持します。バイアルに濃い茶色のコレクションを残して、この洗浄を数回繰り返します。
   注:20mg/mLの濃度の水溶液、100mg/mLの濃度の緩衝溶液、および20mg/mLの濃度のポリ(AA-co-AMPS-co-PEG)ポリマー溶液を調製してください。
3. EDC溶液1mL、MES緩衝液1mL、ポリマー溶液3mLを混合する。混合物を渦巻いて軽くかき混ぜ、約5分間座らせます。完全に組み合わせると、それは明確で無色のソリューションでなければなりません。
4. この混合物をMFCコレクションに加え、バイアルを氷浴に入れます。プローブソニケーターを溶液に下げ、それをオンにします(20 kHzで250ワットの電力)。
   1. 5分超音波処理の後、超音波処理機がまだ実行されている間、バイアルに約5 mLの超純水を加えます。製品が流出しないように船舶の監視を継続します。最初の氷の一部は、超音波処理の強度と熱のために溶けるので、氷水混合物の氷を維持します。
   2. 混合物がさらに25分間、合計30分間超音波処理を行います。
5. 磁石の上にバイアルを置き、MFCを分離し、上清溶液を注ぎます。
6. 変性されたMFCを脱イオン水で数回洗います。
7. 超純水でMFCを含むバイアルを充填します。この流体を0.1 μmのポリエーテルサルホン膜フィルターを備えた真空濾過システムにピペットして不可逆的に凝集したMFCsを除去します。
8. 真空フィルターソリューション。この処理を 2 ~3 回繰り返します。結果は、単分散されたMFCの精製水溶液になります。
   注: 製品のおよそ 10% は不可逆的に集約され、この材料はフィルターに残り、廃棄する必要があります。

結果

熱水処理後、反応混合物は 図1に見られるように粘性黒色分散液に変わる。精製後に生じるものは、強気体のように動作する高濃度MFCソリューションです。バイアル内の流体は、ハンドヘルド磁石(<0.5T)の近くに置くと数秒以内に応答し、磁石が異なる場所に置かれると動き回ることができる巨視的な黒い塊を形成する。

この合成は、その寸法およ?...

ディスカッション

本研究は、マンガンフェライトナノ結晶を一様なナノスケールの凝集体に集結させた改変ポリオール合成を実証する^。この合成では、塩化鉄(III)と塩化マンガン(II)は強制加水分解反応と還元を受け、分子MnxFe3-xO4を形成する。これらのフェライト分子は、原子炉の高温高圧下で一次ナノ結晶を形成し、最終的にはここでマグネタイトフェライ?...

資料

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