Summary
Informamos de una síntesis hidrotermal de una sola olla de grupos de ferrita de manganeso (MFC) que ofrece un control independiente sobre la dimensión y composición del material. La separación magnética permite una purificación rápida, mientras que la funcionalización de la superficie utilizando polímeros sulfonados garantiza que los materiales no se agreguen en un medio biológicamente relevante. Los productos resultantes están bien posicionados para aplicaciones biomédicas.
Abstract
Los cúmulos de ferrita de manganeso (MFC) son ensamblajes esféricos de decenas a cientos de nanocristales primarios cuyas propiedades magnéticas son valiosas en diversas aplicaciones. Aquí describimos cómo formar estos materiales en un proceso hidrotermal que permite el control independiente del tamaño del grupo de productos (de 30 a 120 nm) y el contenido de manganeso del material resultante. Parámetros como la cantidad total de agua agregada a los medios de reacción alcohólicos y la proporción de manganeso a precursor de hierro son factores importantes para lograr múltiples tipos de productos a nanoescala MFC. Un método de purificación rápida utiliza la separación magnética para recuperar los materiales, lo que hace que la producción de gramos de nanomateriales magnéticos sea bastante eficiente. Superamos el desafío de la agregación de nanomateriales magnéticos aplicando polímeros de sulfonato altamente cargados a la superficie de estos nanomateriales produciendo MFC coloidealmente estables que permanecen sin agregación incluso en entornos altamente salinos. Estos materiales no agregables, uniformes y sintonizables son excelentes materiales prospectivos para aplicaciones biomédicas y ambientales.
Introduction
La inclusión de manganeso como dopante en una red de óxido de hierro puede, en las condiciones apropiadas, aumentar la magnetización del material en campos de alta aplicación en comparación con los óxidos de hierro puros. Como resultado, las nanopartículas de ferrita de manganeso (MnxFe3-xO4) son nanomateriales magnéticos altamente deseables debido a su alta magnetización de saturación, fuerte respuesta a campos externos y baja citotoxicidad1,2,3,4,5. Tanto los nanocristales de dominio único como los grupos de estos nanocristales, denominados partículas multidominio, se han investigado en diversas aplicaciones biomédicas, incluida la administración de fármacos, la hipertermia magnética para el tratamiento del cáncer y la resonancia magnética (IRM)6,7,8. Por ejemplo, el grupo Hyeon en 2017 utilizó nanopartículas de ferrita de manganeso de dominio único como catalizador de Fenton para inducir hipoxia por cáncer y explotó el contraste T2 del material para el seguimiento de la resonancia magnética9. Es sorprendente a la luz de estos y otros estudios positivos de materiales de ferrita que haya pocas demostraciones in vivo en comparación con los nanomateriales de óxido de hierro puro (Fe3O4), y no se hayan reportado aplicaciones en humanos9,10.
Un inmenso desafío que se enfrenta al traducir las características de los nanomateriales de ferrita en la clínica es la generación de grupos a nanoescala uniformes, no agregadores11,12,13,14. Si bien los enfoques sintéticos convencionales de los nanocristales monodominio están bien desarrollados, los grupos multidominio del tipo de interés en este trabajo no se producen fácilmente de manera uniforme y controlada15,16. Además, la composición de la ferrita suele no ser estequiométrica y no está simplemente relacionada con la concentración inicial de los precursores, lo que puede oscurecer aún más la caracterización sistemática de la estructura-función de estos materiales9,12,13,17. Aquí, abordamos estos problemas demostrando un enfoque sintético que produce un control independiente sobre la dimensión del clúster y la composición de los nanomateriales de ferrita de manganeso.
Este trabajo también proporciona un medio para superar la pobre estabilidad coloidal de los nanomateriales de ferrita18,19,20. Las nanopartículas magnéticas son generalmente propensas a la agregación debido a la fuerte atracción partícula-partícula; Las ferritas sufren más de este problema ya que su magnetización neta más grande amplifica la agregación de partículas. En los medios biológicos relevantes, estos materiales producen agregados lo suficientemente grandes como para que los materiales se acumulen rápidamente, limitando así sus rutas de exposición a animales o personas20,21,22. Hilt et al. encontraron otra consecuencia de la agregación partícula-partícula en su estudio del calentamiento magnetotérmico y la degradación del colorante23. A concentraciones de partículas ligeramente más altas, o un mayor tiempo de exposición al campo, la efectividad de los materiales se redujo a medida que los materiales se agregaron con el tiempo y las áreas de superficie de partículas activas disminuyeron. Estas y otras aplicaciones se beneficiarían de las superficies de racimo diseñadas para proporcionar barreras estéricas que impidieran las interacciones partícula-partícula24,25.
Aquí informamos un enfoque sintético para sintetizar grupos de ferrita de manganeso (MFC) con dimensiones y composición controlables. Estas partículas multidominio consisten en un conjunto de nanocristales primarios de ferrita de manganeso que se agregan duramente; la estrecha asociación de los nanocristales primarios mejora sus propiedades magnéticas y proporciona un tamaño de clúster general, 50-300 nm, bien adaptado a las dimensiones óptimas para una nanomedicina. Al cambiar la cantidad de agua y precursor de cloruro de manganeso, podemos controlar de forma independiente el diámetro general y la composición. El método utiliza reacciones hidrotermales simples y eficientes de una sola olla que permiten la experimentación frecuente y la optimización del material. Estos MFC se pueden purificar fácilmente en una solución de producto concentrado, que se modifica aún más mediante polímeros sulfonados que imparten estabilidad coloidal. Su capacidad de ajuste, uniformidad y estabilidad de la fase de solución son características de gran valor en aplicaciones de nanomateriales en ingeniería biomédica y ambiental.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Síntesis de MFC con control sobre el diámetro total y la composición de ferritas de los MFC
- Lavar y secar bien toda la cristalería que se utilizará en la síntesis. La cantidad de agua en la síntesis afecta las dimensiones de los MFC, por lo que es crucial asegurarse de que la cristalería no tenga agua residual16,26.
- Para lavar la cristalería, enjuague con agua y detergente y frote con un cepillo de matraz para eliminar los desechos. Enjuague bien para eliminar todo el detergente y termine con un enjuague con agua desionizada.
- Para secar la cristalería, agite las gotas de agua de la superficie de la cristalería y colóquelas en un horno a 60 ° C hasta que estén completamente secas.
- Enjuague los reactores revestidos de polifenileno (PPL) con ácido clorhídrico al 37% para eliminar cualquier residuo del uso anterior. Para hacer esto, coloque los reactores y sus tapas en un vaso de precipitados grande y llénelo con ácido clorhídrico hasta que los reactores estén completamente sumergidos. Deje reposar durante 30 minutos antes de verter el ácido clorhídrico. Enjuague continuamente el vaso de precipitados que contiene los reactores con agua durante 1-2 minutos, y luego coloque los reactores en el horno para que se sequen.
- Utilice una pipeta automática para transferir 20 ml de etilenglicol a un vaso de precipitados de 50 ml con una barra de agitación magnética.
- Pesar la cantidad requerida de cloruro de hierro (III) (FeCl3·6H2O, sólido) para lograr una concentración final de 1,3 mM y añadirlo al vaso de precipitados. Coloque el vaso de precipitados en una placa de agitación y enciéndalo a 480 rpm para comenzar la agitación continua del vaso de precipitados.
NOTA: Como se trata de un hidrato, debe medirse y agregarse rápidamente para evitar la absorción no deseada de agua del aire ambiente. - Pesar 250 mg de ácido poliacrílico (PAA, Mw ~ 6,000, polvo) y agregarlo al vaso de precipitados. Después de la adición de PAA, la solución se vuelve opaca y de color ligeramente más claro.
- Pesar 1,2 g de urea (CO(NH2)2, polvo) y añadirlo al vaso de precipitados.
- Usando una pipeta, agregue 0.7 mM de cloruro de manganeso (II) (MnCl2·6H2O aq, 3.5 M, 0.2 mL) al vaso de precipitados.
- Finalmente, usando una pipeta agregue la cantidad requerida (0.5 mL) de agua ultra pura al vaso de precipitados.
- Deje que la solución se revuelva durante 30 minutos y observe el cambio de color. Se presentará como un color translúcido, naranja oscuro.
- Transfiera la mezcla de reacción al reactor revestido de polifenileno (PPL). Tenga en cuenta que después de que la solución se haya agitado, algunos sólidos pueden haberse acumulado en los lados del vaso de precipitados.
- Use un imán (imán cúbico permanente de tierras raras, 40 x 40 x 20 mm, en lo sucesivo denominado "imán" para todos los procedimientos de separación y recolección magnética) para arrastrar la barra de agitación alrededor de las paredes del vaso de precipitados para garantizar que los sólidos que se hayan acumulado en los lados se dispersen en la solución de reacción.
- Una vez que la solución esté mezclada y lista, transfiérala al reactor revestido de PPL de 50 ml.
- Utilice una abrazadera y una palanca para sellar el reactor en el autoclave de acero inoxidable lo más firmemente posible. Sujete el recipiente del reactor a una superficie estable y, utilizando una varilla insertada en la tapa como palanca, empuje el reactor para que se selle. Tenga en cuenta que el reactor sellado no debe poder abrirse a mano. Esto es crucial ya que el entorno de alta presión del horno requiere un sello hermético en el reactor.
- Coloque el reactor en un horno durante 20 h a 215 °C.
- Una vez realizada la reacción hidrotermal, retire el reactor del horno y deje que se enfríe a temperatura ambiente. La presión del horno permitirá que el reactor se abra a mano. Tenga en cuenta que en este punto, el reactor contendrá el producto MFC disperso en etilenglicol con otras impurezas, como el polímero no reaccionado, y será una solución negra opaca. El producto se aislará en los siguientes pasos.
2. Separación magnética y purificación de MFC
- Coloque 200 mg de lana de acero en un vial de vidrio. Llene el vial de vidrio hasta la mitad con la mezcla de reacción del reactor. Llene el resto del vial con acetona y agite bien. Tenga en cuenta que la lana de acero aumenta la intensidad del campo magnético en el vial y ayudará a la separación magnética de los nanoclusters de la solución.
- Coloque el vial en un imán para que se produzca la recolección magnética. El resultado será una solución translúcida con precipitado en la parte inferior.
- Vierta la solución sobrenadante mientras los MFC quedan atrapados magnéticamente por la lana de acero sosteniendo el imán en la parte inferior del vial mientras se vierte. El etilenglicol se eliminará principalmente en este paso.
- Comience a lavar con la baja proporción de acetona a agua y aumente la proporción en lavados posteriores hasta que esté puro. Haga esto 3-4 veces.
- Retire el vial del imán y llénelo con agua. Agitar bien para disolver los MFC. Ahora el producto se dispersará completamente en agua.
- Repita los dos pasos anteriores varias veces hasta que la solución acuosa de los MFC no produzca burbujas cuando se agita. El resultado será un ferrofluido oscuro y opaco que responderá fuertemente a los imanes.
NOTA: En una síntesis típica con 20 mL de etilenglicol, se obtendrán aproximadamente 80 mg de producto MFC.
3. Funcionalización superficial de los MFC hacia una estabilidad coloidal ultra alta
NOTA: La síntesis de nitro-dopamina y Poly(AA-co-AMPS-co-PEG) se puede encontrar en nuestro trabajo anterior16. El copolímero se fabrica a través de la polimerización de radicales libres. Añadir 0,20 g de 2,2′-Azobis(2-metilpropionitrilo) (AIBN), 0,25 g de ácido acrílico (AA), 0,75 g de ácido 2-Acrylamido-2-metilpropano sulfónico (AMPS) y 1,00 g de acrilato de poli(etilenglicol) metil éter (PEG) en 10 ml de N,N-dimetilformamida (DMF). Calentar la mezcla en un baño de agua a 70 °C durante 1 h y transferirla a una bolsa de diálisis (membrana de celulosa, 3 kDa) en agua. La relación de peso de AA, AMPS y PEG es 1:3:4. La polimerización para estos monómeros tiene una tasa de conversión del 100% según lo confirmado por la liofilización y el pesaje.
- Combine 10 ml de nanopartículas purificadas (alrededor de 100 mg) en un vial de 20 ml con 10 ml de solución saturada de N-[2-(3,4-dihidroxifenil)etil]nitramida (nitropa dopamina) (~1 mg/ml). Espere 5 min.
- Lave los MFC recubiertos de nitro-dopamina mediante separación magnética. Vierta el sobrenadante amarillo pálido. Añadir agua y agitar vigorosamente. Luego, vierta agua usando el imán para retener el producto. Repita este lavado varias veces dejando la colección de color marrón oscuro en el vial.
NOTA: Prepare una solución acuosa con una concentración de 20 mg/ml, una solución tampón con una concentración de 100 mg/ml y una solución de polímero poli(AA-co-AMPS-co-PEG) con una concentración de 20 mg/ml. - Mezcle 1 ml de solución de EDC, 1 ml de tampón MES y 3 ml de solución polimérica. Revuelva ligeramente removiendo la mezcla y déjela reposar durante aproximadamente 5 minutos. Debe ser una solución transparente e incolora cuando se combina completamente.
- Agregue esta mezcla a la colección de MFC y coloque el vial en un baño de hielo. Baje el sonicador de sonda en la solución y, a continuación, enciéndalo (250 vatios de potencia a 20 kHz).
- Después de un tratamiento de sonicación de 5 minutos, agregue aproximadamente 5 ml de agua ultrapura al vial mientras el sonicador todavía está funcionando. Continúe monitoreando el recipiente para asegurarse de que no se derrame el producto. Mantenga el hielo en la mezcla de hielo y agua, ya que parte del hielo inicial se derretirá debido a la intensidad y el calor de la sonicación.
- Deje que la mezcla se sonice durante 25 minutos adicionales, para un total de 30 minutos.
- Coloque el vial encima de un imán para separar los MFC y vierta la solución sobrenadante.
- Lave los MFC modificados con agua desionizada varias veces.
- Llene el vial que contiene los MFC con agua ultrapura. Pipetear este fluido en un sistema de filtración al vacío con un filtro de membrana de polietersulfona de 0,1 μm para eliminar cualquier MFC agregado irreversiblemente. Asegúrese de enjuagar las paredes del embudo para minimizar cualquier pérdida de producto.
- Filtre al vacío la solución. Repita este proceso 2-3 veces. El resultado será una solución acuosa purificada de MFC monodispersados.
NOTA: Aproximadamente el 10% del producto se agregará irreversiblemente y este material permanecerá en el filtro y debe desecharse.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Después del tratamiento hidrotermal, la mezcla de reacción se convierte en una dispersión negra viscosa como se puede ver en la Figura 1. Lo que resulta después de la purificación es una solución de MFC altamente concentrada que se comporta como un ferrofluido. El líquido en el vial responde en cuestión de segundos cuando se coloca cerca de un imán de mano (<0.5 T), formando una masa negra macroscópica que se puede mover a medida que el imán se coloca en diferentes lugares.
Esta síntesis produce productos cuya dimensión y composición de ferrita dependen de la cantidad de agua añadida y de la proporción de manganeso a precursor de hierro en la mezcla de reacción. La Figura 2 ilustra cómo la morfología del racimo depende del agua y la concentración de precursores; también detalla las condiciones de reacción utilizadas para obtener las muestras enumeradas en la Tabla 1. Encontramos que el diámetro del MFC se ve afectado por la cantidad de agua añadida, y la composición del MFC depende de la proporción de hierro y manganeso en los precursores. Por lo tanto, ambos parámetros se pueden controlar de forma independiente para crear una biblioteca de MFC con dimensiones distintas y contenido de manganeso.
Si bien este es un procedimiento sintético muy simple, los errores en la ejecución del método pueden conducir a productos fallidos. La Figura 3 muestra muestras con morfologías irregulares de MFC. En la Figura 3A, los MFC de forma impar resultan si el agua está completamente excluida del entorno de reacción. La falta de agua dificulta el ensamblaje dinámico de los nanocristales primarios y da como resultado una distribución muy amplia de la dimensión de los nanocúmulos y las formas no esféricas16. Las muestras mostradas en la Figura 3B tuvieron un tiempo de reacción insuficiente (6-12 h) y, como resultado, no tuvieron suficiente crecimiento de nanocristales primarios. Estos malos resultados demuestran que una cantidad adecuada del reactivo, así como el tiempo de reacción, es necesario para lograr grupos consistentes y uniformes.
Después de completar la síntesis hidrotermal, los MFC de ferrita se separaron y purificaron mediante separación magnética. Se colocó un imán debajo de la solución para forzar su recolección en el fondo del recipiente. Las impurezas y los subproductos no magnéticos formados en la síntesis, junto con el exceso de disolvente, podrían decantarse para producir MFC puros y monodispersados27. La Figura 4 ilustra el tiempo requerido para la recolección magnética casi completa de los MFC con y sin la adición de lana de acero. La lana de acero colocada en el vial durante la separación magnética aumenta el gradiente del campo magnético dentro del vial, lo que permite una separación mucho más rápida28.
Los MFC purificados mediante separación magnética muestran un alto grado de uniformidad en comparación con los purificados mediante un proceso de ultracentrifugación más convencional. La Figura 5 muestra la distribución de tamaño de los MFC obtenidos mediante separación magnética (A y B) en comparación con los que utilizan ultracentrifugación (5.000 g durante 30 min) (C y D). La separación magnética da como resultado una distribución más estrecha del diámetro del racimo en comparación con la ultracentrifugación y es la estrategia de purificación preferida para los MFC.
Los MFC sintetizados están recubiertos con poliacrilato (PAA), que proporciona una superficie cargada negativamente y cierto grado de repulsión entre partículas que impide la agregación de interpartículas (Figura 6A). Sin embargo, al realizar una reacción de reemplazo de ligando con nitrodopamina (Figura 6B), podemos reemplazar el recubrimiento PAA con un recubrimiento de copolímero de P(AA-co-AMPS-co-PEG), lo que permite una mayor estabilidad en soluciones de mayor resistencia iónica. La Figura 7 muestra el esquema de este proceso de funcionalización de la superficie. La estabilidad coloidal de los MFC dispersos en un tampón PBS es evidente en la Figura 8. Los MFC sintetizados recubiertos con PAA se agregan y separan rápidamente de la solución en 30 minutos y son de poca utilidad en aplicaciones biológicas. Por el contrario, los MFC funcionalizados con un recubrimiento de polisulfonato permanecieron bien dispersos en esta solución durante más de 2 días sin ningún signo de agregación. La modificación de la superficie posterior a la síntesis descrita aquí proporciona una ruta para formar soluciones homogéneas de MFC apropiadas para su introducción en entornos biológicos.
Figura 1: El esquema para la síntesis de nanoclusters de ferrita de manganeso. Los reactivos, cloruro de hierro (III), cloruro de manganeso (II), ácido poliacrílico (PAA), urea, agua y etilenglicol se combinan en condiciones hidrotermales para producir los nanoclusters de ferrita de manganeso. Este producto forma una solución coloidal estable en agua pura como se muestra en el medio. La cantidad de agua añadida en la síntesis y la proporción de manganeso a hierro en los precursores se utiliza para ajustar el tamaño del racimo y la composición de la ferrita, respectivamente. Después de la separación magnética, los nanocúmulos forman un ferrofluido como se muestra a la derecha, lo que indica que son altamente sensibles incluso a pequeños campos magnéticos aplicados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Imágenes de microscopio electrónico de transmisión (TEM) de los nanoclusters de ferrita de manganeso y sus distribuciones de diámetro. En las imágenes A-D, el diámetro del cúmulo (Dc) aumenta como resultado de la reducción de la cantidad de agua añadida en la síntesis. El diámetro promedio del cúmulo es de 31, 56, 74 y 120 nm para A, B, C y D, respectivamente, con una composición constante de Mn0.15Fe2.85O4. En las imágenes E-H, la composición de la ferrita cambia monótonamente en proporción a la relación Mn/Fe de los precursores. A pesar de sus diferentes composiciones, se logra un diámetro de racimo casi equivalente. Nuestra síntesis permite un control independiente tanto sobre el diámetro del clúster como sobre la composición de la ferrita, ambas características que son importantes para las propiedades magnéticas de las ferritas a nanoescala. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
| Etiqueta en la Figura 2 | H2O (ml) | FeCl3 (mmol) | MnCl2 (mmol) | Composición de ferrita | CC (nm) | |
| Un | 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 | |
Tabla 1: Condiciones de reacción para la síntesis de las muestras de nanocúmulos que se muestran en la Figura 2. Otros parámetros de síntesis son: 20 ml de etilenglicol, 250 mg de PAA y 1,2 g de urea. Las mezclas de reacción se calientan hidrotérmicamente a 200 °C durante 20 h. Para A, B, C y D, disminuir el contenido de agua mientras se mantienen constantes otros parámetros dio como resultado grupos de diámetros más grandes. Para E, F, G y H, el aumento de la proporción de MnCl2to FeCl3 en la mezcla de reacción inicial dio lugar a grupos con mayores proporciones de manganeso en la estructura del clúster. Variar la cantidad de agua E, F, G y H al mismo tiempo permite grupos de diferente composición pero diámetros casi equivalentes.
Figura 3: Imágenes TEM de reacciones fallidas e incompletas. Las características pequeñas y de bajo contraste observadas en estas imágenes son nanocristales primarios que no se han convertido en nanocúmulos. La muestra de la Figura 3A se preparó sin agua adicional, mientras que el material que se muestra en la Figura 3B tuvo un tiempo de reacción insuficiente de cuatro horas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Comparación de la separación magnética de nanoclusters. Comparación de la separación magnética de nanoclusters sin (A) y con (B) la adición de lana de acero en el contenedor. La lana de acero aumenta el gradiente del campo magnético dentro del vial para permitir una separación magnética más rápida de los nanoclusters. Como resultado, es posible ampliar la producción de nanoclusters de manera eficiente sin sacrificar la calidad de la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Comparación de ultracentrifugación y separación magnética. Comparación de la ultracentrifugación (A,B) y la separación magnética (C,D) y su impacto en la uniformidad de los cúmulos purificados. A y C son las imágenes TEM de los cúmulos purificados, y B y D son las distribuciones de tamaño de los cúmulos en A y C, respectivamente. El eje y representa el número de grupos contados, y para cada muestra, se encuestó un total de 150 grupos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: La estructura del poli(ácido acrílico) (PAA) (A) y nitro-dopamina (B) utilizados en la etapa de modificación de la superficie. El recubrimiento inicial de PAA utilizado en la síntesis no es ideal en medios biológicos o ácidos debido a que el ácido carboxílico se protona fácilmente. La nitro-dopamina se utiliza para reemplazar el recubrimiento PAA creando un grupo funcional para anclar un copolímero sulfonado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Esquemas del proceso de modificación de la superficie del clúster. (A) recubrimiento PAA original, (B) recubrimiento intermedio de nitro-dopamina y (C) el recubrimiento final P(AA-co-AMPS-co-PEG). En (C), las curvas azul, roja y verde representan las unidades AA, AMPS y PEG, respectivamente. La composición del clúster puede ser Fe3O4 o MnxFe3-xO4. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: La funcionalización superficial de los nanoclusters con polisulfonato conduce a materiales que son coloidealmente estables bajo muchas condiciones acuosas diferentes. Los grupos con dos recubrimientos superficiales diferentes, como sintetizados PAA recubiertos (A) y P(AA-co-AMPS-co-PEG) funcionalizados (B) se disuelven en la solución tampón PBS que es relevante para los ajustes biológicos y se observa por su estabilidad coloidal a lo largo del tiempo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Este trabajo demuestra una síntesis de poliol modificado de nanocristales de ferrita de manganeso agrupados en agregados uniformes a nanoescala29. En esta síntesis, el cloruro de hierro (III) y el cloruro de manganeso (II) experimentan una reacción de hidrólisis forzada y reducción, formando MnxFe3-xO4 molecular. Estas moléculas de ferrita forman nanocristales primarios bajo la alta temperatura y alta presión en los reactores, en última instancia, se ensamblan en agregados esféricos denominados aquí grupos de ferrita de magnetita (MFC). Sin suficiente tiempo de reacción o suficiente agua, el proceso de agregación no puede completarse por completo, lo que lleva a partículas no uniformes y mal formadas. Por el contrario, dado el tiempo y la suficiente agua, el proceso de cristalización y ensamblaje de óxido metálico está completo y produce un cúmulo esférico uniforme que comprende decenas a cientos de nanocristales primarios. Los nanocristales primarios en estos materiales son de agregado duro, compartiendo algunas interfaces cristalinas, lo que lleva a una alta susceptibilidad inicial y una respuesta magnética pronunciada incluso a los pequeños campos disponibles en los imanes permanentes de mano27. Como resultado, estos materiales tienen un gran potencial para aplicaciones en la administración de fármacos, hipertermia magnética, resonancia magnética e imágenes de partículas magnéticas30,31,32.
Encontramos que la cantidad de agua agregada a la mezcla de reacción inicial controla el diámetro de los racimos ensamblados. A medida que aumenta el contenido de agua en los reactivos, disminuye el diámetro de los grupos y el número de nanocristales primarios agregados. El rango óptimo es de 0,8 M a 5,0 M de agua, condiciones que producen, respectivamente, diámetros de racimo que van desde 150 nm a 30 nm. El agua tiene un papel importante en este proceso porque es necesario asegurar una hidrólisis rápida de los precursores metálicos, una agregación más rápida de cristalitos primarios y, en consecuencia, grupos más pequeños16. Debido a que la síntesis es extraordinariamente sensible al agua, los reactivos manejados en condiciones ambientales de humedad variable podrían absorber diferentes cantidades de agua del aire. Esto podría afectar a las dimensiones posteriores y a la morfología del producto. Si bien el control de la humedad en la mayoría de los laboratorios de investigación (por ejemplo, 30% -60% HR) es suficiente para minimizar este problema, esta es una fuente de error sistemático en el procedimiento informado. El control de la proporción de manganeso a hierro en el producto se logra variando la proporción de manganeso a precursores de hierro. Esto es sorprendente ya que en muchas reacciones hidrotermales el nivel de dopaje de los productos a menudo no está simplemente relacionado con la estequiometría de los materiales de partida4,6,8,12,13,17. Para estas condiciones, sin embargo, la composición del producto está bien predicha por la proporción de los precursores metálicos. En conjunto, el control independiente tanto del diámetro del racimo como de su composición es posible a través de la manipulación directa de las mezclas de reactivos de partida.
A menudo, la purificación de nanopartículas de los medios de reacción es el paso más lento e intrincado en la generación de materiales de alta calidad. La ultracentrifugación se aplica a menudo para este propósito y, si bien es efectiva para separar las nanopartículas de los subproductos moleculares, es poco adecuada para eliminar productos sólidos no deseados. Cuando se aplica aquí a la purificación de nanomateriales, la ultracentrifugación produce partículas relativamente polidispersas con dimensiones y formas variables. Es mucho más eficiente aprovechar la respuesta magnética de estos materiales aplicando separación magnética para mejorar la uniformidad y pureza del producto final. Aceleramos la separación magnética creando gradientes muy altos de campos magnéticos dentro del vial macroscópico utilizando lana de acero sumergida en la solución y un imán permanente de tierras raras aplicado fuera de los contenedores de muestras. Esta disposición permite recuperar muestras uniformes en menos de treinta minutos con altos rendimientos (~ 90%). Es importante hacer coincidir la cantidad de lana de acero introducida en la solución con los diámetros de racimo MFC previstos. Por ejemplo, un MFC con un diámetro promedio de 40 nm requiere entre 100 y 200 mg de lana de acero para una separación rápida, mientras que los materiales más grandes pueden requerir mucho menos o incluso ninguna lana de acero. Está bien establecido que las nanopartículas magnéticas más pequeñas son menos sensibles a los campos aplicados en virtud de su menor volumen magnético15,17,26. Por lo tanto, el proceso de separación magnética proporciona un medio para agudizar la uniformidad de estos materiales, ya que los grupos más pequeños no se retienen de manera tan eficiente por el proceso16. El uso de este método de separación magnética no solo ahorra tiempo en el laboratorio, sino que también da como resultado productos con mayor uniformidad en diámetro.
Aunque los MFC sintetizados son estables en agua pura, exhiben una pobre estabilidad coloidal en soluciones con pH más bajo o mayor resistencia iónica. Las ferritas de manganeso tienen grandes densidades de magnetización, y como resultado para estos diámetros los cúmulos poseen dipolos magnéticos que conducen a la atracción de interpartículas. El recubrimiento de poliacrilato nativo utilizado durante la formación de los materiales imparte una carga negativa a las superficies de las partículas y ayuda a prevenir la agregación partícula-partícula. Sin embargo, a pH más bajo, los grupos carboxílicos están completamente protonados en efecto, eliminando la repulsión electrostática necesaria para mantener dispersiones homogéneas de MFC; alternativamente, en medios de mayor resistencia iónica, la repulsión de carga se reduce, lo que lleva a una mayor agregación de partículas. La agregación de los MFC crea materiales macroscópicos que no están dispersos homogéneamente en la solución, lo que dificulta el uso de los materiales in vivo o en aplicaciones que requieren superficies de nanopartículas grandes y disponibles. Por estas razones, introducimos un segundo polímero en la reacción para reemplazar el recubrimiento PAA original. El copolímero, P(AA-co-AMPS-co-PEG), incluye polietilenglicol neutro (PEG) para proporcionar biocompatibilidad y cierto grado de obstáculo estérico. Además, el componente de polisulfonato (PAMPS) ofrece tanto una mayor densidad de carga que el poliacrilato como un grupo funcional que tiene un pKa mucho más bajo y, en consecuencia, un mayor rango de pH de trabajo (pKa ~ 1.2)24. Los grupos de ferrita de manganeso modificados con estos recubrimientos superficiales muestran una estabilidad dramáticamente mayor en medios ácidos y biológicos. Sin embargo, el procedimiento para garantizar la modificación correcta de la superficie es detallado y debe seguirse cuidadosamente para garantizar que las muestras estén efectivamente recubiertas. Específicamente, el método requiere un monitoreo constante de la mezcla de reacción mientras se trata con un sonicador de sonda para garantizar un reemplazo homogéneo y completo del recubrimiento inicial de poliacrilato. También es importante utilizar cristalería de tamaño adecuado para minimizar cualquier pérdida de producto durante la sonicación vigorosa y aplicar un baño de hielo a la mezcla de sonicación para minimizar la degradación térmica de los polímeros causada por la sonicación de la sonda.
En conclusión, este método permite la producción rápida y eficiente de grupos de ferrita de manganeso (MFC) con diámetros sintonizables y composiciones de manganeso a hierro. El contenido de agua de reactivos, así como la proporción de hierro a manganeso son parámetros importantes para definir las características del producto del material. Una técnica de separación magnética simple que utiliza un imán de mano y lana de acero proporciona un medio eficiente para purificar el producto después de la síntesis, lo que produce grupos más uniformes. Finalmente, se aplica un copolímero PEG sulfonado a los materiales para garantizar que no se agreguen en una variedad de diferentes medios de pH y resistencia iónica. El aumento de la capacidad de respuesta magnética de estos óxidos de hierro dopados con manganeso en comparación con los nanomateriales de óxido de hierro puro (Fe3O4) hace que sea más simple, más barato y más fácil desarrollar dispositivos para aplicar campos externos para manipular los materiales in vivo. Sus recubrimientos superficiales mejorados también son importantes ya que las aplicaciones de nanopartículas magnéticas en la administración de fármacos, la remediación del agua y los sistemas avanzados de imágenes requieren materiales que no sean agregables y homogéneos en una variedad de medios biológicos y ambientales.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue generosamente apoyado por la Universidad de Brown y el Consorcio de Energía Avanzada. Agradecemos al Dr. Qingbo Zhang por su método sintético establecido de MFC de óxido de hierro.
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).
