מתלים מימיים יציבים של אשכולות פריט מנגן עם ממד ננומטרי טונה והרכב
Summary
אנו מדווחים על סינתזה הידרותרמית של סיר אחד של אשכולות פריט מנגן (MFCs) המציע שליטה עצמאית על ממד החומר והרכב. הפרדה מגנטית מאפשרת טיהור מהיר בעוד פונקציונליזציה פני השטח באמצעות פולימרים גופרתיים מבטיח החומרים אינם צבירה במדיום רלוונטי ביולוגית. המוצרים המתקבלים ממוקמים היטב עבור יישומים ביו-רפואיים.
Abstract
אשכולות ברזל מנגן (MFCs) הם מכלולים כדוריים של עשרות עד מאות ננו-קריסטלים עיקריים שתכונותיהם המגנטיות יקרות ערך ביישומים מגוונים. כאן אנו מתארים כיצד ליצור חומרים אלה בתהליך הידרותרמי המאפשר שליטה עצמאית בגודל אשכול המוצר (מ 30 עד 120 ננומטר) ותכולת מנגן של החומר המתקבל. פרמטרים כגון כמות המים הכוללת שנוספה למדיית התגובה האלכוהולית והיחס בין מנגן למבשר ברזל הם גורמים חשובים להשגת סוגים מרובים של מוצרים ננומטריים MFC. שיטת טיהור מהירה משתמשת בהפרדה מגנטית כדי לשחזר את החומרים מה שהופך את הייצור של גרם של ננו מגנטי יעיל למדי. אנו מתגברים על האתגר של צבירת ננו-חומרים מגנטיים על ידי החלת פולימרים גופרתיים טעונים מאוד על פני השטח של ננו-חומרים אלה המניבים MFCs יציבים קולואידית שנותרו לא מצטברים אפילו בסביבות מלוחות מאוד. חומרים לא-צבירה, אחידים וטונה אלה הם חומרים פוטנציאליים מצוינים עבור יישומים ביו-רפואיים וסביבתיים.
Introduction
הכללת מנגן כסריג תחמוצת ברזל יכולה, בתנאים המתאימים, להגביר את המגנטיזציה של החומר בשדות מיושמים גבוהים בהשוואה לתחמוצות ברזל טהורות. כתוצאה מכך, חלקיקי מנגן פרייט (MnxFe3-xO4) הם ננו-חומרים מגנטיים רצויים ביותר בשל מגנטיזציה רוויה גבוהה שלהם, תגובה חזקה לשדות חיצוניים, וציטוקסיות נמוכה1,2,3,4,5. הן ננו-קריסטלים של תחום יחיד והן אשכולות של ננו-קריסטלים אלה, המכונים חלקיקים רב-תחומיים, נחקרו ביישומים ביו-רפואיים מגוונים, כולל אספקת תרופות, היפרתרמיה מגנטית לטיפול בסרטן והדמיה תהודה מגנטית (MRI)6,7,8. לדוגמה, קבוצת Hyeon בשנת 2017 השתמשה חלקיקי פרייט מנגן דומיין יחיד כזרז פנטון כדי לגרום היפוקסיה סרטן וניצל את T2contrast של החומר למעקב MRI9. זה מפתיע לאור אלה ומחקרים חיוביים אחרים של חומרים פריט כי יש מעט הדגמות vivo לעומת תחמוצת ברזל טהור (Fe3O4) ננו, ואין יישומים מדווחים בבני אדם9,10.
אחד האתגרים העצומים העומדים בפני תרגום התכונות של ננו-חומרים של פריט למרפאה הוא יצירת אשכולות אחידים, לא מצטברים, ננומטריים11,12,13,14. בעוד גישות סינתטיות קונבנציונליות nanocrystals monodomain מפותחים היטב, אשכולות multidomain של סוג של עניין בעבודה זו אינם מיוצרים בקלות בצורה אחידה ומבוקרת15,16. בנוסף, הרכב פריט הוא בדרך כלל לא סטויצ’יומטרי ולא קשור רק לריכוז ההתחלתי של המבשרים וזה יכול לטשטש עוד יותר את אפיון המבנה-פונקציה השיטתי של חומרים אלה9,12,13,17. כאן, אנו מטפלים בנושאים אלה על ידי הדגמת גישה סינתטית שמניבה שליטה עצמאית הן על ממד האשכול והן על הרכב הננו-חומרים של מנגן פריט.
עבודה זו מספקת גם אמצעי להתגבר על היציבות הקולואידית הירודה של ננו-חומרים פריט18,19,20. חלקיקים מגנטיים נוטים בדרך כלל לצבירה עקב משיכת חלקיקים-חלקיקים חזקה; ferrites סובלים יותר מבעיה זו כמו מגנטיזציה נטו גדול שלהם מגביר את צבירת החלקיקים. במדיה הביולוגית הרלוונטית, חומרים אלה מניבים אגרגטים גדולים מספיק שהחומרים אוספים במהירות, ובכך מגבילים את נתיבי החשיפה שלהם לבעלי חיים או לאנשים20,21,22. Hilt et al. מצא תוצאה נוספת של צבירת חלקיקים במחקר שלהם של חימום מגנטותרמי וירידה צבע23. בריכוזים מעט גבוהים יותר של חלקיקים, או זמן חשיפה מוגבר לשדה, האפקטיביות של החומרים צומצמה ככל שהחומרים הצטברו לאורך זמן ואזורי פני החלקיקים הפעילים פחתו. יישומים אלה ואחרים ייהנו מפני שטחים מקבציים שנועדו לספק מחסומים סטריים שמנעו אינטראקציות בין חלקיקים-חלקיקים24,25.
כאן אנו מדווחים על גישה סינתטית לסנתז אשכולות פריט מנגן (MFCs) עם ממדים ניתנים לשליטה והרכב. חלקיקים מולטי-דומיינים אלה מורכבים הרכבה של ננו-קריסטלים מנגן פריט ראשוניים כי הם צבירה קשה; הקשר הקרוב של nanocrystals הראשי משפר את המאפיינים המגנטיים שלהם ומספק גודל אשכול כולל, 50-300 ננומטר, מותאם היטב לממדים האופטימליים עבור ננו-רפואה. על ידי שינוי כמות המים ומבשר הכלוריד המנגן, אנו יכולים לשלוט באופן עצמאי בקוטר ובהרכב הכלליים. השיטה משתמשת בתגובות הידרותרמיות פשוטות ויעילות של סיר אחד המאפשרות ניסויים תכופים ואופטימיזציה חומרית. ניתן לטהר בקלות את ה-MFCs האלה לתמיסת מוצר מרוכזת, אשר שונה עוד יותר על ידי פולימרים גופרתיים המעניקים יציבות קולואידית. הטונה, האחידות ויציבות שלב הפתרון שלהם הם כל התכונות בעלות ערך רב ביישומים של ננו-חומרים בהנדסה ביו-רפואית וסביבתית.
Protocol
Representative Results
Discussion
עבודה זו מדגימה סינתזה פוליול שונה של nanocrystals ferrite מנגן מקובצים יחד לתוך אגרגטים ננומטריים אחידים29. בסינתזה זו, ברזל(III) כלוריד ומנגן (II) כלוריד לעבור תגובה הידרוליזה כפויה והפחתת, ויוצר MnxFe3-xO4 מולקולרי. מולקולות פריט אלה יוצרות ננו-קריסטלים ראשוניים תחת ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בנדיבות על ידי אוניברסיטת בראון וקונסורציום האנרגיה המתקדמת. אנו מודים להודות לד”ר צ’ינגבו זאנג על השיטה הסינתטית המבוססת שלו של MFCs תחמוצת ברזל.
Materials
| 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).
