Stabile wässrige Suspensionen von Manganferritclustern mit abstimmbarer nanoskaliger Dimension und Zusammensetzung

Die Aufnahme von Mangan als Dotierstoff in ein Eisenoxidgitter kann unter den entsprechenden Bedingungen die Magnetisierung des Materials bei hohen Angelegten Feldern im Vergleich zu reinen Eisenoxiden erhöhen. Infolgedessen sind Manganferrit (MnxFe3-xO4) Nanopartikel aufgrund ihrer hohen Sättigungsmagnetisierung, ihrer starken Reaktion auf externe Felder und ihrer geringen Zytotoxizität sehr wünschenswerte magnetische Nanomaterialien1,2,3,4,5. Sowohl Einzeldomänen-Nanokristalle als auch Cluster dieser Nanokristalle, die als Multidomänenpartikel bezeichnet werden, wurden in verschiedenen biomedizinischen Anwendungen untersucht, darunter Arzneimittelabgabe, magnetische Hyperthermie zur Krebsbehandlung und Magnetresonanztomographie (MRT)^6,7,8. Zum Beispiel verwendete die Hyeon-Gruppe im Jahr 2017 Einzeldomänen-Manganferrit-Nanopartikel als Fenton-Katalysator, um eine Krebshypoxie zu induzieren, und nutzte den _T2-Kontrast des Materials für die MRT-Verfolgung9. Angesichts dieser und anderer positiver Studien an Ferritmaterialien ist es überraschend, dass es im Vergleich zu reinen Eisenoxid (_Fe3O4)-Nanomaterialien nur wenige In-vivo-Demonstrationen und keine berichteten Anwendungen beim Menschen ^gibt9,10.

Eine immense Herausforderung bei der Übertragung der Eigenschaften von Ferrit-Nanomaterialien in die Klinik ist die Generierung einheitlicher, nicht aggregierender, nanoskaliger Cluster11,12,13,14. Während herkömmliche synthetische Ansätze für Monodomänen-Nanokristalle gut entwickelt sind, lassen sich Multidomain-Cluster der Art, die an dieser Arbeit interessiert sind, nicht ohne weiteres einheitlich und kontrolliert ^{herstellen15,16}. Darüber hinaus ist die Ferritzusammensetzung in der Regel nicht stöchiometrisch und hängt nicht einfach mit der Ausgangskonzentration der Vorläufer zusammen, was die systematische Struktur-Funktions-Charakterisierung dieser Materialien weiter verschleiern kann9,12,13,17. Hier adressieren wir diese Probleme, indem wir einen synthetischen Ansatz demonstrieren, der eine unabhängige Kontrolle sowohl über die Clusterdimension als auch über die Zusammensetzung von Manganferrit-Nanomaterialien ermöglicht.

Diese Arbeit bietet auch ein Mittel, um die schlechte kolloidale Stabilität von Ferrit-Nanomaterialien zu überwinden18,19,20. Magnetische Nanopartikel neigen im Allgemeinen zur Aggregation aufgrund einer starken Partikel-Partikel-Anziehung; Ferrite leiden mehr unter diesem Problem, da ihre größere Nettomagnetisierung die Partikelaggregation verstärkt. In relevanten biologischen Medien liefern diese Materialien ausreichend große Zuschlagstoffe, die die Materialien schnell sammeln, wodurch ihre Expositionswege gegenüber Tieren oder Menschen begrenzt werden20,21,22. Hilt et al. fanden eine weitere Konsequenz der Partikel-Partikel-Aggregation in ihrer Studie über magnetotherme Erwärmung und ^{Farbstoffabbau23}. Bei etwas höheren Partikelkonzentrationen oder einer erhöhten Expositionszeit gegenüber dem Feld wurde die Wirksamkeit der Materialien verringert, da sich die Materialien im Laufe der Zeit aggregierten und die aktiven Partikeloberflächen abnahmen. Diese und andere Anwendungen würden von Clusteroberflächen profitieren, die so konzipiert sind, dass sie sterische Barrieren bieten, die Partikel-Teilchen-Wechselwirkungen ^{ausschließen24,25}.

Hier berichten wir über einen synthetischen Ansatz zur Synthese von Manganferritclustern (MFCs) mit kontrollierbaren Abmessungen und Zusammensetzung. Diese Multidomänenpartikel bestehen aus einer Anordnung von primären Manganferrit-Nanokristallen, die hart aggregiert sind; Die enge Assoziation der primären Nanokristalle verstärkt ihre magnetischen Eigenschaften und sorgt für eine Gesamtclustergröße von 50-300 nm, die gut auf die optimalen Abmessungen für ein Nanoarzneimittel abgestimmt ist. Durch die Änderung der Menge an Wasser und Manganchlorid-Vorläufer können wir den Gesamtdurchmesser und die Zusammensetzung unabhängig voneinander steuern. Die Methode nutzt einfache und effiziente hydrothermale Eintopfreaktionen, die häufige Experimente und Materialoptimierungen ermöglichen. Diese MFCs können leicht zu einer konzentrierten Produktlösung gereinigt werden, die durch sulfonierte Polymere, die kolloidale Stabilität verleihen, weiter modifiziert wird. Ihre Abstimmbarkeit, Gleichmäßigkeit und Lösungsphasenstabilität sind alles Merkmale von großem Wert für Anwendungen von Nanomaterialien in der Biomedizin- und Umwelttechnik.