Hipertermia Magnética Rápida y Dirigida con Fibras Electrohiladas γ-Fe₂O₃/Poliuretano Guiadas por Electrodo Auxiliar

Resumen

Presentamos una técnica electrohilado facial que deposita con precisión nanofibras magnéticas de poliuretano (PU) decoradas con nanopartículas superparamagnéticas γ-Fe₂O₃. Un electrodo auxiliar cónico de aluminio extiende la zona de estabilización del chorro, permitiendo control cuádruple sobre área deposición. Las membranas compuestas resultantes alcanzan 43 °C en 70 s bajo campo magnético alterno (AMF) 12,5 Oe, 153 kHz, superando membranas fabricadas sin electrodo auxiliar. Este método ofrece ruta manipulable para producir fibras magnéticas e hipertermia magnética localizada adecuada para terapia cáncer.

Antecedentes

La hipertermia magnética explota calor generado por nanopartículas superparamagnéticas en AMF, elevando selectivamente temperaturas tumor a 41–45 °C sin dañar tejido sano. La entrega sistémica tradicional de nanopartículas óxido hierro sufre eliminación rápida y pobre acumulación tumoral, limitando eficacia terapéutica. Incrustar nanopartículas γ-Fe₂O₃ dentro de fibras electrohiladas aborda estos problemas localizando fuente calor y asegurando contacto íntimo con tejido tumoral.

El electrohilado convencional mezcla nanopartículas pre-sintetizadas en soluciones polímero, pero produce membranas difíciles aplicar uniformemente a superficies tumorales irregulares y que pueden desprenderse durante tratamiento. El electrohilado in situ —depositando fibras directamente sobre tejidos objetivo— evita estas limitaciones. Trabajos previos usaron flujo aire o campos magnéticos guiar deposición, pero estos enfoques añaden complejidad o solo afectan polímeros magnéticos. Introducir electrodo auxiliar cónico proporciona medio simple, universal para refinar geometría deposición preservando integridad fibra.

Métodos

Materiales

Nanopartículas γ-Fe₂O₃ (10 nm, 99,5 % pureza, Shanghai Macklin Biochemical Co.) y poliuretano alto peso molecular (WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes) disueltos en N,N-dimetilformamida (DMF, 99,5 %) sin purificación adicional.

Preparación Fibras Compuestas γ-Fe₂O₃/PU

Nanopartículas dispersaron en DMF por 4 h ultrasonicación, seguido mezcla con solución PU/DMF (1,8 g PU en 7,5 g DMF). La mezcla agitó vigorosamente 30 min, luego sonicó 24 h a 50 °C antes electrohilado.

Setup Electrohilado

Un huso pistola manual incorporó electrodo auxiliar cónico 4 cm diámetro bajo punta aguja (0,7 mm ID). Jeringa 5 mL bombearon solución 33 µL min⁻¹ mientras voltaje 10–15 kV aplicó sobre distancia punta-colector 10 cm. Colector pudo ser papel aluminio, piel o tejido tumoral. Membranas fibrosas recolectaron 5, 10, 15 y 20 min, produciendo muestras etiquetadas γ-Fe₂O₃/PU-A5, –A10, –A15 y –A20. Membranas control fabricadas idénticamente pero sin electrodo auxiliar, etiquetadas γ-Fe₂O₃/PU-5, –10, –15 y –20.

Caracterización

SEM (Hitachi TM-1000) reveló morfología fibra; TEM (JEM-200EX) evaluó dispersión nanopartículas; XRD (Rigaku RINT2000) identificó fases cristalinas; FTIR (Thermo Nicolet iN10) confirmó estructura química; TGA (10 °C min⁻¹, atmósfera N₂) evaluó estabilidad térmica; VSM (Quantum Design) midió propiedades magnéticas. Calentamiento magnético evaluado colocando membranas cilíndricas en bobina cobre 30 mm (12,5 Oe, 153 kHz) y registrando temperatura con detector infrarrojo.

Resultados y Discusión

Deposición Precisa vía Electrodo Auxiliar

Con electrodo, zona estabilización chorro extendió a 4 cm versus 0,96 cm sin él, reduciendo diámetro deposición 4,6 cm a 1,8 cm. Esta confinación permite deposición fibras rápida y localizada y membranas significativamente más gruesas (aumento cuádruple tras 30 min) comparado electrohilado convencional.

Morfología y Composición

Imágenes SEM muestran fibras libres cuentas, porosas con diámetros medios 1,39 µm (sin electrodo) y 1,67 µm (con electrodo). Incrustar γ-Fe₂O₃ redujo ligeramente diámetro a 0,85 µm y aumentó rugosidad superficie, mientras electrodo auxiliar introdujo irregularidades superficie modestas por evaporación solvente limitada.

TEM confirmó dispersión uniforme nanopartículas 10 nm, mayormente encapsuladas dentro fibras —crítico para prevenir lixiviación durante hipertermia. Patrones XRD mostraron picos anchos PU y reflexiones características γ-Fe₂O₃ (220, 311, 400, 511, 440). Espectros FTIR revelaron no nuevos enlaces, indicando mezcla física. Curvas VSM mostraron comportamiento superparamagnético: nanopartículas γ-Fe₂O₃ (58,3 emu g⁻¹ a 15 kOe) versus compuestos (≈10 emu g⁻¹). TGA mostró inicio descomposición compuesto ~260 °C, adecuado para aplicación AMF; peso residual indicó ~19–20 % peso carga nanopartículas.

Rendimiento Hipertermia Magnética

Bajo AMF, membranas con electrodo auxiliar alcanzaron mayores aumentos temperatura y tasas calentamiento más rápidas. Para membrana electrohilada 15 min, temperatura equilibrio alcanzó 44,3 °C a 0,42 °C s⁻¹, comparado 24,4 °C (0,24 °C s⁻¹) contraparte sin electrodo. Pruebas calentamiento cíclico tres ciclos AMF mostraron perfiles temperatura estables, demostrando robusta repetibilidad.

Aplicación In Situ

Usando huso portátil, fibras magnéticas depositaron sobre superficie mano humana, cubriendo cicatriz con membrana seamless, piel-como mientras preservando tejido circundante —ilustrando precisión y versatilidad método para escenarios clínicos.

Conclusiones

Integrar electrodo auxiliar cónico en sistema electrohilado pistola manual permite deposición rápida, precisa membranas compuestas γ-Fe₂O₃/PU con eficiencia calentamiento magnético superior y estabilidad cíclica. Esta técnica ofrece plataforma práctica para hipertermia magnética localizada en terapia cáncer, potencialmente mejorando efectos sinérgicos con quimioterapia, radioterapia o inmunoterapia.

Abreviaturas

• AMF – Campo magnético alterno
• DMF – N,N-Dimetilformamida
• FTIR – Espectroscopía infrarroja transformada Fourier
• INOPs – Nanopartículas óxido hierro
• MES – Electrohilado magnético
• PU – Poliuretano
• SEM – Microscopía electrónica barrido
• TEM – Microscopía electrónica transmisión
• TGA – Análisis termogravimétrico
• VSM – Magnetómetro muestra vibrante
• XRD – Difracción rayos X polvo