Deposição precisa in situ assistida por campo elétrico de nanofibras eletrofiadas γ-Fe2O3 / poliuretano para hipertermia magnética

Resumo

Um método de eletrofiação facial de fabricação precisa in situ de membrana fibrosa magnética composta de nanofibras de poliuretano (PU) decoradas com γ-Fe superparamagnético ₂ O ₃ nanopartículas com geração simultânea de calor em resposta ao campo magnético alternado (AMF) são relatadas. Neste método, um eletrodo auxiliar de alumínio cônico é usado para regular o campo eletrostático e afetar o processo de eletrofiação para a deposição rápida e precisa in situ de eletrofiação γ-Fe ₂ O ₃ / Fibras de PU. O eletrodo cônico auxiliar pode estender a zona de estabilização do jato da solução precursora quatro vezes mais do que aquela sem o eletrodo auxiliar, o que pode alcançar o controle preciso da área de deposição da fibra. Além disso, as membranas fibrosas compósitas submetidas a eletrofiação mostram um rápido aumento de temperatura da temperatura ambiente para 43 ° C em 70 s sob o AMF, que exibe uma taxa de aquecimento mais rápida e uma temperatura de aquecimento mais alta em comparação com as amostras fabricadas sem a ajuda do eletrodo auxiliar. Os presentes resultados demonstram que a eletrofiação precisa in situ com o auxílio de um eletrodo cônico auxiliar tem potencial como método manipulativo para preparação de fibras magnéticas compostas, bem como hipertermia magnética na terapia do câncer.

Histórico

A hipertermia é outro tratamento eficaz após o tratamento tradicional do tumor, que pode ser utilizado em estratégias de multimodalidade, pois pode potencializar sinergicamente os efeitos antitumorais da quimioterapia, radioterapia e imunoterapia [1,2,3]. O mecanismo de uso da hipertermia como medida de tratamento do câncer é a sensibilidade das células cancerosas na faixa de 41 a 45 ° C, em contraste com as células saudáveis [4, 5]. A aplicação de nanopartículas magnéticas para o diagnóstico e terapia do câncer ainda é limitada pela má orientação, embora muitas estratégias de direcionamento tenham sido realizadas, como direcionamento magnético e direcionamento molecular [6, 7]. Se as partículas magnéticas são injetadas diretamente no corpo, são rapidamente eliminadas pelo sistema reticuloendotelial e enriquecidas em certos órgãos, como rim, fígado e baço, em vez do local do tumor [8]. Além disso, as nanopartículas magnéticas são injetadas localmente no tecido tumoral e preferem vazar do local do tumor devido ao seu pequeno tamanho [9]. Todos esses casos diminuem a eficácia da hipertermia das nanopartículas magnéticas. Em comparação com as nanopartículas magnéticas de hipertermia, a entrega precisa e local de nanopartículas de óxido de ferro (INOPs) às células cancerosas é a principal vantagem das fibras magnéticas compostas, que é um método de tratamento de hipertermia ideal para tumores facilmente acessíveis.

Em muitos relatos, membranas nanofibrosas compostas foram preparadas a partir de uma solução de polímero contendo uma dispersão de nanopartículas magnéticas previamente sintetizadas, que foram empregadas no tratamento da hipertermia [10,11,12,13]. No entanto, todos eles têm algumas desvantagens óbvias. Por exemplo, é difícil para as nanofibras previamente preparadas desenvolverem um revestimento homogêneo e contínuo na superfície do tecido tumoral, que seja fácil de quebrar e diretamente adverso a um selo apertado, e então leva à inadequação em tecido tumoral complexo . Como resultado, a eletrofiação precisa in situ no tecido tumoral pode ser uma boa estratégia não apenas para prevenir o descamação das membranas fibrosas compostas durante o processo de hipertermia magnética, mas também para aumentar a chance de aquecimento homogêneo no tecido tumoral.

A eletrofiação in situ precisa controlar com precisão a faixa de deposição em um tecido tumoral específico, o que pode evitar causar aderência tecidual grave, especialmente na cavidade abdominal [14]. Muitos pesquisadores relataram que a eletrofiação precisa in situ pode ser aplicada no campo da medicina [15]. Estudos recentes demonstraram o uso de dispositivo de eletrofiação in situ direcionado ao fluxo de ar para aumentar a deposição precisa de fibras poliméricas ultrafinas nos locais da ferida [16]. No entanto, o dispositivo de eletrofiação in situ direcionado ao fluxo de ar precisa adicionar uma bomba de ar extra, uma alça caseira adicional com uma cabeça de fieira e outro dispositivo auxiliado por fluxo de ar em comparação com o aparelho de eletrofiação tradicional e precisa coordenar o fluxo de ar e a relação entre a velocidade e a tensão, o que torna complicado o funcionamento do aparelho. A eletrofiação assistida por campo magnético também é uma forma eficaz de preparar fibras eletrofiadas ordenadas e controlar a faixa de deposição das fibras eletrofiadas [17]. Os polímeros macromoleculares que incorporam partículas magnéticas suficientes podem induzir susceptibilidade magnética suficiente à solução polimérica. Yang et al. [18] relataram uma abordagem para a fabricação de matrizes bem alinhadas e grades multicamadas por um método chamado eletrofiação magnética (MES). No MES, uma pequena quantidade de nanopartículas magnéticas é adicionada para magnetizar a solução de polímero. Um campo magnético gerado por dois ímãs permanentes posicionados paralelamente é aplicado durante a eletrofiação e o campo magnético estica as fibras através da lacuna para formar uma matriz paralela. No entanto, a eletrofiação assistida por campo magnético só pode ser utilizada para a preparação de fibras magnéticas, o que não tem efeito no processo de fiação de fibras não magnéticas. Em contraste, o uso de um eletrodo auxiliar na eletrofiação precisa in situ para obter as membranas fibrosas compostas magnéticas é um método mais simples, eficaz e universal.

Aqui, desenvolvemos uma deposição precisa in situ de membranas fibrosas compostas com γ-Fe ₂ incorporado O ₃ NPs por um spinner eletrostático portátil que adiciona um eletrodo auxiliar cônico de alumínio no local da cabeça giratória para regular a direção de deposição e a extensão das fibras magnéticas compostas. O presente estudo tem como objetivo explorar a influência do eletrodo auxiliar nas membranas fibrosas compostas magnéticas, cuja morfologia e desempenho podem ser alterados. Em comparação com a abordagem convencional, esta técnica pode muito rapidamente, depositar com precisão fibras nanoestruturadas em tecido tumoral complexo e irregular para formar membranas contínuas, compactas e flexíveis com excelente integridade, que atua como uma fonte poderosa para aquecer localmente a região do tumor até a temperatura desejada sem superaquecer os tecidos saudáveis circundantes e para prevenir possível crescimento do tumor ou aumentar os efeitos antitumorais da quimioterapia, radioterapia e imunoterapia. Estudos in vitro mostraram que o γ-Fe eletrofiado ₂ O ₃ / As membranas de fibra magnética de PU têm excelente eficácia terapêutica para hipertermia mediada por magnetismo. Além disso, a estabilidade ao calor de γ-Fe ₂ O ₃ / Membranas fibrosas compostas de PU também foram demonstradas pela excitação de campo magnético repetida.

Métodos / Experimental

Materiais

γ-Fe ₂ O ₃ nanopartículas (γ-Fe ₂ O ₃ NPs, 10 nm, phere, 99,5%, Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. China), pellets de poliuretano de grau de poliéter de alto peso molecular (PU, WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes Co., Ltd., China) e N , N -dimetilformamida (DMF ≥ 99,5%, Pharm Chemical Reagent Co, Ltd., China) foram usados como recebidos sem pureza adicional.

Preparação de eletrofiação γ-Fe ₂ O ₃ / Nanofibras magnéticas PU

Para dispersar γ-Fe ₂ O ₃ NPs em DMF, 0,54 g de nanopó foram adicionados a 2,5 g de DMF, após o que a mistura foi exposta ao ultrassom por 4 h em uma garrafa de cone. A solução pura de poliuretano foi preparada dissolvendo grânulos de PU de 1,8 g em solvente DMF de 7,5 g e agitando a 40 ° C. Em seguida, a solução de PU foi vertida no γ-Fe ₂ O ₃ Dispersão de NPs e vigorosamente agitada por 30 min por um agitador mecânico caseiro. Finalmente, a mistura da solução foi ainda dispersa por sonicação por mais 24 h a 50 ° C antes da eletrofiação.

No processo de eletrofiação, adotamos um spinner eletrostático portátil para a fabricação de fibras magnéticas. Como mostrado na Fig. 1a, o girador eletrostático portátil tem um dispositivo giratório portátil em forma de pistola. Conforme mostrado na imagem ampliada da cabeça giratória, um eletrodo auxiliar cônico com diâmetro de 4 cm na parte inferior foi fixado na fieira, que pode controlar e regular o campo eletrostático para a rápida deposição das fibras até a espessura ideal. Esse dispositivo de eletrofiação utilizou uma seringa plástica de 5 mL (Becton Dichinson), na qual foi fixada uma ponta de agulha com diâmetro interno de 0,7 mm. A solução do precursor de eletrofiação foi carregada na seringa e comprimida por uma bomba de seringa do dispositivo. A eletrofiação foi realizada em uma tensão aplicada variando entre 10 ~ 15 kV, com uma distância do ápice ao coletor de 10 cm e uma taxa de alimentação constante de 33 μL / min. O coletor pode ser folha de alumínio, a pele e até mesmo a superfície do tecido tumoral. Sob o efeito da força do campo eletrostático, a solução do precursor de eletrofiação comprimida por uma bomba de seringa foi esticada, clivada em nanofibra no ar e, finalmente, depositada na superfície do coletor. Após diferentes tempos de rotação de 5, 10, 15 e 20 min, diferentes espessuras das membranas de fibra magnética foram obtidas e denotadas como γ-Fe ₂ O ₃ / PU-A5, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-A10, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-A15 e γ-Fe ₂ O ₃ / PU-A20, respectivamente. Além disso, o γ-Fe ₂ O ₃ / Membranas fibrosas compostas de PU também foram preparadas no mesmo tempo e condições de eletrofiação, mas sem o eletrodo auxiliar durante a eletrofiação e foram denotadas como γ-Fe ₂ O ₃ / PU-5, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-10, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-15 e γ-Fe ₂ O ₃ / PU-20, respectivamente. Todos os procedimentos foram realizados de acordo com as diretrizes do National Institutes of Health para o uso de animais de laboratório e com a aprovação do Comitê de Pesquisa Animal do Chanceler da Universidade.

Caracterização

A estrutura morfológica da superfície e os diâmetros do γ-Fe ₂ O ₃ / Membranas nanofibrosas compostas de PU foram determinadas por microscopia eletrônica de varredura (SEM, TM-1000, Hitachi). O tamanho e a distribuição das partículas magnéticas foram caracterizados em microscópio eletrônico de transmissão (TEM, JEM-200EX). A análise de difração de pó de raios-X (XRD, goniômetro de anjo largo RINT2000) foi realizada usando um difratômetro de raios-X Rigaku. A composição química e a estrutura molecular das membranas de nanofibras foram determinadas usando um espectrômetro de infravermelho com transformador de Fourier (FTIR) (Thermo Scientific Nicolet iN10). A análise termogravimétrica (TGA) das membranas de composição foi realizada a uma taxa de aquecimento de 10 ° C / min de 30 a 600 ° C sob a proteção do fluxo de nitrogênio. Propriedades magnéticas de γ-Fe ₂ O ₃ / PU foram medidos pelo magnetômetro de amostra de vibração (VSM, Quantum Design Corporation) de -15.000 a 15.000 Oe.

Experimento de aquecimento magnético

O AMF animado usado para induzir o tratamento de aquecimento foi produzido por um gerador de campo magnético alternado (SP-04AC Shenzhen Shuangping Power Technology Co., Ltd.), cuja potência nominal era de 3 kW e a bobina de indução refrigerada a água era feita de cobre, com um bobina de duas afinações e diâmetro interno de 30 mm (Fig. 1b). A intensidade máxima do campo magnético do gerador AMF e a frequência do campo magnético foram 12,5 Oe e 153 kHz, respectivamente. As membranas fibrosas em forma cilíndrica foram colocadas no centro da bobina de cobre [19, 20]. Para medir as características de aquecimento das membranas fibrosas, o detector infravermelho de temperatura foi fixado sobre as membranas das fibras e a mudança de temperatura dos filmes de nanofibras foi registrada em tempo real.

Resultado e discussão

Deposição precisa por meio de eletrofiação in situ

Foi realizada uma comparação na faixa de deposição entre eletrofiação com e sem eletrodo auxiliar. Conforme mostrado na Fig. 2, sob as mesmas condições externas (temperatura, tensão, distância, umidade, velocidade de rotação, fluido precursor de rotação, diâmetro da agulha rotativa, etc.), a faixa de deposição da membrana fibrosa preparada usando o eletrodo auxiliar (diâmetro de 1,8 cm) foi significativamente menor do que a da fibra eletrofiada sem o uso do eletrodo auxiliar (diâmetro de 4,6 cm). No processo de eletrofiação tradicional, o fluido precursor de fiação se divide, chicoteia e se estica em fibra micro / nanoescala no ar e, finalmente, se deposita no coletor para formar uma membrana de tecido não tecido [21]. No entanto, na região instável do jato em rotação, a distribuição espacial cônica do jato aumenta a faixa de deposição da fibra e reduz a precisão da deposição da fibra. Quando modificado com um eletrodo auxiliar, a divisão e chicotadas do jato precursor giratório são suprimidos e o alcance da região de estabilização do jato torna-se grande e flutua em uma faixa muito estreita. Conforme mostrado na Fig. 2a, b, sem o auxílio do eletrodo auxiliar, a zona de estabilização do jato da solução precursora foi de 0,96 cm. E com o auxílio do eletrodo auxiliar, a zona de estabilização do jato da solução precursora foi ampliada em 4 cm, quatro vezes maior do que sem o eletrodo auxiliar. Na mesma distância de fiação, a extensão da zona de estabilização ajuda a reduzir a faixa de deposição de fiação e a conseguir uma fiação precisa in situ. Conforme mostrado na Fig. 2c, d, as faixas de deposição de membranas fibrosas compostas preparadas sem e com o auxílio de um eletrodo auxiliar são regiões circulares cujos diâmetros são 4,6 e 1,8 cm, respectivamente. O resultado demonstra que o eletrodo auxiliar pode efetivamente reduzir a faixa de deposição durante o processo de eletrofiação. A Figura 2e mostra a tendência da espessura da membrana de fibra submetida a eletrofiação ao longo do tempo. Com a ajuda do eletrodo auxiliar, a eletrofiação rápida pode ser alcançada e, após 30 min, a espessura da membrana composta depositada é cerca de quatro vezes mais espessa do que a preparada por outro método de eletrofiação. É claro que sob a mediação do eletrodo auxiliar, o jato de eletrofiação tem uma faixa de deposição mais precisa e uma película fibrosa com uma certa espessura pode ser formada em um curto espaço de tempo, o que tem grande significado na execução da rotação precisa in situ e na realização a rápida eletrofiação no seguinte experimento de hipertermia magnética.

Propriedades morfológicas, estruturais e magnéticas

As imagens SEM de membranas fibrosas de PU e membranas compostas preparadas com / sem um eletrodo auxiliar são mostradas na Fig. 3. Como é aparente na Fig. 3a, e, b e f, as membranas fibrosas de PU com tamanho sub-micro, alto porosidade e orientação ordenada aleatória preparada com e sem um eletrodo auxiliar são ambas as matrizes relativamente livres de grânulos e suaves de fibras de intertravamento. De acordo com as análises estatísticas que são inseridas nos cantos superiores esquerdos das imagens SEM, as faixas de diâmetros das membranas fibrosas de PU que são preparadas de duas maneiras diferentes são 700–1900 nm e 1100–2300 nm, respectivamente, e a fibra média os diâmetros deles são cerca de 1390 e 1670 nm, respectivamente. Obviamente, os diâmetros das fibras das membranas fibrosas de PU preparadas com um eletrodo auxiliar são um pouco mais espessas que as do outro, o que poderia ser atribuído à restrição do campo eletrostático por um eletrodo auxiliar. A adição do eletrodo auxiliar restringe o campo elétrico e limita ainda mais o chicoteamento e alongamento das fibras fiadas, de modo que as fibras fiadas são relativamente mais espessas do que aquelas fabricadas de forma onde os eletrodos auxiliares não são adicionados. Como mostrado na Fig. 3c, g, d e h, a adição de γ-Fe ₂ O ₃ NPs altera ligeiramente a morfologia da superfície e o diâmetro das fibras, mas não altera a geometria e a estrutura porosa das membranas fibrosas compostas em comparação com o PU. Após a incorporação de γ-Fe ₂ O ₃ NPs, o diâmetro da fibra foi reduzido para 850 nm e a superfície das fibras exibiu uma rugosidade aumentada, o que pode ser devido à dispersão de γ-Fe ₂ O ₃ NPs nas / nas fibras PU devido à sua alta relação superfície-volume [22]. No entanto, as membranas fibrosas compostas preparadas usando um eletrodo auxiliar tornam-se menos lisas (Fig. 3d). Portanto, além dos efeitos das partículas magnéticas, a adição do eletrodo auxiliar durante o processo de eletrofiação inibe o chicote das fibras e a volatilização do solvente é incompleta, fazendo com que a superfície da fibra fique mais rugosa. Após a adição de γ-Fe ₂ O ₃ nanopartículas, além da mudança na morfologia microscópica das nanofibras, a cor das membranas de nanofibras compostas também mudou de branco para marrom claro, permanecendo inalterada após várias lavagens.

A fim de caracterizar ainda mais a dispersão de γ-Fe ₂ O ₃ NPs incorporados nas membranas magnéticas, analisamos a imagem TEM da membrana de fibra composta em detalhes. Como pode ser observado na Fig. 4, o γ-Fe ₂ O ₃ NPs estão bem dispersos e a maioria deles está firmemente encapsulada dentro das nanofibras, evitando assim seu possível vazamento e migração quando usados como materiais substrato para hipertermia magnética. O γ-Fe ₂ O ₃ NPs apresentam boa dispersão e nenhuma aglomeração na fibra, o que significa que o eletrodo auxiliar não interfere na distribuição uniforme das partículas magnéticas.

A Figura 5A mostra os padrões de XRD de membranas de fibra PU puras, γ-Fe ₂ O ₃ nanopartículas magnéticas e eletrofiação γ-Fe ₂ O ₃ / Membranas fibrosas compostas de PU. Verificou-se que os espectros de XRD do eletrofiação γ-Fe ₂ O ₃ / Membranas nanofibrosas compostas de PU e membranas de fibra PU simples exibem um amplo pico, apontando um símbolo típico para materiais de baixo cristalino. Este resultado comprova que a membrana fibrosa de PU preparada possui baixa cristalinidade. No entanto, as posições e intensidades relativas de alguns novos picos da membrana composta concordam bem com o cartão de difração padrão JCPDS 39-1346, que são correspondentes a (220), (311), (400), (511) e (440 ) picos característicos de γ-Fe ₂ O ₃ nanopartículas magnéticas. Comparado com o γ-Fe ₂ O ₃ NPs, a diminuição significativa da intensidade do pico de difração de membranas fibrosas compostas pode ser atribuída à combinação física entre γ-Fe ₂ O ₃ Membranas fibrosas NPs e PU sem reação química.

Para determinar a estrutura molecular das membranas fibrosas compostas, os espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) das amostras foram analisados na faixa espectral de 400-4000 cm ⁻¹ (Fig. 5B). As atribuições das bandas principais estão listadas na Tabela 1. A curva a na Fig. 5B apresenta um pico de absorção fraco e amplo observado em torno de 3347 cm ⁻¹ , correspondendo à vibração de alongamento O-H de H ₂ O devido à absorção de umidade em γ-Fe ₂ O ₃ NPs. Além disso, uma banda forte em 557 cm ⁻¹ pode ser atribuído à frequência vibracional da ligação Fe-O. Conforme mostrado pela curva b na Fig. 5B, a banda de absorção forte de membranas PU submetidas a eletrofiação a 3328 cm ^-1 pode ser atribuído ao alongamento N-H; a banda em 2919 cm ⁻¹ é atribuído à vibração de alongamento da ligação C-H no PU; as bandas em 1704, 1729, 1529, 1073 e 771 cm ⁻¹ surgem da vibração de flexão assimétrica C-H,> vibrações de alongamento C =H, banda de amida II, alongamento C-O e CH ₂ balanço, respectivamente [23,24,25]. Por outro lado, por comparação, a curva c na Fig. 5B mostra o fenômeno que quando γ-Fe ₂ O ₃ NPs foram incorporados, nenhuma mudança evidente no espectro de FTIR de membranas fibrosas compostas foi observada. Por exemplo, o pico característico da ligação Fe-O também aparece em 557 cm ⁻¹ sem mudança óbvia no espectro. No entanto, observamos uma ligeira mudança em 1073 cm ⁻¹ na membrana de fibra composta, o que significa um aumento na ligação de hidrogênio entre o PU e γ-Fe ₂ O ₃ NPs [26].

As curvas de magnetização de γ-Fe ₂ O ₃ NPs e membranas fibrosas compostas preparadas com / sem um eletrodo auxiliar, conforme medido por VSM a 300 K, todos revelaram um comportamento superparamagnético típico sem loop de histerese distinto e valores de magnetização de 58,3, 10,7 e 10,0 emu / g a 15.000 Oe, respectivamente , o que mostra que todas as amostras possuem superparamagnetismo (Fig. 6A) [5, 27]. A diminuição óbvia no valor de magnetização dos dois tipos de membranas fibrosas compostas em comparação com γ-Fe ₂ O ₃ NPs em 15.000 Oe podem ser atribuídos à existência de PU não magnético contendo as nanopartículas magnéticas e à distribuição não homogênea das nanopartículas magnéticas em membranas fibrosas compostas [28, 29]. No entanto, os valores de magnetização dos dois tipos de membranas fibrosas compostas preparadas usando eletrodos diferentes mostram desvio do valor teórico calculado pela razão de dopagem de γ-Fe ₂ O ₃ NPs. A quantidade de γ-Fe ₂ O ₃ NPs incorporados nas membranas fibrosas compostas podem ser estimados usando a equação:
$$ \ mathrm {Doping} \ \ mathrm {ratio} \ \ mathrm {of} \ \ upgamma - {\ mathrm {Fe}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 3 \ \ mathrm {nanopartículas} =\ kern0.5em \ mathrm {Mb} / \ mathrm {Ma} \ times 100 \% $$ (1)

onde Ma, Mb são o valor de magnetização de puro γ-Fe ₂ O ₃ nanopartículas e membranas nanofibrosas compostas a 15.000 Oe, respectivamente. De acordo com a Eq. (1), as taxas reais de dopagem são de cerca de 18,3% e 17,1% nas membranas compostas preparadas com / sem o eletrodo auxiliar. Além das influências de PU e da distribuição de nanopartículas magnéticas em membranas fibrosas compostas, a precipitação de γ-Fe ₂ O ₃ NPs durante o processo de eletrofiação também desempenham um papel crítico no valor de magnetização. A medição precisa da razão de dopagem de γ-Fe ₂ O ₃ NPs podem ainda ser realizados pela análise termogravimétrica (TGA).

A fim de confirmar a proporção de peso de γ-Fe ₂ O ₃ NPs e estabilidade térmica de membranas fibrosas compostas, o TGA foi realizado (Fig. 6B). Como mostra a curva a na Fig. 6B, a massa de γ-Fe ₂ O ₃ NPs não diminui significativamente com o aumento da temperatura. A temperatura inicial de decomposição térmica (~ 260 ° C) das membranas fibrosas compostas é menor do que a da membrana fibrosa PU pura (~ 305 ° C), o que satisfaz completamente a estabilidade térmica exigida das membranas fibrosas compostas para o tratamento térmico magnético (curvas b, c e d na Fig. 6B). Então, na faixa de temperatura de 305 a 425 ° C, as membranas fibrosas de PU mostram uma degradação constante (curvada na Fig. 6B). Quando a temperatura atinge até 500 ° C, não há obviamente nenhum peso residual para a membrana fibrosa de PU em comparação com as membranas fibrosas compostas. Pode-se inferir da fração residual das membranas fibrosas compostas que o γ-Fe ₂ O ₃ A dopagem de NPs nas membranas compostas é de 19,1% em peso e 20,4% em peso, o que corresponde aos resultados estimados de VSM. Comparando as relações de peso residual das membranas fibrosas compostas preparadas com / sem um eletrodo auxiliar, é óbvio que a adição do eletrodo auxiliar não afeta a quantidade de dopagem das partículas magnéticas nas membranas fibrosas compostas. Este pequeno desvio do γ-Fe ₂ incorporado O ₃ NPs podem ser atribuídos ao processo de eletrofiação.

Medições de hipertermia in vitro

A hipertermia de nanopartículas magnéticas utiliza a capacidade do γ-Fe superparamagnético ₂ O ₃ NPs para gerar calor sob a ação de AMF de alta frequência [30]. O mecanismo de perda do γ-Fe ₂ O ₃ NPs sob o AMF devem ser considerados, respectivamente, se o γ-Fe ₂ O ₃ NPs são dispersos ou agregados. Embora a geração de calor do γ-Fe agregado ₂ O ₃ NPs é determinado pela perda de histerese e a interação intermolecular [31], o γ-Fe disperso ₂ O ₃ NPs são dados pelo relaxamento de Brown e Néel [32]. E o γ-Fe ₂ O ₃ NPs são incorporados e fixados dentro das fibras, de modo que a rotação livre de γ-Fe ₂ O ₃ NPs podem ser excluídos e o relaxamento de Brown não contribui para o aquecimento magnético que ocorre sob o AMF. Para as nanopartículas magnéticas incorporadas, apenas as perdas por histerese e relaxação de Neel têm um impacto crítico no aquecimento da perda por reversão magnética. A propriedade real de geração de calor dependente de AMF do γ-Fe ₂ O ₃ NPs dopados em fibras poliméricas não são fáceis de estimar devido à complexa interação magnética das fases mistas e da estrutura das membranas fibrosas compostas, a agregação local e a dispersão parcial do γ-Fe ₂ O ₃ NPs [33]. Assim, a propriedade real de geração de calor dependente de AMF da estrutura mista do γ-Fe disperso e agregado ₂ O ₃ NPs no tapete de fibra podem ser avaliados adequadamente pelo comportamento térmico experimental. Portanto, o efeito de conversão magnética foi realizado pela exposição de membranas fibrosas compostas a um AMF. A Figura 7 exibe as curvas de aquecimento dependentes do tempo de membranas fibrosas de PU puro e diferentes fibras magnéticas compostas. Como mostrado na Fig. 7a, o aumento da temperatura foi de 10,5 ± 0,4, 16,2 ± 0,3, 19,1 ± 0,5 e 24,4 ± 0,3 ° C para γ-Fe ₂ O ₃ / PU-A5, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-A10, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-A15 e γ-Fe ₂ O ₃ / Membranas fibrosas compostas PU-A20, respectivamente. E na Fig. 7b, correspondente às membranas compostas preparadas sem a adição de um eletrodo auxiliar, o aumento de temperatura foi de 4,2 ± 0,3, 5,1 ± 0,2, 6,7 ± 0,4 e 9,3 ± 0,2 ° C para γ-Fe ₂ O ₃ / PU-5, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-10, γ-Fe ₂ O ₃ / PU-15 e γ-Fe ₂ O ₃ / Membranas compostas PU-20, respectivamente. Observou-se que a temperatura de aquecimento de todas as fibras magnéticas compostas aumentava rapidamente com o passar do tempo e parecia eventualmente atingir e manter basicamente um equilíbrio ao final do período de exame. Além disso, um aumento progressivo na taxa de aquecimento e na temperatura de aquecimento emergiu em ambas as membranas fibrosas compostas preparadas de duas maneiras diferentes, conforme o tempo de preparação das membranas fibrosas compostas magnéticas aumentava, e em que a existência de γ-Fe ₂ O ₃ NPs foi confirmado por difração de XRD e análise morfológica. Porém, no mesmo tempo de preparo, a velocidade de aquecimento das membranas fibrosas compostas preparadas com o auxílio do eletrodo auxiliar foi mais rápida e a temperatura de estabilidade foi superior à do outro. Por exemplo, a taxa de aquecimento das membranas fibrosas compostas obtidas por eletrofiação por 15 min com o auxílio do eletrodo auxiliar é de 0,42 ° C / s, e a temperatura de equilíbrio é de 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.

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 O ₃ /PU composite fibrous membranes, γ-Fe₂ O 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 O 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.

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.

Conclusões

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.