Точное осаждение на месте с помощью электрического поля электропряденых γ-Fe2O3 / полиуретановых нановолокон для магнитной гипертермии

Аннотация

Метод лицевого электроспиннинга для точного изготовления на месте магнитоволоконной мембраны, состоящей из полиуретановых (ПУ) нановолокон, декорированных суперпарамагнитным γ-Fe ₂ О ₃ сообщается о наночастицах с одновременным тепловыделением в ответ на переменное магнитное поле (AMF). В этом методе конический алюминиевый вспомогательный электрод используется для регулирования электростатического поля и воздействия на процесс электропрядения для быстрого и точного осаждения на месте электропряденого γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ волокна. Вспомогательный конический электрод может увеличивать зону стабилизации струи раствора прекурсора в четыре раза дольше, чем зона без вспомогательного электрода, что позволяет точно контролировать зону осаждения волокна. Более того, композитные волокнистые мембраны из электропряденого волокна демонстрируют быстрое повышение температуры от комнатной температуры до 43 ° C за 70 с под AMF, что демонстрирует более высокую скорость нагрева и более высокую температуру нагрева по сравнению с образцами, изготовленными без помощи вспомогательного электрода. Настоящие результаты демонстрируют, что точное электроспиннинг in situ с помощью вспомогательного конического электрода имеет потенциал в качестве манипулятивного метода изготовления магнитных композитных волокон, а также магнитной гипертермии при лечении рака.

Фон

Гипертермия - еще одно эффективное лечение после традиционного лечения опухоли, которое можно использовать в комплексных стратегиях, поскольку оно может синергетически усиливать противоопухолевые эффекты химиотерапии, лучевой терапии и иммунотерапии [1,2,3]. Механизм использования гипертермии в качестве меры лечения рака заключается в чувствительности раковых клеток к диапазону от 41 до 45 ° C, в отличие от здоровых клеток [4, 5]. Применение магнитных наночастиц для диагностики и лечения рака по-прежнему ограничено из-за плохой ориентации, хотя были реализованы многие стратегии нацеливания, такие как магнитное нацеливание и молекулярное нацеливание [6, 7]. Если магнитные частицы вводятся непосредственно в тело, они быстро выводятся ретикулоэндотелиальной системой и обогащаются в определенных органах, таких как почки, печень и селезенка, а не в месте опухоли [8]. Кроме того, магнитные наночастицы локально вводятся в ткань опухоли, и они предпочитают вытекать из опухолевого участка из-за своего небольшого размера [9]. Все эти случаи снижают гипертермическую эффективность магнитных наночастиц. По сравнению с гипертермией магнитных наночастиц, точная и локальная доставка наночастиц оксида железа (INOP) к раковым клеткам является основным преимуществом композитных магнитных волокон, которые являются идеальным методом лечения гипертермией для легкодоступных опухолей.

Во многих сообщениях композитные нановолоконные мембраны были приготовлены из раствора полимера, содержащего дисперсию ранее синтезированных магнитных наночастиц, которые использовались при лечении гипертермией [10,11,12,13]. Однако все они имеют очевидные недостатки. Например, для ранее приготовленных нановолокон сложно образовать гомогенное и непрерывное покрытие на поверхности опухолевой ткани, которое легко отламывается и напрямую препятствует плотному прилеганию, а затем приводит к неадекватности в сложной опухолевой ткани. . В результате точное электроспиннинг in situ на опухолевую ткань может быть хорошей стратегией не только для предотвращения отслаивания композитных волокнистых мембран во время процесса магнитной гипертермии, но также для увеличения вероятности гомогенного нагрева опухолевой ткани. P>

Электропрядение in situ необходимо для точного контроля диапазона осаждения на определенной опухолевой ткани, что могло бы избежать серьезной адгезии тканей, особенно в брюшной полости [14]. Многие исследователи сообщают, что точное электроспиннинг in situ может применяться в области медицины [15]. Недавние исследования продемонстрировали использование устройства электроспиннинга in situ с направленным воздушным потоком для улучшения точного осаждения ультратонких полимерных волокон на участки раны [16]. Однако устройство электроспиннинга с направленным воздушным потоком требует добавления дополнительного воздушного насоса, дополнительной самодельной ручки с головкой фильеры и другого устройства с воздушным потоком по сравнению с традиционным устройством электроспиннинга, а также необходимо координировать воздушный поток и взаимосвязь между скоростью и напряжением, которая усложняет работу аппарата. Электропрядение с помощью магнитного поля также является эффективным способом получения упорядоченных электропряденых волокон и управления диапазоном осаждения электропряденых волокон [17]. Макромолекулярные полимеры, содержащие достаточно магнитных частиц, могут вызывать достаточную магнитную восприимчивость к раствору полимера. Ян и др. [18] сообщили о подходе к изготовлению хорошо выровненных решеток и многослойных решеток с помощью метода, называемого магнитным электроспиннингом (MES). В MES добавляется небольшое количество магнитных наночастиц для намагничивания раствора полимера. Магнитное поле, создаваемое двумя параллельно расположенными постоянными магнитами, прикладывается во время электроспиннинга, и магнитное поле растягивает волокна через зазор, образуя параллельный массив. Однако электроспиннинг с помощью магнитного поля можно использовать только для изготовления магнитных волокон, что не влияет на процесс прядения немагнитных волокон. Напротив, использование вспомогательного электрода при точном электроспиннинге на месте для получения магнитных композитных волокнистых мембран является более простым, эффективным и универсальным методом.

Здесь мы разработали точное осаждение на месте композитных волокнистых мембран с внедренным γ-Fe ₂ О ₃ НЧ с помощью портативного электростатического спиннера, который добавляет конический алюминиевый вспомогательный электрод в месте прядильной головки для регулирования направления осаждения и протяженности магнитных композитных волокон. Настоящее исследование направлено на изучение влияния вспомогательного электрода на магнитные композитные волокнистые мембраны, морфология и характеристики которых могут быть изменены. По сравнению с традиционным подходом, этот метод может очень быстро и точно наносить наноструктурированные волокна на сложную, неправильную ткань опухоли с образованием непрерывных, компактных, гибких мембран с превосходной целостностью, которые действуют как мощный источник для локального нагрева области опухоли до желаемой температуры. без перегрева окружающих здоровых тканей и для предотвращения возможного роста опухоли или усиления противоопухолевого эффекта химиотерапии, лучевой терапии и иммунотерапии. Исследования in vitro показали, что электроспряденный γ-Fe ₂ О ₃ Мембраны из магнитного волокна из полиуретана обладают превосходной терапевтической эффективностью при магнитно-опосредованной гипертермии. Кроме того, термостойкость γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ композитные волокнистые мембраны также продемонстрировали многократное возбуждение магнитного поля.

Методы / экспериментальные

Материалы

γ-Fe ₂ О ₃ наночастицы (γ-Fe ₂ О ₃ НЧ, 10 нм, phere, 99,5%, Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. Китай), гранулы полиуретана высокого молекулярного веса на основе простого полиэфира (PU, WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes Co., Ltd., Китай) и N , N -диметилформамид (ДМФ ≥ 99,5%, Pharm Chemical Reagent Co, Ltd., Китай) использовали в том виде, в каком он был получен, без дополнительной чистоты.

Приготовление электропряденого γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ Магнитные нановолокна

Для диспергирования γ-Fe ₂ О ₃ НЧ в ДМФА, 0,54 г нанопорошка добавляли в 2,5 г ДМФ, после чего смесь подвергали ультразвуковой обработке в течение 4 ч в конической бутылке. Раствор чистого полиуретана получали растворением 1,8 г гранул ПУ в 7,5 г растворителя ДМФ и перемешиванием при 40 ° C. Затем раствор ПУ заливали в γ-Fe ₂ О ₃ НЧ диспергировали и интенсивно перемешивали в течение 30 мин самодельной механической мешалкой. Наконец, смесь растворов дополнительно диспергировали обработкой ультразвуком в течение еще 24 часов при 50 ° C перед электроформованием.

В процессе электроспиннинга мы использовали портативный электростатический спиннер для производства магнитных волокон. Как показано на рис. 1а, портативный электростатический спиннер имеет ручное прядильное устройство в форме пистолета. Как показано на увеличенном изображении прядильной головки, на фильере был закреплен конический вспомогательный электрод диаметром 4 см внизу, который может контролировать и регулировать электростатическое поле для быстрого осаждения волокон до идеальной толщины. В этом устройстве для электропрядения использовался пластиковый шприц объемом 5 мл (Becton Dichinson), к которому был прикреплен наконечник иглы с внутренним диаметром 0,7 мм. Раствор предшественника электропрядения загружали в шприц и отжимали шприцевым насосом устройства. Электроформование проводили при прилагаемом напряжении от 10 до 15 кВ, с расстоянием от вершины до коллектора 10 см и постоянной скоростью подачи 33 мкл / мин. Коллектором может быть алюминиевая фольга, кожа и даже поверхность опухолевой ткани. Под действием силы электростатического поля раствор прекурсора электроспиннинга, выдавливаемый шприцевым насосом, растягивался, расщеплялся на нановолокно в воздухе и, в конечном итоге, осаждался на поверхности коллектора. После разного времени вращения в 5, 10, 15 и 20 мин были получены мембраны из магнитных волокон разной толщины, обозначенные как γ-Fe ₂. О ₃ / PU-A5, γ-Fe ₂ О ₃ / PU-A10, γ-Fe ₂ О ₃ / PU-A15 и γ-Fe ₂ О ₃ / PU-A20 соответственно. Кроме того, γ-Fe ₂ О ₃ Композитные волокнистые мембраны из полиуретана также были приготовлены при тех же условиях и времени электропрядения, но без вспомогательного электрода во время электропрядения, и были обозначены как γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ-5, γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ-10, γ-Fe ₂ О ₃ / PU-15 и γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ-20 соответственно. Все процедуры проводились в соответствии с рекомендациями Национального института здоровья по использованию лабораторных животных и с одобрения Комитета по исследованиям животных при университете.

а Принципиальная схема портативного электростатического прядильного устройства и вспомогательного электрода. б Схематическое изображение генератора поля, катушек и системы сбора данных для регистрации температуры

Характеристика

Морфологическая структура поверхности и диаметры γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ композитных нановолоконных мембран определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, TM-1000, Hitachi). Размер и распределение магнитных частиц были охарактеризованы с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ, JEM-200EX). Анализ порошковой рентгеновской дифрактометрии (XRD, RINT2000, широкоугольный гониометр) проводили с использованием рентгеновского дифрактометра Rigaku. Химический состав и молекулярная структура мембран из нановолокон были определены с помощью инфракрасного спектрометра с преобразователем Фурье (FTIR) (Thermo Scientific Nicolet iN10). Термогравиметрический анализ (ТГА) композиционных мембран проводили при скорости нагрева 10 ° C / мин от 30 до 600 ° C под защитой потока азота. Магнитные свойства γ-Fe ₂ О ₃ / PU были измерены с помощью вибрационного магнитометра (VSM, Quantum Design Corporation) от –15 000 до 15 000 Э.

Эксперимент с магнитным нагревом

Возбужденный AMF, используемый для индукции нагрева, создавался генератором переменного магнитного поля (SP-04AC Shenzhen Shuangping Power Technology Co., Ltd.), номинальная мощность которого составляла 3 кВт, а индукционная катушка с водяным охлаждением была сделана из меди, с двухподстрочная катушка и внутренним диаметром 30 мм (рис. 1б). Максимальная напряженность магнитного поля генератора AMF и частота магнитного поля составляли 12,5 Э и 153 кГц соответственно. Волокнистые мембраны цилиндрической формы располагались в центре медной спирали [19, 20]. Для измерения характеристик нагрева волокнистых мембран инфракрасный датчик температуры был закреплен над волоконными мембранами, и изменение температуры пленок из нановолокон регистрировалось в режиме реального времени.

Результат и обсуждение

Точное осаждение с помощью электроспиннинга на месте

Было проведено сравнение в диапазоне осаждения между электроформованием со вспомогательным электродом и без него. Как показано на рис.2, при одинаковых внешних условиях (температура, напряжение, расстояние, влажность, скорость вращения, жидкость-предшественник прядения, диаметр прядильной иглы и т. Д.) Диапазон осаждения волокнистой мембраны, приготовленной с использованием вспомогательного электрода (диаметр 1,8 см) был значительно меньше, чем у электроспряденного волокна без использования вспомогательного электрода (диаметр 4,6 см). В традиционном процессе электропрядения жидкость-предшественник прядения расщепляется, взбивается и растягивается в воздухе на микро- / наноразмерные волокна и, наконец, оседает на коллекторе, образуя мембрану из нетканого материала [21]. Однако в нестабильной области прядильной струи коническое пространственное распределение струи увеличивает диапазон осаждения волокна и снижает точность осаждения волокна. При модификации вспомогательным электродом расщепление и взбивание струи прядильного предшественника подавляется, и диапазон области стабилизации струи становится большим и колеблется в очень узкой полосе. Как показано на рис. 2а, б, без использования вспомогательного электрода зона стабилизации струи раствора прекурсора составляла 0,96 см. А с помощью вспомогательного электрода зона стабилизации струи раствора прекурсора была увеличена на 4 см, что в 4 раза больше, чем зона без вспомогательного электрода. При том же расстоянии прядения расширение зоны стабилизации помогает сократить диапазон осаждения прядения и добиться точного прядения на месте. Как показано на фиг. 2c, d, области осаждения композитных волокнистых мембран, полученных без вспомогательного электрода и с его помощью, представляют собой круглые области диаметром 4,6 и 1,8 см соответственно. Результат демонстрирует, что вспомогательный электрод может эффективно сократить диапазон осаждения во время процесса электроформования. На рис. 2е показана динамика изменения толщины мембраны из электропряденого волокна с течением времени. С помощью вспомогательного электрода можно добиться быстрого электропрядения, и через 30 мин толщина осажденной композитной мембраны примерно в четыре раза больше, чем толщина, полученная другим методом электропрядения. Понятно, что при посредничестве вспомогательного электрода струя электропрядения имеет более точный диапазон осаждения, и волокнистая пленка определенной толщины может быть сформирована за короткое время, что имеет большое значение для выполнения точного прядения на месте и реализации быстрое электроспиннинг в следующем эксперименте с магнитной гипертермией.

Фото скоростной камеры электроспиннинга в устойчивой зоне а без и b со вспомогательным электродом. Оптические фотографии наплавленной на месте мембраны из электропряденого волокна c без и d со вспомогательным электродом. е Кривые зависящей от времени толщины наплавки для изготовления мембран из электропряденого волокна на месте

Морфологические, структурные и магнитные свойства

СЭМ-изображения волокнистых мембран из полиуретана и композитных мембран, полученных с / без вспомогательного электрода, показаны на рис. 3. Как видно из рис. 3a, e, b и f, волокнистые мембраны из полиуретана с субмикроскопическими размерами, высокими Пористость и случайная упорядоченная ориентация, полученные с использованием вспомогательного электрода и без него, представляют собой относительно гладкие и гладкие матрицы переплетенных волокон. Согласно статистическому анализу, который вставлен в верхние левые углы изображений SEM, диапазоны диаметров полиуретановых волокнистых мембран, полученных двумя разными способами, составляют 700–1900 нм и 1100–2300 нм, соответственно, а среднее значение диаметра волокна их диаметры составляют около 1390 и 1670 нм соответственно. Очевидно, что диаметры волокон полиуретановых волокнистых мембран, изготовленных со вспомогательным электродом, немного толще, чем у другого, что может быть связано с ограничением электростатического поля вспомогательным электродом. Добавление вспомогательного электрода ограничивает электрическое поле и дополнительно ограничивает взбивание и удлинение скрученных волокон, так что скрученные волокна являются относительно более толстыми, чем те, которые изготавливаются способом, в котором вспомогательные электроды не добавляются. Как показано на рис. 3c, g, d и h, добавление γ-Fe ₂ О ₃ НЧ незначительно изменяют морфологию поверхности и диаметр волокон, но не меняют геометрию и пористую структуру композитных волокнистых мембран по сравнению с ПУ. После включения γ-Fe ₂ О ₃ Наночастиц диаметр волокна был уменьшен до 850 нм, а поверхность волокон показала повышенную шероховатость, что могло быть связано с дисперсией γ-Fe ₂ О ₃ НЧ в / на волокнах PU из-за их высокого отношения поверхности к объему [22]. Однако готовые композитные волокнистые мембраны с использованием вспомогательного электрода становятся менее гладкими (рис. 3d). Следовательно, в дополнение к эффектам магнитных частиц добавление вспомогательного электрода во время процесса электроспиннинга препятствует взбиванию волокон, и улетучивание растворителя является неполным, в результате чего поверхность волокна становится более шероховатой. После добавления γ-Fe ₂ О ₃ наночастиц, помимо изменения микроскопической морфологии нановолокон, цвет композитных мембран из нановолокон также изменился с белого на светло-коричневый, а цвет остался неизменным после нескольких стирок.

Полученные SEM-изображения мембран из чистого полиуретана a , e без и b , f с использованием вспомогательного электрода. γ-Fe ₂ О ₃ / Подготовленные мембраны из полиуретанового композитного волокна c , г без и d , ч с использованием вспомогательного электрода (на вставках показано распределение диаметров мембран из электропряденого волокна)

Чтобы дополнительно охарактеризовать дисперсию γ-Fe ₂ О ₃ НЧ, встроенные в магнитные мембраны, мы подробно проанализировали ПЭМ-изображение композитной волоконной мембраны. Как видно на рис. 4, γ-Fe ₂ О ₃ НЧ хорошо диспергированы, и большинство из них прочно инкапсулировано внутри нановолокон, что предотвращает их возможную утечку и миграцию при использовании в качестве материалов подложки для магнитной гипертермии. Γ-Fe ₂ О ₃ НЧ демонстрируют хорошую дисперсию и отсутствие агломерации в волокне, что означает, что вспомогательный электрод не мешает равномерному распределению магнитных частиц.

ПЭМ изображения γ-Fe ₂ О ₃ / Мембраны из полиуретанового композитного волокна, приготовленные с использованием вспомогательного электрода

На рис. 5A показаны дифрактограммы мембран из чистых полиуретановых волокон, γ-Fe ₂. О ₃ магнитные наночастицы и электропрядение γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ композитные волокнистые мембраны. Установлено, что рентгеновские дифракционные спектры электроформованного γ-Fe ₂ О ₃ / Полиуретановые композитные нановолоконные мембраны и аккуратные полиуретановые волокнистые мембраны демонстрируют один широкий пик, указывающий на типичный символ для низкокристаллических материалов. Этот результат свидетельствует о низкой кристалличности полученной волокнистой полиуретановой мембраны. Однако положения и относительные интенсивности некоторых новых пиков композитной мембраны хорошо согласуются со стандартной дифракционной картой JCPDS 39-1346, которая соответствует (220), (311), (400), (511) и (440). ) характеристические пики γ-Fe ₂ О ₃ магнитные наночастицы. По сравнению с γ-Fe ₂ О ₃ НЧ, значительное уменьшение интенсивности дифракционных пиков композитных волокнистых мембран может быть связано с физической комбинацией γ-Fe ₂ О ₃ НЧ и ПУ волокнистые мембраны без химической реакции.

а Рентгенограммы нановолокон ПУ, γ-Fe ₂ О ₃ / Полиуретановые композитные волокнистые мембраны и γ-Fe ₂ О ₃ НП. б ИК-Фурье спектры ( a ) γ-Fe ₂ О ₃ НП, ( b ) Мембраны из электропряденого волокна из полиуретана и ( c ) мембраны из магнитных композитных волокон

Для определения молекулярной структуры композитных волокнистых мембран были проанализированы инфракрасные спектры образцов с преобразованием Фурье (FTIR) в спектральном диапазоне 400–4000 см ^-1 . (Рис. 5B). Основные распределения полос перечислены в таблице 1. Кривая a на рис. 5B представляет собой слабый и широкий пик поглощения, наблюдаемый около 3347 см ^-1 . , что соответствует растягивающему колебанию O-H H ₂ O из-за поглощения влаги в γ-Fe ₂ О ₃ НП. Вдобавок сильная полоса на 557 см ⁻¹ можно отнести к частоте колебаний связи Fe-O. Как показано кривой b на рис. 5B, сильная полоса поглощения электропряденых ПУ мембран при 3328 см ^-1 можно отнести к растяжению N-H; полоса на 2919 см ⁻¹ относится к колебаниям растяжения связи C-H в PU; полосы 1704, 1729, 1529, 1073 и 771 см ⁻¹ возникают из-за асимметричного изгиба C-H,> C =H валентных колебаний, полосы амида II, растяжения C-O и CH ₂ раскачивание соответственно [23,24,25]. С другой стороны, для сравнения кривая c на фиг. 5B показывает явление, что когда γ-Fe ₂ О ₃ НЧ были встроены, явных изменений в ИК-Фурье спектре композитных волокнистых мембран не наблюдалось. Например, характерный пик связи Fe-O также появляется при 557 см ^-1 . без явного сдвига в спектре. Однако мы наблюдали небольшой сдвиг на 1073 см ⁻¹ . в композитной волокнистой мембране, что означает усиление водородной связи между ПУ и γ-Fe ₂ О ₃ НП [26].

Кривые намагничивания γ-Fe ₂ О ₃ НЧ и композитные волокнистые мембраны, полученные с вспомогательным электродом или без него, по результатам измерения VSM при 300 K, все показали типичное суперпарамагнитное поведение без четкой петли гистерезиса и значений намагниченности 58,3, 10,7 и 10,0 ЭМЕ / г при 15000 Э, соответственно. , что показывает, что все образцы обладают суперпарамагнетизмом (рис. 6А) [5, 27]. Очевидное уменьшение величины намагниченности двух видов композитных волокнистых мембран по сравнению с γ-Fe ₂ О ₃ НЧ при 15000 Э можно приписать существованию немагнитного ПУ, содержащего магнитные наночастицы, и неоднородному распределению магнитных наночастиц в композитных волокнистых мембранах [28, 29]. Однако значения намагниченности двух видов композитных волокнистых мембран, полученных с использованием разных электродов, показывают отклонение от теоретического значения, рассчитанного с помощью коэффициента легирования γ-Fe ₂ О ₃ НП. Количество γ-Fe ₂ О ₃ НЧ, включенные в составные волокнистые мембраны, можно оценить с помощью уравнения:

$$ \ mathrm {Допинг} \ \ mathrm {ratio} \ \ mathrm {of} \ \ upgamma - {\ mathrm {Fe}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 3 \ \ mathrm {наночастицы} =\ kern0.5em \ mathrm {Mb} / \ mathrm {Ma} \ times 100 \% $$ (1)

а Кривые зависящего от поля намагничивания ( a ) γ-Fe ₂ О ₃ НЧ и γ-Fe ₂ О ₃ / Подготовлены мембраны из полиуретанового композитного волокна ( b ) с и ( c ) без использования вспомогательного электрода при комнатной температуре. б Термогравиметрические кривые ( a ) γ-Fe ₂ О ₃ НЧ, γ-Fe ₂ О ₃ / Подготовлены мембраны из полиуретанового композитного волокна ( b ) с и ( c ) без использования вспомогательного электрода и ( d ) мембраны из электропряденого волокна из чистого ПУ

где Ma, Mb - величина намагниченности чистого γ-Fe ₂ О ₃ наночастиц и композитных нановолоконных мембран на 15 000 Э, соответственно. Согласно формуле. Согласно (1) фактические соотношения легирования составляют около 18,3% и 17,1% в композитных мембранах, изготовленных с / без вспомогательного электрода. Помимо влияния полиуретана и распределения магнитных наночастиц в композитных волокнистых мембранах, осаждение γ-Fe ₂ О ₃ НЧ в процессе электроспиннинга также играют решающую роль в величине намагниченности. Точное измерение степени легирования γ-Fe ₂ О ₃ НЧ могут быть дополнительно получены с помощью термогравиметрического анализа (ТГА).

Для подтверждения весового соотношения γ-Fe ₂ О ₃ НЧ и термостабильность композитных волокнистых мембран была проведена ТГА (рис. 6Б). Как показывает кривая a на фиг. 6B, масса γ-Fe ₂ О ₃ НЧ существенно не уменьшается с повышением температуры. Начальная температура термического разложения (~ 260 ° C) композитных волокнистых мембран ниже, чем у чистой волокнистой полиуретановой мембраны (~ 305 ° C), что полностью удовлетворяет требуемую термическую стабильность композитных волокнистых мембран для магнитной термообработки. (кривые b, c и d на рис. 6B). Затем в диапазоне температур от 305 до 425 ° C волокнистые мембраны из ПУ демонстрируют устойчивую деградацию (изогнутая на фиг. 6В). Когда температура достигает 500 ° C, нет очевидного остаточного веса для волокнистой мембраны из полиуретана по сравнению с композитными волокнистыми мембранами. Из остаточной доли композитных волокнистых мембран можно сделать вывод, что γ-Fe ₂ О ₃ Допирование НЧ в композитных мембранах составляет 19,1 мас.% И 20,4 мас.%, Что соответствует расчетным результатам VSM. Сравнение остаточных весовых соотношений композитных волокнистых мембран, полученных с / без вспомогательного электрода, очевидно, что добавление вспомогательного электрода не влияет на количество легирования магнитных частиц в композитных волокнистых мембранах. Это небольшое отклонение внедренного γ-Fe ₂ О ₃ НЧ можно отнести к процессу электропрядения.

Измерения гипертермии in vitro

Гипертермия магнитных наночастиц использует способность суперпарамагнитного γ-Fe ₂ О ₃ НЧ генерируют тепло под действием высокочастотного АМП [30]. Механизм потерь γ-Fe ₂ О ₃ НЧ под АМП следует учитывать, соответственно, имеет ли γ-Fe ₂ О ₃ НЧ рассредоточены или агрегированы. Хотя тепловыделение агрегированного γ-Fe ₂ О ₃ НЧ определяется гистерезисными потерями и межмолекулярным взаимодействием [31], диспергированный γ-Fe ₂ О ₃ НЧ задаются релаксацией Брауна и Нееля [32]. И γ-Fe ₂ О ₃ НЧ встроены и закреплены внутри волокон, поэтому свободное вращение γ-Fe ₂ О ₃ НЧ можно исключить, и релаксация Брауна не способствует магнитному нагреву, происходящему под АМП. Для встроенных магнитных наночастиц только гистерезисные потери и релаксация Нееля оказывают критическое влияние на нагрев потерь на обратное магнитное поле. Фактическое свойство тепловыделения γ-Fe ₂ в зависимости от AMF О ₃ НЧ, легированные в полимерные волокна, непросто оценить из-за сложного магнитного взаимодействия смешанных фаз и структуры композитных волокнистых мембран, локальной агрегации и частичной дисперсии γ-Fe ₂ О ₃ НП [33]. Таким образом, фактическое свойство тепловыделения в зависимости от AMF смешанной структуры диспергированного и агрегированного γ-Fe ₂ О ₃ НЧ в волокнистом мате можно правильно оценить экспериментальным термическим поведением. Таким образом, эффект магнитного преобразования осуществлялся путем воздействия на композитные волокнистые мембраны AMF. На рис. 7 представлены кривые нагрева в зависимости от времени для мембран из чистого полиуретана и различных магнитных композитных волокон. Как показано на рис. 7а, повышение температуры составило 10,5 ± 0,4, 16,2 ± 0,3, 19,1 ± 0,5 и 24,4 ± 0,3 ° C для γ-Fe ₂. О ₃ / PU-A5, γ-Fe ₂ О ₃ / PU-A10, γ-Fe ₂ О ₃ / PU-A15 и γ-Fe ₂ О ₃ / Композитные волокнистые мембраны ПУ-А20 соответственно. А на рис. 7b, соответствующем композитным мембранам, полученным без добавления вспомогательного электрода, повышение температуры составило 4,2 ± 0,3, 5,1 ± 0,2, 6,7 ± 0,4 и 9,3 ± 0,2 ° C для γ-Fe _2. О ₃ / ПУ-5, γ-Fe ₂ О ₃ / ПУ-10, γ-Fe ₂ О ₃ / PU-15 и γ-Fe ₂ О ₃ / Композитные мембраны ПУ-20 соответственно. Было замечено, что температура нагрева всех магнитных композитных волокон быстро увеличивалась с увеличением времени и, по-видимому, в конечном итоге достигла и в основном поддерживала баланс в конце периода исследования. Кроме того, в обеих композитных волокнистых мембранах, полученных двумя разными способами, наблюдалось постепенное увеличение скорости нагрева и температуры нагрева по мере увеличения времени получения магнитных композитных волокнистых мембран, и при этом наличие γ-Fe ₂ О ₃ Наличие НЧ подтверждено дифракцией XRD и морфологическим анализом. Однако в то же время приготовления скорость нагрева композитных волокнистых мембран, полученных с помощью вспомогательного электрода, была выше, а стабильная температура была выше, чем у другого. Например, скорость нагрева композитных волокнистых мембран, полученных электроформованием в течение 15 мин с помощью вспомогательного электрода, составляет 0,42 ° C / с, а температура равновесия составляет 44,3 ° C. Moreover, if a fiber membrane having the same heating capacity is desired, a spinning time of 20 min is required with the aid of an auxiliary electrode, which means that the addition of the auxiliary electrode can remarkably improve the spinning efficiency and make full use of the spinning precursor. The results thus clearly indicate that the heating rate and the upper limit of the temperature rise are both remarkably improved compared to the composite membranes obtained without the aid of the auxiliary electrode. In contrast, the pure PU nanofibrous membranes showed slight temperature change under the identical conditions, which could be assigned to the influence of measurement error and the ambient temperature.

Temperature (T)-time (t) profiles for the electrospun fiber membranes prepared by in situ electrospinning a с и b without the use of an auxiliary electrode for 5, 10, 15, and 20 min upon the application of AMF

In the case of cancer therapy, the high- and low-temperature cycle of hyperthermia treatment is preferred along with other hyperthermia modes due to the chance of tumor metastasis, which means it is necessary for composite fibrous membranes to possess a uniform cyclic profile with a constant temperature rise during the heating process [34]. To test the heat stability of γ-Fe₂ О ₃ /PU composite fibrous membranes, γ-Fe₂ О ₃ /PU-A15 membranes were exposed to AMF for different cycles. As shown in Fig. 8, no obvious change in the elevated temperature profiles was observed during the three cycles of AMF effect, which indicated that the γ-Fe₂ О ₃ /PU composite fibrous membranes could efficiently and rapidly convert AMF energy into thermal energy. More importantly, significant superiority of the composite fibrous membranes for cancer hyperthermia treatment was their capability for repeatable heating without damaging the heating efficiency.

Cyclic heating profile of the electrospun fiber membranes prepared by in situ electrospinning

As mentioned above, the portable electrospinning device with the aid of an auxiliary electrode can quickly and precisely deposit the electrospun fiber membrane on the collecting pole in situ, which is in favor of the close contact between the prepared electrospun fiber membrane and the affected area, and improves the heating efficiency of the magnetocaloric therapy. Moreover, the thermotherapy fibers containing chemotherapeutic drugs can also be prepared in situ on the tumor tissue, which is beneficial to the synergistic effect of the drug and hyperthermia. As shown in Fig. 9, the electrospun fiber membrane can be prepared in situ on the surface of a hand. As can be found in Fig. 9a, a thin PU composite fibrous membrane is formed on the surface of the hand by a portable electrostatic spinner without an auxiliary electrode. Figure 9b shows that a tightly bonded, precisely deposited magnetic fibrous membrane is fabricated on the scar of the hand, which just like a second layer of skin due to the electrostatic attraction force. The mark has been completely covered by the magnetic fibrous membrane, while other skin tissue is not affected, which means a good versatility of the in situ preparation of magnetic fiber membranes under the assist of an auxiliary electrode.

Schematic of in situ electrospun magnetic fibrous membrane on the surface of hand a without an auxiliary electrode and b with an auxiliary electrode

Conclusions

In summary, a magnetic composite nanofiber membrane was fabricated in situ using a portable electrospinning device with the aid of an auxiliary electrode. In the electrospinning process, the addition of the auxiliary electrode prolongs the stable area of the electrospinning and reduces the fiber whipping, thereby reducing the deposition range of the fiber and accelerating the fiber deposition rate. For electrospinning techniques, the application of conical auxiliary electrodes to precisely control the deposition area is suitable for most electrospinning materials. Moreover, the microstructure (diameter, surface morphology) of the electrospinning fiber is not significantly affected. The in situ prepared magnetic composite nanofibrous membranes can convert the AMF energy to the thermal energy to elevate temperature efficiently. With the aid of the auxiliary electrode, the composite fibrous membrane prepared by in situ electrospinning showed efficient heating ability upon the application of AMF, and well-maintained cyclic heating performance under the presence of AMF. These results indicate that the magnetic composite fibrous membrane prepared in situ by the auxiliary electrode is an excellent candidate for the magnetic hyperthermia of cancer therapy.