Hyperthermie magnétique ciblée rapide avec fibres électrofilées γ-Fe₂O₃/polyuréthane guidées auxiliairement

Résumé

Nous présentons une technique d'électrofilage facilitée déposant précisément des nanofibres polyuréthane (PU) magnétiques décorées de nanoparticules γ-Fe₂O₃ superparamagnétiques. Une électrode auxiliaire conique en aluminium étend la zone de stabilisation du jet, permettant un contrôle quadruple de la zone de dépôt. Les membranes composites atteignent 43 °C en 70 s sous champ magnétique alternatif (AMF) 12,5 Oe, 153 kHz, surpassant membranes sans électrode auxiliaire. Cette méthode offre une voie manipulable pour produire fibres magnétiques et hyperthermie magnétique localisée pour thérapie cancéreuse.

Contexte

L'hyperthermie magnétique exploite la chaleur générée par nanoparticules superparamagnétiques en AMF, élevant sélectivement température tumeurs à 41-45 °C sans nuire tissus sains. Administration systémique traditionnelle nanoparticules oxyde fer souffre élimination rapide et faible accumulation tumorale, limitant efficacité thérapeutique. Intégrer γ-Fe₂O₃ dans fibres électrofilées résout ces problèmes : localisation source chauffage et contact intime tissu tumoral.

L'électrofilage conventionnel mélange nanoparticules pré-synthétisées dans solutions polymères, mais donne membranes difficiles à appliquer uniformément surfaces tumorales irrégulières et pouvant se détacher pendant traitement. L'électrofilage in situ — dépôt fibres directement tissus cibles — contourne ces limites. Travaux antérieurs : flux d'air ou champs magnétiques pour guider dépôt, mais complexité ajoutée ou seulement affecte polymères magnétiques. Introduction électrode auxiliaire conique : moyen simple, universel affiner géométrie dépôt préservant intégrité fibres.

Méthodes

Matériaux

Nanoparticules γ-Fe₂O₃ (10 nm, 99,5 % pureté, Shanghai Macklin Biochemical) et polyuréthane haut poids moléculaire (WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes) dissous dans N,N-diméthylformamide (DMF, 99,5 %) sans purification.

Préparation fibres composites γ-Fe₂O₃/PU

Nanoparticules dispersées DMF par ultrasons 4 h, puis mélangées solution PU/DMF (1,8 g PU dans 7,5 g DMF). Mélange agité vigoureusement 30 min, puis sonication 24 h à 50 °C avant électrofilage.

Configuration électrofilage

Fuseau pistolet portable incorporant électrode auxiliaire conique 4 cm diamètre sous pointe aiguille (0,7 mm DI). Seringue 5 mL pompe solution 33 µL/min sous tension 10-15 kV sur distance pointe-collecteur 10 cm. Collecteur : feuille Al, peau, ou tissu tumoral. Membranes fibreuses collectées 5, 10, 15, 20 min → échantillons γ-Fe₂O₃/PU-A5, -A10, -A15, -A20. Membranes témoins identiques sans électrode auxiliaire : γ-Fe₂O₃/PU-5, -10, -15, -20.

Caractérisation

MET (Hitachi TM-1000) morphologie fibres ; MET (JEM-200EX) dispersion nanoparticules ; DRX (Rigaku RINT2000) phases cristallines ; FTIR (Thermo Nicolet iN10) structure chimique ; ATG (10 °C/min, atmosphère N₂) stabilité thermique ; VSM (Quantum Design) propriétés magnétiques. Chauffage magnétique : membranes cylindriques dans bobine Cu 30 mm (12,5 Oe, 153 kHz), température détecteur infrarouge.

Résultats et discussion

Dépôt précis via électrode auxiliaire

Avec électrode, zone stabilisation jet s'étend 4 cm vs 0,96 cm sans, réduisant diamètre dépôt 4,6 cm → 1,8 cm. Confinement permet dépôt fibres rapide, localisé et membranes significativement plus épaisses (quadruple après 30 min) vs électrofilage conventionnel.

Morphologie et composition

Images MET : fibres sans perles, poreuses, diamètres moyens 1,39 µm (sans électrode) et 1,67 µm (avec). Incorporation γ-Fe₂O₃ réduit légèrement diamètre 0,85 µm et augmente rugosité surface, électrode auxiliaire introduit irrégularités surface modérées par évaporation solvant limitée.

MET confirme dispersion uniforme nanoparticules 10 nm, largement encapsulées fibres — crucial prévention lessivage pendant hyperthermie. DRX : pics larges PU et réflexions γ-Fe₂O₃ caractéristiques (220, 311, 400, 511, 440). FTIR : pas nouvelles liaisons, mélange physique. VSM : comportement superparamagnétique : γ-Fe₂O₃ (58,3 emu/g à 15 kOe) vs composites (~10 emu/g). ATG : décomposition composite ~260 °C, compatible AMF ; résidu ~19-20 % masse nanoparticules.

Performance hyperthermie magnétique

Sous AMF, membranes avec électrode atteignent hausses température plus élevées et taux chauffage plus rapides. Membrane 15 min : température équilibre 44,3 °C à 0,42 °C/s vs 24,4 °C (0,24 °C/s) sans électrode. Tests cycliques chauffage 3 cycles AMF : profils température stables, démontrant répétabilité robuste.

Application in situ

Avec fuseau portable, fibres magnétiques déposées surface main humaine, couvrant cicatrice membrane seamless skin-like en épargnant tissu environnant — illustrant précision et polyvalence méthode pour scénarios cliniques.

Conclusions

Intégration électrode auxiliaire conique dans système électrofilage portable permet dépôt rapide, précis membranes composites γ-Fe₂O₃/PU avec efficacité chauffage magnétique supérieure et stabilité cyclique. Technique offre plateforme pratique hyperthermie magnétique localisée thérapie cancéreuse, potentiellement renforçant effets synergiques chimiothérapie, radiothérapie, immunothérapie.

Abréviations

• AMF – Champ magnétique alternatif
• DMF – N,N-Diméthylformamide
• FTIR – Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier
• INOPs – Nanoparticules oxyde fer
• MES – Électrofilage magnétique
• PU – Polyuréthane
• SEM – Microscopie électronique à balayage
• TEM – Microscopie électronique en transmission
• TGA – Analyse thermogravimétrique
• VSM – Magnétomètre à échantillon vibrant
• XRD – Diffraction rayons X poudre