Nous rapportons une synthèse hydrothermale à un pot d’amas de ferrite de manganèse (MFC) qui offre un contrôle indépendant sur la dimension et la composition du matériau. La séparation magnétique permet une purification rapide tandis que la fonctionnalisation de surface à l’aide de polymères sulfonés garantit que les matériaux ne sont pas agrégés dans un milieu biologiquement pertinent. Les produits qui en résultent sont bien positionnés pour les applications biomédicales.
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Article de méthode
Suspensions aqueuses stables d’amas de ferrite de manganèse avec dimension et composition à l’échelle nanométrique accordable
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Dans cet article
Résumé
Résumé
Les amas de ferrite de manganèse (MFC) sont des assemblages sphériques de dizaines à des centaines de nanocristaux primaires dont les propriétés magnétiques sont précieuses dans diverses applications. Nous décrivons ici comment former ces matériaux dans un processus hydrothermal qui permet le contrôle indépendant de la taille de la grappe de produits (de 30 à 120 nm) et de la teneur en manganèse du matériau résultant. Des paramètres tels que la quantité totale d’eau ajoutée au milieu réactionnel alcoolique et le rapport du manganèse au précurseur de fer sont des facteurs importants pour obtenir plusieurs types de produits à l’échelle nanométrique MFC. Une méthode de purification rapide utilise la séparation magnétique pour récupérer les matériaux, ce qui rend la production de grammes de nanomatériaux magnétiques très efficace. Nous surmontons le défi de l’agrégation magnétique des nanomatériaux en appliquant des polymères sulfonates hautement chargés à la surface de ces nanomatériaux, produisant des MFC colloïdaux stables qui restent non agrégeants même dans des environnements très salins. Ces matériaux non agrégeants, uniformes et accordables sont d’excellents matériaux potentiels pour des applications biomédicales et environnementales.
Introduction
L’inclusion de manganèse comme dopant dans un réseau d’oxyde de fer peut, dans les conditions appropriées, augmenter l’aimantation du matériau à des champs appliqués élevés par rapport aux oxydes de fer purs. En conséquence, les nanoparticules de ferrite de manganèse (MnxFe3-xO4) sont des nanomatériaux magnétiques hautement souhaitables en raison de leur aimantation à saturation élevée, de leur forte réponse aux champs externes et de leur faible cytotoxicité1,2,3,4,5.
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Protocole
1. Synthèse des MFC avec contrôle du diamètre total et de la composition en ferrite des MFC
- Lavez et séchez soigneusement toute la verrerie à utiliser dans la synthèse. La quantité d’eau dans la synthèse a un impact sur les dimensions des MFC, il est donc crucial de s’assurer que la verrerie ne contient pas d’eau résiduelle16,26.
- Pour laver la verrerie, rincer à l’eau et au détergent et frotter avec une brosse à flacon pour enlever les débris. Rincer abondamment pour enlever tout le détergent et terminer avec un rinçage à l’eau désionisée.
- Pour sécher la verrerie, ....
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Résultats
Après traitement hydrothermal, le mélange réactionnel se transforme en une dispersion noire visqueuse comme on peut le voir sur la figure 1. Ce qui résulte après la purification est une solution MFC hautement concentrée qui se comporte comme un ferrofluide. Le fluide dans le flacon réagit en quelques secondes lorsqu’il est placé près d’un aimant portatif (<0,5 T), formant une masse noire macroscopique qui peut être déplacée lorsque l’aimant est placé à différents endroits.
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Discussion
Ce travail démontre une synthèse polyol modifiée de nanocristaux de ferrite de manganèse regroupés en agrégats uniformes à l’échelle nanométrique29. Dans cette synthèse, le chlorure de fer(III) et le chlorure de manganèse(II) subissent une réaction d’hydrolyse forcée et une réduction, formant du MnxFe3-xO4 moléculaire. Ces molécules de ferrite forment des nanocristaux primaires sous haute température et haute pression dans les réacteurs, s’assemblant fin.......
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Remerciements
Ce travail a été généreusement soutenu par l’Université Brown et l’Advanced Energy Consortium. Nous remercions chaleureusement le Dr Qingbo Zhang pour sa méthode synthétique établie de MFC à l’oxyde de fer.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Filtre de filtration sous vide de 0,1 micron | Thermo Fisher Scientific | NC9902431 | pour la filtration des amas agrégés après synthèse et revêtement de surface pour obtenir une solution uniforme |
| Acide sulfonique 2-acrylamido-2-méthylpropane (AMPS, 99 %) | Sigma-Aldrich | 282731-250G | réactif utilisé en copolymère pour revêtir la surface des nanoclusters et les fonctionnaliser pour les milieux biologiques |
| Réactif 2,2&prime ;-Azobis(2-méthyl-propionitrile) (AIBN) | Sigma-Aldrich | 441090-100G | utilisé dans la fabrication de copolymères comme générateur de rides libres |
| Acide 4-morpholinéthanesulfonique, acide 2-(N-Morpholino)éthanesulfonique (MES) | Sigma-Aldrich | M3671-250G | tampon acide utilisé pour stabiliser le processus de revêtement de surface en nanocluster |
| Acide acrylique | Sigma-Aldrich | 147230-100G | réactif utilisé dans un copolymère pour revêtir la surface de nanoclusters et les fonctionnaliser pour des milieux biologiques ; anhydre, contient 200 ppm de MEHQ comme inhibiteur, 99 % |
| Balance analytique | Avantor | VWR-205AC | utilisée pour peser les réactifs chimiques solides à utiliser dans la synthèse et la dilution |
| Sonificateur et sonde numériques | Branson | B450 | utilisés pour sonifier une solution de nanocluster pendant le revêtement de surface pour briser les agrégats |
| Chlorhydrate de dopamine | Sigma-Aldrich | H8502-25G | utilisé dans le revêtement de surface pour la réaction d’échange de ligands |
| Éthylène glycol (anhydre, 99,8 %) | Réactif Sigma-Aldrich | 324558-2L | utilisé comme solvant dans la synthèse hydrothermale de nanoclusters |
| Flacons en verre (20mL) | Flacons Premium | B1015 | pour solution de nanocluster pendant le lavage et le revêtement de surface ainsi que solutions polymères |
| Bécher gradué (100mL) | Corning | 1000-100 | récipient pour le mélange de réactifs solides et liquides pendant la synthèse hydrothermale (à transférer dans le réacteur autoclave avant le four) |
| Aimant portatif | MSC Industrial Supply, Inc. | 92673904 | 1/2 » de long x 1/2 » de large x 1/8 » de haut, 5 pôles, aimant rectangulaire en néodyme Aimant à faible résistance utilisé pour précipiter les nanoclusters à partir de la solution (l’intensité du champ est augmentée avec de la laine d’acier si nécessaire) |
| Acide chlorhydrique (grade ACS, 37 %) | Fisher Scientific | 7647-01-0 | pour enlever les débris de nanoclusters restants et nettoyer les réacteurs d’autoclave pour la prochaine utilisation |
| Option | de réacteur d’autoclave hydrothermalRécipient TOPT-HP500 | pour un mélange de réactifs fini pour résister à la température et à la pression élevées créées par le four en synthèse hydrothermale | |
| Chlorure de fer(III) hexahydraté (FeCl3· ; 6H2O, réactif ACS, 97 %) | Réactif ACS | 236489-500G | utilisé dans la synthèse de nanoclusters comme source de fer (III) qui devient du fer (II) dans le produit fini de nanocluster (garder au sec et peser rapidement pour éviter la contamination par l’eau) |
| Brosses de lavage de matériel de laboratoire | Fisher Scientific | 13-641-708 | utilisées pour laver et nettoyer la verrerie avant la synthèse |
| Plaque d’agitation magnétique | Thermo Fisher Scientific | 50093538 | pour le mélange de réactifs solides et liquides lors de la synthèse hydrothermale |
| Chlorure de manganèse tétrahydraté (MnCl2· ; 4H2O, 99.0 %, cristaux, ACS) | Réactif Sigma-Aldrich | 1375127-2G | utilisé dans la synthèse de nanoclusters comme source de manganèse |
| Micropipette (100-1000&mu ; L) | Thermo Fisher Scientific | FF-1000 | pour le transfert de réactifs liquides tels que l’eau et le chlorure de manganèse |
| N-(3-diméthylaminopropyl)-N&prime ;-chlorhydrate d’éthylcarbodiimide (EDC) | Sigma-Aldrich | 25952-53-8 | utilisé dans le revêtement de surface pour faciliter l’échange de ligands de copolymère (conserver les produits chimiques en vrac dans le congélateur et la solution diluée dans le réfrigérateur) |
| N,N-Diméthylformamide (DMF) | Sigma-Aldrich | 227056-2L | réactif utilisé dans la fabrication de copolymères comme solvant |
| Sel de sodium d’acide polyacrylique (PAA, Mw~6,000) | PolyScience Inc. | 06567-250 | réactif utilisé dans la synthèse hydrothermale pour enrober initialement les nanoclusters (éventuellement remplacé lors de l’étape de revêtement de surface) |
| Poly(éthylène glycol)Methyl ether acrylate | Sigma-Aldrich | 454990-250ML | réactif utilisé en copolymère pour revêtir la surface des nanoclusters et les fonctionnaliser pour les milieux biologiques ; Mn 480 moyen, contient 100 ppm de BHT comme inhibiteur, 100 ppm de MEHQ comme inhibiteur |
| Réactifs Acétone, 4L, Réactif ACS | Cole-Parmer | UX-78920-66 | utilisé comme solvant pour précipiter les nanograppes pendant le lavage |
| Pipette monocanal, 3123000080 Eppendorf réglable de 1 à 10 ml | pour le transfert d’éthylène glycol et d’autres liquides | ||
| Laine d’acier | Lowe’s | 788470 | utilisée pour augmenter l’intensité du champ magnétique dans le flacon afin d’aider à la précipitation des nanograppes pour le lavage et le revêtement |
| de surfaceBarre d’agitation | Thomas Scientific | 8608S92 | pour le mélange de réactifs solides et liquides pendant la synthèse hydrothermale |
| Clamp | Grainger | 29YW53 | pour l’étanchéité du réacteur autoclave afin de résister à la haute pression du four pendant la synthèse hydrothermique |
| Urée (réactif ACS, 99,0 %) | Réactif Sigma-Aldrich | U5128-500G | utilisé dans la synthèse hydrothermale pour créer une solution |
| de baseThermo | Fisher Scientific | 596-3320 | pour la filtration des amas agrégés après synthèse et revêtement de surface pour obtenir une solution uniforme |
| Régulateur de vide V-850 | Buchi | BU-V850 | pour la filtration des amas agrégés après synthèse et revêtement de surface pour obtenir une solution uniforme |
| Four à vide | Fisher Scientific | 13-262-51 | utilisé pour créer la température et la pression élevées nécessaires à la formation de nanoclusters dans la synthèse hydrothermale |
Références
- Makridis, A., et al. In vitro application of Mn-ferrite nanoparticles as novel magnetic hyperthermia agents. Journal of Materials Chemistry B. 2 (47), 8390-8398 (2014).
- Nelson-Cheeseman, B., Chopdekar, R., Toney, M., Arenholz, E., Suzuki, Y.
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Réimpressions et autorisations
