3.5 Dobbelt tværbundne hydrogeler, der bevarer selvhelbredelse ved kombination af iltning resistente og iltning labile polyphenoler
de hidtil diskuterede hydrogeler er baseret på katekoler, der både kan gennemgå koordinering og iltning tværbinding (skema 1). Disse har været meget vellykkede, men der er en risiko for, at langsom iltning forringer koordineringens tværbinding og dermed de selvhelbredende egenskaber. Derfor ville det være fordelagtigt at anvende polyphenolligander, der er mindre følsomme over for iltning. Katekoler med elektronudtagende substituenter såsom –Cl, –NO2, –CN,-CF3 (skema 4) er svære at ilte sammenlignet med ren katekol, hvorimod det modsatte gælder for katekoler med elektrondonerende substituenter som –OMe og –Me.54,55 således er chlor-og nitro-katekoler blevet anvendt i bioinspirerede materialer med henholdsvis den ekstra fordel af antibakterielle egenskaber og evnen til at nedbryde netværket ved lysinduceret spaltning af nitro-katekolen fra polymeren.56,57
skema 4. Katekolresistente katekolanaloger. (A) Elektronudtagningssubstituenter reducerer tilbøjeligheden til iltning. (B) ændring af ringstrukturen til en pyridinon opnår den samme effekt. (C) pH-afhængige chelationsligevægte af 3-hydroksy-4-pyridinon.
iltning kan også forhindres ved brug af alternative ringstrukturer som foreslået af Menyo et al. hvem brugte en chelaterende HOPO-funktionalitet i stedet for DOPA (strukturen af HOPO, 3-hydroksy-4-pyridinon, er vist i skema 4b).58 HOPO er mindre tilbøjelig til iltning end DOPA, fordi elektrondensiteten trækkes tilbage fra ringen ved induktive og resonanseffekter. Dette sænker dramatisk de phenoliske pKa-værdier (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 HOPO bevarer høj affinitet mod hårde metalioner såsom FeIII og AlIII, hvilket betyder, at det er en meget god erstatning for DOPA i hydrogeldesign.59
Vi syntetiserede en HOPO-Analog funktionaliseret af en carboksysyre, cHOPO, 1-(2′-carboksyethyl)-2-methyl-3-hydroksy-4(1h) – pyridinon, for at muliggøre letkobling til f.eks. polyallylamin.60 cHOPO blev syntetiseret fra maltol inspireret af syntesen af 1-carboksymethyl-3-hydroksy-2-methyl-4-pyridinon beskrevet af Mavani et al. Jens et al.61,62 vi lavede derefter g-cHOPO-polyallylamin ved hjælp af standard EDC / NHS koblingskemi på polyallylamin (MV120-200 kDa), hvilket gav en Chopo-podningstæthed på 7%.
vi bestemte PKA for catechol-analogen ved UV-VIS-titrering ved hjælp af de pH-afhængige integrerede absorptionssignaler. De resulterende titreringskurver er vist i Fig. 6. For pure cHOPO var den første pKa 3,52 og den anden var 9,89. Efter konjugation til polyallylamin ændrede disse værdier sig markant. Den første pKa skiftede næsten en fuld pH-enhed til 2,60, mens den anden skiftede til 9,65 og udvidede sig markant (Fig. 6). Vi tilskriver skiftet i den første pKa til ændringen i miljøet ved konjugering til polyallylamin, hvor molekylet ændres fra at have en carboksyl syre –substituent til at blive bundet via en amidbinding til polyaminmiljøet af polyallylamin, dvs.fra –CH2CH2COOH til-CH2CH2CONH-polymer. Den anden pKa skifter mindre, men overgangen udvides markant fra en tilsyneladende bredde på 2,9 pH-enheder til en på 5,5 pH-enheder. Vi tilskriver dette til at overlappe med pKa af aminerne i polymerryggen, hvilket betyder, at det lokale elektroniske miljø i HOPO-ringene ændrer sig markant med pH i dette pH-område.
Fig. 6. UV-VIS titrering af cHOPO (stiplet linje) og g-cHOPO-polyallylamin (g-cHOPO-PAH, fuld linje). Bemærk skiftet i den første pKa og den bredere overgang i g-cHOPO-polyallylamin omkring pH 9.
gentegnet fra data i Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolekyler 2018, 19, 1402-1409.
jernkomplekserne var stærkt farvede, lilla ved lav pH og orange ved høj pH, og absorptionsspektrene for Fe(III) – komplekserne med cHOPO skiftede fra omkring 450 nm til omkring 550 nm, da pH steg fra 1 til 11. Monokomplekset er således lilla, mens tris-komplekset er orange. Efter podning til polyallylamin, absorptionstopperne begynder at skifte rødt ved signifikant lavere pH end for gratis cHOPO, omkring pH 3 snarere end 7. Dette indikerer, at begyndelsen af BIS-kompleksdannelsen skifter til meget lavere pH-værdier for g-cHOPO-polyallylamin end for fri cHOPO, sandsynligvis på grund af en kombination af den nedre pKa, men muligvis også til den rumlige nærhed af cHOPOs bundet til det samme polymermolekyle. Polymerkonjugering skifter således dannelsen af højere ordenskomplekser (bis – og tris-komplekser) til lavere pH, hvilket er en væsentlig fordel for hydrogeldannelse og afspejler, at koordinations-og tværbindingsegenskaberne for disse ligander kan ændres ved substituenter flere carbonatomer væk fra den hetero-aromatiske ring.
vi dannede selvhelbredende hydrogeler med Al(III) for at omgå de stærkt farvede Fe(III)-cHOPO-komplekser. Hydrogeldannelse var reversibel ved alle pH-værdier som det fremgår af konkurrencedygtige bindingseksperimenter med EDTA. Derudover gennemførte vi UV-VIS absorptionseksperimenter af opløsninger af jernkomplekser blandet ved pH 1 og derefter underkastet i 5 minutter til pH 12, hvorefter pH blev returneret til pH 1. Absorptionsspektrene reverserede fuldstændigt for g-HOPO-polyallylamin, mens vedvarende ændringer, der afspejler iltning ved høj pH, blev observeret for g-DOPA-polyallylamin. Begrebet fuldt reversibel geldannelse blev således etableret. Hydrogellerne var selvhelende ved alle pH-værdier som vist for oscillerende reologi på Al(III) hydrogeler. Kvalitative makroskopiske tests, hvor gelstykker blev skåret i halve og anbragt i kontakt for at heles, bekræftede de rheologiske data: gelstykkerne helede inden for få minutter og kunne løftes og spændes med en spatel uden at gå i stykker.
hydrogelmekanikken blev undersøgt ved oscillatorisk reologi som opsummeret i Fig. 7A. I overensstemmelse med pH-afhængigheden af koordinationskompleksets ligevægte og den generelle hydrogeldannelsesmekanisme for disse polyallylamin-rygradspolymerhydrogler øges lagringsmodulet indtil pH 9, hvor der opnås et maksimalt lagringsmodul på ca.15 kPa. 3 pH-enheder lavere end i den tilsvarende DOPA-baserede hydrogel på grund af skiftet i Chopo-metal støkiometriske ændringer til lavere pH-værdier. Denne sænkning af pH-indtræden af signifikant gel-tværbinding er en signifikant yderligere fordel ved cHOPO-hydrogellerne i forhold til de tilsvarende DOPA-dem.
Fig. 7. Lagringsmodul for hydrogeler af Al (III) og g-cHOPO-polyallylamin som funktion af pH. (A) ren Al(III)—g-cHOPO-polyallylaminhydrogel. B) sammenligning af ren Al (III)—g-cHOPO-polyallylaminhydrogel med dem, hvor der blev tilsat 1 mol% garvesyre til yderligere pH-afhængig tværbinding.
gentegnet fra data i Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolekyler 2018, 19, 1402-1409.
vi antog, at kombinationen af koordinations-og kovalente tværbindinger på en kontrollerbar måde ville give detaljeret kontrol over hydrogelstivhed, samtidig med at selvhelbredelse opretholdes ved alle pH-værdier og alle tider. Vi opnåede dette ved at danne DC hydrogeler: al (III) g-cHOPO-polyallylaminhydroglerne blev forstærket på en dial-in måde af kovalente tværbindinger gennem tilsætning af garvesyre, der også blev anvendt i det ene pothydrogeldannelsessystem beskrevet i det foregående afsnit. Dette fungerede meget godt. Opbevaringsmoduli som funktion af pH af rent koordinerende tværbundne geler sammenlignes med dem med 1 mol% garvesyre, svarende til 5 mol% pyrogallolgrupper pr.aminmonomer, i Fig. 7B. ved lav pH, før oksidativ tværbinding kan indstilles, er de to kurver ens. 8, hvor oksidativ tværbinding bliver vigtig, steg lagringsmodulet drastisk og nåede en maksimal stivhed 5,5 gange større end uden garvesyre ved pH 9, hvilket beviser, at DC-hydrogellerne kombinerer de to tværbindingsmekanismer. Mellem pH 4 og 7 har tanninsyresystemet noget højere opbevaringsmodul end det rene koordinationssystem. Vi foreslår, at dette skyldes den større andel af metalbindende ligander i det tanninsyreholdige system, som giver yderligere tværbinding i dette bis-komplekse dominerende regime.
hydrogels selvhelbredende egenskaber blev bevaret både som bestemt ved makroskopiske kvalitative tests og ved reologi ved pH 3, 6, 9 og 12. Konkurrencebinding af EDTA viste, at hydrogeldannelse ikke længere var reversibel som forventet for den tilsatte kovalente tværbinding. Dernæst undersøgte vi lagringsmodulets afhængighed af koncentrationen af tilsat tanninsyre. Lagringsmodulet ved pH 9 steg eksponentielt med tanninsyrekoncentration indtil ca. 2 mol% tanninsyre, hvor et lagringsmodul på ikke mindre end 434 kPa blev nået i sammenligning med 15 kPa for ren koordinationskemi hydrogel. Over denne tanninsyrekoncentration blev hydrogellerne syneretiske, dvs.de udelukkede vand på grund af den høje grad af kovalent tværbinding, og stivheden steg ikke længere på samme måde. Ikke desto mindre viste resultaterne tydeligt, at hydrogelstivheden kunne ringes ind efter ønske gennem kontrol af koncentrationen af tilsat garvesyre.
vi udnyttede yderligere den reversible al(III) gelering af g-cHOPO-polyallylamin for at studere plasmonisk sensing med chiral plasmonisk guld nanostrukturer.63 Chiral guld nano-kroge blev lavet af hul-maske kolloid litografi og kunne løftes ud. Nanokrogene var kun et par hundrede nanometer i diameter med en kompleks buet 3D-struktur, der genererede den chirale krogform. Chiraliteten af nano-kroge gav dem stærk cirkulær dikroisme. Nano-kroge blev inkorporeret i al (III) g-cHOPO-polyallylamin hydrogeler. Cd ‘ en (cirkulær dikroisme) signatur af nano-kroge forblev let målbar. Bølgelængden af CD-spektrale signaturer afhang af polymerkoncentration. Dette gjorde det muligt at følge vandoptagelsen i hydrogelen under hævelseseksperimenter ved at følge ændringen i CD-spektre over tid.63 dette illustrerer alsidigheden af disse hydrogeler, som vi forventer kan finde udbredt anvendt i mange nanovidenskabsscenarier.
