Hipertermia Magnética Rápida e Direcionada com Fibras Eletrofidas de γ-Fe₂O₃/Poliuretano Guiadas por Eletrodo Auxiliar

Resumo

Apresentamos uma técnica de eletrofiação facial que deposita precisamente nanofibras magnéticas de poliuretano (PU) decoradas com nanopartículas superparamagnéticas de γ-Fe₂O₃. Um eletrodo auxiliar cônico de alumínio estende a zona de estabilização do jato, permitindo controle quadruplo sobre a área de deposição. As membranas compósitas resultantes atingem 43 °C dentro de 70 s sob campo magnético alternado (AMF) de 12,5 Oe, 153 kHz, superando membranas fabricadas sem o eletrodo auxiliar. Este método oferece rota manipulável para produzir fibras magnéticas e hipertermia magnética localizada adequada para terapia de câncer.

Fundamentação

Hipertermia magnética explora o calor gerado por nanopartículas superparamagnéticas em um AMF, elevando seletivamente temperaturas de tumor a 41–45 °C sem prejudicar tecido saudável. Entrega sistêmica tradicional de nanopartículas de óxido de ferro sofre de rápida depuração e pobre acúmulo tumoral, limitando eficácia terapêutica. Incorporar nanopartículas de γ-Fe₂O₃ dentro de fibras eletrofidas aborda estas questões localizando a fonte de calor e assegurando contato íntimo com tecido tumoral.

Eletrofiação convencional mistura nanopartículas pré-sintetizadas em soluções de polímero, mas resulta em membranas difíceis de aplicar uniformemente em superfícies tumorais irregulares e que podem se desprender durante tratamento. Eletrofiação in situ — depositando fibras diretamente sobre tecidos alvo — contorna estas limitações. Trabalhos prévios usaram fluxo de ar ou campos magnéticos para guiar deposição, ainda estas abordagens adicionam complexidade ou apenas afetam polímeros magnéticos. Introduzir um eletrodo auxiliar cônico fornece meio simples e universal para refinar geometria de deposição enquanto preserva integridade da fibra.

Métodos

Materiais

Nanopartículas de γ-Fe₂O₃ (10 nm, 99,5% pureza, Shanghai Macklin Biochemical Co.) e poliuretano de alto peso molecular (WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes) foram dissolvidos em N,N-dimetilformamida (DMF, 99,5%) sem purificação adicional.

Preparação de Fibras Compósitas γ-Fe₂O₃/PU

Nanopartículas foram dispersas em DMF por 4 h de ultrassom, seguido por mistura com solução PU/DMF (1,8 g PU em 7,5 g DMF). A mistura foi agitada vigorosamente por 30 min, então sonicada por 24 h a 50 °C antes da eletrofiação.

Setup de Eletrofiação

Um spinner portátil em forma de pistola incorporou um eletrodo auxiliar cônico de 4 cm de diâmetro abaixo da ponta da agulha (0,7 mm ID). A seringa de 5 mL bombeou a solução a 33 µL min⁻¹ enquanto tensão de 10–15 kV foi aplicada sobre distância ponta-coletor de 10 cm. O coletor poderia ser folha de alumínio, pele ou tecido tumoral. Membranas fibrosas foram coletadas por 5, 10, 15 e 20 min, resultando em amostras rotuladas γ-Fe₂O₃/PU-A5, –A10, –A15 e –A20. Membranas controle foram fabricadas identicamente mas sem o eletrodo auxiliar, rotuladas γ-Fe₂O₃/PU-5, –10, –15 e –20.

Caracterização

SEM (Hitachi TM-1000) revelou morfologia da fibra; TEM (JEM-200EX) avaliou dispersão de nanopartículas; XRD (Rigaku RINT2000) identificou fases cristalinas; FTIR (Thermo Nicolet iN10) confirmou estrutura química; TGA (10 °C min⁻¹, atmosfera N₂) avaliou estabilidade térmica; VSM (Quantum Design) mediu propriedades magnéticas. Aquecimento magnético foi avaliado colocando membranas cilíndricas em bobina de cobre de 30 mm (12,5 Oe, 153 kHz) e registrando temperatura com detector infravermelho.

Resultados e Discussão

Deposição Precisa via Eletrodo Auxiliar

Com o eletrodo, a zona de estabilização do jato estendeu-se a 4 cm versus 0,96 cm sem ele, reduzindo diâmetro de deposição de 4,6 cm para 1,8 cm. Este confinamento permite deposição rápida e localizada de fibras e membranas significativamente mais espessas (aumento quadruplo após 30 min) comparado à fiação convencional.

Morfologia e Composição

Imagens SEM mostram fibras sem contas, porosas com diâmetros médios de 1,39 µm (sem eletrodo) e 1,67 µm (com eletrodo). Incorporação de γ-Fe₂O₃ reduziu ligeiramente diâmetro para 0,85 µm e aumentou rugosidade de superfície, enquanto o eletrodo auxiliar introduziu irregularidades superficiais modestas devido à evaporação limitada de solvente.

TEM confirmou dispersão uniforme de nanopartículas de 10 nm, largamente encapsuladas dentro das fibras — crítico para prevenir lixiviação durante hipertermia. Padrões XRD exibiram picos amplos de PU e reflexões características de γ-Fe₂O₃ (220, 311, 400, 511, 440). Espectros FTIR revelaram nenhuma nova ligação, indicando mistura física. Curvas VSM exibiram comportamento superparamagnético: nanopartículas γ-Fe₂O₃ (58,3 emu g⁻¹ a 15 kOe) versus compósitos (≈10 emu g⁻¹). TGA mostrou início de decomposição do compósito a ~260 °C, adequado para aplicação AMF; peso residual indicou ~19–20% em peso de carga de nanopartículas.

Desempenho de Hipertermia Magnética

Sob AMF, membranas com o eletrodo auxiliar alcançaram maiores aumentos de temperatura e taxas de aquecimento mais rápidas. Para membrana fiada por 15 min, a temperatura de equilíbrio atingiu 44,3 °C a 0,42 °C s⁻¹, comparado a 24,4 °C (0,24 °C s⁻¹) para contraparte sem eletrodo. Testes de aquecimento cíclico sobre três ciclos AMF mostraram perfis de temperatura estáveis, demonstrando robusta repetibilidade.

Aplicação In Situ

Usando o spinner portátil, fibras magnéticas foram depositadas sobre superfície de mão humana, cobrindo uma cicatriz com membrana contínua, semelhante à pele, enquanto poupava tecido circundante — ilustrando a precisão e versatilidade do método para cenários clínicos.

Conclusões

Integrar um eletrodo auxiliar cônico em um sistema de eletrofiação portátil permite deposição rápida e precisa de membranas compósitas γ-Fe₂O₃/PU com eficiência de aquecimento magnético superior e estabilidade cíclica. Esta técnica oferece plataforma prática para hipertermia magnética localizada em terapia de câncer, potencialmente aprimorando efeitos sinérgicos com quimioterapia, radioterapia ou imunoterapia.

Abreviações

• AMF – Campo magnético alternado
• DMF – N,N-Dimetilformamida
• FTIR – Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier
• INOPs – Nanopartículas de óxido de ferro
• MES – Eletrofiação magnética
• PU – Poliuretano
• SEM – Microscopia eletrônica de varredura
• TEM – Microscopia eletrônica de transmissão
• TGA – Análise termogravimétrica
• VSM – Magnetômetro de amostra vibratória
• XRD – Difração de raios X em pó