Summary
Nous rapportons une synthèse hydrothermale à un pot d’amas de ferrite de manganèse (MFC) qui offre un contrôle indépendant sur la dimension et la composition du matériau. La séparation magnétique permet une purification rapide tandis que la fonctionnalisation de surface à l’aide de polymères sulfonés garantit que les matériaux ne sont pas agrégés dans un milieu biologiquement pertinent. Les produits qui en résultent sont bien positionnés pour les applications biomédicales.
Abstract
Les amas de ferrite de manganèse (MFC) sont des assemblages sphériques de dizaines à des centaines de nanocristaux primaires dont les propriétés magnétiques sont précieuses dans diverses applications. Nous décrivons ici comment former ces matériaux dans un processus hydrothermal qui permet le contrôle indépendant de la taille de la grappe de produits (de 30 à 120 nm) et de la teneur en manganèse du matériau résultant. Des paramètres tels que la quantité totale d’eau ajoutée au milieu réactionnel alcoolique et le rapport du manganèse au précurseur de fer sont des facteurs importants pour obtenir plusieurs types de produits à l’échelle nanométrique MFC. Une méthode de purification rapide utilise la séparation magnétique pour récupérer les matériaux, ce qui rend la production de grammes de nanomatériaux magnétiques très efficace. Nous surmontons le défi de l’agrégation magnétique des nanomatériaux en appliquant des polymères sulfonates hautement chargés à la surface de ces nanomatériaux, produisant des MFC colloïdaux stables qui restent non agrégeants même dans des environnements très salins. Ces matériaux non agrégeants, uniformes et accordables sont d’excellents matériaux potentiels pour des applications biomédicales et environnementales.
Introduction
L’inclusion de manganèse comme dopant dans un réseau d’oxyde de fer peut, dans les conditions appropriées, augmenter l’aimantation du matériau à des champs appliqués élevés par rapport aux oxydes de fer purs. En conséquence, les nanoparticules de ferrite de manganèse (MnxFe3-xO4) sont des nanomatériaux magnétiques hautement souhaitables en raison de leur aimantation à saturation élevée, de leur forte réponse aux champs externes et de leur faible cytotoxicité1,2,3,4,5. Les nanocristaux à domaine unique ainsi que les grappes de ces nanocristaux, appelés particules multidomaines, ont été étudiés dans diverses applications biomédicales, y compris l’administration de médicaments, l’hyperthermie magnétique pour le traitement du cancer et l’imagerie par résonance magnétique (IRM)6,7,8. Par exemple, le groupe Hyeon en 2017 a utilisé des nanoparticules de ferrite de manganèse à domaine unique comme catalyseur Fenton pour induire une hypoxie cancéreuse et a exploité le contraste T2 du matériau pour le suivi IRM9. Il est surprenant à la lumière de ces études et d’autres études positives sur les matériaux ferrites qu’il y ait peu de démonstrations in vivo par rapport aux nanomatériaux d’oxyde de fer pur (Fe3O4), et aucune application signalée chez l’homme9,10.
Un immense défi rencontré dans la traduction des caractéristiques des nanomatériaux de ferrite dans la clinique est la génération de grappes uniformes, non agrégées, à l’échelle nanométrique11,12,13,14. Alors que les approches synthétiques conventionnelles des nanocristaux monodomaines sont bien développées, les groupes multidomaines du type d’intérêt pour ce travail ne sont pas facilement produits de manière uniforme et contrôlée15,16. De plus, la composition en ferrite est généralement non stœchiométrique et n’est pas simplement liée à la concentration initiale des précurseurs, ce qui peut obscurcir davantage la caractérisation systématique structure-fonction de ces matériaux9,12,13,17. Ici, nous abordons ces questions en démontrant une approche synthétique qui permet un contrôle indépendant sur la dimension de l’amas et la composition des nanomatériaux de ferrite de manganèse.
Ce travail fournit également un moyen de surmonter la faible stabilité colloïdale des nanomatériaux de ferrite18,19,20. Les nanoparticules magnétiques sont généralement sujettes à l’agrégation en raison de la forte attraction particule-particule; les ferrites souffrent davantage de ce problème car leur plus grande magnétisation nette amplifie l’agrégation des particules. Dans les milieux biologiques pertinents, ces matériaux produisent des agrégats suffisamment gros pour qu’ils les collectent rapidement, limitant ainsi leurs voies d’exposition aux animaux ou aux personnes20,21,22. Hilt et al. ont trouvé une autre conséquence de l’agrégation particule-particule dans leur étude du chauffage magnétothermique et de la dégradation des colorants23. À des concentrations de particules légèrement plus élevées ou à un temps d’exposition accru au champ, l’efficacité des matériaux a été réduite à mesure que les matériaux s’agrègent au fil du temps et que les surfaces des particules actives diminuent. Ces applications et d’autres bénéficieraient de surfaces de grappes conçues pour fournir des barrières stériques qui empêchaient les interactions particule-particule24,25.
Nous rapportons ici une approche synthétique pour synthétiser des amas de ferrite de manganèse (MFC) avec des dimensions et une composition contrôlables. Ces particules multidomaines sont constituées d’un assemblage de nanocristaux primaires de ferrite de manganèse qui sont agrégés durement; l’association étroite des nanocristaux primaires améliore leurs propriétés magnétiques et fournit une taille globale de grappe, 50-300 nm, bien adaptée aux dimensions optimales pour une nanomédecine. En modifiant la quantité d’eau et de précurseur de chlorure de manganèse, nous pouvons contrôler indépendamment le diamètre total et la composition. La méthode utilise des réactions hydrothermales simples et efficaces à un pot qui permettent des expérimentations fréquentes et l’optimisation des matériaux. Ces MFC peuvent être facilement purifiés en une solution de produit concentrée, qui est ensuite modifiée par des polymères sulfonés qui confèrent une stabilité colloïdale. Leur accordabilité, leur uniformité et leur stabilité de phase de solution sont toutes des caractéristiques d’une grande valeur dans les applications des nanomatériaux en génie biomédical et environnemental.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Synthèse des MFC avec contrôle du diamètre total et de la composition en ferrite des MFC
- Lavez et séchez soigneusement toute la verrerie à utiliser dans la synthèse. La quantité d’eau dans la synthèse a un impact sur les dimensions des MFC, il est donc crucial de s’assurer que la verrerie ne contient pas d’eau résiduelle16,26.
- Pour laver la verrerie, rincer à l’eau et au détergent et frotter avec une brosse à flacon pour enlever les débris. Rincer abondamment pour enlever tout le détergent et terminer avec un rinçage à l’eau désionisée.
- Pour sécher la verrerie, secouez les gouttelettes d’eau de la surface de la verrerie et placez-les dans un four à 60 °C jusqu’à ce qu’elles soient complètement sèches.
- Rincer les réacteurs revêtus de polyphénylène (PPL) avec 37% d’acide chlorhydrique pour éliminer les débris d’une utilisation antérieure. Pour ce faire, placez les réacteurs et leurs bouchons dans un grand bécher et remplissez-les d’acide chlorhydrique jusqu’à ce que les réacteurs soient complètement submergés. Laissez reposer pendant 30 minutes avant de verser l’acide chlorhydrique. Rincez continuellement le bécher contenant les réacteurs avec de l’eau pendant 1 à 2 minutes, puis placez les réacteurs dans le four pour qu’ils sèchent.
- Utilisez une pipette automatique pour transférer 20 mL d’éthylène glycol dans un bécher de 50 mL avec une barre d’agitation magnétique.
- Peser la quantité requise de chlorure de fer(III) (FeCl3·6H2O, solide) pour atteindre une concentration finale de 1,3 mM et l’ajouter au bécher. Placez le bécher sur une plaque à remuer et allumez-le à 480 tr/min pour commencer à remuer continuellement le bécher.
REMARQUE: Comme il s’agit d’un hydrate, il doit être mesuré et ajouté rapidement pour éviter l’absorption indésirable de l’eau de l’air ambiant. - Peser 250 mg d’acide polyacrylique (PAA, Mw ~ 6 000, poudre) et l’ajouter au bécher. Après l’ajout de PAA, la solution devient opaque et légèrement plus claire.
- Peser 1,2 g d’urée (CO(NH2)2, poudre) et l’ajouter au bécher.
- À l’aide d’une pipette, ajouter 0,7 mM de chlorure de manganèse(II) (MnCl2·6H2O aq, 3,5 M, 0,2 mL) au bécher.
- Enfin, à l’aide d’une pipette, ajoutez la quantité requise (0,5 mL) d’eau ultra-pure dans le bécher.
- Laissez la solution remuer pendant 30 min et remarquez le changement de couleur. Il se présentera sous la forme d’une couleur orange foncé translucide.
- Transférer le mélange réactionnel dans le réacteur revêtu de polyphénylène (PPL). Notez qu’une fois la solution agitée, certains solides peuvent s’être accumulés sur les côtés du bécher.
- Utilisez un aimant (aimant cubique permanent de terres rares, 40 x 40 x 20 mm, ci-après dénommé « aimant » pour toutes les procédures de séparation et de collecte magnétique) pour faire glisser la barre d’agitation autour des parois du bécher afin de s’assurer que les solides qui se sont accumulés sur les côtés sont dispersés dans la solution réactionnelle.
- Une fois la solution mélangée et prête, transférez-la dans le réacteur revêtu de PPL de 50 mL.
- Utilisez une pince et un levier pour sceller le réacteur dans l’autoclave en acier inoxydable aussi étroitement que possible. Serrez la cuve du réacteur à une surface stable et, à l’aide d’une tige insérée dans le capuchon comme levier, poussez le réacteur à sceller. Notez que le réacteur scellé ne doit pas pouvoir être ouvert à la main. Ceci est crucial car l’environnement à haute pression du four nécessite une étanchéité étanche sur le réacteur.
- Placer le réacteur dans un four pendant 20 h à 215 °C.
- Une fois la réaction hydrothermale terminée, retirez le réacteur du four et laissez-le refroidir à la température ambiante. La pression du four permettra d’ouvrir le réacteur à la main. Notez qu’à ce stade, le réacteur contiendra le produit MFC dispersé dans l’éthylène glycol avec d’autres impuretés, telles que le polymère non réagi, et sera une solution noire opaque. Le produit sera isolé dans les étapes suivantes.
2. Séparation magnétique et purification des MFC
- Placer 200 mg de laine d’acier dans un flacon en verre. Remplissez le flacon de verre à mi-chemin avec le mélange réactionnel du réacteur. Remplissez le reste du flacon d’acétone et secouez bien. Notez que la laine d’acier augmente l’intensité du champ magnétique dans le flacon et aidera à la séparation magnétique des nanoclusters de la solution.
- Placez le flacon sur un aimant pour que la collecte magnétique se produise. Le résultat sera une solution translucide avec précipité au fond.
- Versez la solution surnageante pendant que les MFC sont piégés magnétiquement par la laine d’acier en maintenant l’aimant au fond du flacon pendant le versement. L’éthylène glycol sera principalement éliminé à cette étape.
- Commencez le lavage avec le faible rapport acétone/eau et augmentez le rapport dans les lavages suivants jusqu’à ce qu’ils soient purs. Faites-le 3-4 fois.
- Retirez le flacon de l’aimant et remplissez-le d’eau. Bien agiter pour dissoudre les MFC. Maintenant, le produit sera complètement dispersé dans l’eau.
- Répétez les deux étapes précédentes plusieurs fois jusqu’à ce que la solution aqueuse des MFC ne produise pas de bulles lorsqu’elle est secouée. Le résultat sera un ferrofluide sombre et opaque qui répondra fortement aux aimants.
REMARQUE: Dans une synthèse typique avec 20 mL d’éthylène glycol, environ 80 mg de produit MFC seront obtenus.
3. Fonctionnalisation de surface des MFC vers une stabilité colloïdale ultra-élevée
REMARQUE: La synthèse de nitro-dopamine et de Poly(AA-co-AMPS-co-PEG) peut être trouvée dans nos travaux précédents16. Le copolymère est fabriqué par polymérisation radicalaire. Ajouter 0,20 g de 2,2′-Azobis(2-méthylpropionitrile) (AIBN), 0,25 g d’acide acrylique (AA), 0,75 g d’acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS) et 1,00 g d’acrylate de poly(éthylène glycol) éther méthylique (PEG) dans 10 mL de N,N-diméthylformamide (DMF). Chauffer le mélange dans un bain-marie à 70 °C pendant 1 h et le transférer dans un sac de dialyse (membrane cellulosique, 3 kDa) dans de l’eau. Le rapport pondéral de AA, AMPS et PEG est de 1:3:4. La polymérisation de ces monomères a un taux de conversion de 100%, confirmé par la lyophilisation et la pesée.
- Mélanger 10 mL de nanoparticules purifiées (environ 100 mg) dans un flacon de 20 mL avec 10 mL de solution saturée de N-[2-(3,4-dihydroxyphényl)éthyl]nitramide (nitro-dopamine) (~1 mg/mL). Attendez 5 min.
- Lavez les MFC enduits de nitro-dopamine à l’aide d’une séparation magnétique. Versez le surnageant jaune pâle. Ajouter de l’eau et agiter vigoureusement. Ensuite, versez de l’eau à l’aide de l’aimant pour retenir le produit. Répétez ce lavage plusieurs fois en laissant la collection brun foncé dans le flacon.
REMARQUE: Préparer une solution aqueuse à une concentration de 20 mg/mL, une solution tampon à une concentration de 100 mg/mL et une solution polymère poly(AA-co-AMPS-co-PEG) à une concentration de 20 mg/mL. - Mélanger 1 mL de solution d’EDC, 1 mL de tampon MES et 3 mL de solution polymère. Remuer légèrement en faisant tourbillonner le mélange et laisser reposer pendant environ 5 min. Il devrait s’agir d’une solution claire et incolore lorsqu’elle est entièrement combinée.
- Ajouter ce mélange à la collection MFC et placer le flacon dans un bain de glace. Abaissez le sondeur de sonde dans la solution, puis allumez-le (250 watts de puissance à 20 kHz).
- Après un traitement de sonication de 5 minutes, ajoutez environ 5 mL d’eau ultra-pure au flacon pendant que le sonicator est encore en marche. Continuer de surveiller le navire pour s’assurer qu’aucun produit ne se déverse. Maintenez la glace dans le mélange glace-eau car une partie de la glace initiale fondra en raison de l’intensité et de la chaleur de la sonication.
- Laisser le mélange soniquer pendant 25 minutes supplémentaires, pour un total de 30 minutes.
- Placez le flacon sur un aimant pour séparer les MFC et verser la solution surnageante.
- Lavez plusieurs fois les MFC modifiés avec de l’eau désionisée.
- Remplissez le flacon contenant les MFC avec de l’eau ultra-pure. Pipette ce fluide dans un système de filtration sous vide avec un filtre à membrane de polyéthersulfone de 0,1 μm pour éliminer tout MFC agrégé de manière irréversible. Assurez-vous de rincer les parois de l’entonnoir pour minimiser toute perte de produit.
- Filtrez la solution sous vide. Répétez ce processus 2-3 fois. Le résultat sera une solution aqueuse purifiée de MFC monodispersés.
REMARQUE: Environ 10% du produit sera agrégé de manière irréversible et ce matériau restera sur le filtre et devra être jeté.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Après traitement hydrothermal, le mélange réactionnel se transforme en une dispersion noire visqueuse comme on peut le voir sur la figure 1. Ce qui résulte après la purification est une solution MFC hautement concentrée qui se comporte comme un ferrofluide. Le fluide dans le flacon réagit en quelques secondes lorsqu’il est placé près d’un aimant portatif (<0,5 T), formant une masse noire macroscopique qui peut être déplacée lorsque l’aimant est placé à différents endroits.
Cette synthèse donne des produits dont la dimension et la composition en ferrite dépendent de la quantité d’eau ajoutée et du rapport manganèse/précurseur de fer dans le mélange réactionnel. La figure 2 illustre comment la morphologie de l’amas dépend de la concentration en eau et en précurseurs; il détaille également les conditions de réaction utilisées pour obtenir les échantillons énumérés dans le tableau 1. Nous constatons que le diamètre du MFC est affecté par la quantité d’eau ajoutée et que la composition du MFC dépend du rapport entre le fer et le manganèse dans les précurseurs. Les deux paramètres peuvent ainsi être contrôlés indépendamment pour créer une bibliothèque de MFC avec des dimensions et une teneur en manganèse distinctes.
Bien qu’il s’agisse d’une procédure synthétique très simple, des erreurs dans l’exécution de la méthode peuvent entraîner des produits défaillants. La figure 3 représente des échantillons présentant des morphologies MFC irrégulières. Dans la figure 3A, les MFC de forme impaire se produisent si l’eau est complètement exclue de l’environnement de réaction. Le manque d’eau entrave l’assemblage dynamique des nanocristaux primaires et se traduit par une très large distribution des dimensions des nanoclusters et des formes non sphériques16. Les échantillons présentés à la figure 3B avaient un temps de réaction insuffisant (6-12 h) et, par conséquent, n’avaient pas une croissance suffisante des nanocristaux primaires. Ces mauvais résultats démontrent qu’une quantité appropriée de réactif, ainsi que le temps de réaction, sont nécessaires pour obtenir des grappes cohérentes et uniformes.
Après l’achèvement de la synthèse hydrothermale, les MFC en ferrite ont été séparés et purifiés par séparation magnétique. Un aimant a été placé sous la solution pour forcer leur collecte au fond du récipient. Les impuretés et les sous-produits non magnétiques formés dans la synthèse, ainsi que l’excès de solvant, pourraient alors être décantés pour produire des MFC purs et monodispersés27. La figure 4 illustre le temps nécessaire à la collecte magnétique presque complète des MFC avec et sans ajout de laine d’acier. La laine d’acier placée dans le flacon lors de la séparation magnétique augmente le gradient du champ magnétique à l’intérieur du flacon, ce qui permet une séparation beaucoup plus rapide28.
Les MFC purifiés par séparation magnétique présentent un degré élevé d’uniformité par rapport à ceux purifiés à l’aide d’un procédé d’ultracentrifugation plus conventionnel. La figure 5 montre la distribution granulométrique des MFC obtenus par séparation magnétique (A et B) par rapport à ceux utilisant l’ultracentrifugation (5 000 g pendant 30 min) (C et D). La séparation magnétique se traduit par une distribution plus étroite du diamètre de l’amas par rapport à l’ultracentrifugation et constitue la stratégie de purification préférée pour les MFC.
Les MFC synthétisés sont recouverts de polyacrylate (PAA), qui fournit une surface chargée négativement et un certain degré de répulsion interparticulaire qui empêche l’agrégation interparticulaire (Figure 6A). Cependant, en effectuant une réaction de remplacement du ligand avec de la nitrodopamine (Figure 6B), nous pouvons remplacer le revêtement PAA par un revêtement copolymère de P(AA-co-AMPS-co-PEG), ce qui permet une plus grande stabilité dans les solutions à plus haute résistance ionique. La figure 7 montre le schéma de ce processus de fonctionnalisation de surface. La stabilité colloïdale des MFC dispersés dans un tampon PBS est évidente à la figure 8. Les MFC synthétisés recouverts d’AAP s’agrègent rapidement et se séparent de la solution en 30 minutes et sont peu utiles dans les applications biologiques. En revanche, les MFC fonctionnalisés avec un revêtement en polysulfonate sont restés bien dispersés dans cette solution pendant plus de 2 jours sans aucun signe d’agrégation. La modification de surface de post-synthèse décrite ici fournit une voie pour former des solutions homogènes de MFC appropriées pour l’introduction dans des environnements biologiques.
Figure 1 : Schéma de synthèse des nanograppes de ferrite de manganèse. Les réactifs, le chlorure de fer(III), le chlorure de manganèse(II), l’acide polyacrylique (PAA), l’urée, l’eau et l’éthylène glycol sont combinés dans des conditions hydrothermales pour produire les nanoclusters de ferrite de manganèse. Ce produit forme une solution colloïdale stable dans de l’eau pure comme indiqué au milieu. La quantité d’eau ajoutée dans la synthèse et le rapport manganèse/fer dans les précurseurs sont utilisés pour ajuster la taille de l’amas et la composition de la ferrite, respectivement. Après séparation magnétique, les nanoclusters forment un ferrofluide comme indiqué à droite, ce qui indique qu’ils sont très réactifs même aux petits champs magnétiques appliqués. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Images au microscope électronique à transmission (TEM) des nanoamas de ferrite de manganèse et de leurs distributions de diamètre. Dans les images A-D, le diamètre de l’amas (Dc) augmente en raison de la réduction de la quantité d’eau ajoutée dans la synthèse. Le diamètre moyen de l’amas est de 31, 56, 74 et 120 nm pour A, B, C et D, respectivement, avec une composition constante de Mn0.15Fe2.85O4. Dans les images E-H, la composition de la ferrite change de manière monotone proportionnellement au rapport Mn/Fe des précurseurs. Malgré leurs compositions différentes, un diamètre d’amas presque équivalent est obtenu. Notre synthèse permet un contrôle indépendant du diamètre de l’amas et de la composition de la ferrite, deux caractéristiques importantes pour les propriétés magnétiques des ferrites à l’échelle nanométrique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Étiquette de la figure 2 | H2O (mL) | FeCl3 (mmol) | MnCl2 (mmol) | Ferrite Composition | Dc (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 | |
Tableau 1 : Conditions de réaction pour la synthèse des échantillons de nanoclusters illustrés à la figure 2. Les autres paramètres de synthèse sont : 20 mL d’éthylène glycol, 250 mg de PAA et 1,2 g d’urée. Les mélanges réactionnels sont chauffés hydrothermalement à 200 °C pendant 20 h. Pour A, B, C et D, la diminution de la teneur en eau tout en maintenant les autres paramètres constants a entraîné des grappes de diamètres plus grands. Pour E, F, G et H, l’augmentation du rapport entre MnCl2 et FeCl3 dans le mélange réactionnel initial a donné lieu à des grappes avec des proportions plus élevées de manganèse dans la structure des grappes. Faire varier la quantité d’eau E, F, G et H en même temps permet d’obtenir des grappes de composition différente mais de diamètres presque équivalents.
Figure 3 : Images TEM de réactions ratées et incomplètes. Les petites caractéristiques de faible contraste observées dans ces images sont des nanocristaux primaires qui ne se sont pas développés en nanoclusters. L’échantillon de la figure 3A a été préparé sans eau supplémentaire, tandis que le matériau illustré à la figure 3B avait un temps de réaction insuffisant de quatre heures. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Comparaison de la séparation magnétique des nanoclusters. Comparaison de la séparation magnétique des nanoclusters sans (A) et avec (B) l’ajout de laine d’acier dans le récipient. La laine d’acier augmente le gradient du champ magnétique à l’intérieur du flacon pour permettre une séparation magnétique plus rapide des nanoclusters. En conséquence, il est possible d’augmenter efficacement la production de nanoclusters sans sacrifier la qualité des échantillons. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Comparaison de l’ultracentrifugation et de la séparation magnétique. Comparaison de l’ultracentrifugation (A,B) et de la séparation magnétique (C,D) et de leur impact sur l’uniformité des amas purifiés. A et C sont les images TEM des amas purifiés, et B et D sont les distributions de taille des amas en A et C, respectivement. L’axe des y représente le nombre de grappes comptées et, pour chaque échantillon, un total de 150 grappes ont été étudiées. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Structure du poly(acide acrylique) (PAA) (A) et de la nitro-dopamine (B) utilisés dans l’étape de modification de surface. Le revêtement PAA initial utilisé en synthèse n’est pas idéal dans les milieux biologiques ou acides car l’acide carboxylique est facilement protoné. La nitro-dopamine est utilisée pour remplacer le revêtement PAA en créant un groupe fonctionnel pour ancrer un copolymère sulfoné. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Schémas du processus de modification de la surface de l’amas. (A) revêtement PAA original, (B) revêtement nitro-dopamine intermédiaire et (C) revêtement final P(AA-co-AMPS-co-PEG). En (C), les courbes bleue, rouge et verte représentent respectivement les unités AA, AMPS et PEG. La composition de l’amas peut être Fe3O4 ou MnxFe3-xO4. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : La fonctionnalisation de surface des nanoclusters avec du polysulfonate conduit à des matériaux qui sont colloïdaux stables dans de nombreuses conditions aqueuses différentes. Les grappes avec deux revêtements de surface différents, enrobés de PAA synthétisés (A) et P(AA-co-AMPS-co-PEG) fonctionnalisés en surface (B) sont dissous dans la solution tampon PBS qui est pertinente pour les environnements biologiques et observée pour leur stabilité colloïdale au fil du temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ce travail démontre une synthèse polyol modifiée de nanocristaux de ferrite de manganèse regroupés en agrégats uniformes à l’échelle nanométrique29. Dans cette synthèse, le chlorure de fer(III) et le chlorure de manganèse(II) subissent une réaction d’hydrolyse forcée et une réduction, formant du MnxFe3-xO4 moléculaire. Ces molécules de ferrite forment des nanocristaux primaires sous haute température et haute pression dans les réacteurs, s’assemblant finalement en agrégats sphériques appelés ici amas de ferrite de magnétite (MFC). Sans un temps de réaction suffisant ou suffisamment d’eau, le processus d’agrégation ne peut pas se terminer complètement, ce qui conduit à des particules non uniformes et mal formées. Inversement, avec suffisamment de temps et suffisamment d’eau, le processus de cristallisation et d’assemblage de l’oxyde métallique est terminé et donne un amas sphérique uniforme comprenant des dizaines à des centaines de nanocristaux primaires. Les nanocristaux primaires de ces matériaux sont agrégés en dur, partageant certaines interfaces cristallines, ce qui conduit à une susceptibilité initiale élevée et à une réponse magnétique prononcée, même aux petits champs disponibles à partir d’aimants permanents portables27. En conséquence, ces matériaux ont un grand potentiel pour des applications dans l’administration de médicaments, l’hyperthermie magnétique, l’imagerie par résonance magnétique et l’imagerie magnétique des particules30,31,32.
Nous constatons que la quantité d’eau ajoutée au mélange réactionnel initial contrôle le diamètre des amas assemblés. À mesure que la teneur en eau des réactifs augmente, le diamètre des amas et le nombre de nanocristaux primaires agrégés diminuent. La plage optimale est de 0,8 M à 5,0 M d’eau, des conditions qui donnent, respectivement, des diamètres de grappe allant de 150 nm à 30 nm. L’eau joue un rôle important dans ce processus car il est nécessaire d’assurer une hydrolyse rapide des précurseurs métalliques, une agrégation plus rapide des cristallites primaires et, par conséquent, des amas plus petits16. Parce que la synthèse est extraordinairement sensible à l’eau, les réactifs manipulés dans des conditions ambiantes d’humidité variable pourraient absorber différentes quantités d’eau de l’air. Cela pourrait affecter les dimensions et la morphologie ultérieures du produit. Bien que le contrôle de l’humidité dans la plupart des laboratoires de recherche (p. ex., 30 % à 60 % HR) soit suffisant pour minimiser ce problème, il s’agit d’une source d’erreur systématique dans la procédure signalée. Le contrôle du rapport manganèse/fer dans le produit est obtenu en faisant varier le rapport du manganèse aux précurseurs du fer. Ceci est surprenant car dans de nombreuses réactions hydrothermales, le niveau de dopage des produits n’est souvent pas simplement lié à la stœchiométrie des matières premières4,6,8,12,13,17. Pour ces conditions, cependant, la composition du produit est bien prédite par le rapport des précurseurs métalliques. Pris ensemble, le contrôle indépendant du diamètre de l’amas ainsi que de sa composition est possible grâce à une manipulation simple des mélanges réactifs de départ.
Souvent, la purification des nanoparticules du milieu réactionnel est l’étape la plus longue et la plus complexe dans la génération de matériaux de haute qualité. L’ultracentrifugation est souvent appliquée à cette fin et, bien qu’elle soit efficace pour séparer les nanoparticules des sous-produits moléculaires, elle est mal adaptée à l’élimination des produits solides indésirables. Appliquée ici à la purification de nanomatériaux, l’ultracentrifugation produit des particules relativement polydispersées de dimensions et de formes variables. Il est beaucoup plus efficace de tirer parti de la réponse magnétique de ces matériaux en appliquant une séparation magnétique pour améliorer l’uniformité et la pureté du produit final. Nous accélérons la séparation magnétique en créant des gradients très élevés de champs magnétiques dans un flacon macroscopique à l’aide de laine d’acier immergée dans la solution et d’un aimant permanent de terres rares appliqué à l’extérieur des récipients d’échantillons. Cette disposition permet de récupérer des échantillons uniformes en moins de trente minutes avec des rendements élevés (~ 90%). Il est important de faire correspondre la quantité de laine d’acier introduite dans la solution aux diamètres de grappe MFC prévus. Par exemple, un MFC d’un diamètre moyen de 40 nm nécessite entre 100 et 200 mg de laine d’acier pour une séparation rapide, tandis que les matériaux plus grands peuvent nécessiter beaucoup moins ou même pas de laine d’acier. Il est bien établi que les nanoparticules magnétiques plus petites sont moins sensibles aux champs appliqués en raison de leur plus petit volume magnétique15,17,26. Le processus de séparation magnétique fournit donc un moyen d’affiner l’uniformité de ces matériaux, car les petits groupes ne sont pas retenus aussi efficacement par le processus16. L’utilisation de cette méthode de séparation magnétique permet non seulement de gagner du temps en laboratoire, mais aussi d’obtenir des produits avec une plus grande uniformité de diamètre.
Bien que les MFC synthétisés soient stables dans l’eau pure, ils présentent une faible stabilité colloïdale dans les solutions à pH plus faible ou à force ionique plus élevée. Les ferrites de manganèse ont de grandes densités d’aimantation et, par conséquent, pour ces diamètres, les amas possèdent des dipôles magnétiques qui conduisent à l’attraction des interparticules. Le revêtement en polyacrylate natif utilisé lors de la formation des matériaux confère une charge négative aux surfaces des particules et aide à prévenir l’agrégation particules-particules. Cependant, à pH inférieur, les groupes carboxyliques sont entièrement protonés, éliminant ainsi la répulsion électrostatique nécessaire pour maintenir des dispersions MFC homogènes; alternativement, dans les milieux de force ionique plus élevée, la répulsion de charge est réduite, ce qui entraîne une plus grande agrégation de particules. L’agrégation des MFC crée des matériaux macroscopiques qui ne sont pas dispersés de manière homogène dans la solution, ce qui rend difficile l’utilisation des matériaux in vivo ou dans des applications nécessitant des surfaces de nanoparticules grandes et disponibles. Pour ces raisons, nous introduisons un deuxième polymère dans la réaction pour remplacer le revêtement PAA d’origine. Le copolymère, P(AA-co-AMPS-co-PEG), comprend du polyéthylène glycol neutre (PEG) pour fournir une biocompatibilité et un certain degré d’entrave stérique. De plus, le composant polysulfonate (PAMPS) offre à la fois une densité de charge supérieure à celle du polyacrylate ainsi qu’un groupe fonctionnel qui a un pKa beaucoup plus faible et par conséquent une plus grande plage de pH de travail (pKa ~ 1,2)24. Les amas de ferrite de manganèse modifiés avec ces revêtements de surface montrent une stabilité considérablement accrue dans les milieux acides et biologiques. La procédure pour s’assurer que la modification de surface correcte est détaillée, cependant, et doit être suivie attentivement pour s’assurer que les échantillons sont effectivement enduits. Plus précisément, la méthode nécessite une surveillance constante du mélange réactionnel pendant qu’il est traité avec un sondeur à sonde pour assurer un remplacement homogène et complet du revêtement initial en polyacrylate. Il est également important d’utiliser de la verrerie de taille appropriée pour minimiser toute perte de produit lors d’une sonication vigoureuse et d’appliquer un bain de glace sur le mélange de sonication pour minimiser la dégradation thermique des polymères causée par la sonication par sonde.
En conclusion, cette méthode permet la production rapide et efficace de grappes de ferrite de manganèse (MFC) avec des diamètres accordables et de compositions de manganèse en fer. La teneur en eau réactive ainsi que le rapport du fer au manganèse sont des paramètres importants dans la définition des caractéristiques du produit du matériau. Une technique de séparation magnétique simple utilisant un aimant portatif et de la laine d’acier fournit un moyen efficace de purifier le produit après la synthèse, ce qui donne des grappes plus uniformes. Enfin, un copolymère PEG sulfoné est appliqué sur les matériaux pour s’assurer qu’ils restent non agrégeants dans une variété de milieux de pH et de force ionique différents. La réactivité magnétique accrue de ces oxydes de fer dopés au manganèse par rapport aux nanomatériaux d’oxyde de fer pur (Fe3O4) rend plus simple, moins cher et plus facile le développement de dispositifs permettant d’appliquer des champs externes pour manipuler les matériaux in vivo. Leurs revêtements de surface améliorés sont également importants, car les applications des nanoparticules magnétiques dans l’administration de médicaments, l’assainissement de l’eau et les systèmes d’imagerie avancés nécessitent toutes des matériaux non agrégeants et homogènes dans une variété de milieux biologiques et environnementaux.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été généreusement soutenu par l’Université Brown et l’Advanced Energy Consortium. Nous remercions chaleureusement le Dr Qingbo Zhang pour sa méthode synthétique établie de MFC à l’oxyde de fer.
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).
