3.5 Hidrogeles reticulados dobles que retienen la autocuración mediante la combinación de polifenoles lábiles y resistentes a la oxidación
Los hidrogeles discutidos hasta ahora se basan en catecoles que pueden someterse a coordinación y reticulación oxidativa (Esquema 1). Estos han tenido mucho éxito, pero existe el riesgo de que la oxidación lenta perjudique la coordinación de reticulación y, por lo tanto, las propiedades de autocuración. Por lo tanto, sería beneficioso emplear ligandos polifenólicos que sean menos sensibles a la oxidación. Los catecoles con sustituyentes que retiran electrones como-Cl, – NO2, – CN, – CF3 (Esquema 4) son difíciles de oxidar en comparación con el catecol puro, mientras que lo contrario se aplica a los catecoles con sustituyentes que donan electrones como-OMe y –Me.54,55 por Lo tanto, cloro – y nitro-catecoles se han empleado en los materiales bioinspirados con el beneficio añadido, respectivamente, de propiedades antibacterianas y la capacidad para romper la red por la luz inducida por la escisión de la nitro-catecol del polímero.56,57
Esquema 4. Análogos de catecol resistentes a la oxidación. A) Los sustituyentes que retiran electrones reducen la propensión a la oxidación. (B) Cambiar la estructura del anillo a una piridinona logra el mismo efecto. C) Equilibrios de quelación dependientes del pH de la 3-hidroxi-4-piridinona.
La oxidación también se puede prevenir mediante el uso de estructuras de anillos alternos, como propone Menyo et al. la oms utilizó una funcionalidad quelante de HOPO en lugar de DOPA (la estructura de HOPO, 3-hidroxi-4-piridinona, se muestra en el Esquema 4B).58 El HOPO es menos propenso a la oxidación que la DOPA porque la densidad electrónica se retira del anillo por efectos inductivos y de resonancia. Esto reduce drásticamente los valores fenólicos de pKa (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 HOPO conserva una alta afinidad hacia los iones de metales duros como FeIII y AlIII, lo que significa que es un muy buen reemplazo para la DOPA en el diseño de hidrogel.59
Sintetizamos un análogo de HOPO funcionalizado por un ácido carboxílico, cHOPO, 1 – (2 ‘ – carboxietil)-2-metil-3-hidroxi-4(1H) – piridinona, para permitir el acoplamiento fácil a, por ejemplo, polialilamina.60 El cHOPO se sintetizó a partir de maltol inspirado en la síntesis de 1-carboximetil-3-hidroxi-2-metil-4-piridinona descrita por Mawani et al. y Zhang et al.61,62 Luego fabricamos g-cHOPO-polialilamina utilizando la química estándar de acoplamiento EDC/NHS con polialilamina (MW 120-200 kDa), lo que da una densidad de injerto de cHOPO del 7%.
Determinamos el pKa del análogo de catecol mediante titulación UV-VIS utilizando las señales de absorción integradas dependientes del pH. Las curvas de valoración resultantes se muestran en la Fig. 6. Para el cHOPO puro, el primer pKa fue de 3,52 y el segundo de 9,89. Al conjugarse con polialilamina, estos valores cambiaron significativamente. El primer pKa desplazó casi una unidad de pH completa a 2,60, mientras que el segundo se desplazó a 9,65 y se amplió significativamente (Fig. 6). Atribuimos el cambio en el primer pKa al cambio en el entorno tras la conjugación con polialilamina, donde la molécula cambia de tener un sustituyente de ácido carboxílico a estar unida a través de un enlace de amida al entorno de poliamina de polialilamina, es decir, de polímero –CH2CH2COOH a –CH2CH2CONH. El segundo pKa cambia menos, pero la transición se amplía significativamente de un ancho aparente de 2,9 unidades de pH a una de 5,5 unidades de pH. Atribuimos esto a la superposición con el pKa de las aminas de la columna vertebral del polímero, lo que significa que el entorno electrónico local de los anillos de HOPO cambia significativamente con el pH en este rango de pH.
Fig. 6. Titulación UV-VIS de cHOPO (línea discontinua) y g-cHOPO-polialilamina (g-cHOPO-PAH, línea completa). Tenga en cuenta el cambio en el primer pKa y la transición más amplia en g-cHOPO-polialilamina alrededor de pH 9.
Redibujado a partir de datos en Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromoléculas 2018, 19, 1402-1409.
Los complejos de hierro eran de colores fuertes, morados a pH bajo y anaranjados a pH alto y los espectros de absorción de los complejos de Fe(III) con cHOPO se desplazaron de aproximadamente 450 nm a alrededor de 550 nm a medida que el pH aumentaba de 1 a 11. El mono-complejo es, por lo tanto, de color púrpura, mientras que el complejo tris es de color naranja. Tras el injerto a polialilamina, los picos de absorción comienzan a cambiar al rojo a un pH significativamente más bajo que para el cHOPO libre, alrededor de un pH de 3 en lugar de 7. Esto indica que el inicio de la formación del complejo bis cambia a valores de pH mucho más bajos para la g-cHOPO-polialilamina que para el cHOPO libre, muy probablemente debido a una combinación del pKa inferior, pero posiblemente también a la proximidad espacial de los cHOPOs unidos a la misma molécula de polímero. Por lo tanto, la conjugación de polímeros cambia la formación de complejos de orden superior (complejos bis y tris) a un pH más bajo, lo que es una ventaja significativa para la formación de hidrogel y refleja que las propiedades de coordinación y reticulación de estos ligandos pueden ser alteradas por sustituyentes que se alejan de varios carbonos del anillo hetero-aromático.
Formamos hidrogeles auto-curativos con Al (III) para eludir los complejos Fe(III)-cHOPO fuertemente coloreados. La formación de hidrogel fue reversible en todos los valores de pH, como lo demuestran los experimentos de unión competitiva con EDTA. Además, se realizaron experimentos de absorción UV-VIS de soluciones de complejos de hierro mezclados a pH 1 y luego sometidos durante 5 min a pH 12, después de lo cual el pH volvió a pH 1. El espectro de absorción se invirtió completamente para la g-HOPO-polialilamina, mientras que se observaron cambios persistentes que reflejaban la oxidación a un pH alto para la g-DOPA-polialilamina. Así se estableció el concepto de formación de gel totalmente reversible. Los hidrogeles fueron autoregenerables en todos los valores de pH, como se muestra para la reología oscilatoria en los hidrogeles Al (III). Las pruebas macroscópicas cualitativas, en las que las piezas de gel se cortaron por la mitad y se pusieron en contacto para sanar, confirmaron los datos reológicos: las piezas de gel se curaron en minutos y se podían levantar y colar con una espátula sin romperse.
La mecánica de hidrogel se investigó por reología oscilatoria, como se resume en la Fig. 7A. De acuerdo con la dependencia del pH de los equilibrios del complejo de coordinación y el mecanismo general de formación de hidrogeles de estos hidrogeles de polímero troncal de polialilamina, el módulo de almacenamiento aumenta hasta pH 9, donde se obtuvo un módulo de almacenamiento máximo de aproximadamente 15 kPa. El hidrogel ya se formó a pH ~ 4, que es aproximadamente 3 unidades de pH más bajo que en el hidrogel a base de DOPA correspondiente debido al cambio en los cambios estequiométricos de cHOPO-metal a valores de pH más bajos. Esta disminución de la aparición del pH de la reticulación significativa de gel es una ventaja adicional significativa de los hidrogeles cHOPO sobre los DOPANTES correspondientes.
Fig. 7. Módulo de almacenamiento de hidrogeles de Al (III) y g-cHOPO-polialilamina en función del pH. (A) Hidrogel puro de Al(III)—g-cHOPO-polialilamina. B) Comparación del hidrogel de Al(III)—g-cHOPO-polialilamina puro con otros en los que se añadió ácido tánico al 1% mol para un reticulado oxidativo adicional dependiente del pH.
Redibujado a partir de datos en Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromoléculas 2018, 19, 1402-1409.
Planteamos la hipótesis de que la combinación de manera controlable de los efectos de la coordinación y los enlaces cruzados covalentes permitiría un control detallado de la rigidez del hidrogel, al tiempo que conservaba la autorreparación en todos los valores de pH y en todo momento. Lo logramos formando hidrogeles de CC: los hidrogeles de Al (III) g-cHOPO-polialilamina se reforzaron de manera dial-in mediante enlaces cruzados covalentes a través de la adición de ácido tánico que también se utilizó en el sistema de formación de hidrogel de una olla descrito en la sección anterior. Esto funcionó muy bien. Los módulos de almacenamiento en función del pH de los geles reticulados puramente de coordinación se comparan con los que tienen 1% mol de ácido tánico, correspondiente a 5% mol de grupos de pirogalol por monómero de amina, en la Fig. 7B. A un pH bajo, antes de que se pueda establecer el reticulado oxidativo, las dos curvas son similares. Sin embargo, por encima del pH de aproximadamente 8, donde la reticulación oxidativa se vuelve importante, el módulo de almacenamiento aumentó drásticamente y alcanzó una rigidez máxima 5,5 veces mayor que sin ácido tánico a pH 9, lo que demuestra que los hidrogeles de CC combinan los dos mecanismos de reticulación. Entre pH 4 y 7, el sistema de ácido tánico tiene un módulo de almacenamiento algo más alto que el sistema de coordinación pura. Sugerimos que esto es causado por la mayor proporción de ligandos de unión de metales en el sistema que contiene ácido tánico, que proporciona reticulación adicional en este régimen dominante bis complejo.
Se conservaron las propiedades de autocuración de los hidrogeles, determinadas por pruebas cualitativas macroscópicas y por reología a pH 3, 6, 9 y 12. La unión competitiva por EDTA mostró que la formación de hidrogel ya no era reversible como se esperaba para la reticulación covalente añadida. A continuación, investigamos la dependencia del módulo de almacenamiento de la concentración de ácido tánico añadido. El módulo de almacenamiento a pH 9 aumentó exponencialmente con la concentración de ácido tánico hasta aproximadamente 2% mol de ácido tánico, donde se alcanzó un módulo de almacenamiento de no menos de 434 kPa en comparación con el hidrogel de química de coordinación pura de 15 kPa. Por encima de esta concentración de ácido tánico, los hidrogeles se volvieron sineréticos, es decir, excluyeron el agua debido al alto grado de reticulación covalente y la rigidez ya no aumentó de la misma manera. Sin embargo, los resultados demostraron claramente que la rigidez del hidrogel se podía ajustar a voluntad mediante el control de la concentración de ácido tánico añadido.
Aprovechamos además la gelificación reversible Al(III) de g-cHOPO-polialilamina para estudiar la detección plasmónica con nanoestructuras de oro plasmónico quiral.Se fabricaron 63 Nano ganchos quirales de oro mediante litografía coloidal con máscara de agujero y se podían levantar. Los nano-ganchos eran solo unos pocos cientos de nanómetros de diámetro con una compleja estructura curvada en 3D que generaba la forma quiral de gancho. La quiralidad de los nano-ganchos les dio un fuerte dicroísmo circular. Los nano-ganchos fueron incorporados en hidrogeles de Al (III) g-cHOPO-polialilamina. La firma CD (dicroísmo circular) de los nano-ganchos se mantuvo fácilmente mensurable. La longitud de onda de las firmas espectrales de CD dependía de la concentración del polímero. Esto hizo posible seguir la absorción de agua en el hidrogel durante los experimentos de hinchazón siguiendo el cambio en los espectros de CD a lo largo del tiempo.63 Esto ilustra la versatilidad de estos hidrogeles que esperamos puedan ser ampliamente utilizados en muchos escenarios de nanociencia.
