Быстрая, целевая магнитная гипертермия с вспомогательно-направленными γ-Fe₂O₃/полиуретановыми электроспунными волокнами

Аннотация

Мы представляем фациальную технику электроспиннинга, которая точно наносит магнитные полиуретановые (PU) нановолокна, декорированные суперпарамагнитными γ-Fe₂O₃ наночастицами. Конический алюминиевый вспомогательный электрод расширяет зону стабилизации струи, обеспечивая четырехкратный контроль над областью осаждения. Полученные композитные мембраны достигают 43 °C в течение 70 с под чередующимся магнитным полем (AMF) 12.5 Ое, 153 кГц, превосходя мембраны, изготовленные без вспомогательного электрода. Этот метод предлагает управляемый путь для производства магнитных волокон и локализованной магнитной гипертермии, подходящей для лечения рака.

Обзор литературы

Магнитная гипертермия использует тепло, генерируемое суперпарамагнитными наночастицами в AMF, селективно повышая температуру опухоли до 41–45 °C без повреждения здоровой ткани. Традиционная системная доставка оксидов железа наночастиц страдает от быстрой клиренса и плохого накопления в опухоли, ограничивая терапевтическую эффективность. Внедрение γ-Fe₂O₃ наночастиц в электроспунные волокна решает эти проблемы путем локализации источника тепла и обеспечения тесного контакта с тканью опухоли.

Конвенциональный электроспиннинг смешивает предварительно синтезированные наночастицы в полимерные растворы, но дает мембраны, которые трудно наносить равномерно на неправильные поверхности опухолей и могут отходить во время лечения. In situ электроспиннинг — осаждение волокон непосредственно на целевые ткани — обходит эти ограничения. Предыдущие работы использовали поток воздуха или магнитные поля для направления осаждения, но эти подходы добавляют сложность или влияют только на магнитные полимеры. Введение конического вспомогательного электрода обеспечивает простой, универсальный способ уточнения геометрии осаждения с сохранением целостности волокон.

Методы

Материалы

γ-Fe₂O₃ наночастицы (10 нм, 99.5% чистоты, Shanghai Macklin Biochemical Co.) и высокомолекулярный полиуретан (WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes) растворяли в N,N-диметилформамиде (DMF, 99.5%) без дополнительной очистки.

Приготовление γ-Fe₂O₃/PU композитных волокон

Наночастицы диспергировали в DMF 4 ч ультразвуком, затем смешивали с PU/DMF раствором (1.8 г PU в 7.5 г DMF). Смесь интенсивно перемешивали 30 мин, затем ультразвуково обрабатывали 24 ч при 50 °C перед электроспиннингом.

Электроспиннинг установка

Ручной пистолетовидный спиннер включал 4 см диаметром конический вспомогательный электрод под кончиком иглы (0.7 мм ВН). 5-мл шприц качал раствор 33 мкл/мин, пока напряжение 10–15 кВ применялось на 10 см расстоянии кончик-коллектор. Коллектором могли быть алюминиевая фольга, кожа или ткань опухоли. Волокнистые мембраны собирали 5, 10, 15 и 20 мин, давая образцы, помеченные γ-Fe₂O₃/PU-A5, -A10, -A15 и -A20. Контрольные мембраны изготавливались идентично, но без вспомогательного электрода, помеченные γ-Fe₂O₃/PU-5, -10, -15 и -20.

Характеризация

SEM (Hitachi TM-1000) раскрывала морфологию волокон; TEM (JEM-200EX) оценивала дисперсию наночастиц; XRD (Rigaku RINT2000) идентифицировала кристаллические фазы; FTIR (Thermo Nicolet iN10) подтверждала химическую структуру; TGA (10 °C/мин, атмосфера N₂) оценивала термическую стабильность; VSM (Quantum Design) измеряла магнитные свойства. Магнитный нагрев оценивали помещением цилиндрических мембран в 30-мм медную катушку (12.5 Ое, 153 кГц) и записью температуры инфракрасным детектором.

Результаты и обсуждение

Точное осаждение через вспомогательный электрод

С электродом зона стабилизации струи расширялась до 4 см против 0.96 см без него, уменьшая диаметр осаждения с 4.6 см до 1.8 см. Это ограничение позволяет быстрое, локализованное осаждение волокон и значительно более толстые мембраны (четырехкратное увеличение после 30 мин) по сравнению с конвенциональным спиннингом.

Морфология и состав

SEM-изображения показывают безбуращие, пористые волокна со средними диаметрами 1.39 мкм (без электрода) и 1.67 мкм (с электродом). Внедрение γ-Fe₂O₃ слегка снизило диаметр до 0.85 мкм и увеличило шероховатость поверхности, в то время как вспомогательный электрод ввел умеренные поверхностные нерегулярности из-за ограниченного испарения растворителя.

TEM подтвердила равномерную дисперсию 10-нм наночастиц, в основном инкапсулированных внутри волокон — критично для предотвращения выщелачивания во время гипертермии. XRD паттерны показывали широкие PU пики и характерные γ-Fe₂O₃ рефлексии (220, 311, 400, 511, 440). FTIR спектры не раскрывали новых связей, указывая на физическое смешивание. VSM кривые показывали суперпарамагнитное поведение: γ-Fe₂O₃ наночастицы (58.3 эму/г при 15 кОэ) против композитов (~10 эму/г). TGA показала начало декомпозиции композита ~260 °C, подходящее для AMF применения; остаточный вес указывал на ~19-20 вес.% загрузки наночастиц.

Магнитная гипертермия производительность

Под AMF мембраны с вспомогательным электродом достигали более высоких температурных подъемов и более быстрых скоростей нагрева. Для 15-мин спинненной мембраны равновесная температура достигала 44.3 °C при 0.42 °C/с, по сравнению с 24.4 °C (0.24 °C/с) для контроля без электрода. Циклические тесты нагрева за три AMF цикла показали стабильные температурные профили, демонстрируя надежную повторяемость.

In situ применение

Используя портативный спиннер, магнитные волокна осаждали на поверхность человеческой руки, покрывая рубец бесшовной, кожно-подобной мембраной, щадя окружающую ткань — иллюстрируя точность и универсальность метода для клинических сценариев.

Заключения

Интеграция конического вспомогательного электрода в ручной электроспиннинг систему позволяет быстрое, точное осаждение γ-Fe₂O₃/PU композитных мембран с превосходной магнитной нагревательной эффективностью и циклической стабильностью. Эта техника предлагает практическую платформу для локализованной магнитной гипертермии в лечении рака, потенциально усиливающую синергистические эффекты с химиотерапией, лучевой терапией или иммунотерапией.

Аббревиатуры

• AMF – Чередующееся магнитное поле
• DMF – N,N-диметилформамид
• FTIR – Фурье-преобразованная инфракрасная спектроскопия
• INOPs – Наночастицы оксида железа
• MES – Магнитный электроспиннинг
• PU – Полиуретан
• SEM – Сканирующая электронная микроскопия
• TEM – Проницающая электронная микроскопия
• TGA – Термогравиметрический анализ
• VSM – Вибрационный образцовый магнетометр
• XRD – Рентгеновская порошковая дифракция