Snelle, gerichte magnetische hyperthermie met auxiliair-geleide γ-Fe₂O₃/polyurethane elektrogesponnen vezels

Samenvatting

Wij presenteren een eenvoudige elektrospintechniek die magnetische polyurethaan (PU) nanovezels precies deposeert gedecoreerd met superparamagnetische γ-Fe₂O₃ nanopartikelen. Een conische aluminium auxiliare elektrode verlengt de straal-stabilisatiezone, wat viervoudige controle over het depositiegebied mogelijk maakt. De resulterende composietmembranen bereiken 43 °C binnen 70 s onder een 12,5 Oe, 153 kHz wisselend magnetisch veld (AMF), wat membranen gefabriceerd zonder de auxiliare elektrode overtreft. Deze methode biedt een manipuleerbare route voor het produceren van magnetische vezels en gelokaliseerde magnetische hyperthermie geschikt voor kankertherapie.

Achtergrond

Magnetische hyperthermie exploiteert de warmte gegenereerd door superparamagnetische nanopartikelen in een AMF, selectief tumor-temperaturen verhogend tot 41–45 °C zonder gezonde weefsels te schaden. Traditionele systemische afgifte van ijzeroxide-nanopartikelen lijdt onder snelle clearance en slechte tumor-accumulatie, wat therapeutische effectiviteit beperkt. Het inbedden van γ-Fe₂O₃ nanopartikelen in elektrogesponnen vezels adresseert deze kwesties door de verwarmingsbron te lokaliseren en intiem contact met tumorweefsel te garanderen.

Conventionele elektrospinning mengt vooraf gesynthetiseerde nanopartikelen in polymere oplossingen, maar levert membranen op die moeilijk uniform toe te passen zijn op onregelmatige tumoroppervlakken en die tijdens behandeling kunnen lossen. In situ elektrospinning — vezels direct op doelteweefsels depositeren — omzeilt deze beperkingen. Eerder werk gebruikte luchtstroom of magnetische velden om depositie te sturen, maar deze benaderingen voegen complexiteit toe of beïnvloeden alleen magnetische polymeren. Het introduceren van een conische auxiliare elektrode biedt een eenvoudige, universele manier om depositiegeometrie te verfijnen terwijl vezelintegriteit behouden blijft.

Methoden

Materialen

γ-Fe₂O₃ nanopartikelen (10 nm, 99,5% zuiverheid, Shanghai Macklin Biochemical Co.) en hoog-moleculair polyurethaan (WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes) werden opgelost in N,N-dimetylformamide (DMF, 99,5%) zonder verdere zuivering.

Bereiding van γ-Fe₂O₃/PU Composietvezels

Nanopartikelen werden gedispergeerd in DMF door 4 uur ultrasonificatie, gevolgd door menging met een PU/DMF-oplossing (1,8 g PU in 7,5 g DMF). De mengsel werd vigoros 30 minuten geroerd, daarna 24 uur gesonicatieerd bij 50 °C voor elektrospinning.

Elektrospinning Opstelling

Een handgehouden pistoolvormige spinner incorporeerde een 4 cm diameter conische auxiliare elektrode beneden de naaldtop (0,7 mm ID). De 5 mL spuit pompte de oplossing met 33 µL min⁻¹ terwijl een spanning van 10–15 kV toegepast werd over een 10 cm naald-collector afstand. De collector kon aluminiumfolie, huid of tumorweefsel zijn. Vezelmembranen werden 5, 10, 15 en 20 minuten verzameld, wat monsters opleverde gelabeld γ-Fe₂O₃/PU-A5, –A10, –A15 en –A20. Controle-membranen werden identiek gefabriceerd maar zonder de auxiliare elektrode, gelabeld γ-Fe₂O₃/PU-5, –10, –15 en –20.

Karakterisering

SEM (Hitachi TM-1000) onthulde vezelmorfologie; TEM (JEM-200EX) beoordeelde nanopartikeldispersie; XRD (Rigaku RINT2000) identificeerde kristallijne fasen; FTIR (Thermo Nicolet iN10) bevestigde chemische structuur; TGA (10 °C min⁻¹, N₂-atmosfeer) evalueerde thermische stabiliteit; VSM (Quantum Design) meet magnetische eigenschappen. Magnetische verwarming werd beoordeeld door cilindrische membranen in een 30 mm koperen spoel (12,5 Oe, 153 kHz) te plaatsen en temperatuur op te nemen met een infrarooddetector.

Resultaten en Discussie

Precieze Depositie via Auxiliare Elektrode

Met de elektrode strekte de straal-stabilisatiezone uit tot 4 cm versus 0,96 cm zonder, wat depositiediameter verminderde van 4,6 cm tot 1,8 cm. Deze insluiting stelt snelle, gelokaliseerde vezeldepositie toe en significant dikker membranen (viervoudige toename na 30 min) vergeleken met conventionele spinning.

Morfologie en Samenstelling

SEM-afbeeldingen tonen kralen-vrije, poreuze vezels met gemiddelde diameters van 1,39 µm (zonder elektrode) en 1,67 µm (met elektrode). Inbedden van γ-Fe₂O₃ verminderde diameter licht tot 0,85 µm en verhoogde oppervlakteruwing, terwijl de auxiliare elektrode bescheidene oppervlakte-onregelmatigheden introduceerde door beperkte oplosmiddelverdamping.

TEM bevestigde uniforme dispersie van 10 nm nanopartikelen, grotendeels ingekapseld binnen vezels — cruciaal om leaching tijdens hyperthermie te voorkomen. XRD-patronen toonden brede PU-pieken en karakteristieke γ-Fe₂O₃-reflecties (220, 311, 400, 511, 440). FTIR-spectra onthulden geen nieuwe bindingen, wat fysieke menging aangeeft. VSM-krommen toonden superparamagnetisch gedrag: γ-Fe₂O₃ nanopartikelen (58,3 emu g⁻¹ bij 15 kOe) versus composieten (≈10 emu g⁻¹). TGA toonde composiet-ontleding aanvang bij ~260 °C, geschikt voor AMF-toepassing; residueel gewicht gaf ~19–20 wt% nanoparticellading aan.

Magnetische Hyperthermie Prestaties

Onder AMF bereikten membranen met de auxiliare elektrode hogere temperatuurstijgingen en snellere verwarmingssnelheden. Voor een 15 minuten-gesponnen membraan bereikte het evenwichtstemperatuur 44,3 °C bij 0,42 °C s⁻¹, vergeleken met 24,4 °C (0,24 °C s⁻¹) voor de niet-elektrode tegenhanger. Cyclische verwarmingstesten over drie AMF-cycli toonden stabiele temperatuurprofielen, wat robuuste herhaalbaarheid demonstreert.

In Situ Toepassing

Met de draagbare spinner werden magnetische vezels gedeponeerd op een menselijke handoppervlak, wat een litteken bedekte met een naadloze, huid-achtige membraan terwijl omringend weefsel gespaard bleef — wat de precisie en veelzijdigheid van de methode voor klinische scenario's illustreert.

Conclusies

Het integreren van een conische auxiliare elektrode in een handgehouden elektrospinningsysteem maakt snelle, precieze depositie van γ-Fe₂O₃/PU composietmembranen mogelijk met superieure magnetische verwarmingsefficiëntie en cyclische stabiliteit. Deze techniek biedt een praktisch platform voor gelokaliseerde magnetische hyperthermie in kankertherapie, potentiëel synergistische effecten versterkend met chemotherapie, radiotherapie of immunotherapie.

Afkortingen

• AMF – Wisselend magnetisch veld
• DMF – N,N-Dimetylformamide
• FTIR – Fourier-transformatie infraroodspectroscopie
• INOPs – Ijzeroxide-nanopartikelen
• MES – Magnetische elektrospinning
• PU – Polyurethaan
• SEM – Scanning elektronenmicroscopie
• TEM – Transmissie elektronenmicroscopie
• TGA – Thermogravimetrische analyse
• VSM – Trillend-monstermagnetometer
• XRD – Röntgenpoederdiffractie