Elektrisch feldunterstützte präzise In-situ-Abscheidung von elektrogesponnenen γ-Fe2O3/Polyurethan-Nanofasern für magnetische Hyperthermie

Hintergrund

Hyperthermie ist eine weitere wirksame Behandlung nach der traditionellen Tumorbehandlung, die in multimodalen Strategien eingesetzt werden kann, da sie die Antitumorwirkungen von Chemotherapie, Strahlentherapie und Immuntherapie synergistisch verstärken kann [1,2,3]. Der Mechanismus der Hyperthermie als Behandlungsmaßnahme bei Krebs ist die Empfindlichkeit von Krebszellen im Bereich von 41 bis 45 °C im Gegensatz zu gesunden Zellen [4, 5]. Die Anwendung magnetischer Nanopartikel für die Krebsdiagnose und -therapie ist immer noch durch eine schlechte Orientierung eingeschränkt, obwohl viele Targeting-Strategien durchgeführt wurden, wie zum Beispiel magnetisches Targeting und molekulares Targeting [6, 7]. Wenn die magnetischen Partikel direkt in den Körper injiziert werden, werden sie vom retikuloendothelialen System schnell ausgeschieden und in bestimmten Organen wie Niere, Leber und Milz anstatt in der Tumorstelle angereichert [8]. Darüber hinaus werden die magnetischen Nanopartikel lokal in das Tumorgewebe injiziert und treten aufgrund ihrer geringen Größe bevorzugt aus der Tumorstelle aus [9]. Alle diese Fälle verringern die Hyperthermie-Wirksamkeit magnetischer Nanopartikel. Im Vergleich zur magnetischen Nanopartikel-Hyperthermie ist die präzise und lokale Abgabe von Eisenoxid-Nanopartikeln (INOPs) an Krebszellen der Hauptvorteil von magnetischen Verbundfasern, die eine ideale Hyperthermie-Behandlungsmethode für leicht zugängliche Tumore darstellen.

In vielen Berichten wurden Verbund-Nanofasermembranen aus einer Polymerlösung hergestellt, die zuvor eine Dispersion zuvor synthetisierter magnetischer Nanopartikel enthielt, die bei der Hyperthermiebehandlung eingesetzt wurden [10,11,12,13]. Alle haben jedoch einige offensichtliche Nachteile. Beispielsweise ist es für die zuvor präparierten Nanofasern schwierig, auf der Oberfläche des Tumorgewebes eine homogene und durchgehende Beschichtung zu entwickeln, die leicht abzubrechen ist und einem dichten Verschluss direkt entgegensteht und dann bei komplexen Tumorgeweben zur Unzulänglichkeit führt . Als Ergebnis könnte das präzise Elektrospinnen in situ auf das Tumorgewebe eine gute Strategie sein, um nicht nur das Abschälen von Faserverbundmembranen während des magnetischen Hyperthermie-Prozesses zu verhindern, sondern auch um die Chance einer homogenen Erwärmung auf das Tumorgewebe zu erhöhen.

Das In-situ-Elektrospinnen muss den Ablagerungsbereich auf einem bestimmten Tumorgewebe genau kontrollieren, wodurch eine ernsthafte Gewebeadhäsion insbesondere in der Bauchhöhle vermieden werden könnte [14]. Es wurde von vielen Forschern berichtet, dass das in situ präzise Elektrospinnen in der Medizin angewendet werden kann [15]. Jüngste Studien zeigten die Verwendung einer luftstromgesteuerten in-situ-Elektrospinnvorrichtung, um die präzise Abscheidung ultradünner Polymerfasern auf Wundstellen zu verbessern [16]. Allerdings muss ein luftstromgesteuertes In-situ-Elektrospinngerät eine zusätzliche Luftpumpe, einen zusätzlichen hausgemachten Griff mit einem Spinndüsenkopf und andere luftstromunterstützte Geräte im Vergleich zu den herkömmlichen Elektrospinngeräten hinzufügen und den Luftstrom koordinieren und die Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Spannung, die den Betrieb des Geräts kompliziert macht. Das magnetfeldunterstützte Elektrospinnen ist auch ein effektiver Weg, um geordnete elektrogesponnene Fasern herzustellen und den Abscheidungsbereich von elektrogesponnenen Fasern zu kontrollieren [17]. Die makromolekularen Polymere, die genügend magnetische Teilchen enthalten, können eine ausreichende magnetische Suszeptibilität der Polymerlösung bewirken. Yanget al. [18] berichteten über einen Ansatz zur Herstellung von gut ausgerichteten Arrays und mehrschichtigen Gittern durch eine Methode namens magnetisches Elektrospinnen (MES). Im MES wird eine kleine Menge magnetischer Nanopartikel hinzugefügt, um die Polymerlösung zu magnetisieren. Während des Elektrospinnens wird ein Magnetfeld angelegt, das von zwei parallel positionierten Permanentmagneten erzeugt wird, und das Magnetfeld streckt die Fasern über den Spalt, um eine parallele Anordnung zu bilden. Das magnetfeldunterstützte Elektrospinnen kann jedoch nur zur Herstellung von Magnetfasern verwendet werden, was auf den Spinnprozess für nichtmagnetische Fasern keinen Einfluss hat. Im Gegensatz dazu ist die Verwendung einer Hilfselektrode beim präzisen In-situ-Elektrospinnen, um magnetische Verbundfasermembranen zu erhalten, eine einfachere, effektivere und universellere Methode.

Hier haben wir eine in situ präzise Abscheidung von Faserverbundmembranen mit eingebettetem γ-Fe₂ . entwickelt O₃ NPs durch einen tragbaren elektrostatischen Spinner, der eine konische Aluminium-Hilfselektrode an der Stelle des Spinnkopfes hinzufügt, um die Abscheidungsrichtung und das Ausmaß der magnetischen Verbundfasern zu regulieren. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, den Einfluss der Hilfselektrode auf die magnetischen Verbundfasermembranen zu untersuchen, deren Morphologie und Leistung verändert werden können. Im Vergleich zum herkömmlichen Ansatz können mit dieser Technik nanostrukturierte Fasern sehr schnell und präzise auf komplexem, unregelmäßigem Tumorgewebe abgeschieden werden, um kontinuierliche, kompakte, flexible Membranen mit ausgezeichneter Integrität zu bilden, die als leistungsstarke Quelle wirken, um die Tumorregion lokal auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen ohne das umgebende gesunde Gewebe zu überhitzen und ein mögliches Tumorwachstum zu verhindern oder die Antitumorwirkungen von Chemotherapie, Strahlentherapie und Immuntherapie zu verstärken. In-vitro-Studien zeigten, dass das elektrogesponnene γ-Fe₂ O₃ /PU-Magnetfasermembranen haben eine ausgezeichnete magnetisch vermittelte therapeutische Wirksamkeit bei Hyperthermie. Darüber hinaus ist die Hitzestabilität von γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen wurde auch durch die wiederholte Magnetfeldanregung nachgewiesen.

Methoden/Experimental

Materialien

γ-Fe₂ O₃ Nanopartikel (γ-Fe₂ O₃ NPs, 10 nm, phere, 99,5%, Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. China), hochmolekulare Polyurethanpellets in Polyetherqualität (PU, WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes Co., Ltd., China) und N ,N -Dimethylformamid (DMF ≥ 99,5%, Pharm Chemical Reagent Co, Ltd., China) wurden wie erhalten ohne weitere Reinheit verwendet.

Herstellung von elektrogesponnenem γ-Fe₂ O₃ /PU Magnetische Nanofasern

Um γ-Fe₂ . zu dispergieren O₃ NPs in DMF, 0,54 g Nanopulver wurden in 2,5 g DMF gegeben, wonach die Mischung 4 h lang in einer Kegelflasche Ultraschall ausgesetzt wurde. Eine saubere Polyurethanlösung wurde durch Auflösen von 1,8 g PU-Pellets in 7,5 g DMF-Lösungsmittel und Rühren bei 40 °C hergestellt. Dann wurde die PU-Lösung in das γ-Fe₂ . gegossen O₃ NPs-Dispersion und 30 Minuten lang mit einem hausgemachten mechanischen Rührer kräftig gerührt. Schließlich wurde die Lösungsmischung vor dem Elektrospinnen durch weitere 24 Stunden bei 50 °C mit Ultraschall dispergiert.

Beim Elektrospinnverfahren haben wir eine tragbare elektrostatische Spinnmaschine verwendet, um die Herstellung von Magnetfasern zu erreichen. Wie in Fig. 1a gezeigt, weist der tragbare elektrostatische Spinner eine pistolenförmige Handspinnvorrichtung auf. Wie in der vergrößerten Abbildung des Spinnkopfes zu sehen ist, wurde an der Spinndüse eine konische Hilfselektrode mit einem Durchmesser von 4 cm am Boden befestigt, die das elektrostatische Feld für die schnelle Abscheidung von Fasern auf die ideale Dicke steuern und regulieren kann. Dieses Elektrospinngerät verwendete eine 5-ml-Kunststoffspritze (Becton Dichinson), an der eine Nadelspitze mit einem Innendurchmesser von 0,7 mm angebracht war. Die Elektrospinnvorläuferlösung wurde in die Spritze geladen und durch eine Spritzenpumpe der Vorrichtung gequetscht. Das Elektrospinnen wurde bei einer angelegten Spannung, die zwischen 10~ 15 kV variierte, mit einem Abstand von Spitze zu Kollektor von 10 cm und einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit von 33 μl/min durchgeführt. Der Kollektor kann Aluminiumfolie, die Haut und sogar die Oberfläche von Tumorgewebe sein. Unter der Wirkung der elektrostatischen Feldkraft wurde die durch eine Spritzenpumpe ausgepresste Elektrospinnvorläuferlösung gestreckt, in der Luft zu Nanofasern gespalten und schließlich auf der Oberfläche des Kollektors abgelagert. Nach unterschiedlichen Spinnzeiten von 5, 10, 15 und 20 min wurden unterschiedliche Dicken der Magnetfasermembranen erhalten und als γ-Fe₂ . bezeichnet O₃ /PU-A5, γ-Fe₂ O₃ /PU-A10, γ-Fe₂ O₃ /PU-A15 und γ-Fe₂ O₃ /PU-A20 bzw. Darüber hinaus ist das γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen wurden ebenfalls in derselben Elektrospinnzeit und unter denselben Bedingungen hergestellt, jedoch ohne die Hilfselektrode während des Elektrospinns und wurden als γ-Fe₂ . bezeichnet O₃ /PU-5, γ-Fe₂ O₃ /PU-10, γ-Fe₂ O₃ /PU-15 und γ-Fe₂ O₃ /PU-20 bzw. Alle Verfahren wurden nach den Richtlinien der National Institutes of Health für die Verwendung von Versuchstieren und mit Zustimmung des Tierforschungsausschusses des Kanzlers der Universität durchgeführt.

a Schematische Darstellung einer tragbaren elektrostatischen Spinnvorrichtung und einer Hilfselektrode. b Schematische Darstellung des Feldgenerators, der Spulen und des Datenerfassungssystems zur Temperaturaufzeichnung

Charakterisierung

Die morphologische Oberflächenstruktur und die Durchmesser des γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbund-Nanofasermembranen wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM, TM-1000, Hitachi) bestimmt. Die Größe und Verteilung der magnetischen Partikel wurde unter Verwendung eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM, JEM-200EX) charakterisiert. Eine Röntgen-Pulverdiffraktionsanalyse (XRD, RINT2000 Wide Angel Goniometer) wurde unter Verwendung eines Rigaku-Röntgendiffraktometers durchgeführt. Die chemische Zusammensetzung und die molekulare Struktur der Nanofasermembranen wurden unter Verwendung eines Fourier-Transformator-Infrarot-(FTIR)-Spektrometers (Thermo Scientific Nicolet iN10) bestimmt. Die thermogravimetrische Analyse (TGA) der Zusammensetzungsmembranen wurde mit einer Heizrate von 10 °C/min von 30 auf 600 °C unter dem Schutz des Stickstoffstroms durchgeführt. Magnetische Eigenschaften von γ-Fe₂ O₃ /PU wurden mit dem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM, Quantum Design Corporation) von – 15.000 bis 15.000 Oe gemessen.

Magnetisches Heizexperiment

Die zum Induzieren der Wärmebehandlung verwendete angeregte AMF wurde von einem Wechselmagnetfeldgenerator (SP-04AC Shenzhen Shuangping Power Technology Co., Ltd.) mit einer Nennleistung von 3 kW und einer wassergekühlten Induktionsspule aus Kupfer mit a . erzeugt zwei Abstimmspulen und einem Innendurchmesser von 30 mm (Abb. 1b). Die maximale Magnetfeldstärke des AMF-Generators und die Magnetfeldfrequenz betrugen 12,5 Oe bzw. 153 kHz. Die Fasermembranen in zylindrischer Form wurden in die Mitte der Kupferspirale gelegt [19, 20]. Um die Heizeigenschaften von Fasermembranen zu messen, wurde der Infrarot-Temperaturdetektor über den Fasermembranen befestigt und die Temperaturänderung der Nanofaserfolien wurde in Echtzeit aufgezeichnet.

Ergebnis und Diskussion

Präzise Abscheidung durch In-Situ-Elektrospinnen

Es wurde ein Vergleich im Abscheidungsbereich zwischen Elektrospinnen mit und ohne Hilfselektrode durchgeführt. Wie in Abb. 2 gezeigt, ist unter den gleichen äußeren Bedingungen (Temperatur, Spannung, Abstand, Feuchtigkeit, Spinngeschwindigkeit, Spinnvorläuferflüssigkeit, Spinnnadeldurchmesser usw.) der Abscheidungsbereich der unter Verwendung der Hilfselektrode hergestellten Fasermembran (Durchmesser von 1,8 cm) war deutlich kleiner als die der elektrogesponnenen Faser ohne Verwendung der Hilfselektrode (Durchmesser von 4,6 cm). Beim traditionellen Elektrospinnverfahren spaltet, peitscht und dehnt sich die Spinnvorläuferflüssigkeit in der Luft in Mikro-/Nanofasern und lagert sich schließlich auf dem Kollektor ab, um eine Vliesstoffmembran zu bilden [21]. Im instabilen Bereich des Spinnstrahls erhöht jedoch die konische räumliche Verteilung des Strahls den Ablagebereich der Faser und verringert die Genauigkeit der Faserablage. Bei Modifikation mit einer Hilfselektrode wird das Aufspalten und Schlagen des sich drehenden Vorläuferstrahls unterdrückt und die Reichweite des Strahlstabilisierungsbereichs wird groß und schwankt in einer sehr engen Spur. Wie in Abb. 2a, b gezeigt, betrug die Strahlstabilisierungszone der Vorläuferlösung ohne die Hilfe der Hilfselektrode 0,96 cm. Und mit Hilfe der Hilfselektrode wurde die Strahlstabilisierungszone der Vorläuferlösung um 4 cm verlängert, was viermal länger war als ohne Hilfselektrode. Bei der gleichen Spinnstrecke hilft die Erweiterung der Stabilisierungszone, den Bereich der Spinnabscheidung zu reduzieren und ein präzises In-situ-Spinnen zu erreichen. Wie in Abb. 2c, d gezeigt, sind die Abscheidungsbereiche von Faserverbundmembranen, die ohne und mit Hilfe einer Hilfselektrode hergestellt wurden, kreisförmige Bereiche, deren Durchmesser 4,6 bzw. 1,8 cm betragen. Das Ergebnis zeigt, dass die Hilfselektrode den Abscheidungsbereich während des Elektrospinnprozesses effektiv reduzieren kann. Abbildung 2e zeigt den zeitlichen Verlauf der Dicke der elektrogesponnenen Fasermembran. Mit Hilfe der Hilfselektrode kann ein schnelles Elektrospinnen erreicht werden, und nach 30 Minuten ist die Dicke der abgeschiedenen Verbundmembran etwa viermal dicker als diejenige, die durch andere Elektrospinnverfahren hergestellt wurde. Es ist klar, dass der Elektrospinnstrahl unter der Vermittlung der Hilfselektrode einen genaueren Abscheidungsbereich hat und ein Faserfilm mit einer bestimmten Dicke in kurzer Zeit gebildet werden kann, was bei der Ausführung des in situ präzisen Spinnens und Realisierens von großer Bedeutung ist das schnelle Elektrospinnen im folgenden magnetischen Hyperthermie-Experiment.

Hochgeschwindigkeitskamerafotos eines Elektrospinning-Jets in der stationären Zone a ohne und b mit der Hilfselektrode. Optische Fotografien einer in situ abgeschiedenen elektrogesponnenen Fasermembran c ohne und d mit der Hilfselektrode. e Zeitabhängige Abscheidungsdickenkurven für die in-situ-Herstellung von elektrogesponnenen Fasermembranen

Morphologische, strukturelle und magnetische Eigenschaften

Die REM-Bilder von PU-Fasermembranen und Verbundmembranen, die mit/ohne Hilfselektrode hergestellt wurden, sind in Abb. 3 gezeigt. Wie aus Abb. 3a, e, b und f ersichtlich, sind die PU-Fasermembranen mit Submikrogröße, hoch Porosität und zufällig geordnete Orientierung, die mit und ohne Hilfselektrode hergestellt wurden, sind sowohl die relativ wulstfreien als auch die glatten Matrizen ineinandergreifender Fasern. Gemäß den statistischen Analysen, die in den oberen linken Ecken der REM-Bilder eingefügt sind, betragen die Durchmesserbereiche von PU-Fasermembranen, die auf zwei verschiedene Arten hergestellt wurden, 700–1900 nm bzw. 1100–2300 nm, und die mittlere Faser deren Durchmesser betragen etwa 1390 bzw. 1670 nm. Offensichtlich sind die Faserdurchmesser von PU-Fasermembranen, die mit einer Hilfselektrode hergestellt wurden, etwas dicker als die der anderen, was auf die Begrenzung des elektrostatischen Feldes durch eine Hilfselektrode zurückzuführen sein könnte. Das Hinzufügen der Hilfselektrode schränkt das elektrische Feld ein und begrenzt weiter das Schlagen und die Dehnung der gesponnenen Fasern, so dass die gesponnenen Fasern relativ dicker sind als diejenigen, die auf eine Weise hergestellt werden, bei der die Hilfselektroden nicht hinzugefügt werden. Wie in Abb. 3c, g, d und h gezeigt, die Zugabe von γ-Fe₂ O₃ NPs verändern geringfügig die Oberflächenmorphologie und den Durchmesser von Fasern, aber sie verändern nicht die Geometrie und poröse Struktur der Faserverbundmembranen im Vergleich zu PU. Nach dem Einbau von γ-Fe₂ O₃ NPs wurde der Faserdurchmesser auf 850 nm reduziert und die Oberfläche der Fasern wies eine erhöhte Rauheit auf, was möglicherweise auf die Dispersion von γ-Fe₂ . zurückzuführen ist O₃ NPs in/auf den PU-Fasern aufgrund ihres hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses [22]. Die so hergestellten Faserverbundmembranen mit einer Hilfselektrode werden jedoch weniger glatt (Abb. 3d). Daher verhindert die Zugabe der Hilfselektrode während des Elektrospinnverfahrens zusätzlich zu den Wirkungen der magnetischen Partikel das Schlagen der Fasern, und die Lösungsmittelverflüchtigung ist unvollständig, wodurch die Faseroberfläche rauer wird. Nach Zugabe von γ-Fe₂ O₃ Nanopartikeln, neben der Änderung der mikroskopischen Morphologie der Nanofasern änderte sich auch die Farbe der zusammengesetzten Nanofasermembranen von weiß zu hellbraun, und die Farbe blieb nach mehreren Waschvorgängen unverändert.

REM-Aufnahmen von reinen PU-Fasermembranen präpariert a , e ohne und b , f unter Verwendung einer Hilfselektrode. γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen vorbereitet c , g ohne und d , h bei Verwendung einer Hilfselektrode (die Einschübe zeigen die Durchmesserverteilungen der elektrogesponnenen Fasermembranen)

Um die Dispersion von γ-Fe₂ . weiter zu charakterisieren O₃ NPs, die in die Magnetmembranen eingebaut sind, haben wir das TEM-Bild der Verbundfasermembran im Detail analysiert. Wie in Abb. 4 zu sehen ist, ist das γ-Fe₂ O₃ Nanopartikel sind gut dispergiert und die meisten von ihnen sind fest in den Nanofasern eingekapselt, wodurch ihre mögliche Leckage und Migration verhindert wird, wenn sie als Substratmaterialien für die magnetische Hyperthermie verwendet werden. Das γ-Fe₂ O₃ NPs zeigen eine gute Dispersion und keine Agglomeration in der Faser, was bedeutet, dass die Hilfselektrode die gleichmäßige Verteilung der magnetischen Partikel nicht stört.

TEM-Bilder von γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen, hergestellt unter Verwendung einer Hilfselektrode

Abbildung 5A zeigt die XRD-Muster von reinen PU-Fasermembranen, γ-Fe₂ O₃ magnetische Nanopartikel und elektrogesponnenes γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen. Es zeigt sich, dass die XRD-Spektren des elektrogesponnenen γ-Fe₂ O₃ /PU-Komposit-Nanofasermembranen und reine PU-Fasermembranen weisen einen breiten Peak auf, der auf ein typisches Symbol für niedrigkristalline Materialien hinweist. Dieses Ergebnis beweist, dass die hergestellte PU-Fasermembran eine geringe Kristallinität aufweist. Die Positionen und relativen Intensitäten einiger neuer Peaks der Verbundmembran stimmen jedoch gut mit der Standardbeugungskarte JCPDS 39-1346 überein, die (220), (311), (400), (511) und (440 .) entsprechen ) charakteristische Peaks von γ-Fe₂ O₃ magnetische Nanopartikel. Im Vergleich zum γ-Fe₂ O₃ NPs kann die signifikante Abnahme der Beugungspeakintensität von Faserverbundmembranen auf die physikalische Kombination zwischen γ-Fe₂ . zurückgeführt werden O₃ NPs und PU-Fasermembranen ohne chemische Reaktion.

a XRD-Muster von PU-Nanofasern, γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen und γ-Fe₂ O₃ NPs. b FTIR-Spektren von (a ) γ-Fe₂ O₃ NPs, (b ) elektrogesponnene PU-Fasermembranen und (c ) magnetische Verbundfasermembranen

Um die molekulare Struktur der Faserverbundmembranen zu bestimmen, wurden Fourier-Transformations-Infrarot(FTIR)-Spektren der Proben im Spektralbereich von 400–4000 cm ⁻¹ . analysiert (Abb. 5B). Die Hauptbandenzuordnungen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Kurve a in Abb. 5B zeigt einen schwachen und breiten Absorptionspeak, der um 3347 cm ⁻¹ . beobachtet wurde , entsprechend der O-H-Streckschwingung von H₂ O aufgrund der Feuchtigkeitsaufnahme in γ-Fe₂ O₃ NPs. Außerdem eine starke Bande bei 557 cm ⁻¹ kann der Schwingungsfrequenz der Fe-O-Bindung zugeordnet werden. Wie durch die Kurve b in Fig. 5B gezeigt, die starke Absorptionsbande von elektrogesponnenen PU-Membranen bei 3328 cm ^–1 kann der N-H-Streckung zugeschrieben werden; das Band bei 2919 cm ⁻¹ wird der Streckschwingung der C-H-Bindung in PU zugeordnet; die Bänder bei 1704, 1729, 1529, 1073 und 771 cm ⁻¹ entstehen aus der C-H asymmetrischen Biegeschwingung,>C=H Streckschwingungen, Amid II Band, C-O Streckung und CH₂ Schaukeln bzw. [23,24,25]. Andererseits zeigt die Kurve c in Fig. 5B im Vergleich das Phänomen, dass, wenn γ-Fe₂ O₃ NPs waren eingebettet, es wurden keine offensichtlichen Veränderungen im FTIR-Spektrum von Faserverbundmembranen beobachtet. Der charakteristische Peak der Fe-O-Bindung erscheint beispielsweise auch bei 557 cm ⁻¹ ohne offensichtliche Verschiebung im Spektrum. Wir haben jedoch eine leichte Verschiebung bei 1073 cm ⁻¹ . beobachtet in der Faserverbundmembran, was eine Erhöhung der Wasserstoffbrückenbindung zwischen PU und γ-Fe₂ . bedeutet O₃ NPs [26].

Die Magnetisierungskurven von γ-Fe₂ O₃ NPs und Faserverbundmembranen, die mit/ohne Hilfselektrode hergestellt wurden, zeigten, gemessen mit VSM bei 300 K, alle ein typisches superparamagnetisches Verhalten ohne ausgeprägte Hystereseschleife und Magnetisierungswerte von 58,3, 10,7 bzw. 10,0 emu/g bei 15.000 Oe , was zeigt, dass alle Proben Superparamagnetismus besitzen (Abb. 6A) [5, 27]. Die offensichtliche Abnahme des Magnetisierungswerts der beiden Arten von Verbundfasermembranen im Vergleich zu γ-Fe₂ O₃ NPs bei 15.000 Oe können der Existenz von nichtmagnetischem PU zugeschrieben werden, das die magnetischen Nanopartikel enthält, und der inhomogenen Verteilung der magnetischen Nanopartikel in Faserverbundmembranen [28, 29]. Jedoch zeigen die Magnetisierungswerte der zwei Arten von Verbundfasermembranen, die unter Verwendung unterschiedlicher Elektroden hergestellt wurden, eine Abweichung von dem theoretischen Wert, der durch das Dotierungsverhältnis von γ-Fe₂ . berechnet wurde O₃ NPs. Die Menge an γ-Fe₂ O₃ NPs, die in die Faserverbundmembranen eingebaut sind, können mithilfe der Gleichung abgeschätzt werden:

a Feldabhängige Magnetisierungskurven von (a ) γ-Fe₂ O₃ NPs und γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen vorbereitet (b ) mit und (c ) ohne Verwendung einer Hilfselektrode bei Raumtemperatur. b Thermogravimetrische Kurven von (a ) γ-Fe₂ O₃ NPs, γ-Fe₂ O₃ /PU-Verbundfasermembranen vorbereitet (b ) mit und (c ) ohne Verwendung einer Hilfselektrode und (d ) reine PU-Elektrospinnfasermembranen

wobei Ma, Mb der Magnetisierungswert von reinem γ-Fe₂ . sind O₃ Nanopartikel und Verbund-Nanofasermembranen mit jeweils 15.000 Oe. Nach Gl. (1) betragen die tatsächlichen Dotierungsverhältnisse etwa 18,3% und 17,1% in den mit/ohne Hilfselektrode hergestellten Verbundmembranen. Neben den Einflüssen sowohl von PU als auch der Verteilung magnetischer Nanopartikel in Faserverbundmembranen ist die Ausfällung von γ-Fe₂ O₃ NPs während des Elektrospinnprozesses spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle für den Magnetisierungswert. Die genaue Messung des Dotierungsverhältnisses von γ-Fe₂ O₃ NPs können außerdem durch die thermogravimetrische Analyse (TGA) durchgeführt werden.

Um das Gewichtsverhältnis von γ-Fe₂ . zu bestätigen O₃ NPs und thermische Stabilität von Faserverbundmembranen wurde die TGA durchgeführt (Abb. 6B). Wie die Kurve a in Fig. 6B zeigt, ist die Masse von γ-Fe₂ O₃ NPs nimmt mit steigender Temperatur nicht signifikant ab. Die anfängliche thermische Zersetzungstemperatur (~ 260 °C) der Faserverbundmembranen ist niedriger als die der reinen PU-Fasermembran (~ 305 °C), was die geforderte thermische Stabilität der Faserverbundmembranen für die magnetische Wärmebehandlung vollständig erfüllt (Kurven b, c und d in Abb. 6B). Dann zeigen die PU-Fasermembranen im Temperaturbereich von 305 bis 425 °C einen stetigen Abbau (in Abb. 6B gekrümmt). Bei einer Temperatur von bis zu 500 °C gibt es bei der PU-Fasermembran kein offensichtliches Restgewicht im Vergleich zu den Verbundfasermembranen. Aus dem Restanteil von Faserverbundmembranen lässt sich ableiten, dass das γ-Fe₂ O₃ Die NP-Dotierung in den Verbundmembranen beträgt 19,1 Gew. % und 20,4 Gew. %, was den geschätzten Ergebnissen von VSM entspricht. Vergleicht man die Restgewichtsverhältnisse der mit/ohne Hilfselektrode hergestellten Verbundfasermembranen, ist es offensichtlich, dass die Zugabe der Hilfselektrode die Dotierungsmenge der magnetischen Partikel in den Verbundfasermembranen nicht beeinflusst. Diese kleine Abweichung des eingebetteten γ-Fe₂ O₃ NPs können dem Elektrospinnprozess zugeschrieben werden.

In-vitro-Hyperthermie-Messungen

Magnetische Nanopartikel-Hyperthermie nutzt die Fähigkeit des superparamagnetischen γ-Fe₂ O₃ NPs zur Wärmeerzeugung unter Einwirkung von hochfrequenter AMF [30]. Der Verlustmechanismus des γ-Fe₂ O₃ NPs unter der AMF sollte jeweils berücksichtigt werden, ob die γ-Fe₂ O₃ NPs sind verteilt oder aggregiert. Obwohl die Wärmeentwicklung des aggregierten γ-Fe₂ O₃ NPs wird durch den Hystereseverlust und die intermolekulare Wechselwirkung [31] bestimmt, das dispergierte γ-Fe₂ O₃ NPs sind durch die Relaxation von Brown und Néel [32] gegeben. Und das γ-Fe₂ O₃ NPs werden in die Fasern eingearbeitet und fixiert, so dass die freie Rotation von γ-Fe₂ O₃ NPs können ausgeschlossen werden, und die Brown-Relaxation trägt nicht zur magnetischen Erwärmung bei, die unter der AMF stattfindet. Bei den eingebetteten magnetischen Nanopartikeln haben nur die Hystereseverluste und die Neel-Relaxation einen kritischen Einfluss auf die Ummagnetisierungsverlusterwärmung. Die tatsächliche AMF-abhängige Wärmeerzeugungseigenschaft von γ-Fe₂ O₃ In Polymerfasern dotierte NPs sind aufgrund der komplexen magnetischen Wechselwirkung der Mischphasen und der Struktur von Faserverbundmembranen, der lokalen Aggregation und der partiellen Dispersion des γ-Fe₂ . nicht einfach abzuschätzen O₃ NPs [33]. Somit ist die tatsächliche AMF-abhängige Wärmeerzeugungseigenschaft der gemischten Struktur des dispergierten und aggregierten γ-Fe₂ O₃ NPs in der Fasermatte können durch experimentelles thermisches Verhalten richtig bewertet werden. Daher wurde der magnetische Umwandlungseffekt durchgeführt, indem faserige Verbundmembranen einem AMF ausgesetzt wurden. Abbildung 7 zeigt die zeitabhängigen Erwärmungskurven reiner PU-Fasermembranen und verschiedener magnetischer Verbundfasern. Wie in Abb. 7a gezeigt, betrug der Temperaturanstieg 10,5 ± 0,4, 16,2 ± 0,3, 19,1 ± 0,5 und 24,4 ± 0,3 °C für γ-Fe₂ . O₃ /PU-A5, γ-Fe₂ O₃ /PU-A10, γ-Fe₂ O₃ /PU-A15 und γ-Fe₂ O₃ /PU-A20 Faserverbundmembranen bzw. Und in Abb. 7b, entsprechend den ohne Zusatz einer Hilfselektrode hergestellten Verbundmembranen, betrug der Temperaturanstieg 4,2 ± 0,3, 5,1 ± 0,2, 6,7 ± 0,4 und 9,3 ± 0,2 °C für γ-Fe₂ O₃ /PU-5, γ-Fe₂ O₃ /PU-10, γ-Fe₂ O₃ /PU-15 und γ-Fe₂ O₃ /PU-20 Verbundmembranen. Es wurde beobachtet, dass die Erwärmungstemperatur aller magnetischen Verbundfasern mit zunehmender Zeit schnell anstieg und es schien, dass sie am Ende des Untersuchungszeitraums schließlich ein Gleichgewicht erreichte und im Wesentlichen beibehielt. Außerdem trat bei beiden auf zwei verschiedene Arten hergestellten Verbundfasermembranen mit zunehmender Zeit zur Herstellung der magnetischen Verbundfasermembranen ein fortschreitender Anstieg der Heizrate und der Heiztemperatur auf, und wobei die Existenz von γ-Fe₂ O₃ NPs wurden durch XRD-Beugung und morphologische Analyse bestätigt. Bei der gleichen Herstellungszeit war jedoch die Erwärmungsgeschwindigkeit der mit Hilfe der Hilfselektrode hergestellten Verbundfasermembranen schneller und die stabile Temperatur war höher als die der anderen. Beispielsweise beträgt die Aufheizrate der durch 15 Minuten langes Elektrospinnen mit Hilfe der Hilfselektrode erhaltenen Verbundfasermembranen 0,42 °C/s und die Gleichgewichtstemperatur 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 mit und 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

Schlussfolgerungen

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.

Abkürzungen

AMF:

Alternating magnetic field

DMF:

N ,N -Dimethylformamide

FTIR:

Fourier transformer infrared spectrometer

INOPs:

Iron oxide nanoparticles

MES:

Magnetic electrospinning

PU:

Polyurethane

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskop

TGA:

Thermogravimetric analysis

VSM:

Vibration sample magnetometer

XRD:

X-ray powder diffraction