Elektrisch veld-geassisteerde in situ nauwkeurige afzetting van electrospun γ-Fe2O3/polyurethaan nanovezels voor magnetische hyperthermie

Abstract

Een elektrospinmethode voor het gezicht voor het in situ nauwkeurig vervaardigen van een magnetisch vezelig membraan samengesteld uit polyurethaan (PU) nanovezels versierd met superparamagnetisch γ-Fe₂ O₃ nanodeeltjes met gelijktijdige warmteontwikkeling als reactie op wisselend magnetisch veld (AMF) wordt gerapporteerd. Bij deze methode wordt een conische aluminium hulpelektrode gebruikt om het elektrostatische veld te regelen en het proces van elektrospinnen te beïnvloeden voor de in situ snelle en nauwkeurige afzetting van electrospun γ-Fe₂ O₃ /PU-vezels. De hulpconische elektrode kan de straalstabilisatiezone van de voorloperoplossing vier keer langer verlengen dan die van zonder hulpelektrode, wat de nauwkeurige controle van het vezelafzettingsgebied kan bereiken. Bovendien vertonen de elektrospun composietvezelmembranen een snelle temperatuurstijging van kamertemperatuur tot 43 ° C in 70 s onder de AMF, die een snellere verwarmingssnelheid en hogere verwarmingstemperatuur vertoont in vergelijking met de monsters die zijn vervaardigd zonder de hulp van de hulpelektrode. De huidige resultaten tonen aan dat het in situ nauwkeurige elektrospinnen met behulp van een conische hulpelektrode het potentieel heeft als een manipulatieve methode voor het voorbereiden van magnetische composietvezels en magnetische hyperthermie van kankertherapie.

Achtergrond

Hyperthermie is een andere effectieve behandeling na de traditionele behandeling van tumoren, die kan worden gebruikt in multimodale strategieën, omdat het de antitumoreffecten van chemotherapie, radiotherapie en immunotherapie synergetisch kan versterken [1,2,3]. Het mechanisme van het gebruik van hyperthermie als behandelingsmaatregel voor kanker is de gevoeligheid van kankercellen voor het bereik van 41 tot 45 °C, in tegenstelling tot gezonde cellen [4, 5]. De toepassing van magnetische nanodeeltjes voor de diagnose en therapie van kanker wordt nog steeds beperkt door een slechte oriëntatie, hoewel er veel targetingstrategieën zijn uitgevoerd, zoals magnetische targeting en moleculaire targeting [6, 7]. Als de magnetische deeltjes rechtstreeks in het lichaam worden geïnjecteerd, worden ze snel geklaard door het reticulo-endotheliale systeem en verrijkt in bepaalde organen zoals de nier, lever en milt in plaats van op de plaats van de tumor [8]. Bovendien worden de magnetische nanodeeltjes lokaal in het tumorweefsel geïnjecteerd en lekken ze vanwege hun kleine formaat bij voorkeur uit de tumorplaats [9]. Al deze gevallen verlagen de hyperthermie-efficiëntie van magnetische nanodeeltjes. Vergeleken met hyperthermie van magnetische nanodeeltjes, is de precieze en lokale afgifte van ijzeroxide nanodeeltjes (INOP's) aan kankercellen het belangrijkste voordeel van magnetische composietvezels, wat een ideale behandelingsmethode voor hyperthermie is voor gemakkelijk toegankelijke tumoren.

In veel rapporten werden composiet nanovezelmembranen vervaardigd uit een polymeeroplossing die een dispersie van eerder gesynthetiseerde magnetische nanodeeltjes ervoor bevatte, die werden gebruikt bij hyperthermiebehandeling [10,11,12,13]. Ze hebben echter allemaal enkele duidelijke nadelen. Het is bijvoorbeeld moeilijk voor de eerder bereide nanovezels om een homogene en continue coating op het oppervlak van het tumorweefsel te ontwikkelen, die gemakkelijk afbreekbaar is en direct nadelig is voor een goede afdichting, en vervolgens leidt tot de ontoereikendheid van complex tumorweefsel . Als gevolg hiervan zou het in situ nauwkeurige elektrospinnen op het tumorweefsel een goede strategie kunnen zijn, niet alleen om het afpellen van composietvezelmembranen tijdens het magnetische hyperthermieproces te voorkomen, maar ook om de kans op homogene verhitting op het tumorweefsel te vergroten.

De in situ elektrospinning moet het afzettingsbereik op een specifiek tumorweefsel nauwkeurig regelen, waardoor ernstige weefseladhesie, vooral in de buikholte, zou kunnen worden voorkomen [14]. Veel onderzoekers hebben gemeld dat het in situ nauwkeurige elektrospinnen kan worden toegepast op het gebied van de geneeskunde [15]. Recente studies hebben het gebruik aangetoond van een luchtstroomgestuurd in-situ elektrospinapparaat om de precieze afzetting van ultradunne polymere vezels op wondplaatsen te verbeteren [16]. Een luchtstroomgestuurd in-situ elektrospinapparaat moet echter een extra luchtpomp, een extra zelfgemaakte handgreep met een spindopkop en een ander apparaat met luchtstroomondersteuning toevoegen in vergelijking met het traditionele elektrospinapparaat, en moet de luchtstroom en de relatie tussen de snelheid en spanning, wat de bediening van het apparaat ingewikkeld maakt. Elektrospinning met magnetisch veld is ook een effectieve manier om geordende electrospun-vezels voor te bereiden en het afzettingsbereik van electrospun-vezels te regelen [17]. De macromoleculaire polymeren die voldoende magnetische deeltjes bevatten, kunnen voldoende magnetische gevoeligheid voor de polymere oplossing induceren. Yang et al. [18] rapporteerde een benadering voor de fabricage van goed uitgelijnde arrays en meerlagige rasters door een methode die magnetische elektrospinning (MES) wordt genoemd. In de MES wordt een kleine hoeveelheid magnetische nanodeeltjes toegevoegd om de polymeeroplossing te magnetiseren. Tijdens het elektrospinnen wordt een magnetisch veld gegenereerd door twee parallel gepositioneerde permanente magneten aangelegd, en het magnetische veld rekt de vezels over de opening uit om een parallelle reeks te vormen. Het door het magnetische veld ondersteunde elektrospinnen kan echter alleen worden gebruikt voor de bereiding van magnetische vezels, wat geen effect heeft op het spinproces voor niet-magnetische vezels. Daarentegen is het gebruik van een hulpelektrode bij het in situ nauwkeurige elektrospinnen om de magnetische composietvezelmembranen te bereiken een eenvoudigere, effectievere en universelere methode.

Hier ontwikkelden we een in situ nauwkeurige afzetting van composiet vezelmembranen met ingebed γ-Fe₂ O₃ NP's door een draagbare elektrostatische spinner die een conische aluminium hulpelektrode toevoegt op de plaats van de spinkop om de afzettingsrichting en omvang van magnetische composietvezels te regelen. De huidige studie heeft tot doel de invloed van de hulpelektrode op de magnetische composietvezelmembranen te onderzoeken waarvan de morfologie en prestaties kunnen worden veranderd. Vergeleken met de conventionele benadering, kan deze techniek zeer snel, nauwkeurig nanogestructureerde vezels op complex, onregelmatig tumorweefsel afzetten om continue, compacte, flexibele membranen te vormen met uitstekende integriteit, die fungeren als een krachtige bron om het tumorgebied plaatselijk tot de gewenste temperatuur te verwarmen. zonder de omliggende gezonde weefsels te oververhitten en om mogelijke tumorgroei te voorkomen of de antitumoreffecten van chemotherapie, radiotherapie en immunotherapie te versterken. In vitro-onderzoeken hebben aangetoond dat de electrospun -Fe₂ O₃ /PU magnetische vezelmembranen hebben een uitstekende, magnetisch gemedieerde therapeutische werkzaamheid bij hyperthermie. Verder is de hittestabiliteit van γ-Fe₂ O₃ /PU-composietvezelmembranen zijn ook aangetoond door de herhaalde magnetische veldexcitatie.

Methoden/experimenteel

Materialen

γ-Fe₂ O₃ nanodeeltjes (γ-Fe₂ O₃ NP's, 10 nm, phere, 99,5%, Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. China), polyurethaanpellets van polyetherkwaliteit met hoog molecuulgewicht (PU, WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes Co., Ltd., China) en N ,N -dimethylformamide (DMF ≥ 99,5%, Pharm Chemical Reagent Co, Ltd., China) werd gebruikt zoals ontvangen zonder verdere zuiverheid.

Voorbereiding van Electrospun γ-Fe₂ O₃ /PU magnetische nanovezels

Om γ-Fe₂ . te verspreiden O₃ NP's in DMF, 0,54-g nanopoeder werd toegevoegd aan 2,5-g DMF, waarna het mengsel gedurende 4 uur in een kegelfles aan ultrasoon werd blootgesteld. Een zuivere polyurethaanoplossing werd bereid door 1,8 g PU-pellets op te lossen in 7,5 g DMF-oplosmiddel en te roeren bij 40°C. Vervolgens werd de PU-oplossing in de γ-Fe₂ . gegoten O₃ NPs-dispersie en krachtig geroerd gedurende 30 minuten door een zelfgemaakte mechanische roerder. Ten slotte werd het oplossingsmengsel verder gedispergeerd door sonicatie gedurende nog eens 24 uur bij 50 °C voordat het elektrospinnen begon.

In het elektrospinproces hebben we een draagbare elektrostatische spinner gebruikt om de productie van magnetische vezels te bereiken. Zoals weergegeven in figuur 1a, heeft de draagbare elektrostatische spinner een pistoolvormig, in de hand gehouden spinapparaat. Zoals te zien is in de vergrote afbeelding van de draaiende kop, werd een conische hulpelektrode met een diameter van 4 cm aan de onderkant bevestigd aan de spindop, die het elektrostatische veld kan regelen en regelen voor de snelle afzetting van vezels tot de ideale dikte. Dit elektrospinapparaat gebruikte een plastic spuit van 5 ml (Becton Dichinson), waaraan een naaldpunt met een binnendiameter van 0,7 mm was bevestigd. De elektrospin-precursoroplossing werd in de spuit geladen en geperst door een spuitpomp van het apparaat. Electrospinning werd uitgevoerd bij een aangelegde spanning variërend tussen 10 ~ -15 kV, met een afstand van apex tot collector van 10 cm en een constante voedingssnelheid van 33 L / min. De collector kan aluminiumfolie zijn, de huid en zelfs het oppervlak van tumorweefsel. Onder het effect van elektrostatische veldkracht werd de elektrospinning-precursoroplossing, geperst door een spuitpomp, uitgerekt, in de lucht tot nanovezels gekliefd en uiteindelijk op het oppervlak van de collector afgezet. Na verschillende spintijden van 5, 10, 15 en 20 min werden verschillende diktes van de magnetische vezelmembranen verkregen en aangeduid als γ-Fe₂ O₃ /PU-A5, γ-Fe₂ O₃ /PU-A10, γ-Fe₂ O₃ /PU-A15 en γ-Fe₂ O₃ /PU-A20, respectievelijk. Bovendien is de γ-Fe₂ O₃ /PU-composietvezelmembranen werden ook vervaardigd in dezelfde elektrospintijd en -omstandigheden, maar zonder de hulpelektrode tijdens elektrospinning en werden aangeduid als γ-Fe₂ O₃ /PU-5, γ-Fe₂ O₃ /PU-10, γ-Fe₂ O₃ /PU-15 en γ-Fe₂ O₃ /PU-20, respectievelijk. Alle procedures werden uitgevoerd volgens de richtlijnen van de National Institutes of Health voor het gebruik van proefdieren en met goedkeuring van de Chancellor's Animal Research Committee van de universiteit.

een Schematisch diagram van draagbaar elektrostatisch spinapparaat en hulpelektrode. b Schematische weergave van de veldgenerator, spoelen en data-acquisitiesysteem voor het opnemen van temperatuur

Karakterisering

De morfologische oppervlaktestructuur en diameters van de γ-Fe₂ O₃ /PU composiet nanovezelmembranen werden bepaald door scanning elektronenmicroscopie (SEM, TM-1000, Hitachi). De grootte en verdeling van magnetische deeltjes werden gekarakteriseerd met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM, JEM-200EX). Röntgenpoederdiffractie (XRD, RINT2000 wide-angel goniometer) analyse werd uitgevoerd met behulp van een Rigaku röntgendiffractometer. De chemische samenstelling en moleculaire structuur van de nanovezelmembranen werden bepaald met behulp van een Fourier transformer infrarood (FTIR) spectrometer (Thermo Scientific Nicolet iN10). Thermogravimetrische analyse (TGA) van de samenstellingsmembranen werd uitgevoerd bij een verwarmingssnelheid van 10 °C/min van 30 tot 600 °C onder bescherming van een stikstofstroom. Magnetische eigenschappen van γ-Fe₂ O₃ /PU werden gemeten door de trillingsmonstermagnetometer (VSM, Quantum Design Corporation) van − 15.000 tot 15.000 Oe.

Magnetisch verwarmingsexperiment

De geëxciteerde AMF die werd gebruikt om de verwarmingsbehandeling te induceren, werd geproduceerd door een generator voor wisselend magnetisch veld (SP-04AC Shenzhen Shuangping Power Technology Co., Ltd.) waarvan het nominale vermogen 3 kW was en de watergekoelde inductiespoel was gemaakt van koper, met een twee-tuning spoel en een binnendiameter van 30 mm (Fig. 1b). De maximale magnetische veldintensiteit van de AMF-generator en de magnetische veldfrequentie waren respectievelijk 12,5 Oe en 153 kHz. De vezelige membranen in een cilindrische vorm werden in het midden van de koperen spoel geplaatst [19, 20]. Om de verwarmingseigenschappen van vezelmembranen te meten, werd de infraroodtemperatuurdetector over de vezelmembranen bevestigd en werd de temperatuurverandering van de nanovezelfilms in realtime geregistreerd.

Resultaat en discussie

Precieze depositie via de in-situ elektrospinning

Er werd een vergelijking gemaakt in het depositiebereik tussen elektrospinnen met en zonder hulpelektrode. Zoals getoond in Fig. 2, onder dezelfde externe omstandigheden (temperatuur, spanning, afstand, vochtigheid, spinsnelheid, spin-precursorvloeistof, spinnaalddiameter, enz.), Het afzettingsbereik van het vezelige membraan bereid met behulp van de hulpelektrode (diameter van 1,8 cm) was significant kleiner dan die van de electrospun vezel zonder het gebruik van de hulpelektrode (diameter van 4,6 cm). In het traditionele elektrospinproces splitst, zweept en rekt de spin-precursorvloeistof zich uit tot micro-/nanoschaalvezels in de lucht, en zet zich uiteindelijk af op de collector om een niet-geweven stoffen membraan te vormen [21]. In het onstabiele gebied van de spinstraal vergroot de conische ruimtelijke verdeling van de straal echter het afzettingsbereik van de vezel en vermindert de nauwkeurigheid van de vezelafzetting. Wanneer gemodificeerd met een hulpelektrode, wordt het splijten en kloppen van de draaiende precursorstraal onderdrukt en wordt het bereik van het straalstabilisatiegebied groot en fluctueert het in een zeer smalle baan. Zoals weergegeven in figuur 2a, b, was de straalstabilisatiezone van de voorloperoplossing zonder de hulp van de hulpelektrode 0,96 cm. En met behulp van de hulpelektrode werd de straalstabilisatiezone van de voorloperoplossing met 4 cm verlengd, wat vier keer langer was dan die zonder de hulpelektrode. Bij dezelfde spinafstand helpt de verlenging van de stabilisatiezone om het spindepositiebereik te verkleinen en het in situ nauwkeurige spinnen te bereiken. Zoals weergegeven in figuur 2c, d, zijn de afzettingsbereiken van samengestelde vezelmembranen die zijn vervaardigd zonder en met behulp van een hulpelektrode cirkelvormige gebieden met een diameter van respectievelijk 4,6 en 1,8 cm. Het resultaat toont aan dat de hulpelektrode het afzettingsbereik tijdens het elektrospinproces effectief kan verkleinen. Figuur 2e toont de trend van de dikte van het elektrospun-vezelmembraan in de loop van de tijd. Met behulp van de hulpelektrode kan snel elektrospinnen worden bereikt en na 30 minuten is de dikte van het afgezette composietmembraan ongeveer vier keer dikker dan die bereid met een andere elektrospinmethode. Het is duidelijk dat onder bemiddeling van de hulpelektrode de elektrospinningstraal een nauwkeuriger afzettingsbereik heeft en dat in korte tijd een vezelachtige film met een bepaalde dikte kan worden gevormd, wat van groot belang is bij het uitvoeren van het in situ nauwkeurige spinnen en het realiseren van het snelle elektrospinnen in het volgende magnetische hyperthermie-experiment.

Hogesnelheidscamerafoto's van een elektrospinningstraal in stabiele zone a zonder en b met de hulpelektrode. Optische foto's van in situ afgezette elektrospun vezelmembraan c zonder en d met de hulpelektrode. e Tijdafhankelijke depositiediktecurves voor in situ preparatie van elektrospun vezelmembranen

Morfologische, structurele en magnetische eigenschappen

De SEM-beelden van PU-vezelmembranen en composietmembranen bereid met/zonder hulpelektrode worden getoond in Fig. 3. Zoals blijkt uit Fig. 3a, e, b en f, zijn de PU-vezelmembranen met submicroformaat, hoge porositeit en willekeurig geordende oriëntatie bereid met en zonder een hulpelektrode zijn zowel de relatief kraalvrije als gladde matrixen van in elkaar grijpende vezels. Volgens de statistische analyses die in de linkerbovenhoeken van de SEM-afbeeldingen zijn ingevoegd, zijn de diameterbereiken van PU-vezelmembranen die op twee verschillende manieren zijn vervaardigd respectievelijk 700-1900 nm en 1100-2300 nm, en de gemiddelde vezel diameters daarvan zijn respectievelijk ongeveer 1390 en 1670 nm. Het is duidelijk dat de vezeldiameters van PU-vezelmembranen die zijn vervaardigd met een hulpelektrode iets dikker zijn dan die van de andere, wat kan worden toegeschreven aan de beperking van het elektrostatische veld door een hulpelektrode. De toevoeging van de hulpelektrode beperkt het elektrische veld en beperkt verder het kloppen en rekken van de gesponnen vezels, zodat de gesponnen vezels relatief dikker zijn dan die vervaardigd op de manier waarop de hulpelektroden niet zijn toegevoegd. Zoals getoond in Fig. 3c, g, d en h, de toevoeging van γ-Fe₂ O₃ NP's veranderen de oppervlaktemorfologie en diameter van vezels enigszins, maar het verandert de geometrie en poreuze structuur van de samengestelde vezelmembranen niet in vergelijking met PU. Na de opname van γ-Fe₂ O₃ NP's, werd de vezeldiameter teruggebracht tot 850 nm en het oppervlak van de vezels vertoonde een verhoogde ruwheid, wat mogelijk te wijten is aan de dispersie van γ-Fe₂ O₃ NP's in/op de PU-vezels vanwege hun hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding [22]. De zoals geprepareerde samengestelde vezelmembranen met behulp van een hulpelektrode worden echter minder glad (figuur 3d). Daarom remt de toevoeging van de hulpelektrode tijdens het elektrospinproces, naast de effecten van magnetische deeltjes, het kloppen van de vezels en is de vervluchtiging van het oplosmiddel onvolledig, waardoor het vezeloppervlak ruwer wordt. Na de toevoeging van γ-Fe₂ O₃ nanodeeltjes, naast de verandering in de microscopische morfologie van de nanovezels, veranderde ook de kleur van de composiet nanovezelmembranen van wit in lichtbruin, en de kleur bleef onveranderd na verschillende wasbeurten.

SEM-beelden van pure PU-vezelmembranen gemaakt a , e zonder en b , v met behulp van een hulpelektrode. γ-Fe₂ O₃ /PU composietvezelmembranen vervaardigd c , g zonder en d , u met behulp van een hulpelektrode (de inzetstukken tonen de diameterverdelingen van de elektrospun vezelmembranen)

Om de dispersie van γ-Fe₂ . verder te karakteriseren O₃ NP's opgenomen in de magnetische membranen, hebben we het TEM-beeld van het composietvezelmembraan in detail geanalyseerd. Zoals te zien is in Fig. 4, is de γ-Fe₂ O₃ NP's zijn goed verspreid en de meeste ervan zijn stevig ingekapseld in de nanovezels, waardoor mogelijke lekkage en migratie wordt voorkomen wanneer ze worden gebruikt als substraatmaterialen voor magnetische hyperthermie. De γ-Fe₂ O₃ NP's vertonen een goede dispersie en geen agglomeratie in de vezel, wat betekent dat de hulpelektrode de uniforme verdeling van magnetische deeltjes niet verstoort.

TEM-afbeeldingen van γ-Fe₂ O₃ /PU-composietvezelmembranen vervaardigd met behulp van een hulpelektrode

Afbeelding 5A toont de XRD-patronen van nette PU-vezelmembranen, γ-Fe₂ O₃ magnetische nanodeeltjes en electrospun γ-Fe₂ O₃ /PU composiet vezelmembranen. Het blijkt dat de XRD-spectra van de electrospun γ-Fe₂ O₃ /PU-composiet nanovezelmembranen en nette PU-vezelmembranen vertonen één brede piek, wat wijst op een typisch symbool voor laagkristallijne materialen. Dit resultaat bewijst dat het bereide PU-vezelmembraan een lage kristalliniteit heeft. De posities en relatieve intensiteiten van enkele nieuwe pieken van het composietmembraan komen echter goed overeen met de standaard diffractiekaart JCPDS 39-1346, die overeenkomen met (220), (311), (400), (511) en (440 ) karakteristieke pieken van γ-Fe₂ O₃ magnetische nanodeeltjes. Vergeleken met de γ-Fe₂ O₃ NP's, kan de significante afname van de diffractiepiekintensiteit van composietvezelmembranen worden toegeschreven aan de fysieke combinatie tussen γ-Fe₂ O₃ NP's en PU-vezelmembranen zonder chemische reactie.

een XRD-patronen van PU-nanovezels, γ-Fe₂ O₃ /PU composietvezelmembranen en γ-Fe₂ O₃ NP's. b FTIR-spectra van (a ) γ-Fe₂ O₃ NP's, (b ) PU elektrospun vezelmembranen, en (c ) magnetische composietvezelmembranen

Om de moleculaire structuur van de samengestelde vezelmembranen te bepalen, werden Fourier-transformatie-infraroodspectra (FTIR) van de monsters geanalyseerd in het spectrale bereik van 400–4000 cm⁻¹ (Fig. 5B). De belangrijkste bandtoewijzingen staan vermeld in Tabel 1. De curve a in Fig. 5B geeft een zwakke en brede absorptiepiek weer, waargenomen rond 3347 cm⁻¹ , overeenkomend met de O-H strektrilling van H₂ O vanwege de vochtopname in γ-Fe₂ O₃ NP's. Bovendien een sterke band van 557 cm⁻¹ kan worden toegewezen aan de trillingsfrequentie van de Fe-O-binding. Zoals getoond door de curve b in Fig. 5B, de sterke absorptieband van elektrospun PU-membranen bij 3328 cm⁻¹ kan worden toegeschreven aan de N-H-uitrekking; de band op 2919 cm⁻¹ wordt toegewezen aan de rektrilling van de C-H-binding in PU; de banden op 1704, 1729, 1529, 1073 en 771 cm⁻¹ ontstaan uit de C-H asymmetrische buigtrilling,>C=H strektrillingen, amide II band, C-O strekking en CH₂ schommelen, respectievelijk [23,24,25]. Aan de andere kant, ter vergelijking, de curve c in Fig. 5B toont het fenomeen dat wanneer γ-Fe₂ O₃ NP's waren ingebed, er werden geen duidelijke veranderingen in het FTIR-spectrum van composietvezelmembranen waargenomen. De karakteristieke piek van Fe-O-binding verschijnt bijvoorbeeld ook bij 557 cm⁻¹ zonder duidelijke verschuiving in het spectrum. We hebben echter een kleine verschuiving waargenomen bij 1073 cm⁻¹ in het composietvezelmembraan, wat een toename van de waterstofbinding tussen de PU en γ-Fe₂ betekent O₃ NP's [26].

De magnetisatiecurven van γ-Fe₂ O₃ NP's en samengestelde vezelmembranen bereid met/zonder hulpelektrode, zoals gemeten door VSM bij 300 K, vertoonden allemaal een typisch superparamagnetisch gedrag zonder duidelijke hysteresislus en magnetisatiewaarden van 58,3, 10,7 en 10,0 emu/g bij respectievelijk 15.000 Oe. , waaruit blijkt dat alle monsters superparamagnetisme bezitten (Fig. 6A) [5, 27]. De duidelijke afname van de magnetisatiewaarde van de twee soorten composietvezelmembranen in vergelijking met γ-Fe₂ O₃ NP's bij 15.000 Oe kunnen worden toegeschreven aan het bestaan van niet-magnetisch PU dat de magnetische nanodeeltjes bevat en de niet-homogene verdeling van de magnetische nanodeeltjes in samengestelde vezelmembranen [28, 29]. De magnetisatiewaarden van de twee soorten samengestelde vezelmembranen die met verschillende elektroden zijn vervaardigd, vertonen echter afwijking van de theoretische waarde berekend door de doteringsverhouding van γ-Fe₂ O₃ NP's. De hoeveelheid γ-Fe₂ O₃ NP's die in de samengestelde vezelmembranen zijn opgenomen, kunnen worden geschat met behulp van de vergelijking:

$$ \mathrm{Doping}\ \mathrm{ratio}\ \mathrm{of}\ \upgamma -{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3\ \mathrm{nanodeeltjes}=\kern0.5em \mathrm{Mb}/\mathrm{Ma}\times 100\% $$ (1)

een Veldafhankelijke magnetisatiecurven van (a ) γ-Fe₂ O₃ NP's en γ-Fe₂ O₃ /PU composietvezelmembranen vervaardigd (b ) met en (c ) zonder het gebruik van een hulpelektrode bij kamertemperatuur. b Thermogravimetrische krommen van (a ) γ-Fe₂ O₃ NP's, γ-Fe₂ O₃ /PU composietvezelmembranen vervaardigd (b ) met en (c ) zonder het gebruik van een hulpelektrode, en (d ) pure PU elektrospun vezelmembranen

waarbij Ma, Mb de magnetisatiewaarde zijn van zuiver γ-Fe₂ O₃ nanodeeltjes en composiet nanovezelmembranen bij respectievelijk 15.000 Oe. Volgens vgl. (1), de werkelijke doteringsverhoudingen zijn ongeveer 18,3% en 17,1% in de composietmembranen die zijn vervaardigd met/zonder de hulpelektrode. Naast de invloeden van zowel PU als de verdeling van magnetische nanodeeltjes in composietvezelmembranen, kan de precipitatie van γ-Fe₂ O₃ NP's tijdens het elektrospinproces spelen ook een cruciale rol in de magnetisatiewaarde. De nauwkeurige meting van de dopingverhouding van γ-Fe₂ O₃ NP's kunnen verder worden uitgevoerd door de thermogravimetrische analyse (TGA).

Om de gewichtsverhouding van γ-Fe₂ . te bevestigen O₃ NP's en thermische stabiliteit van composiet vezelmembranen, de TGA werd uitgevoerd (figuur 6B). Zoals de curve a in Fig. 6B laat zien, is de massa van γ-Fe₂ O₃ NP's nemen niet significant af met toenemende temperatuur. De initiële thermische ontledingstemperatuur (~~260 °C) van de composietvezelmembranen is lager dan die van het zuivere PU-vezelmembraan (~~305 °C), wat volledig voldoet aan de vereiste thermische stabiliteit van de composietvezelmembranen voor de magnetische warmtebehandeling (krommen b, c en d in figuur 6B). Vervolgens vertonen de PU-vezelmembranen in het temperatuurbereik van 305 tot 425 ° C een gestage degradatie (gebogen in Fig. 6B). Wanneer de temperatuur tot 500 °C bereikt, is er geen duidelijk restgewicht voor het PU-vezelmembraan in vergelijking met de samengestelde vezelmembranen. Uit de restfractie van samengestelde vezelmembranen kan worden afgeleid dat de γ-Fe₂ O₃ De doping van NP's in de composietmembranen is 19,1 gew.% en 20,4 gew.%, wat overeenkomt met de geschatte resultaten van VSM. Als we de resterende gewichtsverhoudingen van de samengestelde vezelmembranen die met/zonder een hulpelektrode zijn vervaardigd, vergelijken, is het duidelijk dat de toevoeging van de hulpelektrode de doteringshoeveelheid van de magnetische deeltjes in de samengestelde vezelmembranen niet beïnvloedt. Deze kleine afwijking van de ingebedde γ-Fe₂ O₃ NP's kunnen worden toegeschreven aan het elektrospinproces.

In vitro hyperthermie-metingen

Magnetische nanodeeltjes hyperthermie maakt gebruik van het vermogen van de superparamagnetische γ-Fe₂ O₃ NP's om warmte te genereren onder invloed van hoogfrequente AMF [30]. Het verliesmechanisme van de γ-Fe₂ O₃ NP's onder de AMF moeten worden overwogen, respectievelijk, of de γ-Fe₂ O₃ NP's zijn verspreid of geaggregeerd. Hoewel de warmteontwikkeling van het geaggregeerde γ-Fe₂ O₃ NPs wordt bepaald door het hystereseverlies en de intermoleculaire interactie [31], de gedispergeerde γ-Fe₂ O₃ NP's worden gegeven door de relaxatie van Brown en Néel [32]. En de γ-Fe₂ O₃ NP's zijn opgenomen en gefixeerd in de vezels, dus de vrije rotatie van γ-Fe₂ O₃ NP's kunnen worden uitgesloten, en Brown-relaxatie draagt niet bij aan de magnetische verwarming die plaatsvindt onder de AMF. Voor de ingebedde magnetische nanodeeltjes hebben alleen de hysteresisverliezen en Neel-relaxatie een kritische invloed op de opwarming van het magnetische omkeringsverlies. De werkelijke AMF-afhankelijke warmteopwekkingseigenschap van de γ-Fe₂ O₃ NP's gedoteerd in polymeervezels zijn niet gemakkelijk te schatten vanwege de complexe magnetische interactie van de gemengde fasen en de structuur van composietvezelmembranen, de lokale aggregatie en de gedeeltelijke dispersie van de γ-Fe₂ O₃ NP's [33]. Dus de werkelijke AMF-afhankelijke warmteopwekkingseigenschap van de gemengde structuur van het gedispergeerde en geaggregeerde γ-Fe₂ O₃ NP's in de vezelmat kunnen goed worden geëvalueerd door experimenteel thermisch gedrag. Daarom werd het magnetische conversie-effect uitgevoerd door composietvezelmembranen bloot te stellen aan een AMF. Afbeelding 7 toont de tijdsafhankelijke verwarmingscurves van pure PU-vezelmembranen en verschillende magnetische composietvezels. Zoals weergegeven in figuur 7a, was de temperatuurstijging 10,5 ± 0,4, 16,2 ± 0,3, 19,1 ± 0,5 en 24,4 ± 0,3 °C voor γ-Fe₂ O₃ /PU-A5, γ-Fe₂ O₃ /PU-A10, γ-Fe₂ O₃ /PU-A15 en γ-Fe₂ O₃ /PU-A20 composiet vezelmembranen, respectievelijk. En in Fig. 7b, overeenkomend met de composietmembranen die zijn bereid zonder toevoeging van een hulpelektrode, was de temperatuurstijging 4,2 ± 0,3, 5,1 ± 0,2, 6,7 ± 0,4 en 9,3 ± 0,2 °C voor γ-Fe₂ O₃ /PU-5, γ-Fe₂ O₃ /PU-10, γ-Fe₂ O₃ /PU-15 en γ-Fe₂ O₃ /PU-20 composietmembranen, respectievelijk. Er werd waargenomen dat de verwarmingstemperatuur van alle magnetische composietvezels snel toenam met de toename van de tijd en het leek uiteindelijk een evenwicht te bereiken en in wezen te behouden aan het einde van de examenperiode. Ook trad een progressieve toename van de verwarmingssnelheid en verwarmingstemperatuur op in zowel de samengestelde vezelachtige membranen die op twee verschillende manieren waren bereid, naarmate de tijd voor het vervaardigen van de magnetische samengestelde vezelige membranen toenam, en waarbij het bestaan van a-Fe₂ O₃ NP's werden bevestigd door XRD-diffractie en morfologische analyse. Tegelijkertijd was echter de verwarmingssnelheid van de met behulp van de hulpelektrode vervaardigde composietvezelmembranen hoger en was de stabiele temperatuur hoger dan die van de andere. Zo is de verwarmingssnelheid van de samengestelde vezelmembranen verkregen door 15 min elektrospinnen met behulp van de hulpelektrode 0,42 °C/sec en de evenwichtstemperatuur 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 met en 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 O₃ /PU composite fibrous membranes, γ-Fe₂ O₃ /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 O₃ /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

Conclusies

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.