Dépôt précis in situ assisté par champ électrique de nanofibres électrofilées γ-Fe2O3/polyuréthane pour l'hyperthermie magnétique

Contexte

L'hyperthermie est un autre traitement efficace après le traitement traditionnel de la tumeur, qui peut être utilisé dans des stratégies multimodales, car elle peut renforcer de manière synergique les effets antitumoraux de la chimiothérapie, de la radiothérapie et de l'immunothérapie [1,2,3]. Le mécanisme d'utilisation de l'hyperthermie comme mesure de traitement du cancer est la sensibilité des cellules cancéreuses dans la plage de 41 à 45 °C, contrairement aux cellules saines [4, 5]. L'application des nanoparticules magnétiques pour le diagnostic et le traitement du cancer est encore limitée par une mauvaise orientation bien que de nombreuses stratégies de ciblage aient été mises en œuvre, telles que le ciblage magnétique et le ciblage moléculaire [6, 7]. Si les particules magnétiques sont injectées directement dans le corps, elles sont rapidement éliminées par le système réticulo-endothélial et enrichies dans certains organes tels que le rein, le foie et la rate plutôt que le site tumoral [8]. De plus, les nanoparticules magnétiques sont injectées localement dans le tissu tumoral et elles préfèrent s'échapper du site tumoral en raison de leur petite taille [9]. Tous ces cas diminuent l'efficacité d'hyperthermie des nanoparticules magnétiques. Par rapport à l'hyperthermie des nanoparticules magnétiques, l'administration précise et locale de nanoparticules d'oxyde de fer (INOP) aux cellules cancéreuses est le principal avantage des fibres composites magnétiques, qui constituent une méthode de traitement d'hyperthermie idéale pour les tumeurs facilement accessibles.

Dans de nombreux rapports, des membranes nanofibreuses composites ont été préparées à partir d'une solution de polymère contenant une dispersion de nanoparticules magnétiques préalablement synthétisées, qui ont été utilisées dans le traitement de l'hyperthermie [10,11,12,13]. Cependant, tous présentent des inconvénients évidents. Par exemple, il est difficile pour les nanofibres préalablement préparées de développer un revêtement homogène et continu à la surface du tissu tumoral, qui est facile à rompre et directement défavorable à un joint étanche, et conduit ensuite à l'insuffisance du tissu tumoral complexe. . En conséquence, l'électrofilage précis in situ sur le tissu tumoral pourrait être une bonne stratégie non seulement pour empêcher le pelage des membranes fibreuses composites pendant le processus d'hyperthermie magnétique, mais également pour augmenter les chances d'un chauffage homogène sur le tissu tumoral.

L'électrofilage in situ doit contrôler avec précision la plage de dépôt sur un tissu tumoral spécifié, ce qui pourrait éviter de provoquer une adhérence tissulaire grave, en particulier dans la cavité abdominale [14]. Il a été rapporté par de nombreux chercheurs que l'électrofilage précis in situ peut être appliqué dans le domaine médical [15]. Des études récentes ont démontré l'utilisation d'un dispositif d'électrofilage in situ dirigé par le flux d'air pour améliorer le dépôt précis de fibres polymères ultrafines sur les sites de plaie [16]. Cependant, le dispositif d'électrofilage in situ dirigé par le flux d'air doit ajouter une pompe à air supplémentaire, une poignée supplémentaire faite maison avec une tête de filière et un autre dispositif d'assistance au flux d'air par rapport à l'appareil d'électrofilage traditionnel, et doit coordonner le flux d'air et la relation entre la vitesse et la tension, ce qui complique le fonctionnement de l'appareil. L'électrofilage assisté par champ magnétique est également un moyen efficace de préparer des fibres électrofilées ordonnées et de contrôler la plage de dépôt des fibres électrofilées [17]. Les polymères macromoléculaires incorporant suffisamment de particules magnétiques peuvent induire une susceptibilité magnétique suffisante à la solution polymère. Yang et al. [18] ont rapporté une approche pour la fabrication de réseaux bien alignés et de grilles multicouches par une méthode appelée électrofilage magnétique (MES). Dans le MES, une petite quantité de nanoparticules magnétiques est ajoutée pour magnétiser la solution de polymère. Un champ magnétique généré par deux aimants permanents positionnés en parallèle est appliqué pendant l'électrofilage, et le champ magnétique étire les fibres à travers l'espace pour former un réseau parallèle. Cependant, l'électrofilage assisté par champ magnétique ne peut être utilisé que pour la préparation de fibres magnétiques, ce qui n'a aucun effet sur le processus de filage des fibres non magnétiques. En revanche, l'utilisation d'une électrode auxiliaire dans l'électrofilage précis in situ pour réaliser les membranes fibreuses composites magnétiques est une méthode plus simple, efficace et universelle.

Ici, nous avons développé un dépôt précis in situ de membranes fibreuses composites avec γ-Fe₂ intégré O₃ NPs par un fileur électrostatique portable qui ajoute une électrode auxiliaire conique en aluminium à l'emplacement de la tête de filage pour réguler la direction de dépôt et l'étendue des fibres composites magnétiques. La présente étude vise à explorer l'influence de l'électrode auxiliaire sur les membranes fibreuses composites magnétiques dont la morphologie et les performances peuvent être modifiées. Par rapport à l'approche conventionnelle, cette technique pourrait très rapidement déposer avec précision des fibres nanostructurées sur un tissu tumoral complexe et irrégulier pour former des membranes continues, compactes et flexibles avec une excellente intégrité, qui agit comme une source puissante pour chauffer localement la région tumorale à la température souhaitée. sans surchauffer les tissus sains environnants et pour empêcher une éventuelle croissance tumorale ou renforcer les effets antitumoraux de la chimiothérapie, de la radiothérapie et de l'immunothérapie. Des études in vitro ont montré que le -Fe₂ électrofilé O₃ Les membranes en fibres magnétiques /PU ont une excellente efficacité thérapeutique contre l'hyperthermie à médiation magnétique. De plus, la stabilité thermique de γ-Fe₂ O₃ Les membranes fibreuses composites /PU ont également été démontrées par l'excitation répétée du champ magnétique.

Méthodes/Expérimental

Matériaux

γ-Fe₂ O₃ nanoparticules (γ-Fe₂ O₃ NPs, 10 nm, sphère, 99,5 %, Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. Chine), pastilles de polyuréthane de qualité polyéther de haut poids moléculaire (PU, WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes Co., Ltd., Chine) et N ,N -diméthylformamide (DMF ≥ 99,5%, Pharm Chemical Reagent Co, Ltd., Chine) ont été utilisés tels que reçus sans autre pureté.

Préparation de l'électrofilage γ-Fe₂ O₃ /Nanofibres magnétiques PU

Afin de disperser γ-Fe₂ O₃ NPs dans du DMF, 0,54 g de nanopoudre ont été ajoutés dans 2,5 g de DMF, après quoi le mélange a été exposé aux ultrasons pendant 4 h dans une bouteille conique. Une solution de polyuréthane pure a été préparée en dissolvant des pastilles de 1,8 g de PU dans 7,5 g de solvant DMF et en agitant à 40°C. Ensuite, la solution de PU a été versée dans le γ-Fe₂ O₃ dispersion de NPs et vigoureusement agitée pendant 30 min par un agitateur mécanique maison. Enfin, le mélange de solution a été encore dispersé par sonication pendant encore 24 h à 50 °C avant l'électrofilage.

Dans le processus d'électrofilage, nous avons adopté un essoreur électrostatique portable pour réaliser la fabrication de fibres magnétiques. Comme le montre la figure 1a, la centrifugeuse électrostatique portable a un dispositif de filature à main en forme de pistolet. Comme le montre l'image agrandie de la tête de filage, une électrode auxiliaire conique d'un diamètre de 4 cm au fond a été fixée à la filière, qui peut contrôler et réguler le champ électrostatique pour le dépôt rapide de fibres à l'épaisseur idéale. Ce dispositif d'électrofilage utilisait une seringue en plastique de 5 ml (Becton Dichinson), à laquelle était fixée une pointe d'aiguille d'un diamètre intérieur de 0,7 mm. La solution de précurseur d'électrofilage a été chargée dans la seringue et pressée par une pompe à seringue du dispositif. L'électrofilage a été réalisé à une tension appliquée variant entre 10~ 15 kV, avec une distance entre l'apex et le collecteur de 10 cm et un débit d'alimentation constant de 33 μL/min. Le collecteur pourrait être une feuille d'aluminium, la peau et même la surface du tissu tumoral. Sous l'effet de la force de champ électrostatique, la solution de précurseur d'électrofilage pressée par une pompe à seringue a été étirée, clivée en nanofibre dans l'air et finalement déposée à la surface du collecteur. Après différents temps de filage de 5, 10, 15 et 20 min, différentes épaisseurs de membranes en fibres magnétiques ont été obtenues et notées γ-Fe₂ O₃ /PU-A5, γ-Fe₂ O₃ /PU-A10, γ-Fe₂ O₃ /PU-A15 et γ-Fe₂ O₃ /PU-A20, respectivement. De plus, le -Fe₂ O₃ Les membranes fibreuses composites /PU ont également été préparées dans le même temps et les mêmes conditions d'électrofilage mais sans l'électrode auxiliaire pendant l'électrofilage et ont été notées γ-Fe₂ O₃ /PU-5, γ-Fe₂ O₃ /PU-10, -Fe₂ O₃ /PU-15 et γ-Fe₂ O₃ /PU-20, respectivement. Toutes les procédures ont été effectuées conformément aux directives des National Institutes of Health pour l'utilisation d'animaux de laboratoire et avec l'approbation du comité de recherche animale du chancelier de l'université.

un Schéma de principe d'un dispositif de filage électrostatique portable et d'une électrode auxiliaire. b Représentation schématique du générateur de champ, des bobines et du système d'acquisition de données pour l'enregistrement de la température

Caractérisation

La structure morphologique de la surface et les diamètres du -Fe₂ O₃ Les membranes nanofibres composites /PU ont été déterminées par microscopie électronique à balayage (SEM, TM-1000, Hitachi). La taille et la distribution des particules magnétiques ont été caractérisées à l'aide d'un microscope électronique à transmission (MET, JEM-200EX). L'analyse par diffraction des rayons X sur poudre (XRD, RINT2000 wide angel goniometer) a été réalisée en utilisant un diffractomètre à rayons X Rigaku. La composition chimique et la structure moléculaire des membranes en nanofibres ont été déterminées à l'aide d'un spectromètre infrarouge à transformateur de Fourier (FTIR) (Thermo Scientific Nicolet iN10). L'analyse thermogravimétrique (TGA) des membranes de composition a été réalisée à une vitesse de chauffage de 10°C/min de 30 à 600°C sous la protection d'un flux d'azote. Propriétés magnétiques de γ-Fe₂ O₃ /PU ont été mesurés par le magnétomètre d'échantillon de vibration (VSM, Quantum Design Corporation) de − 15 000 à 15 000 Oe.

Expérience de chauffage magnétique

L'AMF excité utilisé pour induire le traitement thermique a été produit par un générateur de champ magnétique alternatif (SP-04AC Shenzhen Shuangping Power Technology Co., Ltd.) dont la puissance nominale était de 3 kW et une bobine d'induction refroidie à l'eau était en cuivre, avec un bobine à deux réglages et un diamètre intérieur de 30 mm (Fig. 1b). L'intensité maximale du champ magnétique du générateur AMF et la fréquence du champ magnétique étaient respectivement de 12,5 Oe et 153 kHz. Les membranes fibreuses de forme cylindrique ont été placées au centre de la bobine de cuivre [19, 20]. Pour mesurer les caractéristiques de chauffage des membranes fibreuses, le détecteur de température infrarouge a été fixé sur les membranes en fibre et le changement de température des films de nanofibres a été enregistré en temps réel.

Résultat et discussion

Dépôt précis via l'électrofilage in situ

Une comparaison de la plage de dépôt entre l'électrofilage avec et sans électrode auxiliaire a été effectuée. Comme le montre la Fig. 2, dans les mêmes conditions externes (température, tension, distance, humidité, vitesse de filage, fluide précurseur de filage, diamètre de l'aiguille de filage, etc.), la plage de dépôt de la membrane fibreuse préparée à l'aide de l'électrode auxiliaire (diamètre de 1,8 cm) était significativement plus petite que celle de la fibre électrofilée sans l'utilisation de l'électrode auxiliaire (diamètre de 4,6 cm). Dans le processus d'électrofilage traditionnel, le fluide précurseur de filage se divise, fouette et s'étire en fibre à micro/nano dans l'air, et se dépose finalement sur le collecteur pour former une membrane en tissu non tissé [21]. Cependant, dans la zone instable du jet de filage, la distribution spatiale conique du jet augmente la plage de dépôt de la fibre et réduit la précision du dépôt de la fibre. Lorsqu'il est modifié avec une électrode auxiliaire, la division et le fouettement du jet précurseur en rotation sont supprimés et la plage de la région de stabilisation du jet devient grande et fluctue dans une voie très étroite. Comme le montrent les figures 2a, b, sans l'aide de l'électrode auxiliaire, la zone de stabilisation du jet de la solution de précurseur était de 0,96 cm. Et à l'aide de l'électrode auxiliaire, la zone de stabilisation du jet de la solution de précurseur a été étendue de 4 cm, ce qui était quatre fois plus longue que celle sans électrode auxiliaire. A la même distance de filage, l'extension de la zone de stabilisation permet de réduire la plage de dépôt de filage et d'obtenir un filage précis in situ. Comme le montrent les figures 2c, d, les plages de dépôt de membranes fibreuses composites préparées sans et à l'aide d'une électrode auxiliaire sont des régions circulaires dont les diamètres sont respectivement de 4,6 et 1,8 cm. Le résultat démontre que l'électrode auxiliaire peut réduire efficacement la plage de dépôt pendant le processus d'électrofilage. La figure 2e montre la tendance de l'épaisseur de la membrane en fibre électrofilée au fil du temps. Avec l'aide de l'électrode auxiliaire, un électrofilage rapide peut être réalisé, et après 30 min, l'épaisseur de la membrane composite déposée est environ quatre fois plus épaisse que celle préparée par une autre méthode d'électrofilage. Il est clair que sous la médiation de l'électrode auxiliaire, le jet d'électrofilage a une plage de dépôt plus précise et un film fibreux ayant une certaine épaisseur peut être formé en peu de temps, ce qui a une grande importance dans l'exécution du filage précis in situ et la réalisation l'électrofilage rapide dans l'expérience d'hyperthermie magnétique suivante.

Photos prises par une caméra à grande vitesse d'un jet électrofilant en zone stable a sans et b avec l'électrode auxiliaire. Photographies optiques d'une membrane en fibre électrofilée déposée in situ c sans et d avec l'électrode auxiliaire. e Courbes d'épaisseur de dépôt en fonction du temps pour la préparation in situ de membranes en fibres électrofilées

Propriétés morphologiques, structurelles et magnétiques

Les images SEM de membranes fibreuses PU et de membranes composites préparées avec/sans électrode auxiliaire sont présentées sur la figure 3. Comme il ressort des figures 3a, e, b et f, les membranes fibreuses PU avec une taille submicronique, la porosité et l'orientation ordonnée aléatoire préparées avec et sans électrode auxiliaire sont à la fois des matrices relativement sans billes et lisses de fibres imbriquées. Selon les analyses statistiques qui sont insérées dans les coins supérieurs gauches des images SEM, les gammes de diamètres des membranes fibreuses PU qui sont préparées de deux manières différentes sont 700–1900 nm et 1100–2300 nm, respectivement, et la fibre moyenne leurs diamètres sont d'environ 1390 et 1670 nm, respectivement. Evidemment, les diamètres de fibres des membranes fibreuses PU préparées avec une électrode auxiliaire sont un peu plus épais que ceux de l'autre, ce qui pourrait être attribué à la restriction du champ électrostatique par une électrode auxiliaire. L'ajout de l'électrode auxiliaire contraint le champ électrique et limite en outre le fouettement et l'allongement des fibres filées, de sorte que les fibres filées sont relativement plus épaisses que celles fabriquées de la manière où les électrodes auxiliaires ne sont pas ajoutées. Comme le montrent les Fig. 3c, g, d et h, l'ajout de γ-Fe₂ O₃ Les NP modifient légèrement la morphologie de surface et le diamètre des fibres, mais ne modifient pas la géométrie et la structure poreuse des membranes fibreuses composites par rapport au PU. Après l'incorporation de γ-Fe₂ O₃ NPs, le diamètre des fibres a été réduit à 850 nm et la surface des fibres présentait une rugosité accrue, ce qui pourrait être dû à la dispersion de γ-Fe₂ O₃ NPs dans/sur les fibres PU en raison de leur rapport surface/volume élevé [22]. Cependant, les membranes fibreuses composites telles que préparées à l'aide d'une électrode auxiliaire deviennent moins lisses (Fig. 3d). Par conséquent, en plus des effets des particules magnétiques, l'ajout de l'électrode auxiliaire pendant le processus d'électrofilage inhibe le fouettage des fibres et la volatilisation du solvant est incomplète, ce qui rend la surface des fibres plus rugueuse. Après l'ajout de γ-Fe₂ O₃ nanoparticules, outre le changement de morphologie microscopique des nanofibres, la couleur des membranes composites en nanofibres est également passée du blanc au brun clair, et la couleur est restée inchangée après plusieurs lavages.

Images SEM de membranes en fibre PU pure préparées a , e sans et b , f à l'aide d'une électrode auxiliaire. γ-Fe₂ O₃ /Membranes en fibres composites PU préparées c , g sans et d , h avec l'utilisation d'une électrode auxiliaire (les encarts montrent les distributions de diamètre des membranes en fibres électrofilées)

Afin de caractériser davantage la dispersion de γ-Fe₂ O₃ NPs incorporées dans les membranes magnétiques, nous avons analysé en détail l'image MET de la membrane en fibre composite. Comme on peut l'observer sur la Fig. 4, le -Fe₂ O₃ Les NP sont bien dispersées et la majorité d'entre elles sont solidement encapsulées à l'intérieur des nanofibres, empêchant ainsi leur fuite et leur migration possibles lorsqu'elles sont utilisées comme matériaux de substrat pour l'hyperthermie magnétique. Le -Fe₂ O₃ Les NP présentent une bonne dispersion et aucune agglomération dans la fibre, ce qui signifie que l'électrode auxiliaire n'interfère pas avec la répartition uniforme des particules magnétiques.

Images MET de γ-Fe₂ O₃ /Membranes en fibres composites PU préparées à l'aide d'une électrode auxiliaire

La figure 5A montre les modèles XRD de membranes en fibre PU soignées, γ-Fe₂ O₃ nanoparticules magnétiques et électrofilées γ-Fe₂ O₃ /Membranes fibreuses composites PU. On constate que les spectres XRD de l'électrofilé γ-Fe₂ O₃ /Les membranes composites en nanofibres PU et les membranes en fibres PU soignées affichent un large pic, soulignant un symbole typique pour les matériaux à faible teneur en cristaux. Ce résultat prouve que la membrane fibreuse PU préparée a une faible cristallinité. Cependant, les positions et les intensités relatives de certains nouveaux pics de la membrane composite concordent bien avec la carte de diffraction standard JCPDS 39-1346, qui correspondent à (220), (311), (400), (511) et (440 ) pics caractéristiques de γ-Fe₂ O₃ nanoparticules magnétiques. Par rapport au γ-Fe₂ O₃ NPs, la diminution significative de l'intensité du pic de diffraction des membranes fibreuses composites peut être attribuée à la combinaison physique entre γ-Fe₂ O₃ Membranes fibreuses NPs et PU sans réaction chimique.

un Modèles XRD de nanofibres PU, γ-Fe₂ O₃ /Membranes en fibres composites PU et γ-Fe₂ O₃ NPs. b Spectres FTIR de (a ) γ-Fe₂ O₃ NPs, (b ) Membranes en fibres électrofilées PU, et (c ) membranes en fibres composites magnétiques

Pour déterminer la structure moléculaire des membranes fibreuses composites, les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) des échantillons ont été analysés dans la gamme spectrale de 400 à 4000 cm ⁻¹ (Fig. 5B). Les principales attributions de bandes sont répertoriées dans le tableau 1. La courbe a de la figure 5B présente un pic d'absorption faible et large observé autour de 3347 cm ⁻¹ , correspondant à la vibration d'étirement O-H de H₂ O en raison de l'absorption d'humidité dans γ-Fe₂ O₃ NPs. De plus, une bande solide à 557 cm ⁻¹ peut être attribué à la fréquence de vibration de la liaison Fe-O. Comme le montre la courbe b de la figure 5B, la forte bande d'absorption des membranes PU électrofilées à 3328 cm ⁻¹ peut être attribué à l'étirement N-H ; la bande à 2919 cm ⁻¹ est affecté à la vibration d'étirement de la liaison C-H en PU; les bandes à 1704, 1729, 1529, 1073 et 771 cm ⁻¹ résultent de la vibration de flexion asymétrique C-H,> des vibrations d'étirement C=H, de la bande amide II, de l'étirement C-O et de CH₂ bascule, respectivement [23,24,25]. D'autre part, par comparaison, la courbe c de la Fig. 5B montre le phénomène selon lequel lorsque γ-Fe₂ O₃ Les NP ont été intégrées, aucun changement évident dans le spectre FTIR des membranes fibreuses composites n'a été observé. Par exemple, le pic caractéristique de la liaison Fe-O apparaît également à 557 cm ⁻¹ sans changement évident dans le spectre. Cependant, nous avons observé un léger décalage à 1073 cm ⁻¹ dans la membrane en fibre composite, ce qui signifie une augmentation de la liaison hydrogène entre le PU et le γ-Fe₂ O₃ NP [26].

Les courbes d'aimantation de γ-Fe₂ O₃ Les NP et les membranes fibreuses composites préparées avec/sans électrode auxiliaire, mesurées par VSM à 300 K, ont toutes révélé un comportement superparamagnétique typique sans boucle d'hystérésis distincte et des valeurs de magnétisation de 58,3, 10,7 et 10,0 emu/g à 15 000 Oe, respectivement , ce qui montre que tous les échantillons possèdent un superparamagnétisme (Fig. 6A) [5, 27]. La diminution évidente de la valeur d'aimantation des deux types de membranes fibreuses composites par rapport à γ-Fe₂ O₃ Les NP à 15 000 Oe peuvent être attribués à l'existence de PU non magnétique contenant les nanoparticules magnétiques et à la distribution non homogène des nanoparticules magnétiques dans les membranes fibreuses composites [28, 29]. Cependant, les valeurs d'aimantation des deux types de membranes fibreuses composites préparées à l'aide d'électrodes différentes montrent un écart par rapport à la valeur théorique calculée par le rapport de dopage de γ-Fe₂ O₃ NPs. La quantité de -Fe₂ O₃ Les NP incorporées dans les membranes fibreuses composites peuvent être estimées à l'aide de l'équation :

un Courbes de magnétisation dépendant du champ de (a ) γ-Fe₂ O₃ NPs et -Fe₂ O₃ /Membranes en fibres composites PU préparées (b ) avec et (c ) sans utiliser d'électrode auxiliaire à température ambiante. b Courbes thermogravimétriques de (a ) γ-Fe₂ O₃ NPs, -Fe₂ O₃ /Membranes en fibres composites PU préparées (b ) avec et (c ) sans l'utilisation d'une électrode auxiliaire, et (d ) membranes en fibres électrofilées en PU pur

où Ma, Mb sont la valeur d'aimantation du pur γ-Fe₂ O₃ nanoparticules et membranes nanofibres composites à 15 000 Oe, respectivement. Selon l'éq. (1), les taux de dopage réels sont d'environ 18,3 % et 17,1 % dans les membranes composites préparées avec/sans l'électrode auxiliaire. Outre les influences à la fois du PU et de la distribution des nanoparticules magnétiques dans les membranes fibreuses composites, la précipitation de γ-Fe₂ O₃ Les NP pendant le processus d'électrofilage jouent également un rôle critique dans la valeur de magnétisation. La mesure précise du taux de dopage de γ-Fe₂ O₃ Les NP peuvent être en outre effectuées par l'analyse thermogravimétrique (TGA).

Afin de confirmer le rapport pondéral de γ-Fe₂ O₃ NPs et stabilité thermique des membranes fibreuses composites, la TGA a été réalisée (Fig. 6B). Comme le montre la courbe a de la figure 6B, la masse de γ-Fe₂ O₃ Les NP ne diminuent pas significativement avec l'augmentation de la température. La température de décomposition thermique initiale (~ 260 °C) des membranes fibreuses composites est inférieure à celle de la membrane fibreuse PU pure (~ 305 °C), ce qui satisfait complètement la stabilité thermique exigée des membranes fibreuses composites pour le traitement thermique magnétique (courbes b, c et d sur la figure 6B). Ensuite, dans la plage de température de 305 à 425 °C, les membranes fibreuses PU présentent une dégradation constante (courbe sur la figure 6B). Lorsque la température atteint jusqu'à 500 °C, il n'y a évidemment pas de poids résiduel pour la membrane fibreuse PU par rapport aux membranes fibreuses composites. On peut déduire de la fraction résiduelle des membranes fibreuses composites que le -Fe₂ O₃ Le dopage des NP dans les membranes composites est de 19,1 % en poids et 20,4 % en poids, ce qui correspond aux résultats estimés de VSM. En comparant les rapports pondéraux résiduels des membranes fibreuses composites préparées avec/sans électrode auxiliaire, il est évident que l'ajout de l'électrode auxiliaire n'affecte pas la quantité de dopage des particules magnétiques dans les membranes fibreuses composites. Cette petite déviation du γ-Fe₂ embarqué O₃ Les NP peuvent être attribuées au processus d'électrofilage.

Mesures d'hyperthermie in vitro

L'hyperthermie des nanoparticules magnétiques utilise la capacité du superparamagnétique γ-Fe₂ O₃ NPs pour générer de la chaleur sous l'action d'AMF à haute fréquence [30]. Le mécanisme de perte du γ-Fe₂ O₃ Les NP de l'AMF doivent être considérées, respectivement, si le -Fe₂ O₃ Les NP sont dispersées ou agrégées. Bien que la génération de chaleur du γ-Fe₂ agrégé O₃ NPs est déterminé par la perte d'hystérésis et l'interaction intermoléculaire [31], le γ-Fe₂ dispersé O₃ Les NP sont donnés par la relaxation de Brown et Néel [32]. Et le γ-Fe₂ O₃ Les NP sont incorporées et fixées à l'intérieur des fibres, donc la libre rotation de γ-Fe₂ O₃ Les NP peuvent être exclues et la relaxation de Brown ne contribue pas au chauffage magnétique qui a lieu sous l'AMF. Pour les nanoparticules magnétiques intégrées, seules les pertes par hystérésis et la relaxation de Neel ont un impact critique sur le chauffage par perte d'inversion magnétique. La propriété réelle de génération de chaleur dépendant de l'AMF du -Fe₂ O₃ Les NP dopés dans les fibres polymères ne sont pas faciles à estimer en raison de l'interaction magnétique complexe des phases mixtes et de la structure des membranes fibreuses composites, de l'agrégation locale et de la dispersion partielle du γ-Fe₂ O₃ NP [33]. Ainsi, la propriété réelle de génération de chaleur dépendant de l'AMF de la structure mixte du γ-Fe₂ dispersé et agrégé O₃ Les NP dans le tapis de fibres peuvent être correctement évaluées par le comportement thermique expérimental. Par conséquent, l'effet de conversion magnétique a été réalisé en exposant des membranes fibreuses composites à un AMF. La figure 7 présente les courbes de chauffage en fonction du temps de membranes fibreuses en PU pur et de différentes fibres composites magnétiques. Comme le montre la figure 7a, l'augmentation de la température était de 10,5  ± 0,4, 16,2 ± 0,3, 19,1 ± 0,5 et 24,4 ± 0,3 °C pour γ-Fe₂ O₃ /PU-A5, γ-Fe₂ O₃ /PU-A10, γ-Fe₂ O₃ /PU-A15 et γ-Fe₂ O₃ /Membranes fibreuses composites PU-A20, respectivement. Et sur la Fig. 7b, correspondant aux membranes composites préparées sans ajout d'électrode auxiliaire, l'augmentation de température était de 4,2 ± 0,3, 5,1 ± 0,2, 6,7 ± 0,4 et 9,3 ± 0,2 °C pour γ-Fe₂ O₃ /PU-5, γ-Fe₂ O₃ /PU-10, -Fe₂ O₃ /PU-15 et γ-Fe₂ O₃ /Membranes composites PU-20, respectivement. Il a été observé que la température de chauffage de toutes les fibres composites magnétiques augmentait rapidement avec l'augmentation du temps et il semblait finalement arriver à et maintenir fondamentalement un équilibre à la fin de la période d'examen. En outre, une augmentation progressive de la vitesse de chauffage et de la température de chauffage est apparue dans les deux membranes fibreuses composites préparées de deux manières différentes, à mesure que le temps de préparation des membranes fibreuses composites magnétiques augmentait, et dans lequel l'existence de γ-Fe_{2 O3 Les NPs ont été confirmées par diffraction XRD et analyse morphologique. Cependant, au même temps de préparation, la vitesse de chauffage des membranes fibreuses composites préparées à l'aide de l'électrode auxiliaire était plus rapide et la température stable était supérieure à celle de l'autre. Par exemple, la vitesse de chauffage des membranes fibreuses composites obtenues par électrofilage pendant 15 min à l'aide de l'électrode auxiliaire est de 0,42 °C/s, et la température d'équilibre est 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.}

Temperature (T)-time (t) profiles for the electrospun fiber membranes prepared by in situ electrospinning a avec et 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

Conclusions

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.

Abréviations

AMF:

Alternating magnetic field

DMF:

N ,N -Dimethylformamide

FTIR :

Fourier transformer infrared spectrometer

INOPs:

Iron oxide nanoparticles

MES:

Magnetic electrospinning

PU:

Polyurethane

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscope électronique à transmission

TGA :

Thermogravimetric analysis

VSM:

Vibration sample magnetometer

XRD :

X-ray powder diffraction