Auswirkung der Synthesemethode von La1 − xSr x MnO3 Manganit-Nanopartikeln auf ihre Eigenschaften

Hintergrund

Struktur und Eigenschaften magnetischer Materialien unterscheiden sich von denen der Bulkmaterialien im Übergang zur Nanoskala [1]. Neben einer möglichen praktischen Anwendung in verschiedenen magnetischen Sensoren, magnetischen Aufnahmesystemen [2], sind magnetische Nanopartikel von besonderem Interesse für die praktischen Anwendungsmöglichkeiten in der Medizin. Forscher untersuchen viele mögliche medizinische Richtungen ihrer Anwendung:Verabreichung von Medikamenten und biologischen Objekten [3, 4], Biomarker [5], Magnetresonanztomographie (MRT) [6, 7] usw.

Eine der vielversprechenden Richtungen für die medizinische Anwendung magnetischer Nanopartikel ist die Hyperthermie – die lokale Erwärmung der onkologischen Tumore unter Einwirkung eines magnetischen Wechselfelds auf 43–45 °C, bei der die Tumorzellen absterben [8]. Das Anlegen eines externen magnetischen Wechselfeldes geht mit einer Reihe von Problemen einher:ungleichmäßige und unkontrollierte Erwärmung des Tumors, Gefahr der Überhitzung und Zerstörung von gesundem Gewebe und Unmöglichkeit der Erwärmung tief sitzender Tumore. Daher schlug Prof. Jordan 1993 die Idee der magnetischen Hyperthermie vor, die aus der Verwendung magnetischer Nanopartikel und eines magnetischen Wechselfeldes bestand [9]. In diesem Fall müssen die magnetischen Nanopartikel zuvor in den Tumor injiziert werden und dieser muss durch ein magnetisches Wechselfeld beeinflusst werden. Die Partikeltemperatur wird durch die Absorption magnetischer Energie erhöht und sorgt für die lokale Erwärmung. Allerdings müssen solche Nanopartikel eine Reihe von Anforderungen erfüllen:kleine Größen und schwache Agglomeration von Nanopartikeln; solche Partikel müssen eindomänig und superparamagnetisch sein (um Wechselwirkungen zwischen einzelnen Nanopartikeln in Abwesenheit eines Magnetfelds zu verhindern), und sie müssen sich im magnetischen Wechselfeld effektiv auf die erforderlichen Temperaturen (43–45 °C) erwärmen und einen hohen spezifischen Verlust aufweisen Leistungswerte (SLP).

Derzeit magnetische Nanopartikel des Magnetits Fe₃ O₄ mit Spinellstruktur werden als mögliche Mediatoren einer Hyperthermiebehandlung aktiv untersucht [7, 10, 11]. Magnetit zeichnet sich durch eine hohe Curie-Temperatur aus (T _C ≈ 580 °C) [12] – die Übergangstemperatur vom magnetischen in den paramagnetischen Zustand. Da sich magnetische Nanopartikel in einem magnetischen Wechselfeld nur im magnetischen Zustand (bis T _C Punkt) ist bei Magnetit die Erwärmung bis zu hohen Temperaturen unkontrollierbar. Dies kann zu einer Überhitzung und Zerstörung des gesunden Gewebes führen.

Um dieses Problem zu vermeiden, ist es wichtig, nach alternativen Materialien zu suchen, bei denen der Curie-Punkt im Temperaturbereich liegt, der für die Hyperthermie erforderlich ist. In diesem Fall heterosubstituierte Manganite des Lanthan-Strontiums La_1 − x Sr _x MnO₃ (LSMO) mit der verzerrten Perowskitstruktur sind von besonderem Interesse. Sie haben eine Phasenübergangstemperatur nahe 45 °C, die die kontrollierte Heiztemperatur ohne zusätzliche thermoregulierende Geräte liefert.

Die Kristallisationsenergie von Materialien mit Perowskitstruktur ist viel höher als die der Spinellstruktur [13]. Aus diesem Grund wird in der ersten Stufe immer eine amorphe Phase gebildet, unabhängig von der Methode der Synthese von Nanopartikeln mit Perowskitstruktur aus Lösungen. Die Herstellung des kristallinen Produkts erfordert eine zusätzliche Temperaturbehandlung, die zur Agglomeration der Nanopartikel führt. In [14] beschriebene Untersuchungen zeigten, dass die Bildung der kristallinen Struktur nach Fällung aus wässrigen Lösungen und weiterem Erhitzen des Pulvers ein mehrstufiger Prozess ist; ein einphasiges kristallines Produkt wird bei Temperaturen über 1100 °C erhalten. Solche Partikel haben große Größen und bilden große Agglomerate. Daher ist es relevant, nach alternativen Methoden zur Synthese von schwach agglomeriertem La_{1 − x . zu suchen} Sr _x MnO₃ Nanopartikel mit nichtwässrigen Medien und organischen Verbindungen. Hervorzuheben sind Verfahren wie die Fällung aus nichtwässriger Lösung, die Mikroemulsionssynthese und das Sol-Gel-Verfahren. In diesen Fällen findet die Bildung von Nanopartikeln entweder bei der Zersetzung zuvor gebildeter organisch-anorganischer Komplexe (Fällung und Sol-Gel-Methode) oder im isolierten Volumen (Mikroemulsionen) statt; deren Parameter durch die Auswahl verschiedener organischer Verbindungen gesteuert werden können.

Ziel dieser Studie war daher die Synthese von Nanopartikeln aus Lanthan-Strontium-Manganit (La_1 − x Sr _x MnO₃ ) über verschiedene Methoden (Fällung aus nichtwässriger Lösung, Synthese in Mikroemulsion und Sol-Gel-Methode) und Untersuchung der Morphologie und Eigenschaften der erhaltenen Nanopartikel.

Methoden

Synthesemethoden

Bei der Sol-Gel-Synthese von LSMO-Manganit-Nanopartikeln werden die erforderlichen molaren Mengen der Metallsalze La(NO₃ )₃ , Mn(NO₃ )₂ , Sr(NO₃ )₃ wurden in bidestilliertem Wasser gelöst. Citronensäure (CA) und Ethylenglykol (EG) wurden der resultierenden Lösung als Gelbildner im Molverhältnis CA/EG' =1:4 zugesetzt. Das Molverhältnis von Salzen zur gelbildenden Mischung betrug 1:10. Die erhaltene Mischung wurde unter Rühren auf 80 °C erhitzt. Als Ergebnis der Polyesterisierungsreaktion wurde ein Polymergel gebildet, das bei 200 °C pyrolysiert wurde. Als Ergebnis der Pyrolyse erhaltenes Vorläuferpulver wurde 2 h lang einer Wärmebehandlung bei unterschiedlichen Temperaturen unterzogen.

Für die Fällung von LSMO-Manganit-Nanopartikeln aus einem nicht-wässrigen Medium werden die konzentrierten wässrigen Lösungen von Metallnitraten, La(NO₃ )₃ (C _La = 1.2 M ), Mn(NO₃ )₂ (C _Mn = 1,5 M ) und Sr(NO₃ )₃ (C _Sr = 1.6 M ), wurden als Ausgangsreagenzien und Natriumhydroxid als Fällungsmittel verwendet. Als Reaktionsmedium wurde Diethylenglykol (DEG) verwendet. Um 0,01 Mol Manganit zu erhalten, wurde im Dreihalskolben unter Argonatmosphäre eine Mischung aus Metallnitraten zu 1,5 Mol DEG gegeben und auf 200 °C erhitzt. Einhundert Milliliter zuvor zubereitete Natronlauge in DEG (C _NaOH = 0,5 M) wurde unter konstantem Rühren tropfenweise zu der erhaltenen Mischung gegeben. Das resultierende Reaktionssystem wurde im Ölbad unter Rühren 1 h auf 200–220 °C erhitzt und 1 h bei dieser Temperatur gehalten. Die nach der Synthese erhaltene Vorstufe wurde mit der Ölsäure vermischt und diese Mischung auf Raumtemperatur abgekühlt. Die erhaltenen Nanopartikel wurden durch Zentrifugation abgetrennt, in Ethylalkohol dispergiert und bei 30–50 °C an der Luft getrocknet. Um kristalline Nanopartikel zu erhalten, wurde die synthetisierte Vorstufe 2 h lang bei verschiedenen Temperaturen wärmebehandelt.

Um Manganit-LSMO-Nanopartikel aus Umkehrmikroemulsionen auszufällen, wurden wässrige Lösungen von La(NO₃ )₃ (C _La = 1,2 M), Mn(NO₃ )₂ (C _Mn = 1,5 M ) und Sr(NO₃ )₃ (C _Sr = 1,6 M) wurden als Ausgangsreagenzien und Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) und Triton X-100 als Tenside verwendet. n -Butanol wurde als zusätzliches Tensid verwendet, das nicht an der Micellenbildung beteiligt war, und Cyclohexan und bidestilliertes Wasser wurden als Lösungsmittel bzw. dispergiertes Medium verwendet. Als Fällungsmittel wurde konzentrierte wässrige Ammoniaklösung verwendet. Im ersten Schritt wurden zwei Mikroemulsionen (M1 und M2) hergestellt. Sie bestanden aus der entsprechenden wässrigen Phase (Salzlösung (M1) oder Fällungsmittellösung (M2)), Tensid, n -Butanol und Cyclohexan. Der Prozentsatz der Mikroemulsionskomponenten im Fall von Mikroemulsionen auf CTAB-Basis ist wie folgt:10,5 % Tensid, 21 % von n -Butanol, 50,5% Cyclohexan und 18% wässrige Phase und im Fall von Triton X-100-basierter Mikroemulsion:15% Tensid, 20% n -Butanol, 48 % Cyclohexan und 17 % wässrige Phase. M2 wurde tropfenweise zu M1 unter Rühren für 1 h bei 70 °C zugegeben. Der erhaltene Niederschlag wurde durch Zentrifugation abgetrennt und mehrmals mit Isopropanol und bidestilliertem Wasser gewaschen. Entsprechende amorphe Pulver wurden 2 h lang bei unterschiedlichen Temperaturen wärmebehandelt.

Die synthetisierten Nanopartikel wurden mit der Röntgenmethode unter Verwendung des Diffraktometers DRON-4 (CuKα-Strahlung) untersucht.

Die Partikelmorphologie wurde mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) JEOL JEM-1400 untersucht. Durchschnittliche Größen und Partikelgrößenverteilungen wurden wie in [15] beschrieben mit Image Tool 3 und OriginPro 8.5 SR1 Softwarepaketen berechnet.

Magnetische Messungen wurden mit dem LDJ-9500 Vibrationsprobenmagnetometer durchgeführt.

Zur Bestimmung der Heizeffizienz wurden magnetische Flüssigkeiten auf Basis synthetisierter Nanopartikel und 0,1%iger wässriger Agaroselösung hergestellt. Entsprechende Messungen von T _Flüssigkeit vs Verweilzeit τ Abhängigkeiten wurden unter Verwendung einer Magnetspule erhalten, die ein magnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz von 300 kHz und einer Amplitude von bis zu 9,5 kA/m erzeugte. Die Werte der spezifischen Verlustleistung (SLP) wurden wie in [16] beschrieben mit der Formel berechnet:

wo dT _Flüssigkeit /dτ ist eine anfängliche Steigung der Temperatur-Zeit-Abhängigkeit, C _Flüssigkeit und V _s sind die volumetrische spezifische Wärme bzw. das Probenvolumen und m _Pulver ist die Masse des magnetischen Materials in der Flüssigkeit.

Ergebnisse und Diskussion

Die Synthese unter Verwendung nichtwässriger Medien und organischer Verbindungen hat ihre eigenen Merkmale. Bei der Sol-Gel-Synthese werden Nanopartikel von La-Sr-Manganit nach Pyrolyse des Polyesters zwischen Zitronensäure und Ethylenglykol erhalten, die während der Polyesterisierungsreaktion gebildet werden. Bei der Fällung aus DEG-Lösung werden Manganit-Nanopartikel bei der Zersetzung entsprechender Komplexe zwischen DEG-Molekülen und Metallionen erhalten. Detaillierte Untersuchungen des Syntheseprozesses sind in [17] beschrieben. Bei der Synthese von Nanopartikeln aus Mikroemulsionen werden zwei Mikroemulsionen vom Öl-in-Wasser-Typ verwendet. Jede dieser Mikroemulsionen besteht aus dem Tensid, einer wässrigen Salzlösung oder einem Fällungsmittel und einem organischen unpolaren Lösungsmittel. Solche Mikroemulsionen ermöglichen die Isolierung der wässrigen Lösungen im begrenzten Volumen durch die Bildung von Micellen. Die Synthese des Materials erfolgt in einem begrenzten Volumen, in sogenannten Nanoreaktoren.

Gemäß den in Abb. 1 gezeigten XRD-Daten kann man in allen Fällen die Bildung eines amorphen nichtmagnetischen Pulvers nach der Synthese beobachten. Bei einer Hochtemperaturbehandlung bildet sich eine kristalline Struktur. Wie aus den Kurven (Abb. 1) ersichtlich ist, ist der Prozess der Bildung kristalliner Nanopartikel einstufig; es beginnt bei 600 °C und endet bei 800 °C, unabhängig von der Synthesemethode. Im Vergleich zu den Daten in [14] ermöglicht die Anwendung von Synthesemethoden aus nichtwässrigen Medien, die Kristallisationstemperatur von Nanopartikeln zu senken und folglich ihr Wachstum und ihre Agglomeration zu reduzieren.

XRD-Daten für LSMO-Nanopartikel, synthetisiert mittels Sol-Gel-Methode (a ), durch Fällung aus DEG-Lösung (b ) und durch Fällung aus Umkehrmikroemulsionen (c ):1–200 °C, 2–600 °C und 3–800 °C

Die Ergebnisse der Untersuchung der Morphologie von synthetisiertem La_1 − x Sr _x MnO₃ Nanopartikel durch TEM-Mikroskopie sind in Abb. 2 gezeigt. Die durchschnittlichen Größen und die Partikelgrößenverteilung werden berechnet und die erhaltenen Daten sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die in Abb. 2 gezeigten TEM-Bilder sind repräsentativ; Bilder mit großen Skalen (100–200 nm) wurden verwendet, um die Partikelgrößenverteilung zu berechnen.

TEM-Bilder und Partikelgrößenverteilungen von LSMO-Nanopartikeln synthetisiert mittels Sol-Gel-Methode (a ), durch Fällung aus DEG-Lösung (b ) und durch Fällung aus Umkehrmikroemulsionen auf Basis von Triton X-100 (c ) und CTAB (d )

Wie aus den Histogrammen der Partikelgrößenverteilung (Einschübe in Abb. 3c, d) ersichtlich ist, hängen die Größen der erhaltenen Nanopartikel im Fall der Synthese aus Umkehrmikroemulsionen von der Struktur des Tensids ab. Triton-X-100-Moleküle haben im Vergleich zu CTAB-Molekülen einen größeren hydrophilen Anteil (Tabelle 1), sodass sie in dem begrenzten Nanoreaktor, in dem der Syntheseprozess stattfindet, ein größeres Volumen einnehmen. Infolgedessen wird der für chemische Reaktionen verfügbare Raum kleiner als in herkömmlichen Lösungen und die Größe des erhaltenen Produkts verringert sich.

Feldabhängigkeiten der Magnetisierung für LSMO-Nanopartikel synthetisiert durch Sol-Gel-Methode (1), durch Fällung aus DEG-Lösung (2) und durch Fällung aus Umkehrmikroemulsionen basierend auf Triton X-100 (3) und CTAB (4). Magnetisierungsabhängigkeiten in den schwachen Feldern sind im Einschub gezeigt

Die erhaltenen Ergebnisse von TEM-Studien zeigen, dass Nanopartikel, die mit verschiedenen Methoden synthetisiert wurden, durch eine enge Größenverteilung gekennzeichnet sind; ihr durchschnittlicher Partikeldurchmesser liegt im Bereich von 20–40 nm. Laut Literaturdaten beträgt die durchschnittliche Größe von Single-Domain-Nanopartikeln für Manganit etwa 70 nm [18]. Daher handelt es sich bei synthetisierten Nanopartikeln um Einzeldomänen, was eine notwendige Voraussetzung für die Erzielung superparamagnetischer Eigenschaften ist.

Für Manganit-Nanopartikel, die mit verschiedenen Methoden synthetisiert wurden, wurden magnetische Untersuchungen durchgeführt und die magnetischen Parameter sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die Feldabhängigkeiten der Magnetisierung für alle synthetisierten Nanopartikel sind in Abb. 3 dargestellt. wie die Morphologie von Partikeln, hängen wesentlich von der Methode und den Bedingungen der Synthese ab. Die Magnetisierungssättigung nimmt mit abnehmender Partikelgröße ab. Alle Nanopartikel haben bei Raumtemperatur vernachlässigbare Koerzitivkraftwerte (< 12 A/m).

Um die Heizeffizienz unter Einwirkung eines magnetischen Wechselfeldes zu untersuchen, wurden magnetische Flüssigkeiten auf Basis synthetisierter Nanopartikel und Agaroselösung hergestellt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Abb. 4 dargestellt; berechnete SLP-Werte sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Gemäß den erhaltenen Ergebnissen hängt die Heizeffizienz signifikant sowohl von den magnetischen Eigenschaften (Magnetisierung von Nanopartikeln) als auch von der Partikelmorphologie und -größe ab. Über das Sol-Gel-Verfahren synthetisierte Mangan-Nanopartikel, die höhere Magnetisierungswerte (ca. 60 emu/g) als andere Nanopartikel aufweisen, werden in einem magnetischen Wechselfeld effizienter erhitzt (SLP-Wert beträgt etwa 38 W/g).

Abhängigkeiten der Heiztemperatur gegenüber der Zeit für Nanopartikel synthetisiert durch Sol-Gel-Methode (1), durch Fällung aus DEG-Lösung (2) und durch Fällung aus Umkehrmikroemulsionen basierend auf Triton X-100 (3) und CTAB (4)

Es ist wichtig hervorzuheben, dass die Heiztemperatur in allen Fällen nach einiger Zeit der Einwirkung eines magnetischen Wechselfelds stabil wird (Abb. 4). Die maximale Heiztemperatur hängt insbesondere von der Magnetisierung ab. Dies ist ein sehr wichtiges Ergebnis, da es eine automatische Steuerung der Heizung im erforderlichen Temperaturbereich ermöglicht. Ein solcher Ansatz bietet die Möglichkeit, die Überhitzung und Beschädigung des gesunden Gewebes bei der Hyperthermie-Behandlung zu vermeiden. Unter Berücksichtigung der Daten magnetischer Messungen eignen sich jedoch Mangan-Nanopartikel, die mit der Sol-Gel-Methode synthetisiert wurden, besser für die magnetische Hyperthermie, da sie sich in einem magnetischen Wechselfeld effizienter auf die erforderlichen Temperaturen (43–45 °C) erwärmen.

Schlussfolgerungen

LSMO-Manganit-Nanopartikel wurden über drei Methoden synthetisiert:Sol-Gel, Fällung aus DEG-Lösung und Fällung aus Mikroemulsionen, wobei zwei verschiedene Tenside verwendet wurden. Die Anwendung solcher Methoden ermöglichte die Herstellung der einphasigen kristallinen Nanopartikel in einem Schritt bei niedrigeren Temperaturen (bis zu 800 °C) im Vergleich zu anderen Methoden. Es wurde der signifikante Einfluss der Methode und der Synthesebedingungen auf die Morphologie und Eigenschaften der Nanopartikel festgestellt. Die berechneten Partikelgrößen betragen 20–40 nm, und solche Partikel sind Einzeldomänen. Die Magnetisierung von Nanopartikeln ändert sich direkt proportional zur Verringerung der Partikelgröße, was die Heizeffizienz beeinflusst. Es konnte gezeigt werden, dass sich mittels Sol-Gel-Methode synthetisierte Nanopartikel in einem magnetischen Wechselfeld (SLP = 38 W/g) besser erwärmen, da sie höhere Magnetisierungswerte aufweisen. Die Erwärmungstemperatur aller Nanopartikel geht nach einiger Zeit in die Sättigung, was für die Anwendung von Manganiten als Hyperthermie-Induktoren sehr wichtig ist. Komplexe Untersuchungen zeigten die Möglichkeit, schwach agglomerierte, superparamagnetische Manganit-Nanopartikel mit den in dieser Arbeit beschriebenen Methoden zu synthetisieren. Über die Sol-Gel-Methode synthetisierte LSMO-Nanopartikel sind jedoch im Vergleich zu den anderen als Induktoren in der Hyperthermiebehandlung vielversprechender, da sie bessere magnetische Eigenschaften und eine höhere Heizeffizienz in einem magnetischen Wechselfeld aufweisen (SLP = 38 W/g).