보조 전극 유도 γ-Fe₂O₃/폴리우레탄 전기방사 섬유로 빠르고 표적화된 자기 고열 치료

요약

우리는 초상자성 γ-Fe₂O₃ 나노입자로 장식된 자기 폴리우레탄(PU) 나노섬유를 정밀 증착하는 쉬운 전기방사 기술을 제시합니다. 원뿔형 알루미늄 보조 전극이 제트 안정화 영역을 확장하여 증착 면적에 대한 4배 제어를 가능하게 합니다. 결과 복합 막은 12.5 Oe, 153 kHz 교류 자기장(AMF) 하에서 70초 내 43°C에 도달하며, 보조 전극 없이 제조된 막보다 우수합니다. 이 방법은 자기 섬유 생산과 암 치료용 국소 자기 고열 치료에 적용 가능한 조작 가능한 경로를 제공합니다.

배경

자기 고열 치료는 AMF에서 초상자성 나노입자가 생성하는 열을 이용해 건강한 조직 손상 없이 종양 온도를 41-45°C로 선택적으로 높입니다. 철 산화물 나노입자의 기존 전신 전달은 빠른 청소와 낮은 종양 축적으로 치료 효능을 제한합니다. γ-Fe₂O₃ 나노입자를 전기방사 섬유 내에 내장하면 가열원을 국소화하고 종양 조직과 밀착 접촉을 보장하여 이 문제들을 해결합니다.

기존 전기방사는 미리 합성된 나노입자를 고분자 용액에 혼합하지만, 불규칙한 종양 표면에 균일하게 적용하기 어렵고 치료 중 박리될 수 있는 막을 생성합니다. 표적 조직에 직접 섬유를 증착하는 인시투 전기방사는 이러한 한계를 극복합니다. 기류나 자기장으로 증착을 유도하는 선행 연구가 있으나, 복잡성을 더하거나 자기 고분자만 영향받습니다. 원뿔형 보조 전극 도입은 섬유 무결성 보존하면서 증착 기하학을 정제하는 간단하고 보편적인 수단을 제공합니다.

실험 방법

재료

γ-Fe₂O₃ 나노입자(10 nm, 99.5% 순도, Shanghai Macklin Biochemical Co.)와 고분자량 폴리우레탄(WHT-8170, Yantai Wanhua Polyurethanes)을 N,N-디메틸포름아마이드(DMF, 99.5%)에 용해하여 추가 정제 없이 사용했습니다.

γ-Fe₂O₃/PU 복합 섬유 제조

나노입자를 DMF에 4시간 초음파 분산 후, PU/DMF 용액(1.8 g PU in 7.5 g DMF)과 혼합했습니다. 혼합물을 30분간 강력 교반, 50°C에서 24시간 초음파 처리 후 전기방사했습니다.

전기방사 설정

핸드헬드 건형 스피너에 바늘 팁(0.7 mm ID) 아래 4 cm 직경 원뿔형 보조 전극을 장착했습니다. 5 mL 주사기로 33 µL min⁻¹ 속도 주입, 10-15 kV 전압을 10 cm 팁-수집기 거리에 인가했습니다. 수집기는 알루미늄 호일, 피부, 종양 조직 가능. 섬유 막을 5, 10, 15, 20분간 수집하여 γ-Fe₂O₃/PU-A5, -A10, -A15, -A20으로 표기. 대조 막은 보조 전극 없이 동일 조건으로 제조하여 γ-Fe₂O₃/PU-5, -10, -15, -20으로 표기.

특성 분석

SEM(Hitachi TM-1000) 섬유 형태, TEM(JEM-200EX) 나노입자 분산, XRD(Rigaku RINT2000) 결정상, FTIR(Thermo Nicolet iN10) 화학 구조, TGA(10°C min⁻¹, N₂ 분위기) 열 안정성, VSM(Quantum Design) 자기 특성 측정. 자기 가열 평가는 원통형 막을 30 mm 구리 코일(12.5 Oe, 153 kHz)에 놓고 적외선 검출기로 온도 기록.

결과 및 고찰

보조 전극을 통한 정밀 증착

전극 사용 시 제트 안정화 영역이 0.96 cm에서 4 cm로 확장되어 증착 직경이 4.6 cm에서 1.8 cm로 감소했습니다. 이 제한으로 빠르고 국소화된 섬유 증착이 가능하며, 기존 방사 대비 30분 후 막 두께가 4배 증가했습니다.

형태 및 조성

SEM 이미지는 비드 프리 다공성 섬유를 보여주며, 전극 없이 1.39 µm, 전극 사용 시 1.67 µm 평균 직경. γ-Fe₂O₃ 내장은 직경을 0.85 µm로 약간 감소시키고 표면 거칠기 증가, 보조 전극은 제한된 용매 증발로 미세한 표면 불규칙성 유도.

TEM은 10 nm 나노입자 균일 분산을 확인, 대부분 섬유 내부에 캡슐화되어 고열 치료 중 용출 방지에 중요. XRD 패턴은 넓은 PU 피크와 특징적 γ-Fe₂O₃ 반사(220, 311, 400, 511, 440) 표시. FTIR 스펙트럼은 새로운 결합 없음, 물리적 혼합 확인. VSM 곡선은 초상자성 거동: γ-Fe₂O₃ 나노입자(15 kOe에서 58.3 emu g⁻¹) 대 복합체(≈10 emu g⁻¹). TGA는 복합체 분해 개시 ~260°C로 AMF 적용 적합; 잔류 중량으로 ~19-20 wt% 나노입자 로딩 확인.

자기 고열 치료 성능

AMF 하에서 보조 전극 사용 막이 더 높은 온도 상승과 빠른 가열 속도 보임. 15분 방사 막 평형 온도 44.3°C, 가열 속도 0.42°C s⁻¹ 달성, 비전극 대비 24.4°C(0.24°C s⁻¹). 3회 AMF 사이클 반복 가열 테스트에서 안정적 온도 프로파일로 견고한 반복성 입증.

인시투 적용

휴대용 스피너로 사람 손 표면에 자기 섬유 증착, 흉터를 매끄러운 피부 유사 막으로 덮으면서 주변 조직 보호—임상 시나리오에 대한 정밀성과 다재다능함 입증.

결론

핸드헬드 전기방사 시스템에 원뿔형 보조 전극 통합으로 우수한 자기 가열 효율과 사이클 안정성을 가진 γ-Fe₂O₃/PU 복합 막의 빠르고 정밀한 증착 가능. 이 기술은 암 치료용 국소 자기 고열 치료 실용 플랫폼 제공, 화학요법, 방사선요법, 면역요법과의 시너지 효과 잠재적 향상.

약어

• AMF – 교류 자기장
• DMF – N,N-디메틸포름아마이드
• FTIR – 푸리에 변환 적외선 분광법
• INOPs – 산화철 나노입자
• MES – 자기 전기방사
• PU – 폴리우레탄
• SEM – 주사 전자 현미경
• TEM – 투과 전자 현미경
• TGA – 열중량 분석
• VSM – 진동 시료 자력계
• XRD – X선 분말 회절