Ayarlanabilir Nano ölçekli Boyut ve Bileşime Sahip Manganez Ferrit Kümelerinin Kararlı Sulu Süspansiyonları

Özet

Manganez ferrit kümelerinin (MFC' ler) malzeme boyutu ve bileşimi üzerinde bağımsız kontrol sağlayan tek potalı hidrotermal sentezini rapor ediyoruz. Manyetik ayırma hızlı saflaştırma sağlarken, sülfonated polimerler kullanılarak yüzey fonksiyonelleştirme, malzemelerin biyolojik olarak ilgili ortamda toplanmamasını sağlar. Elde edilen ürünler biyomedikal uygulamalar için iyi konumlandırılmıştır.

Özet

Manganez ferrit kümeleri (MFC'ler), manyetik özellikleri çeşitli uygulamalarda değerli olan onlarca ila yüzlerce birincil nanokristalden oluşan küresel montajlardır. Burada, bu malzemelerin ürün kümesi boyutunun (30 ila 120 nm) bağımsız kontrolüne ve elde edilen malzemenin manganez içeriğine izin veren bir hidrotermal işlemde nasıl oluşturulacağı açıklanmaktadır. Alkollü reaksiyon ortamına eklenen toplam su miktarı ve manganezin demir öncüsüne oranı gibi parametreler, birden fazla MFC nano ölçekli ürün türüne ulaşmada önemli faktörlerdir. Hızlı bir arıtma yöntemi, gram manyetik nanomalzemelerin üretimini oldukça verimli hale getiren malzemeleri kurtarmak için manyetik ayırma kullanır. Manyetik nanomalzeme toplama zorluğunu, bu nanomalzemelerin yüzeyine yüksek yüklü sülfonat polimerleri uygulayarak üstesinden geliyoruz ve yüksek tuzlu ortamlarda bile toplanmayan kolloidal olarak stabil MBC'ler elde ediyoruz. Bu toplamayan, tekdüze ve ayarlanabilir malzemeler biyomedikal ve çevresel uygulamalar için mükemmel prospektif malzemelerdir.

Giriş

Manganezin bir demir oksit kafesine dopant olarak dahil edilmesi, uygun koşullar altında, saf demir oksitlere kıyasla malzemenin yüksek uygulamalı alanlardaki manyetizasyonunu artırabilir. Sonuç olarak, manganez ferrit (MnxFe3-xO4) nanopartikülleri, yüksek doygunluk manyetizasyonu, dış alanlara güçlü tepki ve düşük sitotoksiklikleri nedeniyle oldukça arzu edilen manyetik nanomalzemelerdir1,2,3,4,5. Hem tek etki alanı nanokristalleri hem de multidomain parçacıkları olarak adlandırılan bu nanokristallerin kümeleri, ilaç dağıtımı, kanser tedavisi için manyetik hipertermi ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG)^6,7,8 dahil olmak üzere çeşitli biyomedikal uygulamalarda araştırılmıştır. Örneğin, 2017'deki Hyeon grubu, kanser hipoksisini teşvik etmek için Fenton katalizörü olarak tek alanlı manganez ferrit nanopartiküllerini kullandı ve MRI takibi için malzemenin T2contrast'ını ^kullandı9. Ferrit malzemelerin bu ve diğer olumlu çalışmaları ışığında, saf demir oksit (_Fe3O4) nanomalzemelere kıyasla az sayıda in vivo gösteri olması ve insanlarda bildirilen hiçbir uygulama olmaması ^{şaşırtıcıdır9,10}.

Ferrit nanomalzemelerin özelliklerinin kliniğe çevrilmesinde karşılaşılan büyük bir zorluk, tek tip, toplanmayan, nano ölçekli kümelerin üretilmesidir11,12,13,14. Monodomain nanokristallere geleneksel sentetik yaklaşımlar iyi gelişmiş olsa da, bu işe ilgi türündeki çok etki alanı kümeleri tek tip ve kontrollü bir şekilde kolayca üretilmemektedir15,16. Ek olarak, ferrit bileşimi genellikle stoichiometrik değildir ve sadece öncüllerin başlangıç konsantrasyonu ile ilgili değildir ve bu, bu malzemelerin sistematik yapı-işlev karakterizasyonunu daha da gizleyebilir9,12,13,17. Burada manganez ferrit nanomalzemelerinin hem küme boyutu hem de bileşimi üzerinde bağımsız kontrol sağlayan sentetik bir yaklaşım sergileyerek bu sorunları ele alıyoruz.

Bu çalışma aynı zamanda ferrit nanomalzemelerin zayıf kolloidal stabilitesinin üstesinden gelmek için bir araç sağlar18,19,20. Manyetik nanopartiküller genellikle güçlü parçacık-parçacık cazibesi nedeniyle toplanmaya eğilimlidir; ferritler, daha büyük net manyetizasyonları parçacık toplamayı güçlendirdikçe bu sorundan daha fazla muzdariptir. İlgili biyolojik ortamda, bu malzemeler malzemelerin hızla topladığı yeterince büyük agregalar verir, böylece hayvanlara veya insanlara maruz kalma rotalarını sınırlar20,21,22. Hilt ve arkadaşları, manyetotermal ısıtma ve boya bozulması çalışmalarında parçacık-parçacık toplamanın başka bir sonucunu ^buldular23. Biraz daha yüksek parçacık konsantrasyonlarında veya alana maruz kalma süresinin artmasında, malzemeler zamanla bir araya geldikçe ve aktif parçacık yüzey alanları azaldıkça malzemelerin etkinliği azaltıldı. Bu ve diğer uygulamalar, parçacık-parçacık etkileşimlerini önleyen sterik bariyerler sağlamak için tasarlanmış küme yüzeylerinden ^{yararlanacaktır24,25}.

Burada manganez ferrit kümelerini (MFC' ler) kontrol edilebilir boyutlar ve bileşim ile sentezlemek için sentetik bir yaklaşım bildiriyoruz. Bu çok etki alanı parçacıkları, sert bir şekilde toplanan birincil manganez ferrit nanokristallerinin bir montajından oluşur; birincil nanokristallerin yakın ilişkisi manyetik özelliklerini geliştirir ve bir nanotıp için optimum boyutlara iyi eşleşen genel bir küme boyutu olan 50-300 nm sağlar. Su ve manganez klorür öncüsü miktarını değiştirerek, genel çapı ve bileşimi bağımsız olarak kontrol edebiliriz. Yöntem, sık deney ve malzeme optimizasyonuna izin veren basit ve verimli tek pota hidrotermal reaksiyonları kullanır. Bu MFC'ler, kolloidal stabilite sağlayan sülfonlu polimerler tarafından daha da değiştirilen konsantre bir ürün çözeltisine kolayca saflaştırılabilir. Bunların tunability, homojenliği ve çözüm fazı stabilitesi, biyomedikal ve çevre mühendisliğinde nanomalzeme uygulamalarında çok değerli özelliklerdir.

Protokol

1. MFC'lerin genel çapı ve ferrit bileşimi üzerinde kontrole sahip MFC'lerin sentezi

1. Sentezde kullanılacak tüm cam eşyaları yıkayın ve iyice kurulayın. Sentezdeki su miktarı MFC'lerin boyutlarını etkiler, bu nedenle cam eşyaların içinde artık su olmadığından emin olmak çok ^{önemlidir16,26}.
   1. Cam eşyaları yıkamak için su ve deterjanla durulayın ve döküntüleri gidermek için bir şişe fırçası ile ovalayın. Tüm deterjanı çıkarmak için iyice durulayın ve deiyonize su ile bitirin.
   2. Züccaciyeyi kurutmak için, su damlacığını züccaciyenin yüzeyinden sallayın ve tamamen kuruyana kadar 60 °C'de bir fırına yerleştirin.
   3. Polifenilen kaplı (PPL) reaktörleri% 37 hidroklorik asitle durulaarak önceki kullanımdaki kalıntıları temizleyin. Bunu yapmak için, reaktörleri ve kapaklarını büyük bir kabın içine yerleştirin ve reaktörler tamamen suya gömülene kadar hidroklorik asitle doldurun. Hidroklorik asidi dökmeden önce bunu 30 dakika bekletin. Reaktörleri içeren kabı 1-2 dakika boyunca suyla sürekli durulayın ve ardından reaktörleri kurumaya bırakın.
2. Manyetik karıştırma çubuğuna sahip 50 mL'lik bir behere 20 mL etilen glikol aktarmak için otomatik bir pipet kullanın.
3. _1,3 mM'lik son konsantrasyonu elde etmek için gerekli miktarda demir (III) klorür (FeCl3·_6H2O, katı) tartın ve kabın içine ekleyin. Beheri bir karıştırma plakasına koyun ve kabın sürekli karıştırılmaya başlaması için 480 rpm'de açın.
   NOT: Bu bir hidrat olduğundan, ortam havasından istenmeyen su emilimini önlemek için hızlı bir şekilde ölçülmeli ve eklenmelidir.
4. 250 mg poliakrilik asit (PAA, Mw ~ 6.000, toz) tartın ve kabın içine ekleyin. PAA'nın eklenmesinden sonra, çözelti opak ve biraz daha açık renkte olur.
5. 1,2 g üre (CO(_NH2)₂, toz) tartın ve kabın içine ekleyin.
6. Pipet kullanarak, kabın içine 0,7 mM manganez (II) klorür (_MnCl2·_6H2O aq, 3,5 M, 0,2 mL) ekleyin.
7. Son olarak, bir pipet kullanarak behere gerekli miktarda (0,5 mL) ultra saf su ekleyin.
8. Çözeltinin 30 dakika karıştırmasına izin verin ve renk değişimini fark edin. Yarı saydam, koyu turuncu bir renk olarak sunulacaktır.
9. Reaksiyon karışımını polifenilen astarlı (PPL) reaktöre aktarın. Çözelti karıştırıldıktan sonra, kabın yanlarında bazı katıların birikmiş olabileceğini unutmayın.
   1. Yanlarda biriken katıların reaksiyon çözeltisine dağılmasını sağlamak için karıştırma çubuğunu kabın duvarlarının etrafına sürüklemek için bir mıknatıs (kübik kalıcı nadir toprak mıknatısı, 40 x 40 x 20 mm, bundan sonra tüm ayırma ve manyetik toplama prosedürleri için "mıknatıs" olarak adlandırılır) kullanın.
   2. Çözelti karıştırılıp hazır hale yüklendikten sonra 50 mL PPL astarlı reaktöre aktarın.
   3. Paslanmaz çelik otoklavdaki reaktörü mümkün olduğunca sıkı bir şekilde kapatmak için bir kelepçe ve kol kullanın. Reaktör kabını sabit bir yüzeye sıkıştırın ve kapağa bir kol olarak yerleştirilmiş bir çubuk kullanarak reaktörü sızdırmazlığa itin. Kapalı reaktörün elle açılamayacağına dikkat edin. Fırının yüksek basınç ortamı reaktör üzerinde sıkı bir sızdırmazlık gerektirdiğinden bu çok önemlidir.
10. Reaktörü 215 °C'de 20 saat fırına yerleştirin.
11. Hidrotermal reaksiyon yapıldıktan sonra reaktörü fırından çıkarın ve oda sıcaklığına soğumasını bekleyin. Fırının basıncı reaktörün elle açılmasını sağlayacaktır. Bu noktada reaktörün etilen glikolde dağınık MFC ürününü, tepkilenmemiş polimer gibi diğer safsızlıklarla birlikte içereceğini ve opak siyah bir çözelti olacağını unutmayın. Ürün aşağıdaki adımlarda yalıtılacaktır.

2. MFC'lerin manyetik olarak ayrılması ve saflaştırılması

1. Bir cam şişeye 200 mg çelik yün yerleştirin. Cam şişeyi reaktörden gelen reaksiyon karışımıyla yarıya kadar doldurun. Şişenin geri kalanını asetonla doldurun ve iyice çalkalayın. Çelik yünün şişedeki manyetik alan gücünü artırdığını ve nanokütüslerin çözeltiden manyetik olarak ayrılmasına yardımcı olacağını unutmayın.
2. Manyetik toplamanın gerçekleşmesi için şişeyi bir mıknatısın üzerine yerleştirin. Sonuç, altta çökelti olan yarı saydam bir çözelti olacaktır.
   1. MFC'ler dökülürken mıknatısı şişenin dibine tutarak çelik yün tarafından manyetik olarak sıkışıp kalmışken, süpernatant çözeltiyi dökün. Etilen glikol çoğunlukla bu adımda kaldırılacaktır.
   2. Asetonun suya oranının düşüklüğü ile yıkamaya başlayın ve sonraki yıkamalarda saf olana kadar oranı artırın. Bunu 3-4 kez yapın.
3. Şişeyi mıknatıstan çıkarın ve suyla doldurun. MFC'leri çözmek için iyi çalkalayın. Şimdi ürün tamamen suya dağılacak.
4. MFC'lerin sulu çözümü çalkalandığında kabarcık üretmeyene kadar önceki iki adımı birkaç kez tekrarlayın. Sonuç, mıknatıslara güçlü bir şekilde yanıt verecek karanlık, opak bir ferrofluid olacaktır.
   NOT: 20 mL etilen glikol ile tipik bir sentezde, yaklaşık 80 mg MFC ürünü elde edilecektir.

3. MFC'lerin ultra yüksek kolloidal stabiliteye doğru yüzey fonksiyonelleştirilmesi

NOT: Nitro-dopamin ve Poly (AA-co-AMPS-co-PEG) sentezi önceki çalışmamızda ^{bulunabilir16}. Koalölçer serbest radikal polimerizasyonu ile yapılır. 0.20 g 2,2′-Azobis(2-metilpropionitrile) (AIBN), 0,25 g akrilik asit (AA), 0,75 g 2-Akrilyido-2 ekleyin -metilpropane sülfinik asit (AMPS) ve 10 mL N,N-Dimetilformamid (DMF) içinde 1.00 g Poli (etilen glikol) metil eter akrilit (PEG). Karışımı 70 °C'lik bir su banyosunda 1 saat ısıtın ve suda bir diyaliz torbasına (Selüloz Membran, 3 kDa) aktarın. AA, AMPS ve PEG'in ağırlık oranı 1:3:4'tür. Bu monomerler için polimerizasyon, dondurarak kurutma ve tartım ile onaylanan% 100 dönüşüm oranına sahiptir.

1. 10 mL saflaştırılmış nanopartikülleri (yaklaşık 100 mg) 20 mL'lik bir şişede 10 mL doymuş N-[2-(3,4-dihidroksifenil)etil]nitramid (nitro-dopamin) çözeltisi (~1 mg/mL) ile birleştirin. 5 dakika bekleyin.
2. Nitro-dopamin kaplı MFC'leri manyetik ayırma kullanarak yıkayın. Soluk sarı süpernatant dökün. Su ekleyin ve kuvvetlice çalkalayın. Daha sonra, ürünü korumak için mıknatısı kullanarak su dökün. Bu yıkamayı birkaç kez tekrarlayın ve koyu kahverengi koleksiyonu şişede bırakın.
   NOT: 20 mg/mL konsantrasyonda sulu bir çözelti, 100 mg/mL konsantrasyonda bir tampon çözeltisi ve 20 mg/mL konsantrasyonda bir poli(AA-co-AMPS-co-PEG) polimer çözeltisi hazırlayın.
3. 1 mL EDC çözeltisi, 1 mL MES tamponu ve 3 mL polimer çözeltisini karıştırın. Karışımı döndürerek hafifçe karıştırın ve yaklaşık 5 dakika bekletin. Tamamen birleştirildiğinde net ve renksiz bir çözüm olmalıdır.
4. Bu karışımı MFC koleksiyonuna ekleyin ve şişeyi bir buz banyosuna yerleştirin. Prob sonicator'ı çözeltiye haline alın ve ardından açın (20 kHz'de 250 watt güç).
   1. 5 dakikalık bir sonication işlemden sonra, sonicator hala çalışırken şişeye kabaca 5 mL ultra saf su ekleyin. Ürün dökülmemesini sağlamak için gemiyi izlemeye devam edin. Sonication yoğunluğu ve ısısı nedeniyle ilk buzun bir kısmı eriyeceğinden, buz suyu karışımındaki buzu koruyun.
   2. Karışımın toplam 30 dakika boyunca 25 dakika daha sonicate etmesine izin verin.
5. MFC'leri ayırmak ve süpernatant çözeltisini dökmek için şişeyi bir mıknatısın üzerine yerleştirin.
6. Modifiye MFC'leri deiyonize suyla birkaç kez yıkayın.
7. MFC'leri içeren şişeyi ultra saf suyla doldurun. Pipet bu sıvı, geri dönüşümsüz olarak toplanan MFC'leri çıkarmak için 0,1 μm poliethersülfon membran filtreli bir vakum filtrasyon sistemine sokar. Ürün kaybını en aza indirmek için huni duvarlarını yıkattığınızdan emin olun.
8. Çözümü vakum filtresi. Bu işlemi 2-3 kez tekrarlayın. Sonuç, monodispersed MFC'lerin saflaştırılmış sulu bir çözümü olacaktır.
   NOT: Ürünün kabaca %10'luk kısmı geri dönüşümsüz olarak toplanır ve bu malzeme filtrede kalır ve atılmalıdır.

Sonuçlar

Hidrotermal işlemden sonra reaksiyon karışımı Şekil 1'de görülebileceği gibi viskoz siyah bir dağılıma dönüşür. Saflaştırmadan sonra ortaya çıkan şey, ferrofluid gibi davranan son derece konsantre bir MFC çözümüdür. Şişedeki sıvı, bir el mıknatısı (<0,5 T) yakınına yerleştirildiğinde saniyeler içinde yanıt verir ve mıknatıs farklı yerlere yerleştirilirken hareket ettirilebilen makroskopik siyah bir kütle oluşturur.

Bu s...

Tartışmalar

Bu çalışma, tek tip nano ölçekli agregalar halinde kümelenmiş manganez ferrit nanokristallerinin modifiye poliol sentezini ^{göstermektedir29}. Bu sentezde, demir(III) klorür ve manganez(II) klorür, moleküler MnxFe3-xO4 oluşturan zorunlu bir hidroliz reaksiyonu ve azalmasına uğrar. Bu ferrit molekülleri, reaktörlerdeki yüksek sıcaklık ve yüksek basınç altında birincil nanokristaller oluşturur ve sonuçta burada manyetit ferrit kümel...

Malzemeler

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