튜블 가능한 나노 스케일 치수 및 구성망간 페릿 클러스터의 안정적인 수성 현탁액

요약

우리는 재료 차원과 구성에 대한 독립적 인 제어를 제공하는 망간 페릿 클러스터 (MFC)의 원 포트 수열 합성을보고합니다. 자기 분리를 통해 황변 폴리머를 이용한 표면 기능화를 통해 신속하게 정제할 수 있어 생물학적으로 관련매체에서 비응집재가 되도록 한다. 결과 제품은 생체 의학 응용 프로그램에 대 한 잘 배치.

초록

망간 페릿 클러스터(MFC)는 수십~수백 개의 기본 나노결정의 구형 어셈블리로, 자기 특성은 다양한 응용 분야에서 가치가 있습니다. 여기서는 제품 클러스터 크기(30~120nm)와 결과 물질의 망간 함량을 독립적으로 제어할 수 있는 수열 공정에서 이러한 물질을 형성하는 방법을 설명합니다. 알코올 반응 매체에 첨가된 총 물량 및 망간과 철 전구체의 비율과 같은 파라미터는 다중 유형의 MFC 나노스케일 제품을 달성하는 데 중요한 요소입니다. 빠른 정제 방법은 자기 분리를 사용하여 자기 나노 물질의 그램을 매우 효율적으로 만드는 재료를 회수합니다. 우리는 고하의 식염수 환경에서도 비응집화 상태로 유지되는 콜로이드안정 MFC를 산출하는 이러한 나노 물질의 표면에 고하의 황포네이트 폴리머를 적용하여 자기 나노 물질 응집의 도전을 극복합니다. 이러한 비 응집, 균일 및 튜닝 가능한 재료는 생물 의학 및 환경 응용 분야에 탁월한 잠재 재료입니다.

서문

산화철 격자에 망간을 도펀트로 포함하면, 적절한 조건하에서 순수한 산화철에 비해 고가 분야에서 물질의 자화를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 망간 페릿(MnxFe3-xO4) 나노입자는 높은 포화도 자화, 외부 장에 대한 강한 반응, 낮은 세포독성^1,2,3,4,5로 인해 매우 바람직한 자기 나노 물질이다. 단일 도메인 나노 결정뿐만 아니라 이러한 나노 결정의 클러스터, 즉 다중 도메인 입자, 약물 전달을 포함 하 여 다양 한 생물 의학 응용 프로그램에서 조사 되었습니다., 암 치료를 위한 자기 고온증, 그리고 자기 공명 영상 (MRI)^6,7,8. 예를 들어, 2017년 현군은 단일 도메인 망간 페릿 나노입자를 펜톤 촉매로 사용하여 암 저산소증을 유도하고 MRI 추적⁹에 대한 물질의 _T2대비를 이용하였다. 순수한 산화철(_Fe3O4) 나노물질에 비해 생체 내 데모가 거의 없고, 인간에서 보고된 적용이 없는 페라이트 물질의 이들과 다른 긍정적인 연구에 비추어 놀라운 일이다^9,10.

페릿 나노 물질의 특징을 클리닉으로 번역하는 데 직면한 한 가지 도전과제는 균일하고 비응집화되지 않는 나노 스케일 클러스터^11,12,13,14의 생성입니다. 단도메인 나노결정에 대한 기존의 합성 접근법이 잘 발달되어 있지만, 이 작품에 대한 관심의 유형의 다중 도메인 클러스터는 균일하고 제어된 방식으로 쉽게 생산되지 않는다^15,16. 또한, 페릿 조성물은 일반적으로 비-stoichiometric이며 단순히 전구체의 시작 농도와 관련이 없으며, 이는 이러한 재료의 체계적인 구조 기능 특성화를 더욱 모호하게 할 수 있다9,12,13,17. 여기서, 우리는 망간 페릿 나노 물질의 클러스터 치수와 구성 모두에 대한 독립적 인 제어를 산출 합성 접근 방식을 보여 줌으로써 이러한 문제를 해결합니다.

이 작품은 또한 페릿 나노 물질의 열악한 콜로이드 안정성을 극복하는 수단을 제공한다18,19,20. 자기 나노 입자는 일반적으로 강한 입자 입자 매력으로 인해 응집되기 쉽습니다. 페릿은 더 큰 순 자화로 인해 입자 응집이 증폭됨에 따라 이 문제로 인해 더 많은 고통을 겪습니다. 관련 생물학적 미디어에서 이러한 물질은 물질이 빠르게 수집할 수 있는 충분한 골재를 생성하여 동물이나 사람에 대한 노출 경로를 제한합니다^20,21,22. Hilt et al.은 자기 분해 및 염료 분해²³의 연구에서 입자 입자 응집의 또 다른 결과를 발견했습니다. 약간 더 높은 입자 농도, 또는 필드에 노출의 증가 시간에, 재료가 시간이 지남에 따라 집계및 활성 입자 표면 영역 감소로 재료의 효과가 감소되었다. 이러한 응용 프로그램과 다른 응용 프로그램은 입자 입자 상호 작용을 배제하는 스테릭 장벽을 제공하도록 설계된 클러스터 표면의 이점을 누릴 수 ^{있습니다24,25}.

여기서 우리는 제어 가능한 치수 와 구성망간 페릿 클러스터 (MFC)를 합성하는 합성 접근 방식을보고합니다. 이러한 다중 도메인 입자는 단단한 집계되는 1차 망간 페릿 나노결정의 어셈블리로 구성됩니다. 기본 나노 결정의 긴밀한 결합은 자기 특성을 향상시키고 전체 클러스터 크기인 50-300 nm를 제공하며 나노 의학의 최적 치수와 잘 일치합니다. 물과 망간 염화기 전구체의 양을 변경함으로써, 우리는 독립적으로 전체 직경과 구성을 제어 할 수 있습니다. 이 방법은 간편하고 효율적인 원포트 수열 반응을 활용하여 빈번한 실험과 물질 최적화를 가능하게 합니다. 이러한 MFC는 집중된 제품 용액으로 쉽게 정제될 수 있으며, 이는 콜로이드 안정성을 부여하는 황달 폴리머에 의해 더욱 변형됩니다. 그들의 튜닝성, 균일성 및 솔루션 상 안정성은 모두 생물 의학 및 환경 공학에서 나노 물질의 응용 분야에서 큰 가치의 특징입니다.

프로토콜

1. MFC의 전체 직경 및 페릿 구성을 제어 할 수있는 MFC의 합성

1. 합성에 사용할 모든 유리 제품을 세척하고 철저히 건조. 합성물의 양은 MFC의 치수에 영향을 미치므로 유리제품이 잔류물이 없는지 확인하는 것이 중요합니다^16,26.
   1. 유리 제품을 세척하려면 물과 세제로 헹구고 플라스크 브러시로 스크럽하여 이물질을 제거합니다. 철저하게 헹구어 모든 세제를 제거하고 탈온 된 물의 헹구기로 마무리하십시오.
   2. 유리 제품을 건조하려면 유리 제품 표면에서 물방울을 흔들어 완전히 건조 할 때까지 60 ° C의 오븐에 넣습니다.
   3. 폴리페닐렌 안감(PPL) 반응기를 37%의 염산으로 헹구어 이전 사용시 이물질을 제거합니다. 이렇게 하려면 반응기와 캡을 큰 비커에 놓고 원자로가 완전히 물에 잠길 때까지 염산으로 채웁니다. 염산을 붓기 전에 30 분 동안 앉아보자. 원자로를 함유한 비커를 1-2분 동안 물로 지속적으로 헹구고, 원자로를 오븐에 넣고 건조시다.
2. 자동 파이펫을 사용하여 20mL의 에틸렌 글리콜을 자기 교반 바가 있는 50mL 비커로 옮길 수 있습니다.
3. 1.3mM의 최종 농도를 달성하고 비커에 추가하기 위해 필요한 양의 철(III) 염화물(_FeCl3·_6H2O, 고체)을 계량한다. 비커를 교반 판에 놓고 480 rpm에서 켜서 비커의 연속 교반을 시작합니다.
   참고: 이것은 수화물이기 때문에 주변 공기에서 원치 않는 물 흡수를 피하기 위해 신속하게 측정하고 추가해야합니다.
4. 폴리 아크릴산 250 mg (PAA, Mw ~ 6,000, 분말)의 무게와 비커에 추가. PAA를 추가한 후 용액이 불투명해지고 색상이 약간 밝아집니다.
5. 1.2 g의 우레아(CO(_NH2)₂, 파우더)를 계량하여 비커에 추가합니다.
6. 파이펫을 사용하여 0.7 mM 망간(II) 염화물(_MnCl2·_6H2O aq, 3.5M, 0.2mL)을 비커에 넣습니다.
7. 마지막으로, 파이펫을 사용하여 비커에 초순수수의 필요한 양(0.5mL)을 추가한다.
8. 용액이 30 분 동안 저어색상 변화를 알 수 있습니다. 반투명하고 어두운 주황색으로 표시됩니다.
9. 반응 혼합물을 폴리페닐렌 안감(PPL) 반응기로 이송한다. 용액이 교반 한 후 일부 고형체가 비커의 측면에 축적 되었을 수 있습니다.
   1. 자석(입방 영구 희토류 자석, 40 x 40 x 20mm, 그 후 모든 분리 및 자기 수집 절차에 대한 "자석"이라고 함)을 사용하여 비커의 벽 주위의 교반 바를 드래그하여 측면에 축적된 고체가 반응 용액으로 분산되도록 합니다.
   2. 용액이 혼합되고 준비되면 50mL PPL 라인 원자로로 옮기습니다.
   3. 클램프와 레버를 사용하여 스테인레스 스틸 오토클레이브의 반응기를 가능한 한 단단히 밀봉하십시오. 반응기 용기를 안정된 표면으로 고정하고 캡에 삽입된 막대를 레버로 사용하여 반응기를 밀어 밀봉합니다. 밀봉된 반응기는 수작업으로 열 수 없습니다. 이는 오븐의 고압 환경이 반응기의 단단한 밀봉이 필요하기 때문에 매우 중요합니다.
10. 215°C에서 20시간 동안 반응기를 오븐에 넣습니다.
11. 수열 반응이 끝나면 오븐에서 반응기를 제거하고 실온으로 냉각할 수 있습니다. 오븐의 압력으로 반응기를 손으로 열 수 있습니다. 이 시점에서 반응기는 반응하지 않은 폴리머와 같은 다른 불순물로 에틸렌 글리콜에 분산된 MFC 제품을 포함하고 불투명한 블랙 용액이 될 것이다. 제품은 다음 단계에서 격리됩니다.

2. MFC의 자기 분리 및 정화

1. 200 mg의 강철 울을 유리 바이알에 넣습니다. 반응기의 반응 혼합물로 유리 유리병을 중간으로 채웁니다. 아세톤으로 바이알의 나머지 부분을 채우고 잘 흔들어줍니다. 강철 울은 유리병에서 자기장 강도를 증가시키고 용액에서 나노 클러스터의 자기 분리에 도움이됩니다.
2. 마그네틱 수집이 발생할 수 있도록 유리병을 자석에 놓습니다. 결과는 하단에 침전이 있는 반투명 솔루션이 될 것입니다.
   1. MFC가 자석을 바이알 바닥으로 잡고 붓는 동안 자석을 강철 양모에 자석으로 갇히는 동안 상체 용액을 붓습니다. 에틸렌 글리콜은 이 단계에서 대부분 제거될 것입니다.
   2. 아세톤의 낮은 비율로 세척을 시작하여 순수할 때까지 후속 세척의 비율을 증가시면 됩니다. 이 작업을 3-4번 수행합니다.
3. 자석에서 유리병을 제거하고 물로 채웁니다. MFC를 용해잘 흔들어주세요. 이제 제품은 완전히 물에 분산됩니다.
4. MFC의 수성 용액이 흔들릴 때 거품이 생성되지 않습니다 때까지 이전 두 단계를 여러 번 반복합니다. 그 결과는 자석에 강하게 반응하는 어둡고 불투명한 페로유체가 될 것입니다.
   참고: 에틸렌 글리콜 20mL의 일반적인 합성에서 약 80 mg의 MFC 제품이 얻을 수 있습니다.

3. 초고콜로이드 안정성을 향한 MFC의 표면 기능화

참고: 니트로 도파민과 폴리(AA-공동 AMPS-co-PEG)의 합성은 이전 작품¹⁶에서 확인할 수 있습니다. 중합체는 자유 라디칼 중합화를 통해 이루어집니다. 2,200-아조비스(2-메틸프로피오니트리올) (AIBN), 아크릴산 0.25 g(AA), 아크릴라미도-2-me 0.75 g 를 추가합니다. 틸프로판 설포닉산(AMPS) 및 1.00g의 폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르 아크릴레이트(PEG)는 N,N-디메틸포르마미드(DMF)의 10mL에서. 혼합물을 70°C 의 수조에 1시간 동안 가열하여 투석 백(셀룰로오스 멤브레인, 3kDa)으로 물을 옮킵니다. AA, AMPS 및 PEG의 무게 비율은 1:3:4입니다. 이러한 단량체에 대한 중합은 동결 건조 및 계량에 의해 확인된 바와 같이 100% 전환율을 갖는다.

1. 10mL의 정제 나노 입자(약 100 mg)를 포화 N-[2-(3,4-디하이드록시페닐)]에틸]니트라미드(니트로 도파민) 용액(니트로도파민)과 함께 20mL 바이알에 결합한다. 5 분 기다립니다.
2. 자기 분리를 사용하여 니트로 도파민 코팅 MFC를 세척. 옅은 노란색 상체를 붓습니다. 물을 넣고 힘차게 흔들어 줍니다. 그런 다음 자석을 사용하여 물을 부어 제품을 유지합니다. 유리병에 어두운 갈색 컬렉션을 떠나이 세탁을 여러 번 반복합니다.
   참고: 20 mg/mL의 농도로 수성 용액을 준비하고, 100 mg/mL의 농도를 가진 완충액, 20 mg/mL의 농도를 가진 폴리(AA-co-AMPS-co-PEG) 폴리머 용액을 준비한다.
3. EDC 용액 1mL, MES 버퍼 1m, 폴리머 용액 3mL을 혼합합니다. 혼합물을 소용돌이로 가볍게 저어서 약 5 분 동안 앉게하십시오. 완전히 결합될 때 는 명확하고 무색솔루션이어야 합니다.
4. 이 혼합물을 MFC 컬렉션에 추가하고 유리병을 얼음 욕조에 넣습니다. 프로브 초음파 처리기를 솔루션으로 낮추고 켜십시오(20kHz에서 250와트의 전력)을 켭니다.
   1. 5 분 초음파 처리 후, 초음파 처리가 여전히 실행되는 동안 유리병에 약 5 mL의 초순수물을 추가합니다. 제품이 유출되지 않도록 선박을 계속 모니터링합니다. 초기 얼음중 일부가 초음파처리의 강도와 열로 인해 녹아 얼음-물 혼합물에 얼음을 유지한다.
   2. 혼합물을 25분 동안 총 30분 동안 초음파 처리하도록 허용합니다.
5. 자석 위에 바이알을 놓고 MC를 분리하고 상체 용액을 부어 냅니다.
6. 변형된 MFC를 탈온화된 물로 여러 번 세척합니다.
7. MFC가 들어있는 유리병을 초순수물로 채웁니다. 0.1 μm polyethersulfone 멤브레인 필터가 있는 진공 여과 시스템에 이 유체를 피펫하여 돌이킬 수 없는 응집된 MFC를 제거하십시오.
8. 진공 필터 용액. 이 과정을 2-3번 반복합니다. 그 결과 모노분산 형 MFC의 정제 된 수성 솔루션이 될 것입니다.
   참고: 제품의 약 10%가 돌이킬 수 없는 집계되며 이 물질은 필터에 남아 폐기해야 합니다.

결과

수열 처리 후, 반응 혼합물은 도 1에서 볼 수 있는 점성 흑색 분산으로 변한다. 정제 후 어떤 결과는 페로유체처럼 행동하는 고농축 MFC 솔루션입니다. 유리병에 있는 유체는 휴대용 자석(<0.5 T) 근처에 배치될 때 몇 초 안에 반응하며, 자석이 서로 다른 위치에 배치될 때 움직일 수 있는 거시적 검은 질량을 형성합니다.

이 합성은 치수와 페릿 조성물이 첨?...

토론

이 작품은 균일한 나노 스케일 골체²⁹로 함께 클러스터된 망간 페릿 나노결정의 변형된 폴리올 합성을 보여줍니다. 이 합성에서 철(III) 염화물 및 망간(II) 염화물은 강제 가수분해 반응 및 감소를 거쳐 분자 MnxFe3-xO4_를 형성한다. 이 페릿 분자는 반응기의 고온 및 고압 하에서 1차 나노 결정을 형성하며, 궁극적으로 여기에 자성 페릿 클러스터(MFC)라...

자료

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