In the pursuit of optimized magnetic nanostructures for diagnostic and therapeutic applications, the role of nanoparticle architecture has been poorly investigated. In this study, we demonstrate that the internal collective organization of multi-core iron oxide nanoparticles can modulate their magnetic properties in such a way as to critically enhance their hyperthermic efficiency and their MRI T(1) and T(2) contrast effect. Multi-core nanoparticles composed of maghemite cores were synthesized through a polyol approach, and subsequent electrostatic colloidal sorting was used to fractionate the suspensions by size and hence magnetic properties. We obtained stable suspensions of citrate-stabilized nanostructures ranging from single-core 10 nm nanoparticles to multi-core magnetically cooperative 30 nm nanoparticles. Three-dimensional oriented attachment of primary cores results in enhanced magnetic susceptibility and decreased surface disorder compared to individual cores, while preserving a superparamagnetic-like behavior of the multi-core structures and potentiating thermal losses. Exchange coupling in the multi-core nanoparticles modifies the dynamics of the magnetic moment in such a way that both the longitudinal and transverse NMR relaxivities are also enhanced. Long-term MRI detection of tumor cells and their efficient destruction by magnetic hyperthermia can be achieved thanks to a facile and nontoxic cell uptake of these iron oxide nanostructures. This study proves for the first time that cooperative magnetic behavior within highly crystalline iron oxide superparamagnetic multi-core nanoparticles can improve simultaneously therapeutic and diagnosis effectiveness over existing nanostructures, while preserving biocompatibility.

The long term outcome of nanoparticles in the organism is one of the most important concerns raised by the development of nanotechnology and nanomedicine. Little is known on the way taken by cells to process and degrade nanoparticles over time. In this context, iron oxide superparamagnetic nanoparticles benefit from a privileged status, because they show a very good tolerance profile, allowing their clinical use for MRI diagnosis. It is generally assumed that the specialized metabolism which regulates iron in the organism can also handle iron oxide nanoparticles. However the biotransformation of iron oxide nanoparticles is still not elucidated. Here we propose a multiscale approach to study the fate of nanomagnets in the organism. Ferromagnetic resonance and SQUID magnetization measurements are used to quantify iron oxide nanoparticles and follow the evolution of their magnetic properties. A nanoscale structural analysis by electron microscopy complements the magnetic follow-up of nanoparticles injected to mice. We evidence the biotransformation of superparamagnetic maghemite nanoparticles into poorly-magnetic iron species probably stored into ferritin proteins over a period of three months. A putative mechanism is proposed for the biotransformation of iron-oxide nanoparticles.

Magnetic nanoparticles exhibit a high potential to selectively treat cancer by hyperthermia provided that high heating capacity can be reached. In this work, we report an efficient synthesis of novel structures of magnetic iron oxide. The particles, obtained by applying a modified "polyol" protocol, present a particular shape: they look constituted of smaller grains of approximately 11 nm, assembled in a flower-shaped structure. These nanoflowers, dispersed in water at physiological pH, present particularly interesting magnetic properties and a great capacity of heating. The value of the specific loss power (SLP) of these nanoflowers is 1 order of magnitude higher than the SLP reported for conventional 11 nm single-domain maghemite nanoparticles in the same condition of field exposure.

The long-term fate of nanomaterials in biological environment represents a critical matter, which determines environmental effects and potential risks for human health. Predicting these risks requires understanding of nanoparticle transformations, persistence, and degradation, some issues somehow ignored so far. Safe by design, inorganic nanostructures are being envisioned for therapy, yet fundamental principles of their processing in biological systems, change in physical properties, and in situ degradability have not been thoroughly assessed. Here we report the longitudinal visualization of iron oxide nanocube transformations inflicted by the intracellular-like environment. Structural degradation of individual nanocubes with two different surface coatings (amphiphilic polymer shell and polyethylene glycol ligand molecules) was monitored at the atomic scale with aberration-corrected high-resolution transmission electron microscopy. Our results suggest that the polymer coating controls surface reactivity and that availability and access of chelating agents to the crystal surface govern the degradation rate. This in situ study of single nanocube degradation was compared to intracellular transformations observed in mice over 14 days after intravenous injection, revealing the role of nanoparticle clustering, intracellular sorting within degradation compartments, and iron transfer and recycling into ferritin storage proteins. Our approach reduces the gap between in situ nanoscale observations in mimicking biological environments and in vivo real tracking of nanoparticle fate.

Safe implementation of nanotechnology and nanomedicine requires an in-depth understanding of the life cycle of nanoparticles in the body. Here, we investigate the long-term fate of gold/iron oxide heterostructures after intravenous injection in mice. We show these heterostructures degrade in vivo and that the magnetic and optical properties change during the degradation process. These particles eventually eliminate from the body. The comparison of two different coating shells for heterostructures, amphiphilic polymer or polyethylene glycol, reveals the long lasting impact of initial surface properties on the nanocrystal degradability and on the kinetics of elimination of magnetic iron and gold from liver and spleen. Modulation of nanoparticles reactivity to the biological environment by the choice of materials and surface functionalization may provide new directions in the design of multifunctional nanomedicines with predictable fate.

Abstract High entropy alloy nanoparticles bring hope to developing more efficient nanomaterials for high‐temperature applications. Nevertheless, the enhanced thermal stability of nearly equiatomic nanoalloys containing at least 5 metals is nothing more than theoretical speculation about the impact of thermodynamic contributions on their structural properties and remains to be proven. Here, in situ aberration‐corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) and molecular dynamics simulations are combined to investigate at the atomic scale the thermal behavior of AuCoCuNiPt nanoparticles (NPs) from 298 to 973 K. Both in situ STEM heating and atomistic simulations reveal strong structural and chemical evolutions in the NPs with the formation and melting of an AuCu layer at the surface of NPs at high temperature. This phase separation that appears progressively with temperature is driven by pronounced atomic diffusion that is surprisingly more active in these quinary nanoalloys than in monometallic and bimetallic subsystems. Besides ruling out the existence of sluggish diffusion in AuCoCuNiPt nanoalloys and lowering their temperature range of application, the study allows distinguishing kinetic and thermodynamic effects on their structural properties, which is an essential prerequisite to better control the synthesis of complex nanomaterials.

Anisometric plasmonic nanoparticles find applications in various fields, from photocatalysis to biosensing. However, exposure to heat or to specific chemical environments can induce their reshaping, leading to loss of function. Understanding this process is therefore relevant both for the fundamental understanding of such nano-objects and for their practical applications. We followed in real time the spontaneous reshaping of gold nanotetrapods in solution via optical absorbance spectroscopy, revealing a two-step kinetics (fast tip flattening into {110} facets, followed by slow arm shortening) with characteristic times a factor of 6 apart but sharing an activation energy around 1 eV. Synchrotron-based X-ray scattering confirms this time evolution, which is much faster in solution than in the dry state, highlighting the importance of the aqueous medium and supporting a dissolution–redeposition mechanism or facilitated surface diffusion. High-temperature transmission electron microscopy of the dry particles validates the solution kinetics.