Stabiele waterige suspensies van mangaan ferrietclusters met instelbare nanoschaaldimensie en -samenstelling

De opname van mangaan als een dopant in een ijzeroxiderooster kan, onder de juiste omstandigheden, de magnetisatie van het materiaal op hoog toegepaste velden verhogen in vergelijking met zuivere ijzeroxiden. Als gevolg hiervan zijn mangaan ferriet (MnxFe3-xO4) nanodeeltjes zeer wenselijke magnetische nanomaterialen vanwege hun hoge verzadigingsmagnetisatie, sterke respons op externe velden en lage cytotoxiciteit1,2,3,4,5. Zowel single domain nanokristallen als clusters van deze nanokristallen, multidomeindeeltjes genaamd, zijn onderzocht in diverse biomedische toepassingen, waaronder medicijnafgifte, magnetische hyperthermie voor kankerbehandeling en magnetische resonantie beeldvorming (MRI)^6,7,8. De Hyeon-groep gebruikte bijvoorbeeld in 2017 single-domein mangaan ferriet nanodeeltjes als fentonkatalysator om kankerhypoxie te induceren en maakte gebruik van het _T2contrast van het materiaal voor MRI-tracking9. Het is verrassend in het licht van deze en andere positieve studies van ferrietmaterialen dat er weinig in vivo demonstraties zijn in vergelijking met zuivere ijzeroxide (_Fe3O4) nanomaterialen, en geen gerapporteerde toepassingen bij ^mensen9,10.

Een immense uitdaging bij het vertalen van de kenmerken van ferriet nanomaterialen naar de kliniek is het genereren van uniforme, niet-aggregerende clusters op nanoschaal11,12,13,14. Hoewel conventionele synthetische benaderingen van monodomein nanokristallen goed ontwikkeld zijn, zijn multidomeinclusters van het type interesse in dit werk niet gemakkelijk te produceren op een uniforme en gecontroleerde ^manier15,16. Bovendien is de ferrietsamenstelling meestal niet-stoichiometrisch en niet alleen gerelateerd aan de beginconcentratie van de voorlopers en dit kan de systematische structuur-functiekarakterisering van deze materialen verder verdoezelen9,12,13,17. Hier pakken we deze problemen aan door een synthetische benadering te demonstreren die onafhankelijke controle oplevert over zowel de clusterdimensie als de samenstelling van mangaan ferriet nanomaterialen.

Dit werk biedt ook een middel om de slechte colloïdale stabiliteit van ferriet nanomaterialen18,19,20 te overwinnen. Magnetische nanodeeltjes zijn over het algemeen gevoelig voor aggregatie als gevolg van sterke deeltjes-deeltjesaantrekking; ferrieten hebben meer last van dit probleem omdat hun grotere netto magnetisatie de deeltjesaggregatie versterkt. In relevante biologische media leveren deze materialen voldoende grote aggregaten op die de materialen snel verzamelen, waardoor hun blootstellingsroutes voor dieren of mensen ^{worden beperkt20,21,22}. Hilt et al. vonden een ander gevolg van deeltjes-deeltjesaggregatie in hun studie van magnetothermische verwarming en kleurstofdegradatie23. Bij iets hogere deeltjesconcentraties, of een langere tijd van blootstelling aan het veld, werd de effectiviteit van de materialen verminderd naarmate materialen in de loop van de tijd werden geaggregeerd en de actieve deeltjesoppervlakken afnamen. Deze en andere toepassingen zouden baat hebben bij clusteroppervlakken die zijn ontworpen om sterische barrières te bieden die deeltjes-deeltjesinteracties ^{uitsluiten24,25}.

Hier rapporteren we een synthetische benadering om mangaan ferrietclusters (MFC’s) te synthetiseren met controleerbare afmetingen en samenstelling. Deze multidomeindeeltjes bestaan uit een samenstel van primaire mangaan ferriet nanokristallen die hard geaggregeerd zijn; de nauwe associatie van de primaire nanokristallen verbetert hun magnetische eigenschappen en zorgt voor een totale clustergrootte, 50-300 nm, goed afgestemd op de optimale afmetingen voor een nanogeneeskunde. Door de hoeveelheid water en mangaanchloridevoorloper te veranderen, kunnen we de totale diameter en samenstelling onafhankelijk regelen. De methode maakt gebruik van eenvoudige en efficiënte hydrothermale reacties met één pot die frequente experimenten en materiaaloptimalisatie mogelijk maken. Deze MFC’s kunnen gemakkelijk worden gezuiverd tot een geconcentreerde productoplossing, die verder wordt gewijzigd door gesulfoneerde polymeren die colloïdale stabiliteit geven. Hun tunability, uniformiteit en stabiliteit van de oplossingsfase zijn allemaal kenmerken van grote waarde bij toepassingen van nanomaterialen in biomedische en milieutechniek.