Summary
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
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
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T2contrastを利用しました。これらのフェライト材料の肯定的な研究に照らして、純粋な酸化鉄(Fe3O4)ナノ材料と比較してインビボのデモンストレーションが少なく、ヒト9,10での応用は報告されていません。
フェライトナノ材料の特徴をクリニックに翻訳する際に直面する大きな課題の1つは、均一で非集約的なナノスケールのクラスター11,12,13,14の生成です。モノドメインナノ結晶に対する従来の合成アプローチは十分に発達しているが、この研究に関心のある種類のマルチドメインクラスターは、均一で制御された方法では容易に作り出されない15,16。さらに、フェライト組成物は、通常、非精和論的であり、単に前駆体の開始濃度に関連しておらず、これはこれらの材料の体系的な構造機能特性をさらにあいまいにすることができる9,12,13,17。ここでは、マンガンフェライトナノ材料のクラスター次元と組成の両方を独立した制御をもたらす合成アプローチを実証することによって、これらの問題に取り組んでいます。
また、この研究は、フェライトナノ材料のコロイド安定性の悪さを克服する手段を提供する18,19,20。磁性ナノ粒子は、一般に、強い粒子粒子の引力のために凝集する傾向があります。フェライトは、より大きなネット磁化が粒子凝集を増幅するので、この問題により苦しんでいます。関連する生物学的媒体において、これらの材料は、材料が急速に収集する十分な大きさの凝集体を生成し、それによって動物または人々への曝露経路を制限する20,21,22。Hiltらは、磁石の他熱と色素分解の研究における粒子粒子凝集の別の結果を発見した23。わずかに高い粒子濃度、またはフィールドへの暴露時間の増加では、材料が時間の経過とともに凝集し、活性粒子表面積が減少するにつれて材料の有効性が低下した。これらのアプリケーションやその他のアプリケーションは、粒子と粒子の相互作用を妨げる立体的な障壁を提供するように設計されたクラスターサーフェスの恩恵を受けるでしょう24,25。
ここでは、マンガンフェライトクラスター(MFC)を制御可能な寸法および組成で合成する合成アプローチを報告する。これらのマルチドメイン粒子は、凝集しにくい一次マンガンフェライトナノ結晶の集合体からなる。一次ナノ結晶の密接な関連は、その磁気特性を高め、ナノ医薬品の最適な寸法に十分に一致する、50-300 nmの全体的なクラスターサイズを提供します。水量と塩化マンガン前駆体の量を変えることで、我々は独立して全体の直径と組成を制御することができます。この方法は、頻繁な実験と材料最適化を可能にする簡単で効率的な1ポット熱水反応を利用しています。これらのMFCは、簡単に、コロイド安定性を付与するスルホン化ポリマーによって改変される濃縮物溶液に精製することができる。そのタンタンビリティ、均一性、および溶液相安定性は、いずれも生物医学および環境工学におけるナノ材料の応用において大きな価値を有する特徴である。
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Protocol
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
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 必要な鉄(III)塩化物(FeCl3·6H2O、固体)を計量して、最終濃度1.3mMを達成し、ビーカーに加えます。ビーカーを攪拌プレートに置き、480 rpmでオンにしてビーカーの連続攪拌を開始します。
注:これは水和物であるため、周囲の空気からの不要な水の吸収を避けるために、迅速に測定し、追加する必要があります。 - 250mgのポリアクリル酸(PAA、Mw〜6,000、粉末)を加え、ビーカーに加えます。PAAを添加した後、溶液は不透明になり、色が少し明るくなります。
- 尿素(CO(NH2)2、粉末の1.2gの重量を量り、ビーカーに加えます。
- ピペットを使用して、ビーカーに0.7 mMマンガン(II)クロリド(MnCl2·6H2O aq、3.5 M、0.2 mL)を加えます。
- 最後に、ピペットを使用して、ビーカーに必要な量(0.5mL)の超純水を加えます。
- 30分間かき混ぜ、色の変化に気づく。半透明の濃いオレンジ色で表示されます。
- 反応混合物をポリフェニレン裏地(PPL)反応器に移します。なお、溶液が攪拌した後、ビーカーの側面に固形物が蓄積している可能性がある。
- 磁石(3次永久希土類磁石、40 x 40 x 20 mm、以下、すべての分離および磁気収集手順のための「磁石」と呼ぶ)を使用して、ビーカーの壁の周りに攪拌棒をドラッグして、側面に蓄積した固体が反応溶液に分散していることを確認します。
- 溶液が混合され、準備ができたら、それを50 mL PPLの裏打ちされた反応器に移します。
- クランプとレバーを使用して、可能な限りしっかりとステンレス製のオートクレーブに原子炉を密封します。原子炉容器を安定した表面にクランプし、キャップに挿入されたロッドをレバーとして使用して、リアクターを押してシールします。密閉されたリアクトルは手で開けてはならないことに注意してください。オーブンの高圧環境は、原子炉に密閉シールを必要とするので、これは非常に重要です。
- 215 °Cで20時間オーブンに原子炉を入れます。
- 熱水反応が終わったら、オーブンから反応器を取り出し、室温まで冷却します。オーブンの圧力は、手で開く原子炉を可能にします。この時点で、反応器は、非反応ポリマーなどの他の不純物とエチレングリコールに分散したMFC製品を含有し、不透明な黒色溶液になります。製品は、次の手順で分離されます。
2. MMFの磁気分離と精製
- グラスバイアルに200mgのスチールウールを入れます。ガラスバイアルを反応器からの反応混合物で途中で満たします。バイアルの残りの部分をアセトンで満たし、よく振ります。スチールウールはバイアルの磁界強度を高め、ナノクラスターを溶液から磁気分離するのに役立ちます。
- 磁石の上にバイアルを置き、磁気回収を行います。結果は底部に沈殿物を有する半透明の解決である。
- MFCが注ぎ込み中にバイアルの底に磁石を保持することによって、鋼ウールによって磁気的に閉じ込められている間、上清溶液を注ぎます。エチレングリコールは、このステップで大部分が除去されます。
- 水に対するアセトンの低い比率で洗浄を開始し、純粋になるまで、その後の洗浄で比率を高めます。これを3-4回行います。
- 磁石からバイアルを取り出し、水で満たします。よく振ってMFCを溶かします。今、製品は完全に水に分散されます。
- 上記の 2 つの手順を繰り返して、MFC の水溶液が揺れたときに泡が生成されなくなるまで繰り返します。結果は、磁石に強く反応する暗い、不透明な強気流になります。
注:20 mLのエチレングリコールを用いた一般的な合成では、約80mgのMFC製品が得られます。
超高コロイド安定性に向けたMFCの表面機能化
注:ニトロドーパミンとポリ(AA-co-AMPS-co-PEG)の合成は、私たちの前の作品16で見つけることができます。コポリマーは、フリーラジカル重合を介して作られる。2,2′-アゾビス(2-メチルプロピオントリル)(AIBN)、0.25gのアクリル酸(AA)、2-アクリルアミドの0.75gを加える -2-メチルプロパンスルホン酸(AMPS)、および1.00gのポリ(エチレングリコール)メチルエーテルアクリレート(PEG)を10mLのN,N-ジメチルホルムアミド(DMF)に含む。70°Cの水浴で1時間加熱し、水に透析袋(セルロース膜、3 kDa)に移します。AA、AMPS、および PEG の重量比は 1:3:4 です。これらのモノマーに対する重合は、凍結乾燥および計量によって確認された100%の変換率を有する。
- 精製ナノ粒子10mL(約100mg)を20mLバイアルに10mL、飽和N-[2-[3-3-3-4-ジヒドロキシフェニル)エチル]ニトラマイド(ニトロドーパミン)溶液(〜1mg/mL)を組み合わせます。5分待ちます。
- ニトロドーパミンコーティングされたMFCを磁気分離で洗浄します。淡黄色の上清を注ぎます。水を加え、激しく振ります。その後、磁石を使って水を注ぎ、製品を保持します。バイアルに濃い茶色のコレクションを残して、この洗浄を数回繰り返します。
注:20mg/mLの濃度の水溶液、100mg/mLの濃度の緩衝溶液、および20mg/mLの濃度のポリ(AA-co-AMPS-co-PEG)ポリマー溶液を調製してください。 - EDC溶液1mL、MES緩衝液1mL、ポリマー溶液3mLを混合する。混合物を渦巻いて軽くかき混ぜ、約5分間座らせます。完全に組み合わせると、それは明確で無色のソリューションでなければなりません。
- この混合物をMFCコレクションに加え、バイアルを氷浴に入れます。プローブソニケーターを溶液に下げ、それをオンにします(20 kHzで250ワットの電力)。
- 5分超音波処理の後、超音波処理機がまだ実行されている間、バイアルに約5 mLの超純水を加えます。製品が流出しないように船舶の監視を継続します。最初の氷の一部は、超音波処理の強度と熱のために溶けるので、氷水混合物の氷を維持します。
- 混合物がさらに25分間、合計30分間超音波処理を行います。
- 磁石の上にバイアルを置き、MFCを分離し、上清溶液を注ぎます。
- 変性されたMFCを脱イオン水で数回洗います。
- 超純水でMFCを含むバイアルを充填します。この流体を0.1 μmのポリエーテルサルホン膜フィルターを備えた真空濾過システムにピペットして不可逆的に凝集したMFCsを除去します。
- 真空フィルターソリューション。この処理を 2 ~3 回繰り返します。結果は、単分散されたMFCの精製水溶液になります。
注: 製品のおよそ 10% は不可逆的に集約され、この材料はフィルターに残り、廃棄する必要があります。
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Representative Results
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とができます。
これは非常に単純な合成手順ですが、メソッドの実行エラーは、製品の失敗につながる可能性があります。 図 3 は 、不規則な MFC 形態を持つサンプルを示しています。 図3Aでは、水が反応環境から完全に除外された場合、奇数形のMFCが生じます。水の不足は、一次ナノ結晶の動的集合を妨げ、ナノクラスター次元および非球形16の非常に広い分布をもたらす。 図3B に示すサンプルは反応時間が不足しており(6-12時間)、その結果、十分な一次ナノ結晶成長が得られていなかった。これらの悪い結果は、反応物の適切な量、ならびに反応時間が、一貫した均一なクラスターを達成するために必要であることを示している。
熱水合成終了後、フェライトMFCを分離し、磁気分離を用いて精製した。磁石を溶液の下に置き、船底に回収を強制した。合成で形成された不純物および非磁性副産物は、過剰な溶媒とともに、純粋で単分散されたMFCs27を得るためにデカン化することができる。 図4 は、スチールウールの添加の有無にかかわらず、MFCのほぼ完全な磁気コレクションに必要な時間を示しています。磁気分離の間にバイアルに入れられた鋼鉄ウールはバイアル内の磁場の勾配を増加させ、より速い分離を可能にする28。
磁気分離を用いて精製したMFCは、従来の超遠心分離プロセスを用いて精製したものと比較して、高度な均一性を示す。 図5 は、超遠心(30分間5,000g)(CおよびD)を用いたものと比較して、磁気分離(AおよびB)を用いて得られたMFCのサイズ分布を示す。磁気分離は、超遠心分離と比較してクラスター径分布を狭くし、MFCの好ましい精製戦略です。
合成されたMFCはポリアクリル(PAA)でコーティングされ、負に帯電した表面と粒子間凝集を防ぐある程度の粒子間反発を提供します(図6A)。しかし、ニトロドパミンとのリガンド置換反応を行うことで、PAAコーティングをP(AA-co-AMPS-co-PEG)の共重合体コーティングで置き換えることができ、より高いイオン強度溶液の安定性を高めることができます。 図7は、この表面機能化プロセスの概略を示す。PBSバッファーに分散したMFCのコロイド安定性が 図8に明らかである。PAAでコーティングされた合成されたMFCは、30分以内に溶液から迅速に凝集し、分離し、生物学的用途ではほとんど使用されていない。対照的に、ポリスルホン酸コーティングで機能化されたMFCは、凝集の兆候なしに2日間にわたってこの溶液中で十分に分散したままであった。ここで説明する合成後の表面改変は、生物学的環境への導入に適したMFCの均質溶液を形成するための経路を提供する。
図1:マンガンフェライトナノクラスターの合成の概略図。 試薬は、塩化鉄(III)、塩化マンガン(II)、ポリアクリル酸(PAA)、尿素、水およびエチレングリコールを水熱条件下で組み合わせてマンガンフェライトナノクラスターを製造する。この製品は、真ん中に示すように純水で安定したコロイド溶液を形成します。合成に添加される水の量と前駆体中の鉄に対するマンガンの比率は、それぞれクラスターサイズとフェライト組成を調整するために使用されます。磁気分離後、ナノクラスターは右に示すように強磁体を形成し、小さな磁場にも対して応答性が高いことがわかります。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:マンガンフェライトナノクラスターの透過型電子顕微鏡(TEM)像とその直径分布 画像A-Dでは、合成に添加される水の量を減らす結果として、クラスター径(Dc)が増加します。平均クラスター径は、A、B、C、および D の 31、56、74、および 120 nm で、Mn0.15Fe2.85O4 の一定の組成を持ちます。画像E−Hにおいて、フェライト組成物は、前駆体のMn/Fe比に比例して単調に変化する。異なる組成にもかかわらず、ほぼ同等のクラスター直径が達成される。我々の合成は、ナノスケールのフェライトの磁気特性に重要な両方の特徴であるクラスター径とフェライト組成の両方を独立して制御することを可能にする。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
| 図 2 のラベル | H2O (mL) | フェクル3 (ムモル) | MnCl2 (mmol) | フェライト組成物 | DC (nm) | |
| ある | 1.5 | 1.3 | 0.7 | Mn0.15Fe2.85O4 | 34 | |
| BとG | 0.7 | 1.3 | 0.7 | Mn0.15Fe2.85O4 | 56 | |
| C | 0.5 | 1.3 | 0.7 | Mn0.15Fe2.85O4 | 74 | |
| D | 0.1 | 1.3 | 0.7 | Mn0.15Fe2.85O4 | 120 | |
| E | 1.3 | 2 | 0 | フェ3O4 | 56 | |
| F | 0.6 | 1.5 | 0.5 | Mn0.06Fe2.94O4 | 56 | |
| H | 2 | 1 | 1 | Mn0.6Fe2.4O4 | 55 | |
表1: 図2に示すナノクラスターサンプルの合成に関する反応条件。 他の合成パラメータは、20 mLエチレングリコール、250mg PAA、および1.2 gの尿素です。反応混合物は200°Cで20時間熱的に加熱される。A、B、C、および D の場合、他のパラメータを一定に保ちながら水分量を減らすと、大きな直径のクラスターが生じる。E、F、G、およびHに関しては、初期反応混合物中のMnCl2to FeCl3inの比率を増加させ、クラスター構造においてマンガンの割合が高いクラスターをもたらした。水の量を変化させる E, F, G, H 同時に異なる組成のクラスターが、ほぼ同等の直径.
図 3: 失敗した反応と不完全な反応の TEM 画像。 これらの画像で観察される小さくて低いコントラストの特徴は、ナノクラスターに発展していない一次ナノ結晶である。 図3A のサンプルは追加の水なしで調製したが、 図3B に示す材料は不十分で、4時間の反応時間であった。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:ナノクラスターの磁気分離の比較 (A)を含まないナノクラスターと(B)を含む容器内のスチールウールの磁性分離の比較スチールウールは、ナノクラスターの高速磁気分離を可能にするために、バイアル内の磁場の勾配を増加させます。その結果、試料の品質を犠牲にすることなく、ナノクラスターの生産を効率的にスケールアップすることが可能となる。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:超遠心分離と磁気分離の比較 超遠心(A,B)と磁気分離(C,D)の比較と、精製クラスターの均一性への影響AおよびCは精製されたクラスターのTEM画像であり、BおよびDは、それぞれAおよびCにおけるクラスターのサイズ分布である。y 軸は、カウントされたクラスターの数を表し、各サンプルについて、合計 150 個のクラスターを調査しました。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:表面改質工程で用いたポリ(アクリル酸)(PAA)(A)とニトロドーパミン(B)の構造 合成に使用される最初のPAAコーティングは、カルボン酸が容易にプロトン化されやすいため、生物学的または酸性培地では理想的ではありません。ニトロドーパミンは、硫酸化コポリマーを固定する官能基を作成するPAAコーティングを置き換えるために使用されます。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:クラスター表面改質プロセスの概略図(A)オリジナルPAAコーティング、(B)中間ニトロドーパミンコーティング、および(C)最終P(AA-co-AMPS-CO-PEG)コーティング。(C)では、青、赤、緑の曲線は、それぞれ AA、AMPS、および PEG 単位を表します。クラスターの構成は、Fe3O4 または MnxFe3-xO4 のいずれかです。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図8:ポリスルホン酸を用いたナノクラスターの表面官能化は、多くの異なる水性条件下でコロイド的に安定な材料を導く。合成されたPAAコーティング(A)とP(AA-co-AMPS-co-PEG)表面の機能化された2つの異なる表面コーティングを有するクラスターは、生物学的設定に関連するPBS緩衝液に溶解され、時間の経過とともにコロイド安定性のために観察される。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
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、磁気共鳴画像、および磁気粒子イメージング30,31,32における用途に大きな可能性を秘めています。
我々は、最初の反応混合物に添加された水の量が組み立てられたクラスターの直径を制御することを発見した。反応物中の水分量が増加するにつれて、クラスターの直径および凝集された一次ナノ結晶の数が減少する。最適範囲は0.8 M~5.0 Mの水で、それぞれ150nmから30nmまでのクラスター径を得る条件です。水は、金属前駆体の迅速な加水分解、一次結晶子のより迅速な凝集、そして結果的に小さなクラスター16を確保する必要があるため、このプロセスにおいて重要な役割を果たす。合成は水に対して非常に敏感であるため、可変湿度の周囲条件下で処理される反応物は、空気から異なる量の水を吸収する可能性があります。これは、製品の後続の寸法と形態に影響を与える可能性があります。ほとんどの研究所で湿度制御 (例えば、 30%-60% RH) この問題を最小限に抑えるために十分ですが、これは報告された手順の体系的なエラーの 1 つの原因です。製品中のマンガン対鉄比の制御は、鉄前駆体に対するマンガンの比率を変化させることによって達成される。これは、多くの熱水反応において、ドーピングレベルの製品が出発物質の化学量測定に単に関連していない多くの場合4、6、6、8、12、13、17と同様に驚くべきことである。しかし、これらの条件については、生成物組成は、金属前駆体の比によって十分に予測される。クラスター径の独立した制御と組成の両方を、開始反応性混合物の簡単な操作によって可能です。
多くの場合、反応媒体からのナノ粒子の精製は、高品質の材料を生成する上で最も時間と複雑なステップです。超遠心分離は、多くの場合、この目的のために適用され、これは分子副産物からナノ粒子を分離するのに効果的であるが、それは不要な固体製品を除去するのに適しては不十分である。ナノ材料の精製にここで適用すると、超遠心分離は、可変的な寸法と形状を有する比較的多分散粒子を生成する。最終製品の均一性と純度を向上させるために磁気分離を適用することにより、これらの材料の磁気応答を利用する方がはるかに効率的です。溶液に浸漬したスチールウールとサンプル容器の外側に適用される希土類永久磁石を使用して、巨視的なバイアル内に非常に高い磁場の勾配を作り出すことで、磁気分離をスピードアップします。この配置により、均一なサンプルを30分以内に高収率(〜90%)で回収することができます。ソリューションに導入されるスチールウールの量を、予想される MFC クラスターの直径と一致させる必要があります。たとえば、平均直径 40 nm の MFC では、迅速な分離のために 100 ~ 200 mg のスチール ウールが必要ですが、大きな材料はスチール ウールを大幅に少なく、あるいは必要としない場合があります。磁気ナノ粒子の小さい方が、その小さい磁気体積15,17,26によって適用される分野に対する応答性が低いことは十分に確立されています。このように磁気分離プロセスは、より小さなクラスターがプロセス16によって効率的に保持されないので、これらの材料の均一性をシャープにする手段を提供する。この磁気分離法を用いると、実験室での時間を節約できるだけでなく、直径の均一性の高い製品にもなります。
合成されたMFCは純水中では安定であるが、pHが低い溶液やイオン強度の高い溶液中ではコロイド安定性が悪い。マンガンフェライトは磁化密度が大きく、その結果、クラスターは粒子間引き寄せにつながる磁気双極子を持っています。材料の形成中に使用されるネイティブポリアクリルコーティングは、粒子表面に負の電荷を与え、粒子粒子凝集を防ぐのに役立ちます。しかし、低いpHでは、カルボキシカルグループは、均質なMFC分散体を維持するために必要な静電反発を除去する効果で完全にプロトン化されます。あるいは、より高いイオン強度媒体において、電荷反発力が低下し、より粒子凝集をもたらす。MFCの凝集は、ソリューションに均一に分散していない巨視的な材料を作成し、 生体内 の材料や、大規模で利用可能なナノ粒子表面を必要とするアプリケーションでの使用が困難です。これらの理由から、元のPAAコーティングを交換する反応に第2のポリマーを導入します。コポリマーP(AA-co-AMPS-co-PEG)には、生体適合性およびある程度の立体障害を提供する中性ポリエチレングリコール(PEG)が含まれています。さらに、ポリスルホン酸成分(PAMPS)は、ポリアクリル酸塩よりも大きな電荷密度を提供するとともに、はるかに低いpKaを有し、結果的に働くpH範囲(pKa~1.2)24を有する官能基を提供する。これらの表面コーティングで修飾されたマンガンフェライトクラスターは、酸性および生物学的媒体における安定性を劇的に増加させた。ただし、正しい表面改変を確実に行う手順は詳細であり、サンプルが効果的にコーティングされるように注意深く行う必要があります。具体的には、この方法は、プローブ超音波処理器で処理されている間、反応混合物の一定の監視を必要とし、初期ポリアクリルコーティングの均質で完全な交換を確実にする。また、精力的な超音波処理中の製品損失を最小限に抑えるために適切なサイズのガラス製品を使用し、プローブ超音波処理によって引き起こされるポリマーの熱劣化を最小限に抑えるために超音波処理混合物に氷浴を適用することも重要です。
結論として、この方法は、鉄組成物に対する調整可能な直径およびマンガンを有するマンガンフェライトクラスター(MFC)を迅速かつ効率的に製造することを可能にする。反応物の含水量とマンガンに対する鉄の比率は、材料製品特性を定義する上で重要なパラメータです。ハンドヘルド磁石とスチールウールを利用した単純な磁気分離技術は、合成後に製品を精製し、より均一なクラスターを生成する効率的な方法を提供します。最後に、硫化PEG共重合体を材料に適用し、さまざまな異なるpHおよびイオン強度媒体に非凝集性を保つようにします。これらのマンガンドープ酸化鉄の磁気応答性が純酸化鉄(Fe3O4)ナノ材料と比較して増加したことで、生体内の材料を操作するための外部フィールドを適用するデバイスを簡単かつ安価に開発しやすくなります。また、薬物送達、水修復、高度なイメージングシステムにおける磁気ナノ粒子の用途には、様々な生物学的および環境媒体において非凝集性と均質な材料が必要となるため、表面コーティングの改善も重要です。
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Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
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。
Materials
| 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 |
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