3.5 Doppelt vernetzte Hydrogele, die durch Kombination oxidationsresistenter und oxidationslabiler Polyphenole ihre Selbstheilung bewahren
Die bisher diskutierten Hydrogele basieren auf Katecholen, die sowohl koordinativ als auch oxidativ vernetzt werden können (Schema 1). Diese sind sehr erfolgreich, es besteht jedoch die Gefahr, dass eine langsame Oxidation die Koordinationsvernetzung und damit die Selbstheilungseigenschaften beeinträchtigt. Daher wäre es vorteilhaft, Polyphenolliganden einzusetzen, die weniger oxidationsempfindlich sind. Katechole mit elektronenziehenden Substituenten wie -Cl, -NO2, –CN, -CF3 (Schema 4) sind im Vergleich zu reinem Katechol schwer zu oxidieren, während das Gegenteil für Katechole mit elektronengebenden Substituenten wie –OMe und –Me gilt.54,55 So wurden Chlor- und Nitrokatechine in bioinspirierten Materialien mit dem zusätzlichen Vorteil antibakterieller Eigenschaften bzw. der Fähigkeit, das Netzwerk durch lichtinduzierte Spaltung des Nitrokatechols aus dem Polymer abzubauen, eingesetzt.56,57
Schema 4. Oxidationsbeständige Katecholanaloga. (A) Elektronenziehende Substituenten verringern die Oxidationsneigung. (B) Das Ändern der Ringstruktur zu einem Pyridinon erzielt den gleichen Effekt. (C) pH-abhängige Chelatgleichgewichte von 3-Hydroxy-4-pyridinon.
Oxidation kann auch durch die Verwendung alternativer Ringstrukturen verhindert werden, wie von Menyo et al. wer verwendete eine chelatisierende HOPO-Funktionalität anstelle von DOPA (die Struktur von HOPO, 3-Hydroxy-4-pyridinon, ist in Schema 4B gezeigt).58 HOPO ist weniger anfällig für Oxidation als DOPA, da die Elektronendichte durch induktive und Resonanzeffekte aus dem Ring zurückgezogen wird. Dadurch werden die phenolischen pKa-Werte drastisch gesenkt (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 HOPO behält hohe Affinität in Richtung zu den harten Metallionen wie FeIII und AlIII bei und bedeutet, dass es ein sehr guter Ersatz für DOPA im Hydrogelentwurf ist.59
Wir synthetisierten ein HOPO-Analogon, das durch eine Carbonsäure, Hopo, 1-(2′-carboxyethyl) -2-methyl-3-hydroxy-4(1H) -pyridinon, funktionalisiert wurde, um eine leichte Kopplung mit z.B. Polyallylamin zu ermöglichen.60 cHOPO wurde aus Maltol synthetisiert, inspiriert von der Synthese von 1-Carboxymethyl-3-hydroxy-2-methyl-4-pyridinon, beschrieben von Mawani et al. und Zhang et al.61,62 Wir stellten dann g-cHOPO-Polyallylamin unter Verwendung der Standard-EDC / NHS-Kupplungschemie auf Polyallylamin (MW 120-200 kDa) her, was eine cHOPO-Pfropfdichte von 7% ergab.
Wir haben die pKa des Katechol-Analogons durch UV-VIS-Titration unter Verwendung der pH-abhängigen integrierten Absorptionssignale bestimmt. Die resultierenden Titrationskurven sind in Fig. 6. Für Pure cHOPO betrug der erste pKa 3,52 und der zweite 9,89. Bei Konjugation zu Polyallylamin änderten sich diese Werte signifikant. Der erste pKa verschob fast eine volle pH-Einheit auf 2,60, während der zweite auf 9,65 verschob und sich signifikant verbreiterte (Abb. 6). Wir schreiben die Verschiebung des ersten pKa der Änderung der Umgebung bei der Konjugation mit Polyallylamin zu, wobei das Molekül von einem Carbonsäuresubstituenten zu einem über eine Amidbindung an die Polyaminumgebung von Polyallylamin gebunden wird, d. H. Von –CH2CH2COOH zu –CH2CH2CONH-Polymer. Die zweite pKa verschiebt sich weniger, aber der Übergang verbreitert sich signifikant von einer scheinbaren Breite von 2,9 pH-Einheiten zu einer von 5,5 pH-Einheiten. Wir führen dies auf eine Überlappung mit der pKa der Amine des Polymerrückgrats zurück, was bedeutet, dass sich die lokale elektronische Umgebung der HOPO-Ringe mit dem pH-Wert in diesem pH-Bereich signifikant ändert.
Abb. 6. UV-VIS-Titration von cHOPO (gestrichelte Linie) und g-Chopo-Polyallylamin (g-cHOPO-PAH, volle Linie). Beachten Sie die Verschiebung in der ersten pKa und den breiteren Übergang in g-cHOPO-Polyallylamin um pH 9.
Neu gezeichnet aus Daten in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
Die Eisenkomplexe waren stark gefärbt, violett bei niedrigem pH-Wert und orange bei hohem pH-Wert und die Absorptionsspektren der Fe(III) -Komplexe mit cHOPO verschoben sich von etwa 450 nm auf etwa 550 nm, als der pH-Wert von 1 auf 11 anstieg. Der Mono-Komplex ist somit violett, während der Tris-Komplex orange ist. Bei der Pfropfung auf Polyallylamin beginnen sich die Absorptionsspitzen bei einem signifikant niedrigeren pH-Wert als für freies cHOPO um pH 3 und nicht um 7 zu rot zu verschieben. Dies deutet darauf hin, dass sich der Beginn der Bis-Komplexbildung für g-cHOPO-Polyallylamin zu viel niedrigeren pH-Werten verschiebt als für freies cHOPO, höchstwahrscheinlich aufgrund einer Kombination der niedrigeren pKa, möglicherweise aber auch aufgrund der räumlichen Nähe von cHOPOs, die an dasselbe Polymermolekül gebunden sind. Somit verschiebt die Polymerkonjugation die Bildung von Komplexen höherer Ordnung (Bis- und Triskomplexe) zu einem niedrigeren pH-Wert, was ein signifikanter Vorteil für die Hydrogelbildung ist und widerspiegelt, dass die Koordinations- und Vernetzungseigenschaften dieser Liganden durch Substituenten verändert werden können, die mehrere Kohlenstoffatome vom heteroaromatischen Ring entfernt sind.
Wir bildeten selbstheilende Hydrogele mit Al(III), um die stark gefärbten Fe(III)-cHOPO-Komplexe zu umgehen. Die Hydrogelbildung war bei allen pH-Werten reversibel, wie kompetitive Bindungsexperimente mit EDTA belegen. Zusätzlich führten wir UV-VIS-Absorptionsexperimente von Lösungen von Eisenkomplexen durch, die bei pH 1 gemischt und dann für 5 min auf pH 12 gestellt wurden, wonach der pH-Wert wieder auf pH 1 eingestellt wurde. Die Absorptionsspektren für g-HOPO-Polyallylamin wandten sich vollständig um, während für g-DOPA-Polyallylamin anhaltende Veränderungen beobachtet wurden, die die Oxidation bei hohem pH-Wert widerspiegeln. Damit wurde das Konzept der vollständig reversiblen Gelbildung etabliert. Die Hydrogele waren bei allen pH-Werten selbstheilend, wie für die oszillatorische Rheologie an Al(III)-hydrogelen gezeigt. Qualitative makroskopische Tests, bei denen Gelstücke halbiert und zur Heilung in Kontakt gebracht wurden, bestätigten die rheologischen Daten: Die Gelstücke heilten innerhalb von Minuten ab und konnten mit einem Spatel angehoben und gespannt werden, ohne zu brechen.
Die Hydrogelmechanik wurde durch oszillatorische Rheologie untersucht, wie in Fig. 7A. In Übereinstimmung mit der pH-Abhängigkeit der Koordinationskomplexgleichgewichte und dem allgemeinen Hydrogelbildungsmechanismus dieser Polyallylamin-Rückgratpolymerhydrogele steigt der Speichermodul bis pH 9 an, wo ein maximaler Speichermodul von etwa 15 kPa erhalten wurde. Das Hydrogel bildete sich bereits bei pH ~ 4, was etwa 3 pH-Einheiten niedriger ist als in dem entsprechenden DOPA-basierten Hydrogel aufgrund der Verschiebung der cHOPO-metallstöchiometrischen Änderungen zu niedrigeren pH-Werten. Diese Absenkung des pH-Wertes und der signifikanten Gelvernetzung ist ein wesentlicher zusätzlicher Vorteil der cHOPO-Hydrogele gegenüber den entsprechenden DOPA-Gelen.
Abb. 7. Speichermodul von Hydrogelen aus Al(III) und g-Chopo-polyallylamin als Funktion des pH—Wertes. (A) Reines Al(III)-g-cHOPO-Polyallylamin-Hydrogel. (B) Vergleich von reinem Al(III)—g-Chlor-polyallylamin-Hydrogel mit solchen, bei denen 1 Mol-% gerbsäure zur zusätzlichen pH-abhängigen oxidativen Vernetzung zugegeben wurde.
Neu gezeichnet aus Daten in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
Wir stellten die Hypothese auf, dass die kontrollierbare Kombination der Effekte von Koordination und kovalenten Vernetzungen eine detaillierte Kontrolle der Hydrogelsteifigkeit ermöglichen würde, während die Selbstheilung bei allen pH-Werten und zu allen Zeiten erhalten bleibt. Wir haben dies erreicht, indem wir DC-Hydrogele gebildet haben: die Al(III)g-Chlor-polyallylamin-hydrogele wurden durch Zugabe von Gerbsäure, die auch in dem im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Eintopf-Hydrogelbildungssystem verwendet wurde, durch kovalente Vernetzungen einwählbar verstärkt. Das hat sehr gut funktioniert. Speichermodule in Abhängigkeit vom pH-Wert rein organisch vernetzter Gele werden mit solchen mit 1 Mol-% Gerbsäure, entsprechend 5 Mol-% Pyrogallolgruppen pro Aminmonomer, in Fig. 7B. Bei niedrigem pH-Wert, bevor eine oxidative Vernetzung einsetzen kann, sind die beiden Kurven ähnlich. Oberhalb eines pH-Wertes von etwa 8, bei dem die oxidative Vernetzung wichtig wird, stieg der Speichermodul jedoch drastisch an und erreichte eine maximale Steifigkeit, die 5,5-mal größer ist als ohne Gerbsäure bei pH 9, was beweist, dass die DC-Hydrogele die beiden Vernetzungsmechanismen kombinieren. Zwischen pH 4 und 7 weist das Gerbsäuresystem einen etwas höheren Speichermodul auf als das reine Koordinationssystem. Wir schlagen vor, dass dies durch den größeren Anteil an metallbindenden Liganden im gerbsäurehaltigen System verursacht wird, was eine zusätzliche Vernetzung in diesem bis-Komplex-dominanten Regime bewirkt.
Die selbstheilenden Eigenschaften der Hydrogele blieben sowohl durch makroskopische qualitative Tests als auch durch Rheologie bei pH 3, 6, 9 und 12 erhalten. Die kompetitive Bindung durch EDTA zeigte, dass die Hydrogelbildung für die hinzugefügte kovalente Vernetzung nicht mehr wie erwartet reversibel war. Als nächstes untersuchten wir die Abhängigkeit des Speichermoduls von der Konzentration der zugesetzten Gerbsäure. Der Speichermodul bei pH 9 stieg exponentiell mit Gerbsäure-Konzentration bis etwa 2 mol% Gerbsäure, wo ein Speichermodul von nicht weniger als 434 kPa im Vergleich zu den 15 kPa für reine Koordinationschemie Hydrogel erreicht wurde. Oberhalb dieser Gerbsäure-Konzentration wurden die Hydrogele syneretisch, d.h. sie schlossen aufgrund der hohen kovalenten Vernetzung Wasser aus und die Steifigkeit nahm nicht mehr in gleicher Weise zu. Dennoch zeigten die Ergebnisse eindeutig, dass die Hydrogelsteifigkeit durch Kontrolle der Konzentration der zugesetzten Gerbsäure nach Belieben eingestellt werden konnte.
Wir haben die reversible Al(III) Gelierung von g-cHOPO-polyallylamin weiter genutzt, um die plasmonische Sensorik mit chiralen plasmonischen Goldnanostrukturen zu untersuchen.63 Chirale Gold-Nanohaken wurden durch kolloidale Lithographie mit Lochmaske hergestellt und konnten herausgehoben werden. Die Nanohaken hatten einen Durchmesser von nur wenigen hundert Nanometern mit einer komplexen geschwungenen 3D-Struktur, die die chirale Hakenform erzeugte. Die Chiralität der Nanohaken gab ihnen einen starken zirkulären Dichroismus. Die Nano-Hooks wurden in Al(III)g-Chlor-polyallylamin-Hydrogele eingebaut. Die CD-Signatur (Circular Dichroism) der Nanohaken blieb leicht messbar. Die Wellenlänge der CD-Spektralsignaturen hing von der Polymerkonzentration ab. Dies ermöglichte es, die Wasseraufnahme in das Hydrogel während Quellexperimenten zu verfolgen, indem die Änderung der CD-Spektren über die Zeit verfolgt wurde.63 Dies veranschaulicht die Vielseitigkeit dieser Hydrogele, von denen wir erwarten, dass sie in vielen nanowissenschaftlichen Szenarien weit verbreitet sind.
