Electric Field-Assisted In Situ Deposisi Tepat Electrospun -Fe2O3/Polyurethane Nanofibers untuk Magnetic Hyperthermia
Abstrak
Sebuah metode electrospinning wajah dari membran berserat magnetik fabrikasi yang tepat yang terdiri dari serat nano poliuretan (PU) yang dihiasi dengan -Fe superparamagnetik2 O3 nanopartikel dengan generasi panas simultan dalam menanggapi medan magnet bolak-balik (AMF) dilaporkan. Dalam metode ini, elektroda bantu aluminium berbentuk kerucut digunakan untuk mengatur medan elektrostatik dan mempengaruhi proses electrospinning untuk deposisi electrospun -Fe yang cepat dan tepat di lokasi2 O3 / serat PU. Elektroda kerucut tambahan dapat memperpanjang zona stabilisasi jet dari larutan prekursor empat kali lebih lama daripada tanpa elektroda tambahan, yang dapat mencapai kontrol yang tepat dari area pengendapan serat. Selain itu, membran serat komposit electrospun menunjukkan peningkatan suhu yang cepat dari suhu kamar menjadi 43 °C dalam 70 detik di bawah AMF, yang menunjukkan laju pemanasan yang lebih cepat dan suhu pemanasan yang lebih tinggi dibandingkan dengan sampel yang dibuat tanpa bantuan elektroda tambahan. Hasil saat ini menunjukkan bahwa electrospinning in situ yang tepat dengan bantuan elektroda berbentuk kerucut tambahan memiliki potensi sebagai metode manipulatif untuk menyiapkan serat komposit magnetik serta hipertermia magnetik terapi kanker.
Latar Belakang
Hipertermia adalah pengobatan lain yang efektif setelah pengobatan tradisional tumor, yang dapat digunakan dalam strategi multimodalitas, karena dapat secara sinergis meningkatkan efek antitumor dari kemoterapi, radioterapi, dan imunoterapi [1,2,3]. Mekanisme penggunaan hipertermia sebagai tindakan pengobatan kanker adalah sensitivitas sel kanker berkisar antara 41 hingga 45 °C, berbeda dengan sel sehat [4, 5]. Penerapan nanopartikel magnetik untuk diagnosis dan terapi kanker masih dibatasi oleh orientasi yang buruk meskipun banyak strategi penargetan telah dilakukan, seperti penargetan magnetik dan penargetan molekuler [6, 7]. Jika partikel magnetik disuntikkan langsung ke dalam tubuh, mereka dengan cepat dibersihkan oleh sistem retikuloendotelial dan diperkaya pada organ tertentu seperti ginjal, hati, dan limpa daripada situs tumor [8]. Selanjutnya, nanopartikel magnetik disuntikkan secara lokal di jaringan tumor dan mereka lebih suka bocor keluar dari lokasi tumor karena ukurannya yang kecil [9]. Semua kasus ini menurunkan kemanjuran hipertermia nanopartikel magnetik. Dibandingkan dengan hipertermia nanopartikel magnetik, pengiriman iron oxide nanoparticles (INOPs) yang tepat dan lokal ke sel kanker adalah keuntungan utama dari serat komposit magnetik, yang merupakan metode pengobatan hipertermia yang ideal untuk tumor yang mudah diakses.
Dalam banyak laporan, membran nanofibrous komposit dibuat dari larutan polimer yang mengandung dispersi nanopartikel magnetik yang sebelumnya disintesis sebelumnya, yang digunakan dalam pengobatan hipertermia [10,11,12,13]. Namun, semuanya memiliki beberapa kelemahan yang jelas. Sebagai contoh, sulit bagi nanofibers yang disiapkan sebelumnya untuk mengembangkan lapisan homogen dan kontinu pada permukaan jaringan tumor, yang mudah putus dan secara langsung merugikan segel yang rapat, dan kemudian menyebabkan ketidakcukupan dalam jaringan tumor kompleks. . Akibatnya, electrospinning in situ yang tepat ke jaringan tumor bisa menjadi strategi yang baik tidak hanya untuk mencegah pengelupasan membran fibrosa komposit selama proses hipertermia magnetik, tetapi juga untuk meningkatkan kemungkinan pemanasan homogen ke jaringan tumor.
Electrospinning in situ perlu secara tepat mengontrol kisaran deposisi pada jaringan tumor tertentu, yang dapat menghindari menyebabkan adhesi jaringan yang serius terutama di rongga perut [14]. Telah dilaporkan oleh banyak peneliti bahwa electrospinning in situ yang tepat dapat diterapkan di bidang kedokteran [15]. Studi terbaru menunjukkan penggunaan aliran udara-diarahkan perangkat electrospinning in situ untuk meningkatkan deposisi yang tepat dari serat polimer ultra tipis ke situs luka [16]. Namun, perangkat electrospinning in situ yang diarahkan aliran udara perlu menambahkan pompa udara ekstra, pegangan buatan rumah tambahan dengan kepala pemintal, dan perangkat bantuan aliran udara lainnya dibandingkan dengan peralatan electrospinning tradisional, dan perlu mengoordinasikan aliran udara dan hubungan antara kecepatan dan tegangan, yang membuat pengoperasian peralatan menjadi rumit. Electrospinning berbantuan medan magnet juga merupakan cara yang efektif untuk menyiapkan serat electrospun yang dipesan dan mengontrol rentang deposisi serat electrospun [17]. Polimer makromolekul yang menggabungkan partikel magnetik yang cukup dapat menginduksi kerentanan magnetik yang cukup terhadap larutan polimer. Yang dkk. [18] melaporkan pendekatan untuk fabrikasi array yang selaras dan grid multilayer dengan metode yang disebut magnetic electrospinning (MES). Dalam MES, sejumlah kecil nanopartikel magnetik ditambahkan untuk memagnetisasi larutan polimer. Medan magnet yang dihasilkan oleh dua magnet permanen yang diposisikan paralel diterapkan selama elektrospinning, dan medan magnet meregangkan serat melintasi celah untuk membentuk susunan paralel. Namun, elektrospinning berbantuan medan magnet hanya dapat digunakan untuk preparasi serat magnetik, yang tidak berpengaruh pada proses pemintalan untuk serat non-magnetik. Sebaliknya, penggunaan elektroda bantu di in situ electrospinning tepat untuk mencapai membran berserat komposit magnetik adalah metode yang lebih sederhana, efektif, dan universal.
Di sini, kami mengembangkan deposisi tepat in situ dari membran berserat komposit dengan -Fe2 tertanam O3 NP oleh pemintal elektrostatik portabel yang menambahkan elektroda bantu aluminium berbentuk kerucut di lokasi kepala pemintal untuk mengatur arah pengendapan dan tingkat serat komposit magnetik. Penelitian ini bertujuan untuk mengeksplorasi pengaruh elektroda bantu pada membran berserat komposit magnetik yang morfologi dan kinerjanya dapat berubah. Dibandingkan dengan pendekatan konvensional, teknik ini dapat dengan sangat cepat, dengan tepat menyimpan serat berstrukturnano pada jaringan tumor yang kompleks dan tidak teratur untuk membentuk membran yang kontinu, kompak, fleksibel dengan integritas yang sangat baik, yang bertindak sebagai sumber yang kuat untuk memanaskan daerah tumor secara lokal ke suhu yang diinginkan. tanpa memanaskan jaringan sehat di sekitarnya dan untuk mencegah kemungkinan pertumbuhan tumor atau meningkatkan efek antitumor dari kemoterapi, radioterapi, dan imunoterapi. Studi in vitro menunjukkan bahwa elektrospun -Fe2 O3 /PU membran serat magnetik memiliki kemanjuran terapi hipertermia yang dimediasi magnetis yang sangat baik. Selanjutnya, stabilitas panas -Fe2 O3 /PU membran berserat komposit juga telah ditunjukkan oleh eksitasi medan magnet berulang.
Metode/Eksperimental
Materi
-Fe2 O3 nanopartikel (γ-Fe2 O3 NP, 10 nm, phere, 99,5%, Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. China), pelet poliuretan kelas polieter dengan berat molekul tinggi (PU, WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes Co., Ltd., China), dan N ,T -dimethylformamide (DMF 99,5%, Pharm Chemical Reagent Co, Ltd., China) digunakan saat diterima tanpa kemurnian lebih lanjut.
Untuk membubarkan -Fe2 O3 NP di DMF, 0,54-g nanopowder ditambahkan ke dalam 2,5-g DMF, setelah itu campuran terkena ultrasonik selama 4 jam dalam botol kerucut. Larutan poliuretan murni dibuat dengan melarutkan 1,8 g pelet PU dalam 7,5 g pelarut DMF dan diaduk pada suhu 40 °C. Kemudian larutan PU dituang ke dalam -Fe2 O3 Dispersi NP dan diaduk dengan kuat selama 30 menit dengan pengaduk mekanis buatan sendiri. Terakhir, campuran larutan didispersikan lebih lanjut dengan sonikasi selama 24 jam pada 50 °C sebelum elektrospinning.
Dalam proses electrospinning, kami mengadopsi pemintal elektrostatik portabel untuk mencapai pembuatan serat magnetik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, pemintal elektrostatik portabel memiliki perangkat pemintal genggam berbentuk pistol. Seperti yang ditunjukkan pada gambar kepala pemintal yang diperbesar, elektroda bantu berbentuk kerucut dengan diameter 4 cm di bagian bawah dipasang pada pemintal, yang dapat mengontrol dan mengatur medan elektrostatik untuk pengendapan cepat serat hingga ketebalan ideal. Perangkat electrospinning ini menggunakan jarum suntik plastik 5 mL (Becton Dichinson), yang dipasangi ujung jarum dengan diameter dalam 0,7 mm. Solusi prekursor electrospinning dimuat dalam jarum suntik dan diperas oleh pompa jarum suntik perangkat. Electrospinning dilakukan pada tegangan yang diterapkan bervariasi antara 10~ 15 kV, dengan jarak puncak-ke-kolektor 10 cm dan laju umpan konstan 33 μL/menit. Kolektornya bisa berupa aluminium foil, kulit bahkan permukaan jaringan tumor. Di bawah pengaruh gaya medan elektrostatik, larutan prekursor electrospinning yang diperas oleh pompa jarum suntik diregangkan, dibelah menjadi nanofiber di udara, dan akhirnya disimpan di permukaan kolektor. Setelah waktu pemintalan yang berbeda selama 5, 10, 15, dan 20 menit, ketebalan yang berbeda dari membran serat magnetik diperoleh dan dilambangkan sebagai -Fe2 O3 /PU-A5, -Fe2 O3 /PU-A10, -Fe2 O3 /PU-A15, dan -Fe2 O3 /PU-A20, masing-masing. Selain itu, -Fe2 O3 /PU membran berserat komposit juga disiapkan dalam waktu dan kondisi electrospinning yang sama tetapi tanpa elektroda tambahan selama electrospinning dan dilambangkan sebagai -Fe2 O3 /PU-5, -Fe2 O3 /PU-10, -Fe2 O3 /PU-15, dan -Fe2 O3 /PU-20, masing-masing. Semua prosedur dilakukan sesuai dengan pedoman National Institutes of Health untuk penggunaan hewan laboratorium dan dengan persetujuan dari Komite Penelitian Hewan Rektor di Universitas.
a Diagram skema perangkat pemintalan elektrostatik portabel dan elektroda bantu. b Representasi skema generator medan, kumparan, dan sistem akuisisi data untuk merekam suhu
Karakterisasi
Struktur morfologi permukaan dan diameter -Fe2 O3 /PU membran nanofibrous komposit ditentukan dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM, TM-1000, Hitachi). Ukuran dan distribusi partikel magnetik dikarakterisasi menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEM-200EX). Analisis difraksi serbuk sinar-X (XRD, RINT2000 wide angel goniometer) dilakukan dengan menggunakan difraktometer sinar-X Rigaku. Komposisi kimia dan struktur molekul membran nanofiber ditentukan dengan menggunakan spektrometer inframerah transformator Fourier (FTIR) (Thermo Scientific Nicolet iN10). Analisis termogravimetri (TGA) dari membran komposisi dilakukan pada laju pemanasan 10 °C/menit dari 30 hingga 600 °C di bawah perlindungan aliran nitrogen. Sifat magnetik -Fe2 O3 /PU diukur dengan magnetometer sampel getaran (VSM, Quantum Design Corporation) dari 15.000 hingga 15.000 Oe.
Eksperimen Pemanasan Magnetik
AMF tereksitasi yang digunakan untuk menginduksi perlakuan pemanasan dihasilkan oleh generator medan magnet bolak-balik (SP-04AC Shenzhen Shuangping Power Technology Co., Ltd.) yang daya pengenalnya 3 kW dan koil induksi berpendingin air terbuat dari tembaga, dengan kumparan dua-tuning dan diameter dalam 30 mm (Gbr. 1b). Intensitas medan magnet maksimum generator AMF dan frekuensi medan magnet masing-masing adalah 12,5 Oe dan 153 kHz. Membran berserat dalam bentuk silinder ditempatkan di tengah kumparan tembaga [19, 20]. Untuk mengukur karakteristik pemanasan membran berserat, detektor suhu inframerah dipasang di atas membran serat dan perubahan suhu film nanofiber dicatat secara real time.
Hasil dan Diskusi
Deposisi Tepat melalui Electrospinning In Situ
Perbandingan dalam rentang deposisi antara electrospinning dengan dan tanpa elektroda tambahan dilakukan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, di bawah kondisi eksternal yang sama (suhu, tegangan, jarak, kelembaban, kecepatan pemintalan, cairan prekursor pemintalan, diameter jarum pemintal, dll.), kisaran deposisi membran berserat yang disiapkan menggunakan elektroda bantu (diameter 1,8 cm) secara signifikan lebih kecil daripada serat electrospun tanpa menggunakan elektroda tambahan (diameter 4,6 cm). Dalam proses electrospinning tradisional, cairan prekursor pemintalan membelah, mencambuk, dan meregang, menjadi serat skala mikro/nano di udara, dan akhirnya mengendap di kolektor untuk membentuk membran kain non-anyaman [21]. Namun, di daerah yang tidak stabil dari pancaran pemintalan, distribusi spasial berbentuk kerucut dari pancaran meningkatkan jangkauan pengendapan serat dan mengurangi keakuratan pengendapan serat. Ketika dimodifikasi dengan elektroda bantu, pemisahan dan pencambukan dari jet prekursor pemintalan ditekan dan kisaran wilayah stabilisasi jet menjadi besar dan berfluktuasi di jalur yang sangat sempit. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2a, b, tanpa bantuan elektroda bantu, zona stabilisasi jet dari larutan prekursor adalah 0,96 cm. Dan dengan bantuan elektroda bantu, zona stabilisasi jet dari larutan prekursor diperpanjang 4 cm, yang empat kali lebih panjang daripada tanpa elektroda bantu. Pada jarak pemintalan yang sama, perpanjangan zona stabilisasi membantu mengurangi kisaran deposisi pemintalan dan mencapai pemintalan presisi in situ. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2c, d, rentang deposisi membran berserat komposit yang dibuat tanpa dan dengan bantuan elektroda tambahan adalah daerah melingkar yang diameternya masing-masing 4,6 dan 1,8 cm. Hasilnya menunjukkan bahwa elektroda bantu dapat secara efektif mengurangi rentang deposisi selama proses electrospinning. Gambar 2e menunjukkan tren ketebalan membran serat electrospun dari waktu ke waktu. Dengan bantuan elektroda bantu, elektrospinning cepat dapat dicapai, dan setelah 30 menit, ketebalan membran komposit yang diendapkan sekitar empat kali lebih tebal daripada yang dibuat dengan metode elektrospinning lainnya. Jelas bahwa di bawah mediasi elektroda bantu, jet electrospinning memiliki rentang deposisi yang lebih tepat dan film berserat dengan ketebalan tertentu dapat dibentuk dalam waktu singkat, yang memiliki signifikansi besar dalam melaksanakan pemintalan yang tepat di tempat dan mewujudkannya. elektrospinning cepat dalam eksperimen hipertermia magnetik berikut.
Foto kamera berkecepatan tinggi dari jet electrospinning di zona stabil a tanpa dan b dengan elektroda bantu. Foto-foto optik dari membran serat electrospun yang disimpan di tempat c tanpa dan d dengan elektroda bantu. e Kurva ketebalan deposisi bergantung waktu untuk preparasi in situ dari membran serat electrospun
Sifat Morfologi, Struktur, dan Magnetik
Gambar SEM membran berserat PU dan membran komposit dibuat dengan/tanpa elektroda tambahan ditunjukkan pada Gambar. 3. Seperti yang terlihat dari Gambar. 3a, e, b, dan f, membran berserat PU dengan ukuran sub-mikro, tinggi porositas, dan orientasi urutan acak yang dibuat dengan dan tanpa elektroda bantu, keduanya merupakan matriks serat interlocking yang relatif bebas manik dan halus. Menurut analisis statistik yang disisipkan di sudut kiri atas gambar SEM, kisaran diameter membran berserat PU yang disiapkan dalam dua cara berbeda adalah 700–1900 nm dan 1100-2300 nm, masing-masing, dan serat rata-rata diameternya masing-masing sekitar 1390 dan 1670 nm. Jelas, diameter serat membran berserat PU yang dibuat dengan elektroda tambahan sedikit lebih tebal daripada yang lain, yang dapat dikaitkan dengan pembatasan medan elektrostatik oleh elektroda tambahan. Penambahan elektroda bantu membatasi medan listrik dan selanjutnya membatasi pencambukan dan pemanjangan serat pintal, sehingga serat pintal relatif lebih tebal daripada yang dibuat dengan cara di mana elektroda bantu tidak ditambahkan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3c, g, d, dan h, penambahan -Fe2 O3 NP sedikit mengubah morfologi permukaan dan diameter serat, tetapi tidak mengubah geometri dan struktur berpori dari membran serat komposit dibandingkan dengan PU. Setelah penggabungan -Fe2 O3 NP, diameter serat dikurangi menjadi 850 nm dan permukaan serat menunjukkan peningkatan kekasaran, yang mungkin disebabkan oleh dispersi -Fe2 O3 NP di/pada serat PU karena rasio permukaan terhadap volumenya yang tinggi [22]. Namun, membran berserat komposit yang disiapkan menggunakan elektroda tambahan menjadi kurang halus (Gbr. 3d). Oleh karena itu, selain efek partikel magnetik, penambahan elektroda bantu selama proses electrospinning menghambat pengocokan serat, dan penguapan pelarut tidak lengkap, menyebabkan permukaan serat menjadi lebih kasar. Setelah penambahan -Fe2 O3 nanopartikel, selain perubahan morfologi mikroskopis serat nano, warna membran serat nano komposit juga berubah dari putih menjadi coklat muda, dan warnanya tetap tidak berubah setelah beberapa kali pencucian.
Gambar SEM dari membran serat PU murni disiapkan a , e tanpa dan b , f dengan menggunakan elektroda bantu. -Fe2 O3 /PU membran serat komposit disiapkan c , g tanpa dan d , h dengan menggunakan elektroda bantu (sisipan menunjukkan distribusi diameter membran serat elektrospun)
Untuk lebih mengkarakterisasi dispersi -Fe2 O3 NP yang tergabung dalam membran magnetik, kami telah menganalisis gambar TEM dari membran serat komposit secara rinci. Seperti yang dapat diamati pada Gambar. 4, -Fe2 O3 NP tersebar dengan baik dan sebagian besar terinkapsulasi dengan kuat di dalam serat nano, sehingga mencegah kemungkinan kebocoran dan migrasinya saat digunakan sebagai bahan substrat untuk hipertermia magnetik. -Fe2 O3 NP menunjukkan dispersi yang baik dan tidak ada aglomerasi dalam serat, yang berarti bahwa elektroda bantu tidak mengganggu distribusi partikel magnetik yang seragam.
Gambar TEM dari -Fe2 O3 /PU membran serat komposit disiapkan dengan menggunakan elektroda tambahan
Gambar 5A menunjukkan pola XRD dari membran serat PU yang rapi, -Fe2 O3 nanopartikel magnetik, dan electrospun -Fe2 O3 /PU membran berserat komposit. Ditemukan bahwa spektrum XRD dari electrospun -Fe2 O3 /PU membran nanofibrous komposit dan membran serat PU rapi menampilkan satu puncak lebar, menunjukkan simbol khas untuk bahan kristal rendah. Hasil ini membuktikan bahwa membran berserat PU yang dibuat memiliki kristalinitas yang rendah. Namun, posisi dan intensitas relatif dari beberapa puncak baru dari membran komposit sesuai dengan kartu difraksi standar JCPDS 39-1346, yang sesuai dengan (220), (311), (400), (511), dan (440 ) puncak karakteristik -Fe2 O3 nanopartikel magnetik. Dibandingkan dengan -Fe2 O3 NP, penurunan yang signifikan dari intensitas puncak difraksi membran berserat komposit dapat dikaitkan dengan kombinasi fisik antara -Fe2 O3 Membran berserat NP dan PU tanpa reaksi kimia.
a Pola XRD dari serat nano PU, -Fe2 O3 /PU membran serat komposit dan -Fe2 O3 NP. b Spektrum FTIR dari (a ) -Fe2 O3 NP, (b ) Membran serat elektrospun PU, dan (c ) membran serat komposit magnetik
Untuk menentukan struktur molekul membran berserat komposit, spektrum inframerah transformasi Fourier (FTIR) sampel dianalisis dalam rentang spektral 400–4000 cm
−1
(Gbr. 5B). Penetapan pita utama tercantum dalam Tabel 1. Kurva a pada Gambar. 5B menunjukkan puncak serapan yang lemah dan lebar yang teramati sekitar 3347 cm
−1
, sesuai dengan getaran uluran O-H dari H2 O karena penyerapan air di -Fe2 O3 NP. Selain itu, pita yang kuat pada 557 cm
−1
dapat ditetapkan untuk frekuensi vibrasi ikatan Fe-O. Seperti yang ditunjukkan oleh kurva b pada Gambar. 5B, pita serapan kuat dari membran PU electrospun pada 3328 cm
−1
dapat dikaitkan dengan peregangan N-H; pita pada 2919 cm
−1
ditugaskan untuk getaran peregangan ikatan C-H di PU; pita pada 1704, 1729, 1529, 1073, dan 771 cm
−1
timbul dari vibrasi regangan asimetris C-H, vibrasi ulur>C=H, pita amida II, regangan C-O, dan CH2 goyang, masing-masing [23,24,25]. Sebaliknya, sebagai perbandingan, kurva c pada Gambar 5B menunjukkan fenomena bahwa ketika -Fe2 O3 NP tertanam, tidak ada perubahan nyata dalam spektrum FTIR dari membran berserat komposit yang diamati. Misalnya, puncak karakteristik ikatan Fe-O juga muncul pada 557 cm
−1
tanpa pergeseran yang jelas dalam spektrum. Namun, kami mengamati sedikit perubahan pada 1073 cm
−1
pada membran serat komposit, yang berarti peningkatan ikatan hidrogen antara PU dan -Fe2 O3 NP [26].
Kurva magnetisasi -Fe2 O3 NP dan membran berserat komposit yang disiapkan dengan/tanpa elektroda tambahan, yang diukur dengan VSM pada 300 K, semuanya menunjukkan perilaku superparamagnetik yang khas tanpa loop histeresis dan nilai magnetisasi yang berbeda masing-masing sebesar 58,3, 10,7, dan 10,0 emu/g pada 15.000 Oe , yang menunjukkan bahwa semua sampel memiliki superparamagnetisme (Gbr. 6A) [5, 27]. Penurunan nyata dalam nilai magnetisasi dari dua jenis membran serat komposit dibandingkan dengan -Fe2 O3 NP pada 15.000 Oe dapat dianggap berasal dari keberadaan PU nonmagnetik yang mengandung nanopartikel magnetik dan distribusi nanopartikel magnetik yang tidak homogen dalam membran berserat komposit [28, 29]. Namun, nilai magnetisasi dari dua jenis membran serat komposit yang dibuat menggunakan elektroda yang berbeda menunjukkan penyimpangan dari nilai teoritis yang dihitung dengan rasio doping -Fe2 O3 NP. Jumlah -Fe2 O3 NP yang tergabung ke dalam membran fibrosa komposit dapat diperkirakan menggunakan persamaan:
a Kurva magnetisasi yang bergantung pada medan (a ) -Fe2 O3 NP dan -Fe2 O3 /PU membran serat komposit disiapkan (b ) dengan dan (c ) tanpa menggunakan elektroda bantu pada suhu kamar. b Kurva termogravimetri dari (a ) -Fe2 O3 NP, -Fe2 O3 /PU membran serat komposit disiapkan (b ) dengan dan (c ) tanpa menggunakan elektroda bantu, dan (d ) membran serat electrospun PU murni
dimana Ma, Mb adalah nilai magnetisasi murni -Fe2 O3 nanopartikel dan membran nanofibrous komposit masing-masing pada 15.000 Oe. Menurut Persamaan. (1), rasio doping aktual adalah sekitar 18,3% dan 17,1% dalam membran komposit yang dibuat dengan/tanpa elektroda bantu. Selain pengaruh PU dan distribusi nanopartikel magnetik pada membran komposit berserat, pengendapan -Fe2 O3 NP selama proses electrospinning juga memainkan peran penting dalam nilai magnetisasi. Pengukuran yang tepat dari rasio doping -Fe2 O3 NP dapat dilakukan lebih lanjut dengan analisis termogravimetri (TGA).
Untuk mengkonfirmasi rasio berat -Fe2 O3 NP dan stabilitas termal membran berserat komposit, TGA dilakukan (Gbr. 6B). Seperti yang ditunjukkan kurva a pada Gambar. 6B, massa -Fe2 O3 NP tidak berkurang secara signifikan dengan meningkatnya suhu. Suhu dekomposisi termal awal (~ 260 °C) dari membran berserat komposit lebih rendah dari pada membran berserat PU murni (~ 305 °C), yang sepenuhnya memenuhi stabilitas termal yang diminta dari membran berserat komposit untuk perlakuan panas magnetik (kurva b, c, dan d pada Gambar 6B). Kemudian pada kisaran suhu dari 305 hingga 425 °C, membran berserat PU menunjukkan degradasi yang stabil (melengkung pada Gambar 6B). Ketika suhu mencapai hingga 500 °C, jelas tidak ada bobot sisa untuk membran berserat PU dibandingkan dengan membran berserat komposit. Dapat disimpulkan dari fraksi residu membran fibrosa komposit bahwa -Fe2 O3 Doping NP dalam membran komposit adalah 19,1 %berat dan 20,4 %berat, yang sesuai dengan hasil estimasi VSM. Membandingkan rasio berat sisa dari membran berserat komposit yang dibuat dengan/tanpa elektroda bantu, jelas bahwa penambahan elektroda bantu tidak mempengaruhi jumlah doping partikel magnetik dalam membran berserat komposit. Penyimpangan kecil dari -Fe2 embedded yang disematkan ini O3 NP dapat dikaitkan dengan proses electrospinning.
Pengukuran Hipertermia In Vitro
Nanopartikel magnetik hipertermia memanfaatkan kemampuan superparamagnetik -Fe2 O3 NP untuk menghasilkan panas di bawah aksi frekuensi tinggi AMF [30]. Mekanisme kehilangan -Fe2 O3 NP di bawah AMF harus dipertimbangkan, masing-masing, apakah -Fe2 O3 NP tersebar atau dikumpulkan. Meskipun generasi panas agregat -Fe2 O3 NP ditentukan oleh kehilangan histeresis dan interaksi antarmolekul [31], -Fe2 yang terdispersi O3 NP diberikan oleh relaksasi Brown dan Néel [32]. Dan -Fe2 O3 NP digabungkan dan difiksasi di dalam serat, sehingga rotasi bebas -Fe2 O3 NP dapat dikecualikan, dan relaksasi Brown tidak berkontribusi pada pemanasan magnetik yang terjadi di bawah AMF. Untuk nanopartikel magnetik tertanam, hanya kerugian histeresis dan relaksasi Neel yang membuat dampak penting pada pemanasan kerugian pembalikan magnetik. Sifat pembangkitan panas bergantung AMF aktual dari -Fe2 O3 NP yang didoping dalam serat polimer tidak mudah diperkirakan karena interaksi magnetik kompleks dari fase campuran dan struktur membran berserat komposit, agregasi lokal, dan dispersi parsial -Fe2 O3 NP [33]. Jadi, sifat pembangkitan panas bergantung AMF aktual dari struktur campuran -Fe yang terdispersi dan teragregasi2 O3 NP di tikar serat dapat dievaluasi dengan benar dengan perilaku termal eksperimental. Oleh karena itu, efek konversi magnetik dilakukan dengan mengekspos membran berserat komposit ke AMF. Gambar 7 menunjukkan kurva pemanasan bergantung waktu dari membran berserat PU murni dan serat komposit magnetik yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, peningkatan suhu adalah 10.5 ± 0.4, 16.2 ± 0.3, 19.1 ± 0.5, dan 24.4 ± 0.3 °C untuk -Fe2 O3 /PU-A5, -Fe2 O3 /PU-A10, -Fe2 O3 /PU-A15, dan -Fe2 O3 /PU-A20 komposit membran berserat, masing-masing. Dan pada Gbr. 7b, sesuai dengan membran komposit yang dibuat tanpa penambahan elektroda bantu, kenaikan suhu adalah 4,2 ± 0.3, 5.1 ± 0.2, 6.7 ± 0.4, dan 9.3 ± 0.2 °C untuk -Fe2 O3 /PU-5, -Fe2 O3 /PU-10, -Fe2 O3 /PU-15, dan -Fe2 O3 /PU-20 membran komposit, masing-masing. Diamati bahwa suhu pemanasan semua serat komposit magnetik meningkat pesat dengan bertambahnya waktu dan tampaknya pada akhirnya mencapai dan pada dasarnya menjaga keseimbangan pada akhir periode pemeriksaan. Juga, peningkatan progresif dalam laju pemanasan dan suhu pemanasan muncul di kedua membran berserat komposit yang dibuat dengan dua cara yang berbeda, seiring dengan bertambahnya waktu untuk menyiapkan membran berserat komposit magnetik, dan di mana keberadaan -Fe2 O3 NP dikonfirmasi oleh difraksi XRD dan analisis morfologi. Namun, pada waktu preparasi yang sama, kecepatan pemanasan membran serat komposit yang dibuat dengan bantuan elektroda bantu lebih cepat dan suhu stabil lebih tinggi dari yang lain. Misalnya, laju pemanasan membran berserat komposit yang diperoleh dengan elektrospinning selama 15 menit dengan bantuan elektroda bantu adalah 0,42 °C/s, dan suhu kesetimbangan adalah 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 with and 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
Kesimpulan
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.
