3.5 kettős térhálósított hidrogélek, amelyek megtartják az öngyógyulást oxidációs rezisztens és oxidációs labilis polifenolok kombinációjával
az eddig tárgyalt hidrogélek olyan katekolokon alapulnak, amelyek mind koordináción, mind oxidatív térhálósodáson mennek keresztül (1.séma). Ezek nagyon sikeresek voltak, de fennáll annak a veszélye, hogy a lassú oxidáció rontja a koordinációs térhálósítást és ezáltal az öngyógyító tulajdonságokat. Ezért előnyös lenne olyan polifenol ligandumokat alkalmazni, amelyek kevésbé érzékenyek az oxidációra. Az elektron-visszavonó szubsztituensekkel rendelkező katekolok, mint például a –Cl, –NO2, –CN,-CF3 (4.séma), nehezen oxidálhatók a tiszta katekolhoz képest, míg az elektron –adományozó szubsztituensekkel rendelkező katekolok, mint például –OMe és-Me.54,55 így a bioinspirált anyagokban klór – és nitro-katekolokat alkalmaztak, amelyek további előnye az antibakteriális tulajdonságok, valamint a hálózat lebontásának képessége a nitro-katekol polimerből történő könnyű hasításával.56,57
4.séma. Oxidációs rezisztens katekol analógok. (A) az Elektronkivonó szubsztituensek csökkentik az oxidációs hajlamot. (B) A gyűrű szerkezetének piridinonra változtatása ugyanazt a hatást éri el. C) a 3-hidroxi-4-piridinon pH-függő kelátegyensúlya.
az oxidációt alternatív gyűrűszerkezetek alkalmazásával is meg lehet akadályozni Menyo et al. a who a DOPA helyett kelátképző HOPO funkciót használt (a HOPO, 3-hidroxi-4-piridinon szerkezetét a 4b séma mutatja).58 A HOPO kevésbé hajlamos az oxidációra, mint a DOPA, mivel az elektronsűrűséget induktív és rezonancia hatások vonják ki a gyűrűből. Ez drámai módon csökkenti a fenolos pKa értékeket (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 A HOPO nagy affinitást tart fenn a keményfém ionok, például a FeIII és az AlIII felé, ami azt jelenti, hogy a hidrogél tervezésében nagyon jó helyettesítője a DOPA-nak.59
karbonsavval funkcionalizált HOPO analógot, cHOPO, 1-(2′-karboxi-etil)-2-metil-3-hidroxi-4(1h) – piridinont szintetizáltunk, hogy pl. poliallilaminhoz könnyen kapcsolható legyen.A 60 cHOPO-t maltolból szintetizálták, amelyet mawani et al.által leírt 1-karboxi-metil-3-hidroxi-2-metil-4-piridinon szintézise inspirált. és Zhang et al.61,62 ezután g-Chopo-poliallilamint készítettünk standard EDC / NHS kapcsolási kémia alkalmazásával poliallilaminra (MW 120-200 kDa), így a cHOPO oltási sűrűsége 7%.
a katekol analóg pKa-ját UV-VIS titrálással határoztuk meg a pH-függő integrált abszorpciós jelek felhasználásával. A kapott titrálási görbéket az ábra mutatja. 6. A pure cHOPO esetében az első pKa 3,52, a második pedig 9,89 volt. Poliallilaminnal való konjugáció után ezek az értékek jelentősen megváltoztak. Az első pKa majdnem teljes pH-egységet 2,60-ra, míg a második 9,65-re tolódott és jelentősen kiszélesedett (ábra. 6). Az első pKa eltolódását a környezet változásának tulajdonítjuk konjugáció nak nek poliallilamin, ahol a molekula karbonsav szubsztituensről amidkötésen keresztül kapcsolódik a poliamin környezetéhez poliallilamin, azaz –CH2CH2COOH nak nek –CH2CH2CONH-polimer. A második pKa kevésbé tolódik el, de az átmenet jelentősen kiszélesedik a látszólagos 2,9 pH-egység szélességről az 5,5 pH-egység egyikére. Ezt úgy tulajdonítjuk, hogy átfedésben van a polimer gerinc aminjainak pKa-jával, ami azt jelenti, hogy a HOPO gyűrűk helyi elektronikus környezete jelentősen megváltozik a pH-val ebben a pH-tartományban.
ábra. 6. A cHOPO (szaggatott vonal) és a G-Chopo-poliallilamin (g-cHOPO-PAH, teljes vonal) UV-VIS titrálása. Figyeljük meg az első pKa eltolódását és a G-cHOPO-poliallilamin szélesebb átmenetét a pH 9 körül.
az Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolekulák 2018, 19, 1402-1409.
a vaskomplexek erősen színezettek voltak, alacsony pH-n lila, magas pH-n narancssárga színűek voltak, és a cHOPO-val rendelkező Fe(III) komplexek abszorpciós spektruma körülbelül 450 nm-ről körülbelül 550 nm-re változott, amikor a pH 1-ről 11-re nőtt. A mono-komplex tehát lila, míg a tris-komplex narancssárga. Poliallilaminra oltva, az abszorpciós csúcsok lényegesen alacsonyabb pH-értéknél kezdenek vörös eltolódni, mint a free cHOPO esetében, pH körül 3 inkább mint 7. Ez azt jelzi, hogy a bisz-komplex képződés kezdete a G-cHOPO-poliallilamin sokkal alacsonyabb pH-értékeire vált át, mint a szabad cHOPO esetében, valószínűleg az alsó PKA kombinációja miatt, de valószínűleg az ugyanazon polimer molekulához kötött cHOPOs térbeli közelsége miatt is. Így a polimer konjugáció a magasabb rendű komplexek (bisz-és trisz – komplexek) képződését alacsonyabb pH-ra tolja, ami jelentős előnye a hidrogélképződésnek, és azt tükrözi, hogy ezeknek a ligandumoknak a koordinációs és térhálósítási tulajdonságai megváltoztathatók a hetero-aromás gyűrűtől több szénatommal távol eső szubsztituensekkel.
öngyógyító hidrogéleket alakítottunk ki Al(III)-val, hogy megkerüljük az erősen színezett Fe(III)-cHOPO komplexeket. A hidrogélképződés minden pH-értéknél reverzibilis volt, amit az EDTA-val végzett kompetitív kötési kísérletek bizonyítanak. Ezenkívül UV-VIS abszorpciós kísérleteket végeztünk 1 pH-n kevert vaskomplexek oldataival, majd 5 percig 12 pH-nak vetettük alá, majd a pH-t visszaállítottuk 1 pH-ra. Az abszorpciós spektrumok teljesen megfordultak a g-HOPO-poliallilamin esetében, míg a magas pH-értékű oxidációt tükröző tartós változásokat figyeltek meg a g-DOPA-poliallilamin esetében. Így létrejött a teljesen reverzibilis gélképződés fogalma. A hidrogélek minden pH-értéknél öngyógyítóak voltak, amint azt az al(III) hidrogélek oszcillációs reológiája mutatja. A kvalitatív makroszkopikus tesztek, ahol a géldarabokat kettévágták és érintkezésbe helyezték a gyógyuláshoz, megerősítették a reológiai adatokat: a géldarabok perceken belül meggyógyultak, és törés nélkül felemelhetők és feszíthetők egy spatulával.
a hidrogélmechanikát oszcillációs reológiával vizsgáltuk, amint azt az ábra összefoglalja. 7A. A koordinációs komplex egyensúlyának pH-függőségével és ezen poliallilamin gerinc polimer hidrogélek általános hidrogélképző mechanizmusával összhangban a tárolási modulus a pH 9-ig növekszik, ahol a maximális tárolási modulus körülbelül 15 kPa volt. A hidrogél már pH ~ 4-nél képződött, ami körülbelül 3 pH-egységgel alacsonyabb, mint a megfelelő DOPA-alapú hidrogélben, mivel a cHOPO-fém sztöchiometriai változások elmozdultak az alacsonyabb pH-értékekre. A jelentős gél térhálósítás pH-jának csökkentése a cHOPO-hidrogélek jelentős további előnye a megfelelő DOPA-kkal szemben.
ábra. 7. Az Al(III) és a g-cHOPO-poliallilamin hidrogélek tárolási modulusa a Ph függvényében. (a) tiszta Al(III)—G-cHOPO-poliallilamin hidrogél. B) A tiszta Al(III)—g-cHOPO-poliallilamin-hidrogél összehasonlítása olyanokkal, amelyekben 1 mol% csersavat adtak hozzá a további pH-függő oxidatív térhálósítás érdekében.
az Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolekulák 2018, 19, 1402-1409.
feltételeztük, hogy a koordináció és a kovalens keresztkötések hatásainak szabályozható kombinálása lehetővé teszi a hidrogél merevségének részletes ellenőrzését, miközben megőrzi az öngyógyulást minden pH-értéknél és mindenkor. Ezt egyenáramú hidrogélek kialakításával értük el: az Al (III) g-Chopo-poliallilamin hidrogéleket betárcsázással erősítettük kovalens térhálósodásokkal csersav hozzáadásával, amelyet az előző szakaszban leírt egy edényes hidrogélképző rendszerben is alkalmaztak. Ez nagyon jól működött. A tárolómodulokat a tisztán koordinációs térhálósított gélek pH-jának függvényében hasonlítjuk össze az 1 mol% csersavval, ami 5 mol% pirogallolcsoportnak felel meg amin monomerenként, ábrán. 7B. alacsony pH-nál, mielőtt az oxidatív térhálósítás beállna, a két görbe hasonló. Azonban a 8 körüli pH felett, ahol az oxidatív térhálósítás fontossá válik, a tárolási modulus drasztikusan megnőtt, és elérte a maximális merevséget 5,5-szer nagyobb, mint a csersav nélkül 9 pH-nál, bizonyítva, hogy az egyenáramú hidrogélek kombinálják a két térhálósító mechanizmust. PH 4 és 7 között a csersavrendszer valamivel magasabb tárolási modulussal rendelkezik, mint a tiszta koordinációs rendszer. Javasoljuk, hogy ezt a csersavtartalmú rendszerben a fémkötő ligandumok nagyobb aránya okozza, ami további térhálósítást biztosít ebben a bisz-komplex domináns rendszerben.
a hidrogélek öngyógyító tulajdonságai megmaradtak mind a makroszkopikus kvalitatív tesztekkel, mind a reológiával 3, 6, 9 és 12 pH-n. Az EDTA kompetitív kötése azt mutatta, hogy a hidrogélképződés már nem volt reverzibilis, amint az a hozzáadott kovalens térhálósítás esetén várható volt. Ezután megvizsgáltuk a tárolási modulus függését a hozzáadott csersav koncentrációjától. A 9-es pH-értéknél a tárolási modulus exponenciálisan nőtt a csersavkoncentrációval, amíg körülbelül 2 mol% csersav volt, ahol a tárolási modulus legalább 434 kPa volt a tiszta koordinációs kémiai hidrogél 15 kPa-jához képest. Ezen csersavkoncentráció felett a hidrogélek szineretikussá váltak, azaz kizárták a vizet a magas kovalens térhálósítás miatt, és a merevség már nem nőtt ugyanolyan módon. Mindazonáltal az eredmények egyértelműen kimutatták, hogy a hidrogél merevsége tetszés szerint tárcsázható a hozzáadott csersav koncentrációjának szabályozásával.
tovább használtuk a G-cHOPO-poliallilamin reverzibilis Al(III) gélesítését a plazmonikus érzékelés királis plazmonikus arany nanostruktúrákkal történő tanulmányozásához.63 királis arany nanohorgot készítettek lyukmaszk kolloid litográfiával, és ki lehetett emelni. A nano-horgok csak néhány száz nanométer átmérőjűek voltak, komplex ívelt 3D szerkezettel, amely a királis horog alakját generálta. A nanohorgok kiralitása erős körkörös dikroizmust adott nekik. A nanohorgokat Al(III) g-cHOPO-poliallilamin hidrogélekbe építették be. A nanohorgok CD (circular dichroism) aláírása könnyen mérhető maradt. A CD spektrális aláírások hullámhossza a polimer koncentrációjától függött. Ez lehetővé tette a duzzadási kísérletek során a hidrogélbe történő vízfelvétel követését a CD-spektrumok időbeli változásának követésével.63 ez szemlélteti ezeknek a hidrogéleknek a sokoldalúságát, amelyek várhatóan széles körben alkalmazhatók számos nanotudományi forgatókönyvben.
