Suspensões aquosas estáveis de aglomerados de ferrite de manganês com dimensão e composição de nanoescala tunable

Resumo

Relatamos uma síntese hidrotérmica de um pote de aglomerados de ferrita de manganês (MFCs) que oferece controle independente sobre a dimensão e a composição do material. A separação magnética permite a purificação rápida enquanto a funcionalização da superfície usando polímeros sulfoados garante que os materiais não sejam agregados em meio biologicamente relevante. Os produtos resultantes estão bem posicionados para aplicações biomédicas.

Resumo

Os aglomerados de ferrite de manganês (MFCs) são conjuntos esféricos de dezenas a centenas de nanocristais primários cujas propriedades magnéticas são valiosas em diversas aplicações. Aqui descrevemos como formar esses materiais em um processo hidrotérmico que permite o controle independente do tamanho do cluster do produto (de 30 a 120 nm) e o teor de manganês do material resultante. Parâmetros como a quantidade total de água adicionada à mídia de reação alcoólica e a razão entre manganês e precursor de ferro são fatores importantes para alcançar múltiplos tipos de produtos nanoescala MFC. Um método de purificação rápida usa a separação magnética para recuperar os materiais que fazem a produção de gramas de nanomateriais magnéticos bastante eficiente. Superamos o desafio da agregação de nanomateriais magnéticos aplicando polímeros sulfonatos altamente carregados à superfície desses nanomateriais que produzem MFCs coloidalmente estáveis que permanecem não agregando mesmo em ambientes altamente salinos. Esses materiais não agregadores, uniformes e incompará-los são excelentes materiais prospectivos para aplicações biomédicas e ambientais.

Introdução

A inclusão de manganês como dopant em uma rede de óxido de ferro pode, sob as condições adequadas, aumentar a magnetização do material em campos de alta aplicação em comparação com óxidos de ferro puros. Como resultado, as nanopartículas de manganês ferrite (MnxFe3-xO4) são nanomateriais magnéticos altamente desejáveis devido à sua alta magnetização de saturação, forte resposta a campos externos e baixa citotoxicidade1,2,3,4,5. Tanto os nanocristais de domínio único quanto os agrupamentos desses nanocristais, denominados partículas multidomainas, têm sido investigados em diversas aplicações biomédicas, incluindo entrega de medicamentos, hipertermia magnética para tratamento do câncer e ressonância magnética (RM)^6,7,8. Por exemplo, o grupo Hyeon em 2017 usou nanopartículas de ferrite de manganês de domínio único como um catalisador fenton para induzir a hipóxia do câncer e explorou o _T2contrast do material para rastreamento de ressonância ^magnética9. É surpreendente à luz desses e outros estudos positivos de materiais ferritais que há poucas demonstrações in vivo em comparação com nanomateriais de óxido de ferro puro (_Fe3O4), e nenhuma aplicação relatada em ^humanos9,10.

Um imenso desafio enfrentado na tradução das características dos nanomateriais ferrite para a clínica é a geração de aglomerados uniformes, não agregadores e nanoescala11,12,13,14. Embora as abordagens sintéticas convencionais para os nanocristais monodomínios sejam bem desenvolvidas, os aglomerados multidomain do tipo de interesse neste trabalho não são facilmente produzidos de forma uniforme e ^{controlada15,16}. Além disso, a composição ferrita geralmente não é estequiométrica e não apenas está relacionada à concentração inicial dos precursores e isso pode obscurecer ainda mais a caracterização sistemática estrutura-função desses materiais9,12,13,17. Aqui, abordamos essas questões demonstrando uma abordagem sintética que produz controle independente sobre a dimensão do cluster e a composição de nanomateriais de ferrite de manganês.

Este trabalho também fornece um meio de superar a pobre estabilidade coloidal dos nanomateriais ferrite18,19,20. As nanopartículas magnéticas são geralmente propensas à agregação devido à forte atração de partículas de partículas; ferrites sofrem mais com esse problema à medida que sua magnetização líquida maior amplifica a agregação de partículas. Em meios biológicos relevantes, esses materiais produzem grandes agregados suficientes que os materiais coletam rapidamente, limitando assim suas rotas de exposição a animais ou pessoas20,21,22. Hilt et al. encontraram outra consequência da agregação de partículas-partículas em seu estudo de aquecimento magnetotémico e degradação de ^corante23. Em concentrações de partículas ligeiramente maiores, ou aumento do tempo de exposição ao campo, a eficácia dos materiais foi reduzida à medida que os materiais agregados ao longo do tempo e as áreas de superfície de partículas ativas diminuíram. Essas e outras aplicações se beneficiariam de superfícies de cluster projetadas para fornecer barreiras estéricas que impediam interações partículas-partícula24,25.

Aqui relatamos uma abordagem sintética para sintetizar os aglomerados de ferrite de manganês (MFCs) com dimensões e composição controláveis. Essas partículas de multidomaina consistem em um conjunto de nanocristais de ferrite de manganês primários que são agregados duramente; a associação próxima dos nanocristais primários melhora suas propriedades magnéticas e fornece um tamanho total de cluster, 50-300 nm, bem combinado com as dimensões ideais para uma nanomedicina. Alterando a quantidade de água e o precursor do cloreto de manganês, podemos controlar independentemente o diâmetro e a composição globais. O método utiliza reações hidrotérmicas simples e eficientes de um pote que permitem experimentação frequente e otimização de materiais. Esses MFCs podem ser facilmente purificados em uma solução concentrada de produtos, que é ainda modificada por polímeros sulfoados que transmitem estabilidade coloidal. Sua sintonia, uniformidade e estabilidade de fase de solução são características de grande valor nas aplicações de nanomateriais em engenharia biomédica e ambiental.

Protocolo

1. Síntese de MFCs com controle sobre o diâmetro geral dos MFCs e composição ferrita

1. Lave e seque completamente todos os vidros para serem usados na síntese. A quantidade de água na síntese impacta as dimensões dos MFCs, por isso é crucial garantir que o vidro não tenha água residual ^nele16,26.
   1. Para lavar os vidros, enxágue com água e detergente e esfregue com uma escova de frasco para remover os detritos. Enxágue bem para remover todo o detergente e finalize com uma lavagem de água deionizada.
   2. Para secar os vidros, retire as gotículas de água da superfície do vidro e coloque em um forno a 60°C até secar completamente.
   3. Enxágüe os reatores revestidos de polifeneno (PPL) com 37% de ácido clorídrico para remover quaisquer detritos do uso anterior. Para isso, coloque os reatores e suas tampas em um grande béquer e encha com ácido clorídrico até que os reatores estejam completamente submersos. Deixe isso descansar por 30 minutos antes de derramar o ácido clorídrico. Enxágue continuamente o béquer contendo os reatores com água por 1-2 min e, em seguida, coloque os reatores no forno para secar.
2. Use uma pipeta automática para transferir 20 mL de etileno glicol em um béquer de 50 mL com uma barra de agitação magnética.
3. Pesar a quantidade necessária de cloreto de ferro (III) (_FeCl3·_6H2O, sólido) para alcançar uma concentração final de 1,3 mM e adicioná-lo ao béquer. Coloque o béquer em uma placa de agitação e ligue-o a 480 rpm para começar a agitação contínua do béquer.
   NOTA: Como se trata de um hidrato, deve ser medido e adicionado rapidamente para evitar a absorção indesejada de água do ar ambiente.
4. Pese 250 mg de ácido poliacrílico (PAA, Mw ~6.000, pó) e adicione-o ao béquer. Após a adição do PAA, a solução se torna opaca e ligeiramente mais clara na cor.
5. Pesar 1,2 g de ureia (CO(_NH2)₂, pó) e adicioná-lo ao béquer.
6. Usando uma pipeta, adicione cloreto de manganês de 0,7 mM (II) (_MnCl2·_6H2O aq, 3,5 M, 0,2 mL) ao béquer.
7. Por fim, usando uma pipeta adicione a quantidade necessária (0,5 mL) de água ultra-pura ao béquer.
8. Deixe a solução mexer por 30 minutos e observe a mudança de cor. Ele se apresentará como uma cor laranja translúcida e escura.
9. Transfira a mistura de reação para o reator forrado de polifeneno (PPL). Note que depois que a solução mexeu alguns sólidos podem ter se acumulado nas laterais do béquer.
   1. Use um ímã (ímã de terra rara permanente cúbica, 40 x 40 x 20 mm, doravante chamado de "ímã" para todos os procedimentos de separação e coleta magnética) para arrastar a barra de agitação ao redor das paredes do béquer para garantir que quaisquer sólidos que tenham se acumulado nas laterais sejam dispersados na solução de reação.
   2. Uma vez que a solução esteja mista e pronta, transfira-a para o reator forrado PPL de 50 mL.
   3. Use um grampo e uma alavanca para selar o reator na autoclave de aço inoxidável o mais firmemente possível. Fixar o vaso do reator em uma superfície estável, e usando uma haste inserida na tampa como alavanca, empurre o reator para selar. Observe que o reator selado não deve ser capaz de ser aberto manualmente. Isso é crucial, pois o ambiente de alta pressão do forno requer uma vedação apertada no reator.
10. Coloque o reator em forno por 20 h a 215 °C.
11. Depois que a reação hidrotérmica for feita, remova o reator do forno e deixe esfriar até a temperatura ambiente. A pressão do forno permitirá que o reator seja aberto manualmente. Observe que neste ponto, o reator conterá o produto MFC dispersado em etileno glicol com outras impurezas, como polímero não redigido, e será uma solução preta opaca. O produto será isolado nas etapas seguintes.

2. Separação magnética e purificação de MFCs

1. Coloque 200 mg de lã de aço em um frasco de vidro. Encha o frasco de vidro no meio do caminho com a mistura de reação do reator. Encha o resto do frasco com acetona e agite bem. Observe que a lã de aço aumenta a força do campo magnético no frasco e ajudará a separação magnética dos nanoaglomerados da solução.
2. Coloque o frasco em um ímã para que a coleta magnética ocorra. O resultado será uma solução translúcida com precipitação na parte inferior.
   1. Despeje a solução sobrenante enquanto os MFCs são magneticamente presos pela lã de aço, segurando o ímã até o fundo do frasco enquanto derramam. O etileno glicol será removido principalmente nesta etapa.
   2. Comece a lavar com a baixa proporção de acetona para água e aumente a proporção em lavagens subsequentes até ficar pura. Faça isso 3-4 vezes.
3. Retire o frasco do ímã e encha-o com água. Agite bem para dissolver os MFCs. Agora o produto estará totalmente disperso na água.
4. Repita as duas etapas anteriores várias vezes até que a solução aquosa dos MFCs não produz bolhas quando abalada. O resultado será um ferrofluido escuro e opaco que responderá fortemente aos ímãs.
   NOTA: Em uma síntese típica com 20 mL de etileno glicol, aproximadamente 80 mg de produto MFC serão obtidos.

3. Funcionalidade superficial de MFCs em direção à estabilidade coloidal ultra-alta

NOTA: A síntese de nitro-dopamina e Poly (AA-co-AMPS-co-PEG) pode ser encontrada em nosso trabalho ^anterior16. O copolímero é feito através da polimerização radical livre. Adicionar 0,20 g de 2,2′-Azobis(2-metilpropionitrilo) (AIBN), 0,25 g de ácido acrílico (AA), 0,75 g de 2-Acrilamido-2-ácido sulfônico de metilpropano (AMPS) e 1,00 g de Polítil glicol (etileno glicol) acrilato de metila (PEG) em 10 mL de N,N-Dimetilformamida (DMF). Aqueça a mistura em um banho de água de 70 °C por 1h e transfira para um saco de diálise (Membrana de Celulose, 3 kDa) na água. A razão de peso de AA, AMPS e PEG é de 1:3:4. A polimerização desses monômeros tem uma taxa de conversão de 100%, confirmada pela secagem e pesagem congelantes.

1. Combine 10 mL de nanopartículas purificadas (cerca de 100 mg) em um frasco de 20 mL com 10 mL de solução de N-[2-(3,4-dihidroxilfenil)etil]niramida (nitro-dopamina) (~1 mg/mL). Espere por 5 min.
2. Lave os MFCs revestidos de nitro-dopamina usando separação magnética. Despeje o supernatante amarelo-pálido. Adicione água e agite vigorosamente. Em seguida, despeje água usando o ímã para reter o produto. Repita esta lavagem várias vezes deixando a coleção marrom escura no frasco.
   NOTA: Prepare uma solução aquosa com concentração de 20 mg/mL, uma solução tampão com concentração de 100 mg/mL, e uma solução polímera poli (AA-co-AMPS-co-PEG) com concentração de 20 mg/mL.
3. Misture 1 mL de solução EDC, 1 mL de tampão MES e 3 mL da solução de polímero. Mexa levemente girando a mistura, e deixe descansar por aproximadamente 5 minutos. Deve ser uma solução clara e incolor quando totalmente combinada.
4. Adicione essa mistura à coleção MFC e coloque o frasco em um banho de gelo. Abaixe o sonicator da sonda na solução e ligue-o (250 watts de potência a 20 kHz).
   1. Após um tratamento de sonicação de 5 minutos, adicione cerca de 5 mL de água ultra-pura ao frasco enquanto o sonicator ainda está funcionando. Continue monitorando a embarcação para garantir que nenhum produto derrame. Mantenha o gelo na mistura de água gelada, pois parte do gelo inicial derreterá devido à intensidade e calor da sônicação.
   2. Deixe a mistura sonicar por mais 25 minutos, totalizando 30 min.
5. Coloque o frasco em cima de um ímã para separar os MFCs e despeje a solução sobrenatante.
6. Lave os MFCs modificados com água desionizada várias vezes.
7. Encha o frasco contendo os MFCs com água ultra-pura. Pipeta este fluido em um sistema de filtragem de vácuo com um filtro de membrana de polietroéfone de 0,1 μm para remover quaisquer MFCs irreversivelmente agregados. Certifique-se de lavar as paredes do funil para minimizar qualquer perda do produto.
8. Filtro de vácuo a solução. Repita este processo 2-3 vezes. O resultado será uma solução aquosa purificada de MFCs monodispersed.
   NOTA: Cerca de 10% do produto será irreversivelmente agregado e este material permanecerá no filtro e deve ser descartado.

Resultados

Após o tratamento hidrotérmico, a mistura de reação se transforma em uma dispersão negra viscosa como pode ser visto na Figura 1. O que resulta após a purificação é uma solução MFC altamente concentrada que se comporta como um ferrofluido. O fluido no frasco responde em segundos quando colocado perto de um ímã portátil (<0,5 T), formando uma massa negra macroscópica que pode ser movida à medida que o ímã é colocado em diferentes locais.

Esta sí...

Discussão

Este trabalho demonstra uma síntese de poliol modificada de nanocristais de ferrite de manganês agrupados em agregados de nanoescala ^uniforme29. Nesta síntese, o cloreto de ferro (III) e o cloreto de manganês(II) sofrem uma reação e redução da hidrólise forçada, formando MnxFe3-xO4 molecular. Estas moléculas de ferrite formam nanocristais primários sob a alta temperatura e alta pressão nos reatores, finalmente se reunindo em agregados esfér...

Materiais

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