Suspensions aqueuses stables d’amas de ferrite de manganèse avec dimension et composition à l’échelle nanométrique accordable

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.