Стабильные водные суспензии ферритовых кластеров марганца с настраиваемым наноразмерным размером и составом

Резюме

Мы сообщаем о гидротермальном синтезе ферритовых кластеров марганца (MFC) в одном горшке, который предлагает независимый контроль над размерами и составом материала. Магнитная сепарация обеспечивает быструю очистку, в то время как функционализация поверхности с использованием сульфированных полимеров гарантирует, что материалы не агрегируются в биологически значимой среде. Полученные продукты хорошо позиционируются для биомедицинских применений.

Аннотация

Марганцевые ферритовые кластеры (MFC) представляют собой сферические сборки от десятков до сотен первичных нанокристаллов, магнитные свойства которых ценны в различных приложениях. Здесь описано, как сформировать эти материалы в гидротермальном процессе, позволяющем самостоятельно контролировать размер кластера продуктов (от 30 до 120 нм) и содержание марганца в полученном материале. Такие параметры, как общее количество воды, добавляемой в спиртовую реакционную среду, и отношение марганца к предшественнику железа, являются важными факторами в достижении нескольких типов наноразмерных продуктов MFC. Метод быстрой очистки использует магнитную сепарацию для восстановления материалов, что делает производство граммов магнитных наноматериалов довольно эффективным. Мы преодолеваем проблему агрегации магнитных наноматериалов, применяя высокозаряженные сульфонатные полимеры к поверхности этих наноматериалов, давая коллоидно стабильные MFC, которые остаются неагрегирующими даже в средах с высоким содержанием соли. Эти неагрегирующие, однородные и перестраиваемые материалы являются отличными перспективными материалами для биомедицинских и экологических применений.

Введение

Включение марганца в качестве легирующего вещества в решетку оксида железа может при соответствующих условиях увеличить намагниченность материала при высоких полях прикладывания по сравнению с чистыми оксидами железа. В результате наночастицы марганцевого феррита (MnxFe3-xO4) являются очень желательными магнитными наноматериалами из-за их высокой намагниченности насыщения, сильной реакции на внешние поля и низкой цитотоксичности1,2,3,4,5. Как однодоменные нанокристаллы, так и кластеры этих нанокристаллов, называемых многодоменными частицами, были исследованы в различных биомедицинских приложениях, включая доставку лекарств, магнитную гипертермию для лечения рака и магнитно-резонансную томографию (МРТ)^6,7,8. Например, группа Hyeon в 2017 году использовала однодоменные наночастицы феррита марганца в качестве катализатора Фентона для индуцирования гипоксии рака и использовала _T2contrast материала для отслеживания ^МРТ9. В свете этих и других положительных исследований ферритовых материалов удивительно, что существует мало демонстраций in vivo по сравнению с чистыми наноматериалами оксида железа (_Fe3O4) и нет зарегистрированных применений у ^{людей9,10}.

Одной из огромных проблем, с которыми приходится сталкиваться при переводе особенностей ферритовых наноматериалов в клинику, является создание однородных, неагрегирующих, наноразмерных кластеров11,12,13,14. В то время как традиционные синтетические подходы к монодоменным нанокристаллам хорошо развиты, мультидоменные кластеры типа интереса к этой работе нелегко получить единообразным и контролируемым ^{образом15,16}. Кроме того, ферритовая композиция обычно не является стехиометрической и не просто связана с начальной концентрацией предшественников, и это может еще больше затемнить систематическую структурно-функциональную характеристику этих материалов9,12,13,17. Здесь мы решаем эти проблемы, демонстрируя синтетический подход, который дает независимый контроль как над размером кластера, так и над составом наноматериалов марганцевого феррита.

Эта работа также предоставляет средства для преодоления плохой коллоидной стабильности ферритовых наноматериалов18,19,20. Магнитные наночастицы, как правило, склонны к агрегации из-за сильного притяжения частиц-частиц; Ферриты больше страдают от этой проблемы, поскольку их большая чистая намагниченность усиливает агрегацию частиц. В соответствующих биологических средах эти материалы дают достаточно большие агрегаты, которые материалы быстро собирают, тем самым ограничивая их пути воздействия на животных или людей20,21,22. Hilt et al. обнаружили еще одно последствие агрегации частиц-частиц в своем исследовании магнитотермического нагрева и деградации ^{красителя23}. При несколько более высоких концентрациях частиц или увеличенном времени воздействия на поле эффективность материалов снижалась по мере агрегирования материалов с течением времени и уменьшения площадей поверхности активных частиц. Эти и другие приложения выиграли бы от кластерных поверхностей, предназначенных для обеспечения стерических барьеров, исключающих взаимодействия частиц с ^{частицами24,25}.

Здесь мы сообщаем о синтетическом подходе к синтезу ферритовых кластеров марганца (MFC) с контролируемыми размерами и составом. Эти многодоменные частицы состоят из сборки первичных нанокристаллов феррита марганца, которые жестко агрегированы; тесная ассоциация первичных нанокристаллов усиливает их магнитные свойства и обеспечивает общий размер кластера, 50-300 нм, хорошо соответствующий оптимальным размерам для наномедицины. Изменяя количество воды и предшественника хлорида марганца, мы можем самостоятельно контролировать общий диаметр и состав. Метод использует простые и эффективные гидротермальные реакции с одним горшком, которые позволяют часто экспериментировать и оптимизировать материал. Эти МФУ могут быть легко очищены в концентрированный раствор продукта, который дополнительно модифицируется сульфированными полимерами, которые придают коллоидную стабильность. Их настраиваемость, однородность и стабильность фазы раствора имеют большое значение для применения наноматериалов в биомедицинской и экологической инженерии.

протокол

1. Синтез МФЦ с контролем общего диаметра и ферритового состава МФЦ

1. Вымойте и тщательно высушите всю стеклянную посуду, которая будет использоваться в синтезе. Количество воды в синтезе влияет на размеры MFC, поэтому крайне важно обеспечить, чтобы в стеклянной посуде не было остаточной ^{воды16,26}.
   1. Чтобы вымыть стеклянную посуду, промойте водой и моющим средством и потрите щеткой для удаления мусора. Тщательно промойте, чтобы удалить все моющее средство и закончите полосканием деионизированной водой.
   2. Чтобы высушить стеклянную посуду, стряхните капли воды с поверхности стеклянной посуды и поместите в духовку при 60°C до полного высыхания.
   3. Промыть реакторы с полифениленовой футеровкой (PPL) 37% соляной кислотой, чтобы удалить любой мусор из предыдущего использования. Для этого поместите реакторы и их колпачки в большой стакан и засыпьте соляной кислотой до тех пор, пока реакторы полностью не будут погружены. Оставьте на 30 минут, прежде чем вылить соляную кислоту. Непрерывно промывайте стакан, содержащий реакторы, водой в течение 1-2 мин, а затем поместите реакторы в печь для сушки.
2. Используйте автоматическую пипетку для переноса 20 мл этиленгликоля в стакан емкостью 50 мл с магнитным перемешивателем.
3. Взвесьте необходимое количество хлорида железа (III) (_FeCl3·_6H2O, твердое вещество) для достижения конечной концентрации 1,3 мМ и добавьте его в стакан. Положите стакан на перемешиваемую пластину и включите его при 480 оборотах в минуту, чтобы начать непрерывное перемешивание стакана.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку это гидрат, его необходимо быстро измерить и добавить, чтобы избежать нежелательного поглощения воды из окружающего воздуха.
4. Взвесьте 250 мг полиакриловой кислоты (PAA, Mw ~ 6000, порошок) и добавьте ее в стакан. После добавления ПАА раствор становится непрозрачным и немного светлее по цвету.
5. Взвесьте 1,2 г мочевины (CO(_NH2)₂, порошок) и добавьте ее в стакан.
6. Используя пипетку, добавьте в стакан 0,7 мМ хлорида марганца(II) (_MnCl2·_6H2O aq, 3,5 М, 0,2 мл).
7. Наконец, с помощью пипетки добавьте в стакан необходимое количество (0,5 мл) сверхчистой воды.
8. Дайте раствору помешиваться в течение 30 минут и обратите внимание на изменение цвета. Он будет представлен в виде полупрозрачного, темно-оранжевого цвета.
9. Перенесите реакционную смесь в реактор с полифениленовой футеровкой (PPL). Обратите внимание, что после того, как раствор перемешался, некоторые твердые вещества могли скопиться по бокам стакана.
   1. Используйте магнит (кубический постоянный редкоземельный магнит, 40 x 40 x 20 мм, далее именуемый «магнитом» для всех процедур разделения и магнитного сбора), чтобы перетащить перемешивание вокруг стенок стакана, чтобы гарантировать, что любые твердые вещества, которые накопились по бокам, диспергируются в реакционном растворе.
   2. Как только раствор будет перемешан и готов, перенесите его в реактор с ППЛ объемом 50 мл.
   3. Используйте зажим и рычаг, чтобы как можно плотнее запечатать реактор в автоклаве из нержавеющей стали. Зажмите корпус реактора к стабильной поверхности и, используя стержень, вставленный в колпачок в качестве рычага, подтолкните реактор к уплотнению. Обратите внимание, что герметичный реактор не должен быть открыт вручную. Это имеет решающее значение, поскольку среда высокого давления в печи требует плотного уплотнения на реакторе.
10. Поместите реактор в духовку на 20 ч при температуре 215 °C.
11. После того, как гидротермальная реакция завершена, извлеките реактор из печи и дайте ему остыть до комнатной температуры. Давление в печи позволит открыть реактор вручную. Отметим, что в этот момент реактор будет содержать продукт MFC, диспергированный в этиленгликоле с другими примесями, такими как непрореагировавший полимер, и будет представлять собой непрозрачный черный раствор. Продукт будет изолирован на следующих этапах.

2. Магнитная сепарация и очистка МФУ

1. Поместите 200 мг стальной ваты в стеклянный флакон. Заполните стеклянный флакон наполовину реакционной смесью из реактора. Наполните оставшуюся часть флакона ацетоном и хорошо встряхните. Отметим, что стальная вата увеличивает напряженность магнитного поля во флаконе и поможет магнитному отделению нанокластеров от раствора.
2. Поместите флакон на магнит для магнитного сбора. В результате получится полупрозрачный раствор с осадком внизу.
   1. Вылейте раствор супернатанта, в то время как MFC магнитно захвачены стальной ватой, удерживая магнит на дне флакона во время заливки. Этиленгликоль будет в основном удален на этом этапе.
   2. Начинайте промывку с низким соотношением ацетона к воде и увеличивайте соотношение в последующих смывах до чистоты. Сделайте это 3-4 раза.
3. Извлеките флакон из магнита и наполните его водой. Хорошо встряхните, чтобы растворить МФЦ. Теперь продукт будет полностью диспергироваться в воде.
4. Повторите предыдущие два шага несколько раз, пока водный раствор MFC не произведет пузырьков при встряхивании. В результате получится темная, непрозрачная ферромагнитная жидкость, которая будет сильно реагировать на магниты.
   ПРИМЕЧАНИЕ: При типичном синтезе с 20 мл этиленгликоля будет получено приблизительно 80 мг продукта MFC.

3. Поверхностная функционализация МФУ в сторону сверхвысокой коллоидной стабильности

ПРИМЕЧАНИЕ: Синтез нитродофамина и поли(AA-co-AMPS-co-PEG) можно найти в нашей предыдущей ^{работе16}. Сополимер производится путем свободнорадикальной полимеризации. Добавьте 0,20 г 2,2'-Азобиса (2-метилпропионитрила) (AIBN), 0,25 г акриловой кислоты (AA), 0,75 г 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты (AMPS) и 1,00 г поли(этиленгликоля) метилового эфира акрилата (PEG) в 10 мл N,N-диметилформамида (DMF). Нагрейте смесь на водяной бане при температуре 70 °C в течение 1 ч и переложите ее в диализный мешок (целлюлозная мембрана, 3 кДа) в воде. Весовое соотношение AA, AMPS и PEG составляет 1:3:4. Полимеризация для этих мономеров имеет 100% коэффициент конверсии, подтвержденный сублимационной сушкой и взвешиванием.

1. Смешайте 10 мл очищенных наночастиц (около 100 мг) во флаконе объемом 20 мл с 10 мл насыщенного раствора N-[2-(3,4-дигидроксифенил)этил]нитрамида (нитро-дофамина) (~1 мг/мл). Подождите 5 мин.
2. Промывайте МФУ с нитродофаминовым покрытием с помощью магнитной сепарации. Вылейте бледно-желтый супернатант. Добавьте воды и энергично встряхните. Затем вылейте воду, используя магнит, чтобы сохранить продукт. Повторите эту промывку несколько раз, оставив темно-коричневый сбор во флаконе.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Готовят водный раствор с концентрацией 20 мг/мл, буферный раствор с концентрацией 100 мг/мл и поли(AA-co-AMPS-co-PEG) полимерный раствор с концентрацией 20 мг/мл.
3. Смешайте 1 мл раствора EDC, 1 мл буфера MES и 3 мл раствора полимера. Слегка перемешайте, покрутив смесь, и дайте ей постоять примерно 5 минут. Это должен быть прозрачный и бесцветный раствор при полном сочетании.
4. Добавьте эту смесь в коллекцию MFC и поместите флакон в ледяную ванну. Опустите зондовый ультразвуковой аппарат в раствор, а затем включите его (мощность 250 Вт при 20 кГц).
   1. После 5-минутной обработки ультразвуком добавьте примерно 5 мл сверхчистой воды во флакон, пока ультразвуковой аппарат все еще работает. Продолжайте следить за судном, чтобы убедиться, что продукт не разливается. Поддерживайте лед в смеси льда и воды, так как часть исходного льда растает из-за интенсивности и тепла обработки ультразвуком.
   2. Дайте смеси настояться ультразвуком в течение дополнительных 25 минут, в общей сложности 30 минут.
5. Поместите флакон поверх магнита, чтобы отделить MFC и вылить раствор супернатанта.
6. Промыть модифицированные МФУ деионизированной водой несколько раз.
7. Наполните флакон, содержащий МФУ, сверхчистой водой. Пипетка этой жидкости в вакуумную систему фильтрации с мембранным фильтром полиэфирсульфона 0,1 мкм для удаления любых необратимо агрегированных МФУ. Обязательно промывайте стенки воронки, чтобы свести к минимуму потерю продукта.
8. Вакуумная фильтрация раствора. Повторите этот процесс 2-3 раза. В результате получится очищенный водный раствор монодисперсных МФУ.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Примерно 10% продукта будет необратимо агрегировано, и этот материал останется на фильтре и должен быть выброшен.

Результаты

После гидротермической обработки реакционная смесь превращается в вязкую черную дисперсию, как видно на рисунке 1. Что получается после очистки, так это высококонцентрированный раствор MFC, который ведет себя как ферромагнитная жидкость. Жидкость во флаконе реагирует в ...

Обсуждение

Данная работа демонстрирует модифицированный полиольный синтез нанокристаллов марганцевого феррита, сгруппированных вместе в однородные наноразмерные ^{агрегаты29}. При этом синтезе хлорид железа(III) и хлорид марганца(II) подвергаются принудительной реакции гидролиза и вос?...

Материалы

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