3.5 Hydrogels à double réticulation qui conservent l’auto-cicatrisation par combinaison de polyphénols labiles résistants à l’oxydation et à l’oxydation
Les hydrogels discutés jusqu’à présent sont basés sur des catéchols qui peuvent à la fois subir une coordination et une réticulation oxydative (Schéma 1). Ceux-ci ont été très réussis, mais il y a un risque que l’oxydation lente altère la réticulation de coordination et donc les propriétés d’auto-guérison. Il serait donc avantageux d’utiliser des ligands polyphénols moins sensibles à l’oxydation. Les catéchols avec des substituants retirant des électrons tels que -Cl, -NO2, –CN, -CF3 (Schéma 4) sont difficiles à oxyder par rapport au catéchol pur, tandis que l’inverse vaut pour les catéchols avec des substituants donnant des électrons tels que -Me et –Me.54,55 Ainsi, des chloro- et des nitro-catéchols ont été utilisés dans des matériaux bioinspirés avec l’avantage supplémentaire, respectivement, de propriétés antibactériennes et de la capacité à décomposer le réseau par clivage induit par la lumière du nitro-catéchol du polymère.56,57
Schéma 4. Analogues de catéchol résistants à l’oxydation. (A) Les substituants de retrait d’électrons réduisent la propension à l’oxydation. (B) La modification de la structure de l’anneau en une pyridinone produit le même effet. (C) Équilibres de chélation dépendants du pH de la 3-hydroxy-4-pyridinone.
L’oxydation peut également être empêchée par l’utilisation de structures cycliques alternatives comme proposé par Menyo et al. qui a utilisé une fonctionnalité HOPO chélatante au lieu de la DOPA (la structure de l’HOPO, la 3-hydroxy-4-pyridinone, est illustrée dans le schéma 4B).58 L’HOPO est moins sujet à l’oxydation que la DOPA car la densité électronique est retirée du cycle par des effets inductifs et de résonance. Cela réduit considérablement les valeurs de pKa phénolique (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).L’HOPO 58 conserve une affinité élevée pour les ions de métaux durs tels que FeIII et AlIII, ce qui signifie qu’il remplace très bien la DOPA dans la conception de l’hydrogel.59
Nous avons synthétisé un analogue HOPO fonctionnalisé par un acide carboxylique, le cHOPO, 1-(2′-carboxyéthyl)-2-méthyl-3-hydroxy-4(1H)-pyridinone, pour permettre un couplage facile à la polyallylamine par exemple.60 cHOPO a été synthétisé à partir de maltol inspiré par la synthèse de la 1-carboxyméthyl-3-hydroxy-2-méthyl-4-pyridinone décrite par Mawani et al. et Zhang et coll.61,62 Nous avons ensuite fabriqué de la g-cHOPO-polyallylamine en utilisant la chimie de couplage EDC / NHS standard sur la polyallylamine (MW 120-200 kDa) donnant une densité de greffage de cHOPO de 7%.
Nous avons déterminé le pKa de l’analogue du catéchol par titrage UV-VIS en utilisant les signaux d’absorption intégrés dépendants du pH. Les courbes de titrage résultantes sont représentées à la Fig. 6. Pour le cHOPO pur, le premier pKa était de 3,52 et le second de 9,89. Lors de la conjugaison à la polyallylamine, ces valeurs ont changé de manière significative. Le premier pKa a déplacé presque une unité de pH complet à 2,60 tandis que le second s’est déplacé à 9,65 et s’est considérablement élargi (Fig. 6). Nous attribuons le déplacement du premier pKa au changement d’environnement lors de la conjugaison à la polyallylamine, où la molécule passe d’un substituant d’acide carboxylique à une liaison amide à l’environnement polyamine de la polyallylamine, c’est–à–dire de -CH2CH2COOH à -CH2CH2CONH-polymère. La seconde pKa se déplace moins, mais la transition s’élargit considérablement d’une largeur apparente de 2,9 unités de pH à l’une des 5,5 unités de pH. Nous attribuons cela au chevauchement avec le pKa des amines du squelette polymère, ce qui signifie que l’environnement électronique local des cycles HOPO change de manière significative avec le pH dans cette plage de pH.
Fig. 6. Titrage UV-VIS du cHOPO (ligne pointillée) et de la g-cHOPO-polyallylamine (g-cHOPO-PAH, ligne complète). Notez le décalage dans le premier pKa et la transition plus large dans la g-cHOPO-polyallylamine autour de pH 9.
Redessiné à partir des données d’Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
Les complexes de fer étaient fortement colorés, violets à pH faible et orange à pH élevé et les spectres d’absorption des complexes Fe(III) avec cHOPO passaient d’environ 450 nm à environ 550 nm lorsque le pH augmentait de 1 à 11. Le mono-complexe est donc violet tandis que le complexe tris est orange. Lors du greffage à la polyallylamine, les pics d’absorption commencent à virer au rouge à un pH significativement plus bas que pour le cHOPO libre, autour de pH 3 plutôt que 7. Cela indique que le début de la formation du complexe bis se déplace vers des valeurs de pH beaucoup plus faibles pour la g-cHOPO-polyallylamine que pour le cHOPO libre, probablement en raison d’une combinaison du pKa inférieur mais peut-être aussi de la proximité spatiale des cHOPOs liés à la même molécule de polymère. Ainsi, la conjugaison des polymères déplace la formation de complexes d’ordre supérieur (complexes bis et tris) vers un pH inférieur, ce qui est un avantage significatif pour la formation d’hydrogel et reflète le fait que les propriétés de coordination et de réticulation de ces ligands peuvent être altérées par des substituants à plusieurs carbones du cycle hétéroaromatique.
Nous avons formé des hydrogels auto-cicatrisants avec Al(III) pour contourner les complexes Fe(III)-cHOPO fortement colorés. La formation d’hydrogel était réversible à toutes les valeurs de pH, comme en témoignent les expériences de liaison compétitive avec l’EDTA. De plus, nous avons mené des expériences d’absorption UV-VIS de solutions de complexes de fer mélangées à pH 1 puis soumises pendant 5 min à pH 12, après quoi le pH a été ramené à pH 1. Les spectres d’absorption se sont complètement inversés pour la g-HOPO-polyallylamine tandis que des changements persistants reflétant l’oxydation à pH élevé ont été observés pour la g-DOPA-polyallylamine. Le concept de formation de gel entièrement réversible a ainsi été établi. Les hydrogels étaient auto-cicatrisants à toutes les valeurs de pH, comme le montre la rhéologie oscillatoire sur les hydrogels Al(III). Des tests macroscopiques qualitatifs, où des morceaux de gel ont été coupés en deux et mis en contact pour cicatriser, ont confirmé les données rhéologiques: les morceaux de gel ont guéri en quelques minutes et ont pu être soulevés et tendus à la spatule sans se casser.
La mécanique de l’hydrogel a été étudiée par rhéologie oscillatoire comme résumé à la Fig. 7 BIS. En accord avec la dépendance au pH des équilibres du complexe de coordination et le mécanisme général de formation d’hydrogels de ces hydrogels de polymère de squelette de polyallylamine, le module de stockage augmente jusqu’à pH 9 où un module de stockage maximal d’environ 15 kPa a été obtenu. L’hydrogel s’est déjà formé à pH ~ 4, ce qui est environ 3 unités de pH plus bas que dans l’hydrogel à base de DOPA correspondant en raison du déplacement des changements stoechiométriques du cHOPO-métal vers des valeurs de pH plus basses. Cet abaissement du début du pH de la réticulation significative du gel est un avantage supplémentaire significatif des cHOPO-hydrogels par rapport aux DOPA correspondants.
Fig. 7. Module de stockage des hydrogels d’Al(III) et de g-cHOPO-polyallylamine en fonction du pH. (A) hydrogel d’Al(III)—g-cHOPO-polyallylamine pur. (B) Comparaison de l’hydrogel d’Al(III)—g-cHOPO-polyallylamine pur avec ceux où 1% en moles d’acide tannique a été ajouté pour une réticulation oxydative supplémentaire dépendante du pH.
Redessiné à partir des données d’Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
Nous avons émis l’hypothèse que la combinaison de manière contrôlable des effets de la coordination et des réticulations covalentes permettrait un contrôle détaillé de la rigidité de l’hydrogel tout en conservant une auto-cicatrisation à toutes les valeurs de pH et à tout moment. Nous y sommes parvenus en formant des hydrogels à courant continu: les hydrogels Al(III) g-cHOPO-polyallylamine ont été renforcés de manière dial-in par des réticulations covalentes par addition d’acide tannique qui a également été utilisé dans le système de formation d’hydrogel à un pot décrit dans la section précédente. Cela a très bien fonctionné. Les modules de stockage en fonction du pH des gels réticulés purement coordonnés sont comparés à ceux à 1 % en moles d’acide tannique, correspondent à 5% en moles de groupes pyrogallols par monomère amine, sur la Fig. 7B. À faible pH, avant que la réticulation oxydative puisse s’installer, les deux courbes sont similaires. Cependant au-dessus d’un pH d’environ 8 où la réticulation oxydative devient importante, le module de stockage augmente drastiquement et atteint une rigidité maximale 5,5 fois supérieure à celle sans acide tannique à pH 9, prouvant que les hydrogels à courant continu combinent les deux mécanismes de réticulation. Entre pH 4 et 7, le système d’acide tannique a un module de stockage un peu plus élevé que le système de coordination pure. Nous suggérons que cela est dû à la plus grande proportion de ligands de liaison métallique dans le système contenant de l’acide tannique, ce qui fournit une réticulation supplémentaire dans ce régime dominant bis-complexe.
Les propriétés d’auto-guérison des hydrogels ont été conservées à la fois telles que déterminées par des tests qualitatifs macroscopiques et par rhéologie à pH 3, 6, 9 et 12. La liaison compétitive par l’EDTA a montré que la formation d’hydrogel n’était plus réversible comme prévu pour la réticulation covalente ajoutée. Nous avons ensuite étudié la dépendance du module de stockage à la concentration d’acide tannique ajouté. Le module de stockage à pH 9 a augmenté de façon exponentielle avec la concentration en acide tannique jusqu’à environ 2% en moles d’acide tannique où un module de stockage d’au moins 434 kPa a été atteint par rapport aux 15 kPa pour l’hydrogel de chimie de coordination pure. Au-dessus de cette concentration en acide tannique, les hydrogels sont devenus synérétiques, c’est-à-dire qu’ils excluaient l’eau en raison du degré élevé de réticulation covalente et que la rigidité n’augmentait plus de la même manière. Néanmoins, les résultats ont clairement démontré que la rigidité de l’hydrogel pouvait être compensée à volonté par le contrôle de la concentration en acide tannique ajouté.
Nous avons également exploité la gélification réversible Al(III) de la g-cHOPO-polyallylamine pour étudier la détection plasmonique avec des nanostructures d’or plasmoniques chirales.63 nano-crochets en or chiral ont été fabriqués par lithographie colloïdale à masque perforé et pouvaient être soulevés. Les nano-crochets ne mesuraient que quelques centaines de nanomètres de diamètre avec une structure 3D incurvée complexe générant la forme du crochet chiral. La chiralité des nano-crochets leur a donné un fort dichroïsme circulaire. Les nano-crochets ont été incorporés dans des hydrogels Al(III) g-cHOPO-polyallylamine. La signature CD (dichroïsme circulaire) des nano-crochets est restée facilement mesurable. La longueur d’onde des signatures spectrales CD dépend de la concentration en polymère. Cela a permis de suivre l’absorption d’eau dans l’hydrogel lors des expériences de gonflement en suivant l’évolution des spectres CD au cours du temps.63 Cela illustre la polyvalence de ces hydrogels qui, selon nous, peuvent être largement utilisés dans de nombreux scénarios nanoscientifiques.
