Summary
Vi rapporterer en en-pott hydrotermisk syntese av mangan ferrite klynger (MFCs) som gir uavhengig kontroll over materiell dimensjon og sammensetning. Magnetisk separasjon muliggjør rask rensing mens overflatefunksjonalisering ved hjelp av sulfonerte polymerer sikrer at materialene ikke aggregeres i biologisk relevant medium. De resulterende produktene er godt posisjonert for biomedisinske applikasjoner.
Abstract
Mangan ferrite klynger (MFCs) er sfæriske samlinger av titalls til hundrevis av primære nanokrystaller hvis magnetiske egenskaper er verdifulle i ulike applikasjoner. Her beskriver vi hvordan du danner disse materialene i en hydrotermisk prosess som tillater uavhengig kontroll av produktklyngestørrelse (fra 30 til 120 nm) og manganinnhold i det resulterende materialet. Parametere som den totale mengden vann som legges til de alkoholholdige reaksjonsmediene og forholdet mellom mangan og jernforløper er viktige faktorer for å oppnå flere typer MFC nanoskalaprodukter. En rask rensemetode bruker magnetisk separasjon for å gjenopprette materialene som gjør produksjon av gram magnetiske nanomaterialer ganske effektive. Vi overvinner utfordringen med magnetisk nanomaterialeaggregering ved å påføre høyt ladede sulfonatpolymerer på overflaten av disse nanomaterialer som gir kolloidalt stabile MFCer som forblir ikke-aggregerende selv i svært saltvannsmiljøer. Disse ikke-aggregerende, ensartede og justerbare materialene er utmerkede potensielle materialer for biomedisinske og miljømessige applikasjoner.
Introduction
Inkluderingen av mangan som dopant i et jernoksidgitter kan under passende forhold øke materialets magnetisering på høye anvendte felt sammenlignet med rene jernoksider. Som et resultat er mangan ferrite (MnxFe3-xO4) nanopartikler svært ønskelige magnetiske nanomaterialer på grunn av deres høye metningsmagnetisering, sterk respons på eksterne felt og lav cytotoksisitet1,2,3,4,5. Både enkeltdomen nanokrystaller samt klynger av disse nanokrystallene, kalt multidomainpartikler, har blitt undersøkt i forskjellige biomedisinske applikasjoner, inkludert legemiddellevering, magnetisk hypertermi for kreftbehandling og magnetisk resonansavbildning (MR) 6,7,8. For eksempel brukte Hyeon-gruppen i 2017 enkeltdomenmangan ferrite nanopartikler som fentonkatalysator for å indusere krefthyksi og utnyttet materialets T2contrast for MR-sporing9. Det er overraskende i lys av disse og andre positive studier av ferrittmaterialer at det er få in vivo-demonstrasjoner sammenlignet med rent jernoksid (Fe3O4) nanomaterialer, og ingen rapporterte anvendelser hos mennesker9,10.
En enorm utfordring med å oversette egenskapene til ferrite nanomaterialer til klinikken er genereringen av ensartede, ikke-aggregerende, nanoskala klynger11,12,13,14. Mens konvensjonelle syntetiske tilnærminger til monodomene nanokrystaller er godt utviklet, produseres ikke multidomeneklynger av den typen interesse i dette arbeidet lett på en jevn og kontrollert måte15,16. I tillegg er ferrittsammensetning vanligvis ikke-stoichiometrisk og ikke bare relatert til startkonsentrasjonen av forløperne, og dette kan ytterligere skjule systematisk strukturfunksjonskarakterisering av disse materialene9,12,13,17. Her tar vi opp disse problemene ved å demonstrere en syntetisk tilnærming som gir uavhengig kontroll over både klyngedimensjonen og sammensetningen av mangan ferrite nanomaterialer.
Dette arbeidet gir også et middel til å overvinne den dårlige kolloidale stabiliteten til ferritt nanomaterialer18,19,20. Magnetiske nanopartikler er generelt utsatt for aggregering på grunn av sterk partikkelpartikkeltiltrekning; ferritter lider mer av dette problemet da deres større nettmagnetisering forsterker partikkelaggregasjon. I relevante biologiske medier gir disse materialene store nok aggregater som materialene raskt samler inn, og begrenser dermed deres eksponeringsveier for dyr eller mennesker20,21,22. Hilt et al. fant en annen konsekvens av partikkel-partikkelaggregering i deres studie av magnetotermisk oppvarming og fargestoffforringelse23. Ved litt høyere partikkelkonsentrasjoner, eller økt eksponeringstid for feltet, ble effektiviteten av materialene redusert etter hvert som materialer aggregert over tid og de aktive partikkeloverflateområdene ble redusert. Disse og andre applikasjoner vil dra nytte av klyngeoverflater designet for å gi steriske barrierer som utelukket partikkelpartikkelinteraksjoner24,25.
Her rapporterer vi en syntetisk tilnærming for å syntetisere mangan ferrite klynger (MFK) med kontrollerbare dimensjoner og sammensetning. Disse multidomain partiklene består av en montering av primære mangan ferrite nanokrystaller som er hardt aggregert; Den nære tilknytningen til de primære nanokrystalene forbedrer deres magnetiske egenskaper og sørger for en samlet klyngestørrelse, 50-300 nm, godt tilpasset de optimale dimensjonene for en nanomedisin. Ved å endre mengden vann og mangankloridforløper, kan vi selvstendig kontrollere den generelle diameteren og sammensetningen. Metoden benytter enkle og effektive en-pot hydrotermale reaksjoner som muliggjør hyppig eksperimentering og materialoptimalisering. Disse MFK-ene kan enkelt renses til en konsentrert produktløsning, som videre modifiseres av sulfonerte polymerer som gir kolloidal stabilitet. Deres tunabilitet, ensartethet og løsningsfasestabilitet er alle funksjoner av stor verdi i anvendelser av nanomaterialer i biomedisinsk og miljøteknikk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntese av MFK-er med kontroll over MFK-enes generelle diameter og ferrittsammensetning
- Vask og tørk alt glass som skal brukes i syntesen grundig. Mengden vann i syntesen påvirker dimensjonene til MFK-ene, så det er avgjørende å sikre at glasset ikke har noe gjenværende vann i det16,26.
- For å vaske glasset, skyll med vann og vaskemiddel og skrubb med en kolbebørste for å fjerne rusk. Skyll grundig for å fjerne alt vaskemiddel og avslutt med skylling av deionisert vann.
- For å tørke glasset, rist vanndråper av overflaten av glasset og legg det i en ovn ved 60 °C til det er helt tørt.
- Skyll de polyfenylenforede (PPL) reaktorene med 37% saltsyre for å fjerne rusk fra tidligere bruk. For å gjøre dette, plasser reaktorene og deres caps i et stort beger og fyll med saltsyre til reaktorene er helt nedsenket. La dette sitte i 30 min før du heller ut saltsyren. Skyll begeret som inneholder reaktorene kontinuerlig med vann i 1-2 min, og legg deretter reaktorene i ovnen for å tørke.
- Bruk en automatisk pipette til å overføre 20 ml etylenglykol til et 50 ml beger med en magnetisk rørestang.
- Vei ut den nødvendige mengden jern (III) klorid (FeCl3·6H2O, fast) for å oppnå en endelig konsentrasjon på 1,3 mM og legg den til begeret. Sett begeret på en røreplate og slå den på ved 480 rpm for å begynne kontinuerlig omrøring av begeret.
MERK: Siden dette er en hydrat, må den måles og tilsetts raskt for å unngå uønsket absorpsjon av vann fra omgivelsesluften. - Vei 250 mg polyakrylsyre (PAA, Mw ~ 6000, pulver) og legg den til begeret. Etter tilsetning av PAA blir løsningen ugjennomsiktig og litt lettere i fargen.
- Vei 1,2 g urea (CO(NH2)2, pulver) og tilsett det på begeret.
- Bruk en pipette, tilsett 0,7 mM mangan (II) klorid (MnCl2·6H2O aq, 3,5 M, 0,2 ml) til begeret.
- Til slutt, bruk en pipette, legg til ønsket mengde (0,5 ml) ultra-rent vann til begeret.
- La løsningen røre i 30 min og legg merke til fargeendringen. Den vil presenteres som en gjennomsiktig, mørk oransje farge.
- Overfør reaksjonsblandingen til den polyfenylenforede (PPL) reaktoren. Vær oppmerksom på at etter at løsningen har rørt noen faste stoffer, kan det ha akkumulert på sidene av begeret.
- Bruk en magnet (kubikk permanent sjelden jordmagnet, 40 x 40 x 20 mm, heretter referert til som en "magnet" for alle separasjons- og magnetiske oppsamlingsprosedyrer) for å dra rørestangen rundt begerets vegger for å sikre at eventuelle faste stoffer som har akkumulert på sidene, spres inn i reaksjonsløsningen.
- Når oppløsningen er blandet og klar, overfør den til den 50 ml PPL-foret reaktoren.
- Bruk en klemme og spak til å forsegle reaktoren i autoklaven i rustfritt stål så tett som mulig. Klem reaktorbeholderen til en stabil overflate, og bruk en stang satt inn i hetten som en spak, skyv reaktoren for å forsegle. Vær oppmerksom på at den forseglede reaktoren ikke skal kunne åpnes for hånd. Dette er avgjørende da høytrykksmiljøet i ovnen krever en tett forsegling på reaktoren.
- Plasser reaktoren i en ovn i 20 timer ved 215 °C.
- Etter at den hydrotermale reaksjonen er ferdig, fjern reaktoren fra ovnen og la den avkjøles til romtemperatur. Trykket på ovnen vil gjøre det mulig å åpne reaktoren for hånd. Vær oppmerksom på at reaktoren på dette tidspunktet vil inneholde MFC-produktet spredt i etylenglykol med andre urenheter, for eksempel ikke-acted polymer, og vil være en ugjennomsiktig svart løsning. Produktet vil bli isolert i følgende trinn.
2. Magnetisk separasjon og rensing av MFK-er
- Legg 200 mg stålull i et hetteglass med glass. Fyll hetteglasset halvveis med reaksjonsblandingen fra reaktoren. Fyll resten av hetteglasset med aceton og rist godt. Vær oppmerksom på at stålullen øker magnetfeltstyrken i hetteglasset og vil hjelpe magnetisk separasjon av nanoclusters fra løsningen.
- Plasser hetteglasset på en magnet for magnetisk oppsamling. Resultatet blir en gjennomskinnelig løsning med bunnfall i bunnen.
- Hell av den supernatante løsningen mens MFK-ene er magnetisk fanget av stålullen ved å holde magneten til bunnen av hetteglasset mens du heller. Etylenglykol vil for det meste bli fjernet i dette trinnet.
- Begynn å vaske med det lave forholdet mellom aceton og vann og øk forholdet i etterfølgende vasker til ren. Gjør dette 3-4 ganger.
- Fjern hetteglasset fra magneten og fyll det med vann. Rist godt for å oppløse MFK-ene. Nå vil produktet bli fullstendig spredt i vann.
- Gjenta de to foregående trinnene flere ganger til den vandige løsningen på MFK-ene ikke produserer bobler når de ristes. Resultatet vil bli en mørk, ugjennomsiktig ferrofluid som vil reagere sterkt på magneter.
MERK: I en typisk syntese med 20 ml etylenglykol oppnås ca. 80 mg MFC-produkt.
3. Overflatefunksjonalisering av MFK-er mot ultrahøy kolloidal stabilitet
MERK: Syntesen av nitro-dopamin og poly (AA-co-AMPS-co-PEG) finnes i vårt tidligere arbeid16. Kopolymeren er laget gjennom fri radikal polymerisering. Tilsett 0,20 g 2,2′-Azobis(2-metylpropionitril) (AIBN), 0,25 g akrylsyre (AA), 0,75 g 2-akrylamido-2-metylpropan sulfonsyre (AMPS) og 1,00 g poly (etylenglykol) metyleterakrylat (PEG) i 10 ml N,N-Dimethylformamid (DMF). Varm blandingen i et 70 °C vannbad i 1 time og overfør den til en dialysepose (Cellulosemembran, 3 kDa) i vann. Vektforholdet mellom AA, AMPS og PEG er 1:3:4. Polymerisasjon for disse monomerene har en 100% konverteringsfrekvens som bekreftet ved frysetørking og veiing.
- Kombiner 10 ml rensede nanopartikler (rundt 100 mg) i et 20 ml hetteglass med 10 ml mettet N-[2-(3,4-dihydroksyfenyl)etyl]nitramid (nitro-dopamin) oppløsning (~1 mg/ml). Vent i 5 min.
- Vask de nitro-dopaminbelagte MFK-ene ved hjelp av magnetisk separasjon. Hell ut den blekgule supernatanten. Tilsett vann og rist kraftig. Hell deretter ut vann ved hjelp av magneten for å beholde produktet. Gjenta denne vasken flere ganger og la den mørkebrune kolleksjonen stå i hetteglasset.
MERK: Forbered en vandig løsning med en konsentrasjon på 20 mg/ml, en bufferløsning med en konsentrasjon på 100 mg/ml og en polymeroppløsning av poly(AA-co-AMPS-co-PEG) med en konsentrasjon på 20 mg/ml. - Bland 1 ml EDC-oppløsning, 1 ml MES-buffer og 3 ml polymeroppløsning. Rør lett ved å virvle blandingen, og la den sitte i ca. 5 min. Det bør være en klar og fargeløs løsning når den er fullt kombinert.
- Tilsett denne blandingen i MFC-kolleksjonen og legg hetteglasset i et isbad. Senk probens soniker inn i løsningen, og slå den deretter på (250 watt strøm ved 20 kHz).
- Etter en 5 min sonikeringsbehandling, tilsett omtrent 5 ml ultra-rent vann til hetteglasset mens sonikeren fortsatt kjører. Fortsett å overvåke fartøyet for å sikre at det ikke søler noe produkt. Oppretthold isen i isvannsblandingen, da noe av den første isen vil smelte på grunn av intensiteten og varmen i sonikeringen.
- La blandingen sonikere i ytterligere 25 min, i totalt 30 min.
- Plasser hetteglasset på toppen av en magnet for å skille MFCene og hell ut den supernatante løsningen.
- Vask de modifiserte MFK-ene med deionisert vann flere ganger.
- Fyll hetteglasset som inneholder MFK-ene med ultrarent vann. Pipette denne væsken inn i et vakuumfiltreringssystem med et 0,1 μm polyethersulfonmembranfilter for å fjerne eventuelle irreversibelt aggregerte MFK-er.
- Støvsug løsningen. Gjenta denne prosessen 2-3 ganger. Resultatet vil bli en renset vandig løsning av monodispersed MFCs.
MERK: Omtrent 10% av produktet vil bli irreversibelt aggregert, og dette materialet vil forbli på filteret og bør kastes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Etter hydrotermal behandling blir reaksjonsblandingen til en viskøs svart dispersjon som det fremgår av figur 1. Hvilke resultater etter rensing er en høyt konsentrert MFC-løsning som oppfører seg som en ferrofluid. Væsken i hetteglasset reagerer i løpet av sekunder når den plasseres i nærheten av en håndholdt magnet (<0,5 T), og danner en makroskopisk svart masse som kan flyttes rundt når magneten plasseres på forskjellige steder.
Denne syntesen gir produkter hvis dimensjon og ferrittsammensetning avhenger av mengden vann som tilsettes og forholdet mellom mangan og jernforløper i reaksjonsblandingen. Figur 2 illustrerer hvordan klyngemorfologien avhenger av vann og forløperkonsentrasjon; Den beskriver også reaksjonsbetingelsene som brukes til å få prøvene som er oppført i tabell 1. Vi finner at MFC-diameteren påvirkes av mengden vann som tilsettes, og MFC-sammensetningen avhenger av forholdet mellom jern og mangan i forløperne. Begge parametrene kan dermed kontrolleres uavhengig for å lage et bibliotek med MFK-er med distinkte dimensjoner og manganinnhold.
Selv om dette er en veldig enkel syntetisk prosedyre, kan feil i metodeutførelsen føre til mislykkede produkter. Figur 3 viser prøver med uregelmessige MFC-morfologier. I figur 3A oppstår oddeformede MFK-er hvis vann er helt utelukket fra reaksjonsmiljøet. Mangelen på vann hindrer den dynamiske monteringen av de primære nanokrystallene og resulterer i en svært bred fordeling av nanoclusterdimensjon og ikke-sfæriske former16. Prøvene vist i figur 3B hadde utilstrekkelig reaksjonstid (6-12 timer) og hadde derfor ikke tilstrekkelig primær nanokrystallvekst. Disse dårlige resultatene viser at en passende mengde reaktant, samt reaksjonstid, er nødvendig for å oppnå konsistente og ensartede klynger.
Etter ferdigstillelse av den hydrotermale syntesen ble ferritt-MFK-ene separert og renset ved hjelp av magnetisk separasjon. En magnet ble plassert under løsningen for å tvinge samlingen på bunnen av fartøyet. Urenheter og ikke-magnetiske biprodukter dannet i syntesen, sammen med overflødig løsningsmiddel, kan deretter dekanteres for å gi rene og monodisperserte MFCer27. Figur 4 illustrerer tiden som kreves for nesten fullstendig magnetisk innsamling av MFK-ene med og uten tilsetning av stålull. Stålullen plassert i hetteglasset under magnetisk separasjon øker gradienten av magnetfeltet i hetteglasset, noe som gir en mye raskere separasjon28.
MFK-ene renset ved hjelp av magnetisk separasjon viser en høy grad av ensartethet sammenlignet med de som renses ved hjelp av en mer konvensjonell ultracentrifugation-prosess. Figur 5 viser størrelsesfordelingen for MFK-er oppnådd ved hjelp av magnetisk separasjon (A og B) sammenlignet med de som bruker ultracentrifugation (5000 g i 30 min) (C og D). Magnetisk separasjon resulterer i en smalere klyngediameterfordeling sammenlignet med ultracentrifugation og er den foretrukne rensestrategien for MFK-ene.
De assyntetiserte MFK-ene er belagt med polyakrylat (PAA), som gir en negativt ladet overflate og en viss grad av interpartikkelavstøtning som forhindrer interpartikkelaggregering (figur 6A). Ved å utføre en ligand erstatningsreaksjon med nitrodopamin (figur 6B), kan vi imidlertid erstatte PAA-belegget med et kokopolymerbelegg av P (AA-co-AMPS-co-PEG), noe som gir større stabilitet i høyere ioniske styrkeløsninger. Figur 7 viser skjematisk for denne overflatefunksjonaliseringsprosessen. Den kolloidale stabiliteten til MFCene som er spredt i en PBS-buffer, er tydelig i figur 8. Assyntetiserte MFK-er belagt med PAA aggregerer og skiller seg raskt fra løsningen innen 30 minutter og har liten bruk i biologiske applikasjoner. I motsetning til dette forble MFK-er funksjonalisert med et polysulfonatbelegg godt spredt i denne løsningen i over 2 dager uten tegn på aggregering. Overflatemodifiseringen etter syntesen som er beskrevet her, gir en rute for å danne homogene løsninger av MFK-er som er egnet for innføring i biologiske miljøer.
Figur 1: Skjematisk for syntesen av mangan ferrite nanoclusters. Reagensene, jern(III) klorid, mangan(II) klorid, polyakrylsyre (PAA), urea, vann og etylenglykol kombineres under hydrotermale forhold for å produsere mangan ferrite nanoclusters. Dette produktet danner en stabil kolloidal løsning i rent vann som vist i midten. Mengden vann som tilsettes i syntesen og forholdet mellom mangan og jern i forløperne, brukes til å justere klyngestørrelsen og ferrittsammensetningen. Etter magnetisk separasjon danner nanoclusters en ferrofluid som vist til høyre, noe som indikerer at de er svært lydhøre for selv små påførte magnetiske felt. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Transmisjonselektronmikroskop (TEM) bilder av mangan ferrite nanoclusters og deres diameterfordelinger. På bilder A-D øker klyngediameteren (Dc) som et resultat av å redusere mengden vann som tilsettes i syntesen. Gjennomsnittlig klyngediameter er henholdsvis 31, 56, 74 og 120 nm for henholdsvis A, B, C og D, med en konstant sammensetning på Mn0.15Fe2.85O4. På bilder E-H endres ferrittsammensetningen monotont i forhold til Mn / Fe-forholdet til forløperne. Til tross for deres forskjellige komposisjoner oppnås en nesten tilsvarende klyngediameter. Vår syntese gir uavhengig kontroll over både klyngediameteren og ferrittsammensetningen, begge funksjoner som er viktige for de magnetiske egenskapene til nanoskala ferritter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Etikett i figur 2 | H2O (ml) | FeCl3 (mmol) | MnCl2 (mmol) | Ferritt sammensetning | Likestrøm (nm) | |
| En | 1.5 | 1.3 | 0.7 | Mn0.15Fe2.85O4 | 34 | |
| B & 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 | Fe3O4 | 56 | |
| F | 0.6 | 1.5 | 0.5 | Mn0.06Fe2.94O4 | 56 | |
| H | 2 | 1 | 1 | Mn0.6Fe2.4O4 | 55 | |
Tabell 1: Reaksjonsbetingelser for syntesen av nanoclusterprøvene vist i figur 2. Andre synteseparametere er: 20 ml etylenglykol, 250 mg PAA og 1,2 g urea. Reaksjonsblandingene oppvarmes hydrotermalt ved 200 °C i 20 timer. For A, B, C og D førte reduksjon av vanninnholdet, samtidig som andre parametere konstante parametere ble konstante, noe som resulterte i klynger med større diametre. For E, F, G og H, økte forholdet mellom MnCl2to FeCl3in den første reaksjonsblandingen resulterte i klynger med høyere andel mangan i klyngestrukturen. Varierende mengde vann E, F, G og H samtidig tillater klynger av forskjellig sammensetning, men nær tilsvarende diametre.
Figur 3: TEM-bilder av mislykkede og ufullstendige reaksjoner. De små, lave kontrastfunksjonene som observeres i disse bildene, er primære nanokrystaller som ikke har utviklet seg til nanoclusters. Prøven i figur 3A ble fremstilt uten ekstra vann, mens materialet vist i figur 3B hadde utilstrekkelig, fire timers reaksjonstid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Sammenligning av magnetisk separasjon av nanoclusters. Sammenligning av magnetisk separasjon av nanoclusters uten (A) og med (B) tilsetning av stålull i beholderen. Stålull øker gradienten av magnetfeltet inne i hetteglasset for å muliggjøre raskere magnetisk separasjon av nanoclusters. Som et resultat er det mulig å skalere opp produksjonen av nanoclusters effektivt uten å ofre prøvekvaliteten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Sammenligning av ultracentrifugation og magnetisk separasjon. Sammenligning av ultracentrifugation (A, B) og magnetisk separasjon (C, D) og deres innvirkning på ensartetheten til de rensede klyngene. A og C er TEM-bildene av de rensede klyngene, og B og D er størrelsesfordelingene til klyngene i henholdsvis A og C. Y-aksen representerer antall grupper som telles, og for hvert utvalg ble totalt 150 klynger kartlagt. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Strukturen av poly(akrylsyre) (PAA) (A) og nitro-dopamin (B) som brukes i overflatemodifikasjonstrinnet. Det første PAA-belegget som brukes i syntese er ikke ideelt i biologiske eller sure medier på grunn av at karboksylsyren lett fordeles. Nitro-dopamin brukes til å erstatte PAA-belegget og skape en funksjonell gruppe for å forankre en sulfonert kokopolymer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Skjemaer for klyngeoverflatemodifiseringsprosessen. (A) originalt PAA-belegg, (B) mellomliggende nitro-dopaminbelegg, og (C) det endelige P(AA-co-AMPS-co-PEG)-belegget. I (C) representerer de blå, røde og grønne kurvene henholdsvis AA-, AMPS- og PEG-enhetene. Sammensetningen av klyngen kan enten være Fe3O4 eller MnxFe3-xO4. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Overflatefunksjonalisering av nanoclusters med polysulfonat fører til materialer som er kolloidalt stabile under mange forskjellige vandige forhold. Klynger med to forskjellige overflatebelegg, assyntetisert PAA-belagt (A) og P(AA-co-AMPS-co-PEG) overflatefunksjonalisert (B) oppløses i PBS-bufferløsningen som er relevant for biologiske innstillinger og observeres for deres kolloidale stabilitet over tid. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dette arbeidet demonstrerer en modifisert polyolsyntese av mangan ferrite nanokrystaller gruppert sammen i ensartede nanoskala aggregater29. I denne syntesen gjennomgår jern(III) klorid og mangan(II) klorid en tvungen hydrolysereaksjon og reduksjon, som danner molekylær MnxFe3-xO4. Disse ferrittmolekylene danner primære nanokrystaller under høy temperatur og høyt trykk i reaktorene, og til slutt monteres i sfæriske aggregater kalt her magnetitt ferrittklynger (MFK). Uten tilstrekkelig reaksjonstid eller tilstrekkelig vann kan aggregasjonsprosessen ikke fullstendig føre til ikke-ensartede, dårlig dannede partikler. Omvendt, gitt nok tid og nok vann, er metalloksidkrystalliserings- og monteringsprosessen komplett og gir en jevn sfærisk klynge som består av titalls til hundrevis av primære nanokrystaller. De primære nanokrystallene i disse materialene er harde aggregerte, og deler noen krystallinske grensesnitt, noe som fører til en høy innledende følsomhet og uttalt magnetisk respons selv på de små feltene som er tilgjengelige fra håndholdte permanente magneter27. Som et resultat har disse materialene et stort potensial for anvendelser innen legemiddellevering, magnetisk hypertermi, magnetisk resonansavbildning og magnetisk partikkelavbildning30,31,32.
Vi finner at mengden vann som legges til den første reaksjonsblandingen, styrer diameteren til de monterte klyngene. Etter hvert som vanninnholdet i reaktantene økes, reduseres diameteren på klyngene og antall aggregerte primære nanokrystaller. Det optimale området er 0,8 M til 5,0 M vann, forhold som gir henholdsvis klyngediametre fra 150 nm til 30 nm. Vann har en viktig rolle i denne prosessen fordi det er nødvendig å sikre rask hydrolyse av metallforløperne, raskere aggregering av primære krystalllitter, og dermed mindre klynger16. Fordi syntesen er usedvanlig følsom for vann, kan reaktanter som håndteres under omgivelsesforhold med variabel fuktighet absorbere forskjellige mengder vann fra luften. Dette kan påvirke de etterfølgende dimensjonene og morfologien til produktet. Mens fuktighetskontrollen i de fleste forskningslaboratorier (f.eks. 30% -60% RH) er tilstrekkelig til å minimere dette problemet, er dette en kilde til systematisk feil i den rapporterte prosedyren. Kontroll av mangan-til-jernforholdet i produktet oppnås ved å variere forholdet mellom mangan og jernforløpere. Dette er overraskende, da dopingnivået av produkter i mange hydrotermale reaksjoner ofte ikke bare er relatert til stoichiometrien til startmaterialene4,6,8,12,13,17. For disse forholdene er imidlertid produktsammensetningen godt spådd av forholdet mellom metallforløperne. Samlet er uavhengig kontroll av både klyngediameteren og sammensetningen mulig gjennom enkel manipulering av startreaktive blandinger.
Ofte er rensing av nanopartikler fra reaksjonsmediene det mest tidkrevende og intrikate trinnet i å generere materialer av høy kvalitet. Ultracentrifugation brukes ofte til dette formålet, og selv om dette er effektivt for å skille nanopartikler fra molekylære biprodukter, er det dårlig egnet for fjerning av uønskede faste produkter. Når den påføres her til rensing av nanomaterialer, produserer ultracentrifugation relativt polydisperse partikler med variable dimensjoner og former. Det er langt mer effektivt å dra nytte av den magnetiske responsen til disse materialene ved å bruke magnetisk separasjon for å forbedre ensartetheten og renheten til sluttproduktet. Vi fremskynder magnetisk separasjon ved å skape svært høye gradienter av magnetiske felt i makroskopisk hetteglass ved hjelp av stålull nedsenket i løsningen og en sjelden jord permanent magnet påført utenfor prøvebeholderne. Denne ordningen tillater at ensartede prøver utvinnes på under tretti minutter med høye utbytter (~ 90%). Det er viktig å matche mengden stålull som introduseres til løsningen til de forventede MFC-klyngediametrene. For eksempel krever en MFC med en gjennomsnittlig diameter på 40 nm mellom 100 og 200 mg stålull for en rask separasjon, mens større materialer kan kreve mye mindre eller til og med ingen stålull. Det er veletablert at mindre magnetiske nanopartikler er mindre lydhøre for anvendte felt i kraft av deres mindre magnetiske volum15,17,26. Den magnetiske separasjonsprosessen gir dermed et middel til å skjerpe ensartetheten til disse materialene, da mindre klynger ikke beholdes like effektivt av prosessen16. Ved å bruke denne magnetiske separasjonsmetoden sparer du ikke bare tid i laboratoriet, men det resulterer også i produkter med større ensartethet i diameter.
Selv om de assyntetiserte MFK-ene er stabile i rent vann, viser de dårlig kolloidal stabilitet i løsninger med lavere pH eller høyere ionstyrke. Mangan ferritter har store magnetiseringstettheter, og som et resultat for disse diameterene har klyngene magnetiske dipoler som fører til interpartikkelattraksjon. Det opprinnelige polyakrylatbelegget som brukes under dannelsen av materialene, gir en negativ ladning til partikkeloverflatene og bidrar til å forhindre partikkelpartikkelaggregering. Men ved lavere pH er karboksylgruppene fullt protonert i praksis og fjerner den elektrostatiske frastøtelsen som trengs for å opprettholde homogene MFC-dispersjoner; Alternativt, i høyere ioniske styrkemedier, reduseres ladningsrepulseringen noe som fører til mer partikkelaggregering. Aggregering av MFK-ene skaper makroskopiske materialer som ikke er homogent spredt i løsningen, noe som gjør det utfordrende å bruke materialene in vivo eller i applikasjoner som krever store og tilgjengelige nanopartikkeloverflater. Av disse grunnene introduserer vi en annen polymer i reaksjonen for å erstatte det opprinnelige PAA-belegget. Kopolymeren, P(AA-co-AMPS-co-PEG), inkluderer nøytral polyetylenglykol (PEG) for å gi biokompatibilitet og en viss grad av sterisk hindring. I tillegg tilbyr polysulfonatkomponenten (PAMPS) både en større ladetetthet enn polyakrylaten, samt en funksjonell gruppe som har en mye lavere pKa og følgelig et større fungerende pH-område (pKa ~ 1,2)24. Mangan ferrite klynger modifisert med disse overflatebeleggene viser dramatisk økt stabilitet i sure og biologiske medier. Prosedyren for å sikre riktig overflatemodifisering er imidlertid detaljert, og må følges nøye for å sikre at prøvene er effektivt belagt. Spesielt krever metoden konstant overvåking av reaksjonsblandingen mens den behandles med en sondesonator for å sikre homogen, fullstendig utskifting av det første polyakrylatbelegget. Det er også viktig å bruke glass i riktig størrelse for å minimere produkttap under kraftig sonikering og bruke et isbad på sonikeringsblandingen for å minimere termisk nedbrytning av polymerene forårsaket av sonde sonikering.
Til slutt gir denne metoden mulighet for rask og effektiv produksjon av mangan ferrite klynger (MFK) med justerbare diametre og mangan til jernblandinger. Reaktant vanninnhold samt forholdet mellom jern og mangan er viktige parametere for å definere materialproduktegenskapene. En enkel magnetisk separasjonsteknikk ved hjelp av en håndholdt magnet og stålull gir et effektivt middel for å rense produktet etter syntese som gir mer ensartede klynger. Til slutt påføres en sulfonert PEG-kokopolymer på materialene for å sikre at de forblir ikke-aggregerende i en rekke forskjellige pH- og ionstyrkemedier. Den økte magnetiske responsen til disse mangandede jernoksidene sammenlignet med rent jernoksid (Fe3O4) nanomaterialer gjør det enklere, billigere og enklere å utvikle enheter for å bruke eksterne felt for å manipulere materialene in vivo. Deres forbedrede overflatebelegg er også viktige som anvendelser for magnetiske nanopartikler i legemiddellevering, vannutbedring og avanserte bildesystemer krever alle materialer som ikke er aggregerende og homogene i en rekke biologiske og miljømessige medier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble sjenerøst støttet av Brown University og Advanced Energy Consortium. Vi takker takknemlig Dr. Qingbo Zhang for hans etablerte syntetiske metode for jernoksid MFK.
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 |
References
- 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. Interplay between magnetism and chemical structure at spinel-spinel interfaces. Journal of Applied Physics. 111 (9), 093903 (2012).
- Otero-Lorenzo, R., Fantechi, E., Sangregorio, C., Salgueiriño, V. Solvothermally driven Mn doping and clustering of iron oxide nanoparticles for heat delivery applications. Chemistry-A European Journal. 22 (19), 6666-6675 (2016).
- Mohapatra, J., et al. Enhancement of magnetic heating efficiency in size controlled MFe 2 O 4 (M= Mn, Fe, Co and Ni) nanoassemblies. Rsc Advances. 5 (19), 14311-14321 (2015).
- Qi, Y., et al. Carboxylic silane-exchanged manganese ferrite nanoclusters with high relaxivity for magnetic resonance imaging. Journal of Materials Chemistry B. 1 (13), 1846-1851 (2013).
- Anandhi, J. S., Jacob, G. A., Joseyphus, R. J. Factors affecting the heating efficiency of Mn-doped Fe3O4 nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 512, 166992 (2020).
- Del Bianco, L., et al. Mechanism of magnetic heating in Mn-doped magnetite nanoparticles and the role of intertwined structural and magnetic properties. Nanoscale. 11 (22), 10896-10910 (2019).
- Padmapriya, G., Manikandan, A., Krishnasamy, V., Jaganathan, S. K., Antony, S. A. Enhanced catalytic activity and magnetic properties of spinel Mn x Zn 1−x Fe 2 O 4 (0.0≤x≤1.0) nano-photocatalysts by microwave irradiation route. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. 29 (8), 2141-2149 (2016).
- Kim, J., et al. Continuous O2-evolving MnFe2O4 nanoparticle-anchored mesoporous silica nanoparticles for efficient photodynamic therapy in hypoxic cancer. Journal of the American Chemical Society. 139 (32), 10992-10995 (2017).
- Silva, L. H., Cruz, F. F., Morales, M. M., Weiss, D. J., Rocco, P. R. Magnetic targeting as a strategy to enhance therapeutic effects of mesenchymal stromal cells. Stem Cell Research & Therapy. 8 (1), 1-8 (2017).
- Otero-Lorenzo, R., Ramos-Docampo, M. A., Rodriguez-Gonzalez, B., Comesaña-Hermo, M., Salgueiriño, V. Solvothermal clustering of magnetic spinel ferrite nanocrystals: a Raman perspective. Chemistry of Materials. 29 (20), 8729-8736 (2017).
- Aghazadeh, M., Karimzadeh, I., Ganjali, M. R. PVP capped Mn2+ doped Fe3O4 nanoparticles: a novel preparation method, surface engineering and characterization. Materials Letters. 228, 137-140 (2018).
- Li, Z., et al. Solvothermal synthesis of MnFe 2 O 4 colloidal nanocrystal assemblies and their magnetic and electrocatalytic properties. New Journal of Chemistry. 39 (1), 361-368 (2015).
- Guo, P., Zhang, G., Yu, J., Li, H., Zhao, X. Controlled synthesis, magnetic and photocatalytic properties of hollow spheres and colloidal nanocrystal clusters of manganese ferrite. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 395, 168-174 (2012).
- Pardo, A., et al. Synthesis, characterization, and evaluation of superparamagnetic doped ferrites as potential therapeutic nanotools. Chemistry of Materials. 32 (6), 2220-2231 (2020).
- Xiao, Z., et al. Libraries of uniform magnetic multicore nanoparticles with tunable dimensions for biomedical and photonic applications. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (37), 41932-41941 (2020).
- Choi, Y. S., Young Yoon, H., Sung Lee, J., Hua Wu, J., Keun Kim, Y. Synthesis and magnetic properties of size-tunable Mn x Fe3−x O4 ferrite nanoclusters. Journal of Applied Physics. 115 (17), (2014).
- Creixell, M., et al. The effect of grafting method on the colloidal stability and in vitro cytotoxicity of carboxymethyl dextran coated magnetic nanoparticles. Journal of Materials Chemistry. 20 (39), 8539-8547 (2010).
- Latorre, M., Rinaldi, C. Applications of magnetic nanoparticles in medicine: magnetic fluid hyperthermia. Puerto Rico Health Sciences Journal. 28 (3), (2009).
- Yeap, S. P., Lim, J., Ooi, B. S., Ahmad, A. L. Agglomeration, colloidal stability, and magnetic separation of magnetic nanoparticles: collective influences on environmental engineering applications. Journal of Nanoparticle Research. 19 (11), 1-15 (2017).
- Lee, S. -Y., Harris, M. T. Surface modification of magnetic nanoparticles capped by oleic acids: Characterization and colloidal stability in polar solvents. Journal of Colloid and Interface Science. 293 (2), 401-408 (2006).
- Yeap, S. P., Ahmad, A. L., Ooi, B. S., Lim, J. Electrosteric stabilization and its role in cooperative magnetophoresis of colloidal magnetic nanoparticles. Langmuir. 28 (42), 14878-14891 (2012).
- Wydra, R. J., Oliver, C. E., Anderson, K. W., Dziubla, T. D., Hilt, J. Z. Accelerated generation of free radicals by iron oxide nanoparticles in the presence of an alternating magnetic field. RSC Advances. 5 (24), 18888-18893 (2015).
- Bagaria, H. G., et al. Iron oxide nanoparticles grafted with sulfonated copolymers are stable in concentrated brine at elevated temperatures and weakly adsorb on silica. ACS Applied Materials & Interfaces. 5 (8), 3329-3339 (2013).
- Park, J. C., Park, T. Y., Cha, H. J., Seo, J. H. Multifunctional nanocomposite clusters enabled by amphiphilic/bioactive natural polysaccharides. Chemical Engineering Journal. 379, 122406 (2020).
- Hemery, G., et al. Tuning sizes, morphologies, and magnetic properties of monocore versus multicore iron oxide nanoparticles through the controlled addition of water in the polyol synthesis. Inorganic Chemistry. 56 (14), 8232-8243 (2017).
- Lartigue, L., et al. Cooperative organization in iron oxide multi-core nanoparticles potentiates their efficiency as heating mediators and MRI contrast agents. ACS Nano. 6 (12), 10935-10949 (2012).
- Yavayo, C. T., et al. Low-field magnetic separation of monodisperse Fe3O4 nanocrystals. Science. 314 (5801), 964-967 (2006).
- Matijević, E., Scheiner, P. Ferric hydrous oxide sols: III. Preparation of uniform particles by hydrolysis of Fe (III)-chloride,-nitrate, and-perchlorate solutions. Journal of Colloid and Interface Science. 63 (3), 509-524 (1978).
- Weizenecker, J., Gleich, B., Rahmer, J., Dahnke, H., Borgert, J. Three-dimensional real-time in vivo magnetic particle imaging. Physics in Medicine & Biology. 54 (5), 1 (2009).
- Zhu, X., Li, J., Peng, P., Hosseini Nassab, N., Smith, B. R. Quantitative drug release monitoring in tumors of living subjects by magnetic particle imaging nanocomposite. Nano Letters. 19 (10), 6725-6733 (2019).
- Tay, Z. W., et al. Magnetic particle imaging-guided heating in vivo using gradient fields for arbitrary localization of magnetic hyperthermia therapy. ACS Nano. 12 (4), 3699-3713 (2018).
