튜블 가능한 나노 스케일 치수 및 구성망간 페릿 클러스터의 안정적인 수성 현탁액

우리는 재료 차원과 구성에 대한 독립적 인 제어를 제공하는 망간 페릿 클러스터 (MFC)의 원 포트 수열 합성을보고합니다. 자기 분리를 통해 황변 폴리머를 이용한 표면 기능화를 통해 신속하게 정제할 수 있어 생물학적으로 관련매체에서 비응집재가 되도록 한다. 결과 제품은 생체 의학 응용 프로그램에 대 한 잘 배치.

망간 페릿 클러스터(MFC)는 수십~수백 개의 기본 나노결정의 구형 어셈블리로, 자기 특성은 다양한 응용 분야에서 가치가 있습니다. 여기서는 제품 클러스터 크기(30~120nm)와 결과 물질의 망간 함량을 독립적으로 제어할 수 있는 수열 공정에서 이러한 물질을 형성하는 방법을 설명합니다. 알코올 반응 매체에 첨가된 총 물량 및 망간과 철 전구체의 비율과 같은 파라미터는 다중 유형의 MFC 나노스케일 제품을 달성하는 데 중요한 요소입니다. 빠른 정제 방법은 자기 분리를 사용하여 자기 나노 물질의 그램을 매우 효율적으로 만드는 재료를 회수합니다. 우리는 고하의 식염수 환경에서도 비응집화 상태로 유지되는 콜로이드안정 MFC를 산출하는 이러한 나노 물질의 표면에 고하의 황포네이트 폴리머를 적용하여 자기 나노 물질 응집의 도전을 극복합니다. 이러한 비 응집, 균일 및 튜닝 가능한 재료는 생물 의학 및 환경 응용 분야에 탁월한 잠재 재료입니다.

산화철 격자에 망간을 도펀트로 포함하면, 적절한 조건하에서 순수한 산화철에 비해 고가 분야에서 물질의 자화를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 망간 페릿(MnxFe3-xO4) 나노입자는 높은 포화도 자화, 외부 장에 대한 강한 반응, 낮은 세포독성^1,2,3,4,5로 인해 매우 바람직한 자기 나노 물질이다. 단일 도메인 나노 결정뿐만 아니라 이러한 나노 결정의 클러스터, 즉 다중 도메인 입자, 약물 전달을 포함 하 여 다양 한 생물 의학 응용 프로그램에서 조사 되었습니다., 암 치료를 위한 자기 고온증, 그리고 자기 공명 영상 (MRI)^6,7,8. 예를 들어, 2017년 현군은 단일 도메인 망간 페릿 나노입자를 펜톤 촉매로 사용하여 암 저산소증을 유도하고 MRI 추적⁹에 대한 물질의 _T2대비를 이용하였다. 순수한 산화철(_Fe3O4) 나노물질에 비해 생체 내 데모가 거의 없고, 인간에서 보고된 적용이 없는 페라이트 물질의 이들과 다른 긍정적인 연구에 비추어 놀라운 일이다^9,10.

페릿 나노 물질의 특징을 클리닉으로 번역하는 데 직면한 한 가지 도전과제는 균일하고 비응집화되지 않는 나노 스케일 클러스터^11,12,13,14의 생성입니다. 단도메인 나노결정에 대한 기존의 합성 접근법이 잘 발달되어 있지만, 이 작품에 대한 관심의 유형의 다중 도메인 클러스터는 균일하고 제어된 방식으로 쉽게 생산되지 않는다^15,16. 또한, 페릿 조성물은 일반적으로 비-stoichiometric이며 단순히 전구체의 시작 농도와 관련이 없으며, 이는 이러한 재료의 체계적인 구조 기능 특성화를 더욱 모호하게 할 수 있다9,12,13,17. 여기서, 우리는 망간 페릿 나노 물질의 클러스터 치수와 구성 모두에 대한 독립적 인 제어를 산출 합성 접근 방식을 보여 줌으로써 이러한 문제를 해결합니다.

이 작품은 또한 페릿 나노 물질의 열악한 콜로이드 안정성을 극복하는 수단을 제공한다18,19,20. 자기 나노 입자는 일반적으로 강한 입자 입자 매력으로 인해 응집되기 쉽습니다. 페릿은 더 큰 순 자화로 인해 입자 응집이 증폭됨에 따라 이 문제로 인해 더 많은 고통을 겪습니다. 관련 생물학적 미디어에서 이러한 물질은 물질이 빠르게 수집할 수 있는 충분한 골재를 생성하여 동물이나 사람에 대한 노출 경로를 제한합니다^20,21,22. Hilt et al.은 자기 분해 및 염료 분해²³의 연구에서 입자 입자 응집의 또 다른 결과를 발견했습니다. 약간 더 높은 입자 농도, 또는 필드에 노출의 증가 시간에, 재료가 시간이 지남에 따라 집계및 활성 입자 표면 영역 감소로 재료의 효과가 감소되었다. 이러한 응용 프로그램과 다른 응용 프로그램은 입자 입자 상호 작용을 배제하는 스테릭 장벽을 제공하도록 설계된 클러스터 표면의 이점을 누릴 수 ^{있습니다24,25}.

여기서 우리는 제어 가능한 치수 와 구성망간 페릿 클러스터 (MFC)를 합성하는 합성 접근 방식을보고합니다. 이러한 다중 도메인 입자는 단단한 집계되는 1차 망간 페릿 나노결정의 어셈블리로 구성됩니다. 기본 나노 결정의 긴밀한 결합은 자기 특성을 향상시키고 전체 클러스터 크기인 50-300 nm를 제공하며 나노 의학의 최적 치수와 잘 일치합니다. 물과 망간 염화기 전구체의 양을 변경함으로써, 우리는 독립적으로 전체 직경과 구성을 제어 할 수 있습니다. 이 방법은 간편하고 효율적인 원포트 수열 반응을 활용하여 빈번한 실험과 물질 최적화를 가능하게 합니다. 이러한 MFC는 집중된 제품 용액으로 쉽게 정제될 수 있으며, 이는 콜로이드 안정성을 부여하는 황달 폴리머에 의해 더욱 변형됩니다. 그들의 튜닝성, 균일성 및 솔루션 상 안정성은 모두 생물 의학 및 환경 공학에서 나노 물질의 응용 분야에서 큰 가치의 특징입니다.

1. MFC의 전체 직경 및 페릿 구성을 제어 할 수있는 MFC의 합성

1. 합성에 사용할 모든 유리 제품을 세척하고 철저히 건조. 합성물의 양은 MFC의 치수에 영향을 미치므로 유리제품이 잔류물이 없는지 확인하는 것이 중요합니다^16,26.
   1. 유리 제품을 세척하려면 물과 세제로 헹구고 플라스크 브러시로 스크럽하여 이물질을 제거합니다. 철저하게 헹구어 모든 세제를 제거하고 탈온 된 물의 헹구기로 마무리하십시오.
   2. 유리 제품을 건조하려면 유리 제품 표면에서 물방울을 흔들어 완전히 건조 할 때까지 60 ° C의 오븐에 넣습니다.
   3. 폴리페닐렌 안감(PPL) 반응기를 37%의 염산으로 헹구어 이전 사용시 이물질을 제거합니다. 이렇게 하려면 반응기와 캡을 큰 비커에 놓고 원자로가 완전히 물에 잠길 때까지 염산으로 채웁니다. 염산을 붓기 전에 30 분 동안 앉아보자. 원자로를 함유한 비커를 1-2분 동안 물로 지속적으로 헹구고, 원자로를 오븐에 넣고 건조시다.
2. 자동 파이펫을 사용하여 20mL의 에틸렌 글리콜을 자기 교반 바가 있는 50mL 비커로 옮길 수 있습니다.
3. 1.3mM의 최종 농도를 달성하고 비커에 추가하기 위해 필요한 양의 철(III) 염화물(_FeCl3·_6H2O, 고체)을 계량한다. 비커를 교반 판에 놓고 480 rpm에서 켜서 비커의 연속 교반을 시작합니다.
   참고: 이것은 수화물이기 때문에 주변 공기에서 원치 않는 물 흡수를 피하기 위해 신속하게 측정하고 추가해야합니다.
4. 폴리 아크릴산 250 mg (PAA, Mw ~ 6,000, 분말)의 무게와 비커에 추가. PAA를 추가한 후 용액이 불투명해지고 색상이 약간 밝아집니다.
5. 1.2 g의 우레아(CO(_NH2)₂, 파우더)를 계량하여 비커에 추가합니다.
6. 파이펫을 사용하여 0.7 mM 망간(II) 염화물(_MnCl2·_6H2O aq, 3.5M, 0.2mL)을 비커에 넣습니다.
7. 마지막으로, 파이펫을 사용하여 비커에 초순수수의 필요한 양(0.5mL)을 추가한다.
8. 용액이 30 분 동안 저어색상 변화를 알 수 있습니다. 반투명하고 어두운 주황색으로 표시됩니다.
9. 반응 혼합물을 폴리페닐렌 안감(PPL) 반응기로 이송한다. 용액이 교반 한 후 일부 고형체가 비커의 측면에 축적 되었을 수 있습니다.
   1. 자석(입방 영구 희토류 자석, 40 x 40 x 20mm, 그 후 모든 분리 및 자기 수집 절차에 대한 "자석"이라고 함)을 사용하여 비커의 벽 주위의 교반 바를 드래그하여 측면에 축적된 고체가 반응 용액으로 분산되도록 합니다.
   2. 용액이 혼합되고 준비되면 50mL PPL 라인 원자로로 옮기습니다.
   3. 클램프와 레버를 사용하여 스테인레스 스틸 오토클레이브의 반응기를 가능한 한 단단히 밀봉하십시오. 반응기 용기를 안정된 표면으로 고정하고 캡에 삽입된 막대를 레버로 사용하여 반응기를 밀어 밀봉합니다. 밀봉된 반응기는 수작업으로 열 수 없습니다. 이는 오븐의 고압 환경이 반응기의 단단한 밀봉이 필요하기 때문에 매우 중요합니다.
10. 215°C에서 20시간 동안 반응기를 오븐에 넣습니다.
11. 수열 반응이 끝나면 오븐에서 반응기를 제거하고 실온으로 냉각할 수 있습니다. 오븐의 압력으로 반응기를 손으로 열 수 있습니다. 이 시점에서 반응기는 반응하지 않은 폴리머와 같은 다른 불순물로 에틸렌 글리콜에 분산된 MFC 제품을 포함하고 불투명한 블랙 용액이 될 것이다. 제품은 다음 단계에서 격리됩니다.

2. MFC의 자기 분리 및 정화

1. 200 mg의 강철 울을 유리 바이알에 넣습니다. 반응기의 반응 혼합물로 유리 유리병을 중간으로 채웁니다. 아세톤으로 바이알의 나머지 부분을 채우고 잘 흔들어줍니다. 강철 울은 유리병에서 자기장 강도를 증가시키고 용액에서 나노 클러스터의 자기 분리에 도움이됩니다.
2. 마그네틱 수집이 발생할 수 있도록 유리병을 자석에 놓습니다. 결과는 하단에 침전이 있는 반투명 솔루션이 될 것입니다.
   1. MFC가 자석을 바이알 바닥으로 잡고 붓는 동안 자석을 강철 양모에 자석으로 갇히는 동안 상체 용액을 붓습니다. 에틸렌 글리콜은 이 단계에서 대부분 제거될 것입니다.
   2. 아세톤의 낮은 비율로 세척을 시작하여 순수할 때까지 후속 세척의 비율을 증가시면 됩니다. 이 작업을 3-4번 수행합니다.
3. 자석에서 유리병을 제거하고 물로 채웁니다. MFC를 용해잘 흔들어주세요. 이제 제품은 완전히 물에 분산됩니다.
4. MFC의 수성 용액이 흔들릴 때 거품이 생성되지 않습니다 때까지 이전 두 단계를 여러 번 반복합니다. 그 결과는 자석에 강하게 반응하는 어둡고 불투명한 페로유체가 될 것입니다.
   참고: 에틸렌 글리콜 20mL의 일반적인 합성에서 약 80 mg의 MFC 제품이 얻을 수 있습니다.

3. 초고콜로이드 안정성을 향한 MFC의 표면 기능화

참고: 니트로 도파민과 폴리(AA-공동 AMPS-co-PEG)의 합성은 이전 작품¹⁶에서 확인할 수 있습니다. 중합체는 자유 라디칼 중합화를 통해 이루어집니다. 2,200-아조비스(2-메틸프로피오니트리올) (AIBN), 아크릴산 0.25 g(AA), 아크릴라미도-2-me 0.75 g 를 추가합니다. 틸프로판 설포닉산(AMPS) 및 1.00g의 폴리(에틸렌 글리콜) 메틸 에테르 아크릴레이트(PEG)는 N,N-디메틸포르마미드(DMF)의 10mL에서. 혼합물을 70°C 의 수조에 1시간 동안 가열하여 투석 백(셀룰로오스 멤브레인, 3kDa)으로 물을 옮킵니다. AA, AMPS 및 PEG의 무게 비율은 1:3:4입니다. 이러한 단량체에 대한 중합은 동결 건조 및 계량에 의해 확인된 바와 같이 100% 전환율을 갖는다.

1. 10mL의 정제 나노 입자(약 100 mg)를 포화 N-[2-(3,4-디하이드록시페닐)]에틸]니트라미드(니트로 도파민) 용액(니트로도파민)과 함께 20mL 바이알에 결합한다. 5 분 기다립니다.
2. 자기 분리를 사용하여 니트로 도파민 코팅 MFC를 세척. 옅은 노란색 상체를 붓습니다. 물을 넣고 힘차게 흔들어 줍니다. 그런 다음 자석을 사용하여 물을 부어 제품을 유지합니다. 유리병에 어두운 갈색 컬렉션을 떠나이 세탁을 여러 번 반복합니다.
   참고: 20 mg/mL의 농도로 수성 용액을 준비하고, 100 mg/mL의 농도를 가진 완충액, 20 mg/mL의 농도를 가진 폴리(AA-co-AMPS-co-PEG) 폴리머 용액을 준비한다.
3. EDC 용액 1mL, MES 버퍼 1m, 폴리머 용액 3mL을 혼합합니다. 혼합물을 소용돌이로 가볍게 저어서 약 5 분 동안 앉게하십시오. 완전히 결합될 때 는 명확하고 무색솔루션이어야 합니다.
4. 이 혼합물을 MFC 컬렉션에 추가하고 유리병을 얼음 욕조에 넣습니다. 프로브 초음파 처리기를 솔루션으로 낮추고 켜십시오(20kHz에서 250와트의 전력)을 켭니다.
   1. 5 분 초음파 처리 후, 초음파 처리가 여전히 실행되는 동안 유리병에 약 5 mL의 초순수물을 추가합니다. 제품이 유출되지 않도록 선박을 계속 모니터링합니다. 초기 얼음중 일부가 초음파처리의 강도와 열로 인해 녹아 얼음-물 혼합물에 얼음을 유지한다.
   2. 혼합물을 25분 동안 총 30분 동안 초음파 처리하도록 허용합니다.
5. 자석 위에 바이알을 놓고 MC를 분리하고 상체 용액을 부어 냅니다.
6. 변형된 MFC를 탈온화된 물로 여러 번 세척합니다.
7. MFC가 들어있는 유리병을 초순수물로 채웁니다. 0.1 μm polyethersulfone 멤브레인 필터가 있는 진공 여과 시스템에 이 유체를 피펫하여 돌이킬 수 없는 응집된 MFC를 제거하십시오.
8. 진공 필터 용액. 이 과정을 2-3번 반복합니다. 그 결과 모노분산 형 MFC의 정제 된 수성 솔루션이 될 것입니다.
   참고: 제품의 약 10%가 돌이킬 수 없는 집계되며 이 물질은 필터에 남아 폐기해야 합니다.

수열 처리 후, 반응 혼합물은 도 1에서 볼 수 있는 점성 흑색 분산으로 변한다. 정제 후 어떤 결과는 페로유체처럼 행동하는 고농축 MFC 솔루션입니다. 유리병에 있는 유체는 휴대용 자석(<0.5 T) 근처에 배치될 때 몇 초 안에 반응하며, 자석이 서로 다른 위치에 배치될 때 움직일 수 있는 거시적 검은 질량을 형성합니다.

이 합성은 치수와 페릿 조성물이 첨가된 물의 양과 반응 혼합물에서 전구체에 대한 망간의 비율에 의존하는 제품을 산출합니다. 도 2 는 클러스터 형태가 물과 전구체 농도에 어떻게 의존하는지 보여줍니다. 또한 표 1에 나열된 샘플을 얻기 위해 사용되는 반응 조건을 자세히 설명합니다. 우리는 MFC 직경이 추가 된 물의 양에 의해 영향을 받고, MFC 조성은 전구체에서 철과 망간의 비율에 따라 달라집니다 것을 발견한다. 따라서 두 매개 변수는 고유한 차원과 망간 콘텐츠가 있는 MC 라이브러리를 만들기 위해 독립적으로 제어할 수 있습니다.

이것은 매우 간단한 합성 프로시저이지만 메서드 실행의 오류로 인해 실패한 제품으로 이어질 수 있습니다. 그림 3 은 불규칙한 MFC 형태를 가진 샘플을 묘사합니다. 도 3A에서, 이상한 모양의 MFC는 물이 반응 환경에서 완전히 배제되는 경우 발생합니다. 물의 부족은 1차 나노결정의 동적 조립을 방해하고 나노클러스터 치수 및 비구형 모양의 매우 광범위한 분포를 초래한다¹⁶. 도 3B 에 도시된 샘플은 반응 시간이 부족(6-12h)이 었으며 그 결과 충분한 1차 나노결정 성장이 없었다. 이러한 불량 한 결과는 반응 시간뿐만 아니라 반응 시간의 적절한 양이 일관되고 균일 한 클러스터를 달성하기 위해 필요하다는 것을 보여줍니다.

수열 합성이 완료된 후, 페릿 MFC는 자기 분리를 사용하여 분리및 정제되었다. 자석은 용기의 바닥에 자신의 수집을 강제로 용액 아래에 배치되었다. 합성에 형성된 불순물 및 비자기 부산물은 과도한 용매와 함께 순수하고 단분산된 ^MFc27을 산출하기 위해 해독될 수 있습니다. 도 4 는 강철 울을 첨가하지 않고 MFC의 거의 완전한 자기 수집에 필요한 시간을 보여줍니다. 자기 분리 시 바이알에 배치된 강철 울은 바이알 내자기장의 그라데이션을 증가시켜 훨씬 더 빠른 분리²⁸을 허용합니다.

자기 분리를 사용하여 정제된 MFC는 보다 전통적인 초원심분리 공정을 사용하여 정제된 것과 비교하여 높은 수준의 균일성을 보여준다. 도 5 는 초원심분리(5,000g for 30분)(C 및 D)를 사용하는 것과 비교하여 자기 분리(A 및 B)를 사용하여 얻은 MFC의 크기 분포를 나타낸다. 자기 분리는 초원심분리에 비해 더 좁은 클러스터 직경 분포를 초래하며 MFC에 대한 바람직한 정제 전략이다.

합성된 MFC는 폴리아크릴레이트(PAA)로 코팅되어 음전하 표면과 입자 간 응집을 방지하는 어느 정도의 입자 간 반발을 제공합니다(그림 6A). 그러나, 니트로도파민(도 6B)으로 리간드 교체 반응을 수행함으로써 PAA 코팅을 P(AA-co-AMPS-co-PEG)의 합합체 코팅으로 대체할 수 있어 높은 이온 강도 솔루션에서 더 큰 안정성을 얻을 수 있다. 도 7은 이 표면 기능화 공정의 회로도를 나타낸다. PBS 버퍼에 분산된 MFC의 콜로이드 안정성은 도 8에서 명백하다. PAA로 코팅된 합성MFC는 30분 이내에 용액과 분리되어 생물학적 응용 분야에서 거의 사용되지 않습니다. 대조적으로, 폴리설포네이트 코팅으로 기능화된 MFC는 집계의 흔적 없이 2일 이상 이 솔루션에 잘 분산되어 있었습니다. 여기에 설명된 합성 후 표면 수정은 생물학적 환경으로의 도입에 적합한 MFC의 균일한 용액을 형성하는 경로를 제공한다.

그림 1: 망간 페릿 나노 클러스터의 합성을 위한 회로도. 시약, 철(III) 염화물, 망간(II) 염화물, 폴리아크릴산(PAA), 우레아, 물 및 에틸렌 글리콜이 수열 조건하에서 결합되어 망간 페릿 나노클러스터를 생성한다. 이 제품은 중간에 표시된 것처럼 순수한 물에 안정적인 콜로이드 용액을 형성합니다. 전구체에서 철에 대한 망간의 합성 및 비에 첨가된 물의 양은 각각 클러스터 크기와 페릿 조성을 조정하는 데 사용된다. 자기 분리 후, 나노 클러스터는 오른쪽에 표시된 바와 같이 페로유체를 형성하여 작은 적용 자기장에도 반응성이 높다는 것을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 망간 페릿 나노 클러스터및 직경 분포의 전송 전자 현미경 (TEM) 이미지. 이미지 A-D에서 클러스터 직경(Dc)은 합성에 추가된 물의 양을 줄임으로써 증가합니다. 평균 클러스터 직경은 각각 31, 56, 74, 120 nmA, B, C 및 D이며 Mn0.15Fe2.85O4의 일정한 조성물입니다. 이미지 E-H에서, 페릿 조성물은 전구체의 Mn/Fe 비율에 비례하여 모노톤으로 변화한다. 다른 조성에도 불구하고 거의 동등한 클러스터 직경이 달성됩니다. 우리의 합성은 나노 스케일 페릿의 자기 특성에 중요한 두 가지 특징, 클러스터 직경과 페릿 조성 모두에 대한 독립적 인 제어를 할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1: 도 2에 도시된 나노클러스터 샘플의 합성을 위한 반응 조건. 다른 합성 매개 변수는: 20 mL 에틸렌 글리콜, 250 mg PAA, 그리고 1.2 g urea. 반응 혼합물은 20 시간 동안 200 °C에서 수열된다. A, B, C 및 D의 경우 다른 매개 변수를 일정하게 유지하면서 수분 함량을 줄이면 직경이 더 커지름이 발생했습니다. E, F, G 및 H의 경우, _{MnCl2to FeCl3in}의 비율을 증가시켜 초기 반응 혼합물은 클러스터 구조에서 망간의 비율이 높은 클러스터를 초래하였다. 동시에 물 E, F, G 및 H의 양을 변화하면 서로 다른 조성의 클러스터가 있지만 동등한 직경에 가깝습니다.

그림 3: 실패한 반응과 불완전한 반응의 TEM 이미지입니다. 이러한 심상에서 관찰되는 작고 낮은 콘트라스트 특징은 나노 클러스터로 개발되지 않은 1차 나노 결정입니다. 도 3A 의 샘플은 추가 물 없이 제조되었으며 , 도 3B 에 표시된 물질은 불충분한 4시간, 반응 시간을 가졌다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 나노 클러스터의 자기 분리 비교. (A) 없이 나노클러스터의 자기 분리와 (B) 용기에 강철 울의 첨가를 비교한다. 스틸 울은 유리병 내부의 자기장의 그라데이션을 증가하여 나노 클러스터의 자기 분리를 더 빠르게 허용합니다. 그 결과, 샘플 품질을 희생하지 않으면서 나노클러스터의 생산을 효율적으로 확장할 수 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 초원심분리 및 자기 분리비교. 초원심분리(A,B) 및 자기 분리(C,D)와 정제된 클러스터의 균일성에 미치는 영향비교. A와 C는 정제된 클러스터의 TEM 이미지이며, B와 D는 각각 A 및 C의 클러스터의 크기 분포이다. y축은 계산된 클러스터 수를 나타내며 각 샘플에 대해 총 150개의 클러스터를 조사했습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 6: 표면 변형 단계에서 사용되는 폴리(아크릴산) (PAA) (A) 및 니트로 도파민(B)의 구조. 합성에 사용되는 초기 PAA 코팅은 카복실산이 쉽게 양성하기 때문에 생물학적 또는 산성 매체에 이상적이지 않다. 니트로 도파민은 황색 중합체를 고정하는 기능성 그룹을 만드는 PAA 코팅을 대체하는 데 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 7: 클러스터 표면 수정 공정의 회로도. (A) 오리지널 PAA 코팅, (B) 중간 니트로-도파민 코팅, (C) 최종 P(AA-co-AMPS-co-PEG) 코팅. (C)에서 파란색, 빨간색 및 녹색 곡선은 각각 AA, AMPS 및 PEG 단위를 나타냅니다. 클러스터의 조성물은 _Fe3O4 또는 MnxFe3-xO4일 수 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 8: 폴리설포네이트를 가진 나노 클러스터의 표면 기능화는 많은 다른 수성 조건 하에서 콜로이드적으로 안정되는 물질로 이어집니다. 두 개의 서로 다른 표면 코팅을 가진 클러스터, 합성 된 PAA 코팅 (A) 및 P (AA-공동 AMPS-co-PEG) 표면 기능화 (B) 생물학적 설정에 관련 되 고 시간이 지남에 따라 그들의 콜로이드 안정성에 대 한 관찰 PBS 버퍼 솔루션에 용해 된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이 작품은 균일한 나노 스케일 골체²⁹로 함께 클러스터된 망간 페릿 나노결정의 변형된 폴리올 합성을 보여줍니다. 이 합성에서 철(III) 염화물 및 망간(II) 염화물은 강제 가수분해 반응 및 감소를 거쳐 분자 MnxFe3-xO4_를 형성한다. 이 페릿 분자는 반응기의 고온 및 고압 하에서 1차 나노 결정을 형성하며, 궁극적으로 여기에 자성 페릿 클러스터(MFC)라고 불리는 구형 골재로 조립한다. 충분한 반응 시간이나 충분한 물이 없으면 집계 프로세스가 완전히 완료되어 균일하지 않고 형성되지 않은 입자가 될 수 없습니다. 반대로 충분한 시간과 충분한 물을 감안할 때 금속 산화물 결정화 및 조립 공정이 완료되어 수십 에서 수백 개의 기본 나노 결정으로 구성된 균일한 구형 클러스터를 생성합니다. 이러한 재료의 기본 나노 결정은 하드 집계되어 일부 결정 인터페이스를 공유하여 초기 민감도가 높고 핸드헬드 영구 자석²⁷에서 사용할 수있는 작은 필드에도 자기 반응을 발음합니다. 그 결과, 이러한 물질은 약물 전달, 자기 고온증, 자기 공명 영상 및 자기 입자 이미징^30,31,32에 응용 분야에 대한 큰 잠재력을 가지고 ^있습니다.

우리는 초기 반응 혼합물에 추가 된 물의 양이 조립 된 클러스터의 직경을 제어하는 것을 발견한다. 반응제의 수분 함량이 증가함에 따라 클러스터의 직경과 집계된 1차 나노결정수가 감소합니다. 최적 범위는 0.8M ~ 5.0M의 수로, 각각 150nm에서 30nm에 이르는 클러스터 직경을 산출하는 조건입니다. 물은 금속 전구체의 빠른 가수 분해, 1차 결정물의 신속한 응집, 결과적으로 더 작은 클러스터¹⁶을 보장할 필요가 있기 때문에 이 과정에서 중요한 역할을 합니다. 합성은 물에 매우 민감하기 때문에, 가변 습도의 주변 조건에서 처리 된 반응자는 공기에서 물의 다른 양을 흡수 할 수 있습니다. 이는 제품의 후속 치수 및 형태에 영향을 줄 수 있습니다. 대부분의 연구 실험실(예: 30%-60% RH)의 습도 제어는 이 문제를 최소화하기에 충분하지만, 이는 보고된 절차에서 체계적인 오류의 한 원인입니다. 제품에서 망간 대 철 비의 제어는 망간의 대 철 전구체의 비율을 변화시킴으로써 달성된다. 이것은 많은 수열 반응에서 제품의 도핑 수준은 종종 단순히 시작 재료의 stoichiometry에 관련이 있지 않기 때문에 놀라운 4,6,8,12,13,17. 그러나 이러한 조건에 대해서는 금속 전구체의 비율에 의해 제품 구성이 잘 예측된다. 함께 종합하면, 시작 반응성 혼합물의 간단한 조작을 통해 클러스터 직경과 그 조성물의 독립적인 제어가 가능하다.

종종 반응 매체에서 나노 입자의 정제는 고품질의 재료를 생성하는 데 가장 시간이 많이 걸리고 복잡한 단계입니다. 초원심분리는 종종 이 목적을 위해 적용되며, 이는 나노입자를 분자 부산물로부터 분리하는 데 효과적이지만 원치 않는 고체 제품을 제거하는 데 적합하지 않습니다. 나노 물질의 정화에 적용하면, 초원심분리기는 가변 치수 와 형상을 가진 상대적으로 다분산 입자를 생성한다. 최종 제품의 균일성과 순도를 향상시키기 위해 자기 분리를 적용하여 이러한 물질의 자기 반응을 활용하는 것이 훨씬 더 효율적입니다. 용액에 담근 강철 울과 샘플 용기 외부에 적용된 희토류 영구 자석을 사용하여 거시적 유리병 내에서 자기장의 매우 높은 그라데이션을 만들어 자기 분리 속도를 높입니다. 이 배열은 균일한 샘플을 높은 수율(~90%)으로 30분 이내에 회수할 수 있도록 합니다. 예상되는 MFC 클러스터 직경에 대한 용액에 도입된 강철 울의 양과 일치하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 평균 직경 이 40nm인 MFC는 빠른 분리를 위해 100~200mg의 강철 울이 필요하며, 더 큰 재료는 강철 울이 훨씬 적거나 전혀 필요하지 않을 수 있습니다. 자기 나노 입자의 작은 자기 부피의 덕택에 적용 된 필드에 덜 반응 하는 잘 설립 15,17,26. 따라서 자기 분리 공정은 더 작은 클러스터가 공정¹⁶에 의해 효율적으로 유지되지 않기 때문에 이러한 물질의 균일성을 선명하게 하는 수단을 제공한다. 이 자기 분리 방법을 사용하면 실험실에서 시간을 절약할 수 있지만 직경이 더 큰 제품도 생성됩니다.

합성된 MFC는 순수한 물에서 안정적이지만 pH가 낮거나 이온 강도가 높은 용액에서 콜로이드 안정성이 떨어지는 것을 나타낸다. 망간 페릿은 큰 자화 밀도를 가지고 있으며, 이러한 직경의 결과적으로 클러스터는 입자 간 매력으로 이어지는 자기 이폴을 가지고 있습니다. 재료의 형성 중에 사용되는 네이티브 폴리 아크릴 코팅은 입자 표면에 음전하를 부여하고 입자 입자 응집을 방지하는 데 도움이됩니다. 그러나, 낮은 pH에서 카박스일릭 그룹은 균일한 MFC 분산을 유지하는 데 필요한 정전기 반발을 제거하는 사실상 완전히 양성된다. 대안적으로, 더 높은 이온 강도 매체에서, 전하 반발이 감소되어 더 많은 입자 응집으로 이어집니다. MFC의 집계는 용액에 균질하게 분산되지 않은 거시적 물질을 생성하므로 생체 내 또는 크고 사용 가능한 나노 입자 표면이 필요한 응용 분야에서 재료를 사용하기가 어렵습니다. 이러한 이유로, 우리는 원래 PAA 코팅을 대체하는 반응에 제2 폴리머를 도입한다. 공합체, P(AA-공동 AMPS-co-PEG)는 생체 적합성과 어느 정도의 스테릭 방해를 제공하기 위해 중성 폴리에틸렌 글리콜(PEG)을 포함한다. 또한, 폴리설포네이트 성분(PAMPS)은 폴리아크릴산염보다 더 높은 전하 밀도뿐만 아니라 pKa가 훨씬 낮고 결과적으로 더 큰 작동 pH 범위(pKa ~ 1.2)²⁴를 제공하는 기능성 군을 제공한다. 이러한 표면 코팅으로 변형된 망간 페릿 클러스터는 산성 및 생물학적 미디어의 안정성이 크게 향상되었습니다. 그러나 올바른 표면 수정이 상세하고 시료를 효과적으로 코팅하려면 신중하게 수행해야 합니다. 구체적으로, 상기 방법은 초기 다압질 코팅의 균질하고 완전한 교체를 보장하기 위해 프로브 초음파 처리기로 처리되는 동안 반응 혼합물의 지속적인 모니터링이 필요하다. 또한 활발한 초음파 처리 시 제품 손실을 최소화하고 프로브 초음파 처리로 인한 폴리머의 열 분해를 최소화하기 위해 초음파 혼합물에 얼음 목욕을 적용하는 데 적합한 크기의 유리 제품을 사용하는 것이 중요합니다.

결론적으로, 이 방법은 굴착 성 직경과 망간을 철 조성에 대한 망간 페릿 클러스터(MFC)의 빠르고 효율적인 생산을 가능하게 합니다. 재반응 수분 함량뿐만 아니라 철대 망간의 비율은 재료 제품 특성을 정의하는 데 중요한 매개 변수입니다. 핸드헬드 자석과 강철 울을 활용한 간단한 자기 분리 기술은 합성 후 제품을 정화하는 효율적인 수단을 제공하여 더 균일한 클러스터를 생성합니다. 마지막으로, 황색 PEG 중합체는 다양한 다른 pH 및 이온 강도 미디어에서 비 응집 상태를 유지할 수 있도록 재료에 적용됩니다. 순수 산화철(_Fe3O4) 나노물질에 비해 이러한 망간 도핑 철 산화물의 자기 반응성이 증가하면 생체 내 물질을 조작하기 위해 외부 필드를 적용하기 위한 장치를 더 간단하고 저렴하며 개발하기가 더 쉽습니다. 이들의 개선된 표면 코팅은 약물 전달, 물 정화 및 고급 이미징 시스템의 자기 나노 입자에 대한 응용 분야로도 중요하며, 다양한 생물학적 및 환경 매체에서 비응집적이고 균일한 물질을 필요로 합니다.

저자는 공개 할 것이 없습니다.

이 작품은 브라운 대학과 고급 에너지 컨소시엄에 의해 관대하게 지원되었다. 산화철 MFC의 합성 방법에 감사드리며, 장칭보 박사님께 감사드립니다.