Method Article

チューニング可能なナノスケールの次元と組成を有するマンガンフェライトクラスターの安定した水性懸濁液

DOI:

10.3791/63140

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February 5th, 2022

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1Department of Chemistry, Brown University, 2Center for Biomedical Engineering, School of Engineering, Brown University

In This Article

Summary

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材料の寸法と組成を独立した制御を提供するマンガンフェライトクラスター(MFC)の1ポット熱水合成を報告する。磁気分離により、迅速な精製が可能となり、スルホン化ポリマーを使用した表面機能化により、材料が生物学的に関連する媒体で非凝集していることを保証します。結果として得られるプロダクトは生物医学の適用のために十分に位置付けられている。

Abstract

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マンガンフェライトクラスター(MFC)は、多様な用途において磁気特性が価値のある数十から数百の原発ナノ結晶の球状集合体です。ここでは、これらの物質を、生成物のクラスターサイズ(30~120nm)およびマンガン含有量の独立制御を可能にする熱水プロセスで形成する方法を説明する。アルコール反応媒体に添加される水の総量や鉄前駆体に対するマンガンの比率などのパラメータは、複数の種類のMFCナノスケール製品を達成する上で重要な要素です。高速精製法は、磁性分離を使用して、磁性ナノ材料のグラムの生産を非常に効率的にする材料を回収します。これらのナノ材料の表面に高荷電スルホン酸ポリマーを適用することで、高い生理食塩水環境においても非凝集性のままのコロイド的に安定なMFCを生み出すことで、磁気ナノ材料凝集の課題を克服しています。これらの非凝集、均一および調整可能な材料は生物医学および環境適用のための優秀な前向き材料である。

Introduction

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酸化鉄格子にドーパントとしてマンガンを含めることは、適切な条件下で、純粋な酸化鉄と比較して高く応用された分野での材料の磁化を増加させることができる。その結果、マンガンフェライト(MnxFe3-xO4)ナノ粒子は、高飽和磁化、外部磁場への強い応答、および低い細胞毒性のために非常に望ましい磁気ナノ材料である1、2、3、4、5。単一ドメインナノ結晶とこれらのナノ結晶のクラスター、マルチドメイン粒子と呼ばれる両方が、薬物送達、癌治療のための磁気温熱療法、および磁気共鳴画像(MRI)6,7,8を含む多様な生物医学的用途で研究されてきた。例えば、2017年のヒョングループは、単一ドメインマンガンフェライトナノ粒子をフェントン触媒として使用して癌低酸素症を誘導し、MRI tracking9のために材料の<....

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Protocol

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1. MFC全体の直径とフェライト組成物を制御するMFCの合成

  1. 合成に使用するすべてのガラス製品を洗浄し、十分に乾燥させます。合成中の水の量はMFCの寸法に影響を与えるため、ガラス製品に残留水が含まれるようにすることが重要です16,26。
    1. ガラス製品を洗う場合は、水と洗剤で洗い流し、フラスコブラシでスクラブして破片を取り除きます。洗剤を全て取り除き、脱イオン水のすすいで仕上げに十分に洗い流します。
    2. ガラス製品を乾燥するには、ガラス製品の表面から水滴を振り、完全に乾燥するまで60°Cでオーブンに入れます。
    3. ポリフェニレン裏(PPL)反応器を37%塩酸でリンスし、以前の使用から残骸を取り除きます。これを行うには、原子炉とそのキャップを大きなビーカーに入れ、原子炉が完全に水没するまで塩酸で満たします。塩酸を注ぐ前に30分間座らせます。原子炉を含むビーカーを水で1〜2分間連続してすすいで、オーブンに入れて乾燥させます。
  2. 自動ピペットを使用して、20 mLのエチレングリコールを磁気攪拌棒で50 mLビーカーに移します。
  3. 必要な鉄(III)塩化物(FeCl3·6H2O、固体)を計量して、最終濃度1.3mMを....

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Results

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熱水処理後、反応混合物は 図1に見られるように粘性黒色分散液に変わる。精製後に生じるものは、強気体のように動作する高濃度MFCソリューションです。バイアル内の流体は、ハンドヘルド磁石(<0.5T)の近くに置くと数秒以内に応答し、磁石が異なる場所に置かれると動き回ることができる巨視的な黒い塊を形成する。

この合成は、その寸法およびフェライト組成が添加された水の量と反応混合物中の鉄前駆体に対するマンガンの比率に依存する生成物を生み出す。 図2 は、クラスター形態が水と前駆体濃度に依存する方法を示しています。また、 表 1に示したサンプルを得るために使用される反応条件についても詳述する。MFCの直径は水の添加量に影響を受け、MFCの組成は前駆体中の鉄とマンガンの比率に依存することがわかります。したがって、両方のパラメータを独立して制御して、異なる次元とマンガン含有量を持つMFCのライブラリを作るこ.......

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Discussion

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本研究は、マンガンフェライトナノ結晶を一様なナノスケールの凝集体に集結させた改変ポリオール合成を実証する。この合成では、塩化鉄(III)と塩化マンガン(II)は強制加水分解反応と還元を受け、分子MnxFe3-xO4を形成する。これらのフェライト分子は、原子炉の高温高圧下で一次ナノ結晶を形成し、最終的にはここでマグネタイトフェライトクラスター(Mfcs)と呼ぶ球状の凝集体に組み立てられます。十分な反応時間または十分な水がなければ、凝集プロセスが完全に完了できず、不均一で形成不良な粒子を導く。逆に、十分な時間と十分な水を与えられ、金属酸化物の結晶化と組立プロセスが完了し、数十から数百の一次ナノ結晶を含む均一な球状クラスターを生成します。これらの材料の一次ナノ結晶は、ハード凝集し、いくつかの結晶界を共有し、高い初期感受性をもたらし、ハンドヘルド永久磁石27から入手可能な小さな分野に対しても磁気応答を顕著に示した。その結果、これらの材料は、薬物送達、磁気高熱、磁気.......

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Disclosures

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著者らは開示するものは何もない。

Acknowledgements

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この研究は、ブラウン大学と先端エネルギーコンソーシアムによって寛大に支援されました。酸化鉄MFCの合成方法を確立してくれた青保張博士に感謝します。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
0.1ミクロン真空ろ過フィルターサーモフィッシャーサイエンティフィックNC9902431合成および表面コーティング後の凝集クラスターのろ過により、均一な溶液を達成します
2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸(AMPS、99%)Sigma-Aldrich282731-250G試薬 共重合体でナノクラスターを表面コーティングし、生物学的培地
用にそれらを官能基化するために使用されます2,2′-アゾビス(2-メチルプロピオニトリル)(AIBN)Sigma-Aldrich441090-100G試薬 共重合体製造に使用
4-モルホリンエタンスルホン酸、2-(N-モルフォリノ)エタンスルホン酸(MES)Sigma-AldrichM3671-250G酸性緩衝液 ナノクラスター表面コーティングプロセスを安定化するために使用される
アクリル酸Sigma-Aldrich147230-100Gナノクラスターを表面コーティングし、それらを生物学的媒体として官能基化するために共重合体で使用される試薬。無水、阻害剤として200ppmのMEHQを含み、99%
分析バランスアバンターVWR-205AC合成および希釈に使用する固体化学試薬を計量するために使用されます
デジタルソニファイアとプローブブランソンB450凝集体を分解するための表面コーティング中にナノクラスター溶液を超音波処理するために使用されます
ドーパミン塩酸塩Sigma-AldrichH8502-25G配位子交換反応の表面コーティングに使用
エチレングリコール(無水、99.8%)Sigma-Aldrich324558-2L試薬 ナノクラスターの水熱合成の溶媒として使用
ガラスバイアル(20mL)プレミアムバイアルB1015洗浄および表面コーティング中のナノクラスター溶液用容器、およびポリマー溶液
目盛り付きビーカー(100mL)コーニング1000-100水熱合成時に固体と液体の試薬を混合するための容器(オーブンの前にオートクレーブ反応器に移す)
ハンドヘルドマグネットMSCインダストリアルサプライ(株)926739041/2 インチ ロング x 1/2 インチ ワイド x 1/8 インチ 高さ 5 極、長方形ネオジム磁石 溶液からナノクラスターを沈殿させるために使用される低強度磁石 (フィールド強度は必要に応じてスチールウールで増加します)
塩酸 (ACS グレード、37%)フィッシャーサイエンティフィック7647-01-0残りのナノクラスターの破片を除去し、次の使用のためのオートクレーブ反応器の洗浄
水オートクレーブ反応器ToptionTOPT-HP500水熱合成
(III)塩化物六水和物(FeCl3·6H2O、ACS試薬、97%)ACS236489-500G完成したナノクラスター製品で鉄(II)になる鉄(III)の供給源としてナノクラスターの合成に使用されます(水の汚染を避けるために乾燥させ、迅速に計量してください)
実験器具洗浄ブラシフィッシャーサイエンティフィック13-641-708前にガラス器具を洗浄および洗浄するために使用されます
ネチックスタープレートサーモフィッシャーサイエンティフィック50093538水熱合成中の固体および液体試薬の混合のため
マンガン四水和物(MnCl2·4H2O、99.0%、結晶、ACS)Sigma-Aldrich1375127-2G試薬は、マンガン
マイクロピペット(100-1000μL)サーモフィッシャーサイエンティフィックFF-1000水や塩化マンガンなどの液体試薬を移送
N-(3-ジメチルアミノプロピル)-N′-エチルカルボジイミド塩酸塩(EDC)Sigma-Aldrich25952-53-8重合体の配位子交換を助けるために表面コーティングに使用(バルク薬品を冷凍庫に保管し、希釈溶液を冷蔵庫に保管)
N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)Sigma-Aldrich227056-2L共重合体製造用試薬
ポリアクリル酸ナトリウム塩 (PAA, Mw~6,000)PolyScience Inc.06567-250ナノクラスターを最初にコーティングするために使用される水熱合成で使用される試薬 (最終的には表面コーティング工程で置き換えられる)
ポリ (エチレングリコール) メチルエーテルアクリル酸シグマ - アルドリッチ454990-250ML試薬 共重合体でナノクラスターを表面コーティングし、それらを生物学的媒体に機能化するために使用 平均 Mn 480 は、阻害剤として 100 ppm BHT を含み、阻害剤
アセトン、4L 、 ACS試薬コールパーマーUX-78920-66、洗浄中にナノクラスターを沈殿させる溶剤として使用されます
エチレングリコールおよびその他の液体を移送するための調整可能な1-10mLッペンドルフ3123000080
スチールウールLowe's788470バイアル内の磁場強度を増加させて、洗浄および表面コーティング
のためのナノクラスターの沈殿を助けるために使用されます攪拌棒トーマス・サイエンティフィック8608S92水熱合成中の固体試薬と液体試薬の混合用
テーブルクランプグレインジャー29YW53オートクレーブ反応器の密閉用で、オーブンの高圧
尿素(ACS試薬、99.0%)グマ・アルドリッチU5128-500G試薬 水熱合成で基本的な溶液
を作るために使用真空ろ過ボトルトップスサーモフィッシャーサイエンティフィック596-3320合成後の凝集クラスターのろ過と表面コーティングにより均一な溶液を実現
真空コントローラーV-850BuchiBU-V850合成後の凝集クラスターのろ過と表面コーティングにより均一な溶液を実現
真空オーブンフィッシャーサイエンティフィック13-262-51水熱合成におけるナノクラスター形成に必要な高温高圧を作り出すために使用されます
は、 熱鉄試薬は、合成マグ塩化 共試薬はシングルチャンネルピペット、エは、に耐える 水熱合成 シ

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Nelson-Cheeseman, B., Chopdekar, R., Toney, M., Arenholz, E., Suzuki, Y.

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