3.5 kaksois-ristisidotut hydrogeelit, jotka säilyttävät itsensä paranemisen hapettumista kestävien ja hapetuslabiilien polyfenolien yhdistelmällä
tähän mennessä käsitellyt hydrogeelit perustuvat katekoleihin, jotka voivat sekä koordinoitua että hapettua ristisidontaa (Scheme 1). Nämä ovat olleet erittäin onnistuneita, mutta on olemassa vaara, että hidas hapettuminen heikentää koordinaation ristikytkentää ja sitä kautta itseään parantavia ominaisuuksia. Siksi olisi hyödyllistä käyttää polyfenoliligandeja, jotka ovat vähemmän herkkiä hapettumiselle. Katekolit, joissa on elektroneja vetäytyviä substituentteja, kuten-cl, –NO2, –CN, –CF3 (kaavio 4), ovat vaikeasti hapettavia verrattuna puhtaaseen katekoliin, kun taas katekolit, joissa on elektroneja luovuttavia substituentteja, kuten –OMe ja-Me, ovat päinvastaisia.54,55 näin ollen kloori-ja nitro-katekoleja on käytetty bioinspiroiduissa materiaaleissa, ja lisähyötynä ovat antibakteeriset ominaisuudet ja kyky hajottaa verkosto polymeeristä saatavan nitro-katekolin valon aiheuttaman pilkkoutumisen avulla.56,57
Scheme 4. Hapettumista kestävät katekolianalogit. (A) elektroneja vetäytyvät substituentit vähentävät hapettumisalttiutta. B) rengasrakenteen muuttamisella pyridinoniksi saavutetaan sama vaikutus. C) pH: sta riippuva 3-hydroksi-4-pyridinonin kelaatiotasapainotila.
hapettumista voidaan estää myös käyttämällä vaihtoehtoisia rengasrakenteita kuten menyo et al. who käytti kelatoivaa HOPO-toimintoa dopan sijaan (Hopon rakenne, 3-hydroksi-4-pyridinoni, on esitetty kaaviossa 4B).58 HOPO on vähemmän altis hapettumiselle kuin DOPA, koska elektronitiheys poistuu renkaasta induktiivisten ja resonanssiefektien vaikutuksesta. Tämä alentaa dramaattisesti fenolisia pKa-arvoja (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 HOPO säilyttää suuren affiniteetin kovien metalli-ionien, kuten FeIII: n ja AlIII: n suhteen, mikä tarkoittaa, että se on erittäin hyvä dopan korvaaja hydrogeelin suunnittelussa.59
syntetisoimme HOPO-analogia, joka on funktionalisoitu karboksyylihapolla cHOPO, 1-(2′-karboksietyyli)-2-metyyli-3-hydroksi-4(1h) – pyridinonilla mahdollistaaksemme helpon kytkennän esim.polyallyyliamiiniin.60 chopoa syntetisoitiin maltolista mawani et al: n kuvaaman 1-karboksimetyyli-3-hydroksi-2-metyyli-4-pyridinonin synteesin innoittamana. ja Zhang et al.61,62 sitten teimme g-cHOPO-polyallyyliamiinia käyttäen standardia EDC/NHS-kytkentäkemia polyallyyliamiiniin (MW 120-200 kDa), jolloin cHOPO-grafttitiheys on 7%.
määritimme katekolianalogin pKa: n UV-VIS-titrauksella käyttäen pH: sta riippuvia integroituja absorptiosignaaleja. Tuloksena olevat titrauskäyrät on esitetty kuvassa. 6. Puhtaalle chopolle ensimmäinen pKa oli 3,52 ja toinen 9,89. Konjugoituessa polyallyyliamiiniksi nämä arvot muuttuivat merkittävästi. Ensimmäinen pKa siirtyi lähes täyden pH-yksikön 2,60, kun taas toinen siirtyi 9,65 ja laajeni merkittävästi (Kuva. 6). Ensimmäisen pKa: n siirtymisen katsotaan johtuvan ympäristön muutoksesta konjugoituessa polyallyyliamiiniin, jossa molekyyli muuttuu karboksyylihapposubstituentista amidisidoksen kautta polyallyyliamiinin ympäristöön, ts. –ch2ch2cooh –ch2ch2conh-polymeeriin. Toinen pKa siirtyy vähemmän, mutta siirtyminen laajenee merkittävästi näennäisleveydestä 2,9 pH yksikköä yhteen 5,5 pH yksikköä. Katsomme tämän olevan päällekkäistä polymeerin selkärangan amiinien pKa: n kanssa, mikä tarkoittaa, että HOPO-renkaiden paikallinen elektroninen ympäristö muuttuu merkittävästi pH: n ollessa tällä pH-alueella.
Fig. 6. CHOPON (katkoviivan) ja G-cHOPO-polyallyyliamiinin (g-cHOPO-PAH, täyden viivan) titraus UV-VIS. Huomaa muutos ensimmäisessä pKa: ssa ja laajempi siirtyminen g-cHOPO-polyallyyliamiinissa pH 9: n ympärillä.
Redrawn from data in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
rautakompleksit olivat voimakkaasti värillisiä, violetteja matalalla pH: lla ja oransseja korkealla pH: lla ja fe(III) kompleksien absorptiospektrit chopolla siirtyivät noin 450 nm: stä noin 550 nm: iin pH: n noustessa 1: stä 11: een. Monokompleksi on siis Violetti, kun taas tris-kompleksi on oranssi. Polyallyyliamiiniin siirryttäessä absorptiopiikit alkavat punasiirtymään huomattavasti alhaisemmassa pH: ssa kuin vapaana chopolla, noin pH 3: ssa eikä 7: ssä. Tämä viittaa siihen, että bis-kompleksin muodostuminen siirtyy g-cHOPO-polyallyyliamiinin pH-arvoihin, jotka ovat huomattavasti alhaisemmat kuin vapaan chopon, mikä johtuu todennäköisesti alemman pKa: n yhdistelmästä, mutta mahdollisesti myös samaan polymeerimolekyyliin sitoutuneen choposin spatiaalisesta läheisyydestä. Näin polymeerikonjugaatio siirtää korkeamman kertaluvun kompleksien (bis-ja tris – kompleksien) muodostumisen matalampaan pH: hen, mikä on hydrogeelin muodostumiselle merkittävä etu ja heijastaa sitä, että näiden ligandien koordinaatio-ja ristisilloitusominaisuuksia voidaan muuttaa substituenteilla useita hiiliä pois heteroaromaattisesta renkaasta.
muodostimme itsestään paranevia hydrogeelejä Al(III): n kanssa kiertääksemme voimakkaasti väritettyjä Fe(III)-cHOPO-komplekseja. Hydrogeelin muodostuminen oli palautuvaa kaikilla pH-arvoilla, mikä on osoitettu EDTA: lla tehdyissä kilpailevissa sitoutumiskokeissa. Lisäksi teimme UV-VIS-absorptiokokeita rautakompleksien liuoksista, jotka sekoitettiin pH 1: een ja altistettiin 5 minuutin ajan pH 12: een, minkä jälkeen pH palautettiin pH 1: een. G-Hopo-polyallyyliamiinilla absorptiospektrit kääntyivät täysin päinvastaisiksi, kun taas G-DOPA-polyallyyliamiinilla havaittiin pysyviä muutoksia, jotka heijastivat hapettumista korkeassa pH: ssa. Näin vakiintui täysin palautuvan geelin muodostumisen käsite. Hydrogeelit paranivat itsestään kaikilla pH-arvoilla, jotka on esitetty al(III) hydrogeelien oskillatoriselle reologialle. Kvalitatiiviset makroskooppiset testit, joissa geelikappaleet leikattiin kahtia ja asetettiin kosketukseen parantuakseen, vahvistivat reologiset tiedot: geelikappaleet paranivat muutamassa minuutissa ja ne voitiin nostaa ja siivilöidä lastalla rikkomatta.
hydrogeelin mekaniikkaa tutkittiin oskillatorisella reologialla, kuten on tiivistetty Kuvassa. 7 A. Koordinaatiokompleksin tasapainotilan pH-riippuvuuden ja näiden polyallyyliamiinien runkopolymeerivetyjen yleisen hydrogeelin muodostusmekanismin mukaisesti varastointikerroin kasvaa pH 9: ään asti, jolloin suurin varastointikerroin on noin 15 kPa. Hydrogeeli muodostui jo pH ~ 4: ssä, joka on noin 3 pH-yksikköä pienempi kuin vastaavassa DOPAPOHJAISESSA hydrogeelissä johtuen cHOPO-metallisten stoikiometristen muutosten siirtymisestä alhaisempiin pH-arvoihin. Tämä merkitsevän geelin ristisiteen pH-arvon alentaminen on Chopo-hydrogeelien merkittävä lisäetu vastaaviin DOPA-aineisiin verrattuna.
Fig. 7. Al(III) ja g-cHOPO-polyallyyliamiinin hydrogeelien varastointikerroin puhtaan Al (III)—G-cHOPO-polyallyyliamiinihydrogeelin funktiona. B) puhtaan Al(III)—G-cHOPO-polyallyyliamiinihydrogeelin Vertailu niihin, joihin lisättiin 1 mol% parkkihappoa ylimääräisten pH-riippuvaisten oksidatiivisten ristisitomisten vuoksi.
Redrawn from data in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
olemme olettaneet, että koordinaation ja kovalenttisten ristikkäisten siteiden vaikutusten yhdistäminen hallittavalla tavalla mahdollistaisi hydrogeelin jäykkyyden yksityiskohtaisen hallinnan säilyttäen samalla itsensä paranemisen kaikilla pH-arvoilla ja kaikkina aikoina. Saavutimme tämän muodostamalla DC-hydrogeelejä: Al (III) g-cHOPO-polyallyyliamiinihydrogeelit vahvistettiin diaalimaisesti kovalenttisilla ristisilloituksilla lisäämällä parkkihappoa, jota käytettiin myös edellisessä jaksossa kuvatussa yhden potin hydrogeelin muodostusjärjestelmässä. Tämä toimi erittäin hyvin. Varastointimoduli puhtaasti koordinoinnin pH: n funktiona ristisilloitettuja geelejä verrataan niihin, joissa on 1 mol% parkkihappoa, mikä vastaa 5 mol% pyrogalloliryhmiä Amiinimonomeeria kohti, viikuna. 7B. alhaisessa pH: ssa, ennen kuin oksidatiivinen ristisilloitus voi asettua, kaksi käyrää ovat samanlaisia. Kuitenkin yli pH noin 8 jossa hapettava crosslinking tulee tärkeä, varastointi modulus kasvoi rajusti ja saavutti suurin jäykkyys 5,5 kertaa suurempi kuin ilman parkkihappoa pH 9, osoittaa, että DC hydrogeelit yhdistää kaksi crosslinking mekanismeja. PH 4: n ja 7: n välillä parkkihappojärjestelmällä on jonkin verran suurempi varastointikerroin kuin puhtaalla koordinaatiojärjestelmällä. Arvelemme, että tämä johtuu siitä, että tanniinihappoa sisältävässä järjestelmässä on enemmän metallien sitovia ligandeja, mikä tarjoaa lisää ristisidontaa tässä bis-kompleksisessa dominanttijärjestelmässä.
hydrogeelien itsestään paranevat ominaisuudet säilyivät sekä makroskooppisilla kvalitatiivisilla testeillä että reologisilla menetelmillä määritettyinä pH: ssa 3, 6, 9 ja 12. EDTA: n tekemä kilpailusidonta osoitti, että hydrogeelin muodostuminen ei enää ollut palautuvaa, kuten odotettiin lisätyn kovalenttisen ristisidonnan yhteydessä. Seuraavaksi tutkimme varastomoduulin riippuvuutta lisätyn parkkihapon pitoisuudesta. Varastointikerroin pH 9: ssä kasvoi eksponentiaalisesti parkkihappopitoisuudella, kunnes parkkihappopitoisuus oli noin 2 mol%, jolloin saavutettiin vähintään 434 kPa: n varastointikerroin verrattuna puhtaan koordinointikemian hydrogeelin 15 kPa: han. Tämän parkkihappopitoisuuden yläpuolella hydrogeelit muuttuivat synereettisiksi eli jättivät veden ulkopuolelle suuren kovalenttisen ristisiteen vuoksi eikä jäykkyys enää lisääntynyt samalla tavalla. Tulokset osoittivat kuitenkin selvästi, että hydrogeelin jäykkyys voitiin valita halutulla tavalla kontrolloimalla lisätyn parkkihapon pitoisuutta.
valjastimme edelleen G-cHOPO-polyallyyliamiinin käännettävän al(III) – geelin tutkimaan plasmonisia aistimuksia kiraalisten plasmonisten kultananorakenteiden avulla.63 kiraalista kultaista nanokoukkua tehtiin reikänaamion kolloidisella litografialla ja ne voitiin nostaa pois. Nanokoukut olivat vain muutaman sadan nanometrin läpimittaisia, ja niiden monimutkainen kaartuva 3D-rakenne tuotti kiraalisen koukun muodon. Nanokoukkujen siraalisuus antoi niille voimakkaan pyöreän dikroismin. Nanokoukut yhdistettiin Al (III) g-cHOPO-polyallyyliamiinihydrogeeleihin. Nanokoukkujen CD-signeeraus (circular dichroism) pysyi helposti mitattavissa. CD-spektrien aallonpituus riippui polymeeripitoisuudesta. Tämä mahdollisti veden imeytymisen hydrogeeliin turvotuskokeiden aikana seuraamalla CD-spektrien muutosta ajan myötä.63 tämä havainnollistaa näiden hydrogeelien monipuolisuutta, joita voimme odottaa käytettävän laajalti monissa nanotieteissä.
