Abstrak
Kami menyajikan teknik electrospinning wajah yang menempatkan secara presisi serat poliuretan (PU) magnetis yang dihiasi nanopartikel γ-Fe₂O₃ superparamagnetik. Elektroda bantuan aluminium kerucut memperluas zona stabilisasi jet, memungkinkan kontrol empat kali atas area penyetoran. Membran komposit yang dihasilkan mencapai 43 °C dalam 70 detik di bawah medan magnet bergantian (AMF) 12.5 Oe, 153 kHz, mengalahkan membran yang dibuat tanpa elektroda bantuan. Metode ini menawarkan rute yang dapat dimanipulasi untuk memproduksi serat magnetis dan hipotermia magnetis lokal yang cocok untuk terapi kanker.
Latar Belakang
Hipotermia magnetis memanfaatkan panas yang dihasilkan oleh nanopartikel superparamagnetik dalam AMF, secara selektif meningkatkan suhu tumor ke 41–45 °C tanpa merusak jaringan sehat. Pengiriman sistemik nanopartikel oksida besi tradisional menderita clearansi cepat dan akumulasi tumor yang buruk, membatasi efektivitas terapeutik. Penyamaran nanopartikel γ-Fe₂O₃ dalam serat electrospinning mengatasi masalah ini dengan melokalkan sumber pemanas dan memastikan kontak intim dengan jaringan tumor.
Elektrospinning konvensional mencampur nanopartikel yang telah disintesis ke dalam larutan polimer, tetapi menghasilkan membran yang sulit diterapkan secara seragam pada permukaan tumor tidak teratur dan mungkin terlepas selama perawatan. Elektrospinning in situ—menyetel serat secara langsung pada jaringan target—mengatasi keterbatasan ini. Pekerjaan sebelumnya telah menggunakan aliran udara atau medan magnet untuk mengarahkan penyetoran, namun pendekatan ini menambahkan kompleksitas atau hanya mempengaruhi polimer magnetis. Memperkenalkan elektroda bantuan kerucut menyediakan cara sederhana dan universal untuk menyempurnakan geometri penyetoran sambil mempertahankan integritas serat.
Metode
Bahan
Nanopartikel γ-Fe₂O₃ (10 nm, 99.5 % kemurnian, Shanghai Macklin Biochemical Co.) dan poliuretan berat molekul tinggi (WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes) dilarutkan dalam N,N-dimetilformamida (DMF, 99.5 %) tanpa pemurnian lebih lanjut.
Persiapan Serat Komposit γ-Fe₂O₃/PU
Nanopartikel didispersikan dalam DMF dengan sonikasi selama 4 jam, kemudian dicampur dengan larutan PU/DMF (1.8 g PU dalam 7.5 g DMF). Campuran diaduk dengan kuat selama 30 menit, kemudian di-sonikasi selama 24 jam pada 50 °C sebelum electrospinning.
Setup Elektrospinning
Spinner bentuk pistol genggam mengintegrasikan elektroda bantuan kerucut berdiameter 4 cm di bawah ujung jarum (0.7 mm ID). Siring 5 mL memompa larutan pada 33 µL min⁻¹ sementara tegangan 10–15 kV diterapkan pada jarak 10 cm antara ujung dan kolektor. Kolektor dapat berupa foil aluminium, kulit, atau jaringan tumor. Membran serat dikumpulkan selama 5, 10, 15, dan 20 menit, menghasilkan sampel yang diberi label γ-Fe₂O₃/PU-A5, –A10, –A15, dan –A20. Membran kontrol dibuat secara identik tetapi tanpa elektroda bantuan, diberi label γ-Fe₂O₃/PU-5, –10, –15, dan –20.
Karakterisasi
SEM (Hitachi TM-1000) mengungkapkan morfologi serat; TEM (JEM-200EX) menilai dispersi nanopartikel; XRD (Rigaku RINT2000) mengidentifikasi fasa kristal; FTIR (Thermo Nicolet iN10) mengonfirmasi struktur kimia; TGA (10 °C min⁻¹, atmosfer N₂) mengevaluasi stabilitas termal; VSM (Quantum Design) mengukur properti magnetik. Pemanas magnetik dinilai dengan menempatkan membran silinder dalam coil tembaga 30 mm (12.5 Oe, 153 kHz) dan mencatat suhu dengan detektor inframerah.
Hasil dan Pembahasan
Penyetoran yang Tepat melalui Elektroda Bantuan
Dengan elektroda, zona stabilisasi jet diperluas menjadi 4 cm versus 0.96 cm tanpa elektroda, mengurangi diameter penyetoran dari 4.6 cm menjadi 1.8 cm. Penahanan ini memungkinkan penyetoran serat yang cepat dan terlokalisir serta membran yang jauh lebih tebal (peningkatan empat kali setelah 30 menit) dibandingkan elektrospinning konvensional.
Morfologi dan Komposisi
Gambar SEM menunjukkan serat bebas bola, berpori dengan diameter rata-rata 1.39 µm (tanpa elektroda) dan 1.67 µm (dengan elektroda). Penyisipan γ-Fe₂O₃ sedikit mengurangi diameter menjadi 0.85 µm dan meningkatkan kekasaran permukaan, sementara elektroda bantuan memperkenalkan ketidakteraturan permukaan yang kecil karena avaporisasi pelarut yang terbatas.
TEM mengonfirmasi dispersi seragam nanopartikel 10 nm, sebagian besar terenkapsulasi dalam serat—krusial untuk mencegah kebocoran selama hipotermia. Pola XRD menunjukkan puncak PU yang lebar dan refleksi karakteristik γ-Fe₂O₃ (220, 311, 400, 511, 440). Spektra FTIR mengungkapkan tidak ada ikatan baru, yang menunjukkan campuran fisik. Kurva VSM menunjukkan perilaku superparamagnetik: nanopartikel γ-Fe₂O₃ (58.3 emu g⁻¹ pada 15 kOe) versus komposit (≈10 emu g⁻¹). TGA menunjukkan dekomposisi awal komposit sekitar 260 °C, cocok untuk aplikasi AMF; bobot sisa menunjukkan pemuatan nanopartikel sekitar 19–20 wt %.
Performa Hipotermia Magnetis
Di bawah AMF, membran dengan elektroda bantuan mencapai kenaikan suhu yang lebih tinggi dan laju pemanasan yang lebih cepat. Untuk membran yang di-spin selama 15 menit, suhu ekuilibrium mencapai 44.3 °C pada 0.42 °C s⁻¹, dibandingkan dengan 24.4 °C (0.24 °C s⁻¹) untuk sejenis tanpa elektroda. Tes pemanasan siklus selama tiga siklus AMF menunjukkan profil suhu yang stabil, menunjukkan repeatabilitas yang kuat.
Aplikasi In Situ
Dengan spinner portabel, serat magnetis ditetapkan pada permukaan tangan manusia, menutupi luka bakar dengan membran seperti kulit yang mulus sambil menghemat jaringan di sekitarnya—mengilustrasikan presisi dan serbaguna metode ini untuk skenario klinis.
Kesimpulan
Integrasi elektroda bantuan kerucut ke dalam sistem electrospinning genggam memungkinkan penyetoran cepat dan presisi membran komposit γ-Fe₂O₃/PU dengan efisiensi pemanas magnetik yang unggul dan stabilitas siklus. Teknik ini menawarkan platform praktis untuk hipotermia magnetis lokal dalam terapi kanker, yang berpotensi meningkatkan efek sinergi dengan kemoterapi, radioterapi, atau imunoterapi.
Singkatan
- AMF – Medan magnet bergantian
- DMF – N,N-Dimetilformamida
- FTIR – Spektroskopi inframerah transformasi Fourier
- INOPs – Nanopartikel oksida besi
- MES – Elektrospinning magnetis
- PU – Poliuretan
- SEM – Mikroskopi elektron pencawan
- TEM – Mikroskopi transmisi elektron
- TGA – Analisis termogravimetri
- VSM – Magnetometer sampel getaran
- XRD – Difraksi X-ray bubuk
