チューニング可能なナノスケールの次元と組成を有するマンガンフェライトクラスターの安定した水性懸濁液

酸化鉄格子にドーパントとしてマンガンを含めることは、適切な条件下で、純粋な酸化鉄と比較して高く応用された分野での材料の磁化を増加させることができる。その結果、マンガンフェライト(MnxFe3-xO4)ナノ粒子は、高飽和磁化、外部磁場への強い応答、および低い細胞毒性のために非常に望ましい磁気ナノ材料である^{1、2、3、4、5}。単一ドメインナノ結晶とこれらのナノ結晶のクラスター、マルチドメイン粒子と呼ばれる両方が、薬物送達、癌治療のための磁気温熱療法、および磁気共鳴画像(MRI)^6,7,8を含む多様な生物医学的用途で研究されてきた。例えば、2017年のヒョングループは、単一ドメインマンガンフェライトナノ粒子をフェントン触媒として使用して癌低酸素症を誘導し、MRI ^tracking9のために材料の_T2contrastを利用しました。これらのフェライト材料の肯定的な研究に照らして、純粋な酸化鉄(_Fe3O4)ナノ材料と比較してインビボのデモンストレーションが少なく、ヒト^9,10での応用は報告されていません。

フェライトナノ材料の特徴をクリニックに翻訳する際に直面する大きな課題の1つは、均一で非集約的なナノスケールのクラスター11,12,13,14の生成です。モノドメインナノ結晶に対する従来の合成アプローチは十分に発達しているが、この研究に関心のある種類のマルチドメインクラスターは、均一で制御された方法では容易に作り出されない^15,16。さらに、フェライト組成物は、通常、非精和論的であり、単に前駆体の開始濃度に関連しておらず、これはこれらの材料の体系的な構造機能特性をさらにあいまいにすることができる9,12,13,17。ここでは、マンガンフェライトナノ材料のクラスター次元と組成の両方を独立した制御をもたらす合成アプローチを実証することによって、これらの問題に取り組んでいます。

また、この研究は、フェライトナノ材料のコロイド安定性の悪さを克服する手段を提供する18,19,20。磁性ナノ粒子は、一般に、強い粒子粒子の引力のために凝集する傾向があります。フェライトは、より大きなネット磁化が粒子凝集を増幅するので、この問題により苦しんでいます。関連する生物学的媒体において、これらの材料は、材料が急速に収集する十分な大きさの凝集体を生成し、それによって動物または人々への曝露経路を制限する20,21,22^。Hiltらは、磁石の他熱と色素分解の研究における粒子粒子凝集の別の結果を発見^した23。わずかに高い粒子濃度、またはフィールドへの暴露時間の増加では、材料が時間の経過とともに凝集し、活性粒子表面積が減少するにつれて材料の有効性が低下した。これらのアプリケーションやその他のアプリケーションは、粒子と粒子の相互作用を妨げる立体的な障壁を提供するように設計されたクラスターサーフェスの恩恵を受^{けるでしょう24,25}。

ここでは、マンガンフェライトクラスター(MFC)を制御可能な寸法および組成で合成する合成アプローチを報告する。これらのマルチドメイン粒子は、凝集しにくい一次マンガンフェライトナノ結晶の集合体からなる。一次ナノ結晶の密接な関連は、その磁気特性を高め、ナノ医薬品の最適な寸法に十分に一致する、50-300 nmの全体的なクラスターサイズを提供します。水量と塩化マンガン前駆体の量を変えることで、我々は独立して全体の直径と組成を制御することができます。この方法は、頻繁な実験と材料最適化を可能にする簡単で効率的な1ポット熱水反応を利用しています。これらのMFCは、簡単に、コロイド安定性を付与するスルホン化ポリマーによって改変される濃縮物溶液に精製することができる。そのタンタンビリティ、均一性、および溶液相安定性は、いずれも生物医学および環境工学におけるナノ材料の応用において大きな価値を有する特徴である。