3.5 Idrogel a doppio reticolato che mantengono l’auto-guarigione per combinazione di polifenoli resistenti all’ossidazione e labili all’ossidazione
Gli idrogel discussi finora si basano su catecoli che possono essere sottoposti sia a coordinazione che a reticolazione ossidativa (Schema 1). Questi hanno avuto molto successo, ma c’è il rischio che l’ossidazione lenta comprometta la reticolazione di coordinazione e quindi le proprietà di auto-guarigione. Pertanto, sarebbe utile impiegare ligandi polifenolici meno sensibili all’ossidazione. I catecoli con sostituenti a ritiro di elettroni come –Cl, –NO2, –CN,-CF3 (Schema 4) sono difficili da ossidare rispetto ai catecoli puri, mentre il contrario vale per i catecoli con sostituenti a donazione di elettroni come -Me e –Me.54,55 Così, cloro-e nitro-catecoli sono stati impiegati in materiali bioinspirati con il vantaggio aggiunto, rispettivamente, di proprietà antibatteriche e la capacità di abbattere la rete da scissione indotta dalla luce del nitro-catecolo dal polimero.56,57
Schema 4. Analoghi catecolici resistenti all’ossidazione. (A) I sostituenti di ritiro degli elettroni riducono la propensione all’ossidazione. (B) Cambiando la struttura dell’anello ad un piridinone ottiene lo stesso effetto. C) Equilibri di chelazione dipendenti dal pH del 3-idrossi-4-piridinone.
L’ossidazione può anche essere prevenuta utilizzando strutture ad anello alternate come proposto da Menyo et al. chi ha usato una funzionalità HOPO chelante invece di DOPA (la struttura di HOPO, 3-idrossi-4-piridinone, è mostrata nello schema 4B).58 HOPO è meno incline all’ossidazione rispetto al DOPA perché la densità elettronica viene ritirata dall’anello mediante effetti induttivi e di risonanza. Questo riduce drasticamente i valori fenolici pKa (HOPO: pKa1 = 3.6, pKa2 = 9.9, DOPA: pKa1 = 9.1, pKa2 = 14).58 HOPO mantiene alta affinità verso ioni metallici duri come FeIII e AlIII, il che significa che è un ottimo sostituto per DOPA nel design idrogel.59
Abbiamo sintetizzato un analogo HOPO funzionalizzato da un acido carbossilico, cHOPO, 1-(2′-carbossietil)-2-metil-3-idrossi-4(1H)-piridinone, per consentire un facile accoppiamento ad es. poliallilammina.60 cHOPO è stato sintetizzato da maltolo ispirato dalla sintesi di 1-carbossimetil-3-idrossi-2-metil-4-piridinone descritto da Mawani et al. e Zhang et al.61,62 Abbiamo quindi fatto g-cHOPO-polyallylamine usando la chimica di accoppiamento standard EDC / NHS su polyallylamine (MW 120-200 kDa) dando una densità di innesto di cHOPO del 7%.
Abbiamo determinato il pKa dell’analogo del catecolo mediante titolazione UV-VIS utilizzando i segnali di assorbimento integrati dipendenti dal pH. Le curve di titolazione risultanti sono mostrate in Fig. 6. Per il cHOPO puro il primo pKa era 3.52 e il secondo era 9.89. Dopo la coniugazione alla poliallilammina, questi valori sono cambiati in modo significativo. Il primo pKa spostato quasi un’unità completa pH a 2.60 mentre il secondo spostato a 9.65 e ampliato in modo significativo (Fig. 6). Attribuiamo lo spostamento nel primo pKa al cambiamento nell’ambiente dopo la coniugazione alla poliallilammina, dove la molecola passa dall’avere un sostituente dell’acido carbossilico all’essere legata tramite un legame ammidico all’ambiente poliamminico della poliallilammina, cioè da –CH2CH2COOH a –CH2CH2CONH-polimero. Il secondo pKa si sposta meno, ma la transizione si allarga significativamente da una larghezza apparente di 2,9 unità di pH a una di 5,5 unità di pH. Attribuiamo questo a sovrapporsi con il pKa delle ammine della spina dorsale polimerica, il che significa che l’ambiente elettronico locale degli anelli HOPO cambia significativamente con il pH in questo intervallo di pH.
Fig. 6. Titolazione UV-VIS di cHOPO (linea tratteggiata) e g-cHOPO-poliallilammina (g-cHOPO-PAH, linea completa). Si noti lo spostamento nel primo pKa e la transizione più ampia in g-cHOPO-polyallylamine intorno a pH 9.
Ridisegnato dai dati in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecole 2018, 19, 1402-1409.
I complessi di ferro erano fortemente colorati, viola a pH basso e arancione ad alto pH e gli spettri di assorbimento dei complessi Fe(III) con cHOPO si spostarono da circa 450 nm a circa 550 nm mentre il pH aumentava da 1 a 11. Il mono-complesso è quindi viola mentre il tris-complesso è arancione. Dopo l’innesto a poliallilammina, i picchi di assorbimento iniziano a spostarsi verso il rosso a pH significativamente più basso rispetto al cHOPO libero, intorno a pH 3 anziché 7. Ciò indica che l’inizio della formazione del bis-complesso si sposta a valori di pH molto più bassi per g-cHOPO-poliallilammina rispetto al cHOPO libero, molto probabilmente a causa di una combinazione del pKa inferiore ma forse anche della vicinanza spaziale di cHOPOs legato alla stessa molecola polimerica. Così la coniugazione polimerica sposta la formazione di complessi di ordine superiore (complessi bis e tris) per abbassare il pH, che è un vantaggio significativo per la formazione di idrogel e riflette che le proprietà di coordinazione e reticolazione di questi ligandi possono essere alterate dai sostituenti diversi carboni lontano dall’anello etero-aromatico.
Abbiamo formato idrogel autorigeneranti con Al(III) per aggirare i complessi Fe(III)-cHOPO fortemente colorati. La formazione dell’idrogel era reversibile a tutti i valori di pH come evidenziato dagli esperimenti vincolanti competitivi con EDTA. Inoltre, abbiamo condotto esperimenti di assorbimento UV-VIS di soluzioni di complessi di ferro miscelati a pH 1 e quindi sottoposti per 5 min a pH 12, dopo di che il pH è stato riportato a pH 1. Gli spettri di assorbimento si sono invertiti completamente per la g-HOPO-poliallilammina, mentre per la g-DOPA-poliallilammina sono state osservate variazioni persistenti che riflettono l’ossidazione a pH elevato. Il concetto di formazione di gel completamente reversibile è stato così stabilito. Gli idrogel erano auto-guarigione a tutti i valori di pH come mostrato per la reologia oscillatoria su Al (III) idrogel. Test macroscopici qualitativi, in cui i pezzi di gel sono stati tagliati a metà e messi a contatto per guarire, hanno confermato i dati reologici: i pezzi di gel sono guariti in pochi minuti e potrebbero essere sollevati e tesi con una spatola senza rompersi.
La meccanica dell’idrogel è stata studiata dalla reologia oscillatoria come riassunta in Fig. 7 BIS. In linea con la dipendenza dal pH degli equilibri complessi di coordinazione e il meccanismo generale di formazione dell’idrogel di questi idrogel polimerici di poliallilammina, il modulo di stoccaggio aumenta fino a pH 9 dove è stato ottenuto un modulo di stoccaggio massimo di circa 15 kPa. L’idrogel si è formato già a pH ~ 4, che è circa 3 unità di pH inferiori rispetto al corrispondente idrogel basato su DOPA a causa dello spostamento dei cambiamenti stechiometrici in cHOPO-metallo a valori di pH inferiori. Questo abbassamento dell’inizio di pH di reticolazione significativa del gel è un vantaggio supplementare significativo dei cHOPO-idrogel sopra i DOPA corrispondenti.
Fig. 7. Modulo di stoccaggio di idrogel di Al (III) e g-cHOPO-polyallylamine in funzione del pH. (A) idrogel puro Al(III)—g-cHOPO-polyallylamine. (B) Confronto di idrogel puro Al (III)—g-cHOPO-polyallylamine con quelli in cui è stato aggiunto acido tannico 1 mol% per ulteriore reticolazione ossidativa dipendente dal pH.
Ridisegnato dai dati in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecole 2018, 19, 1402-1409.
Abbiamo ipotizzato che combinare in modo controllabile gli effetti della coordinazione e dei collegamenti incrociati covalenti avrebbe permesso un controllo dettagliato sulla rigidità dell’idrogel mantenendo l’auto-guarigione a tutti i valori di pH e in ogni momento. Abbiamo raggiunto questo obiettivo formando idrogel DC: gli idrogel Al(III) g-cHOPO-polyallylamine sono stati rinforzati in modo dial-in da legami incrociati covalenti attraverso l’aggiunta di acido tannico che è stato utilizzato anche nel sistema di formazione di idrogel one pot descritto nella sezione precedente. Questo ha funzionato molto bene. I moduli di stoccaggio in funzione del pH dei gel reticolati puramente coordinativi sono confrontati con quelli con acido tannico 1 mol%, corrispondenti a gruppi pirogallolo 5 mol % per monomero amminico, in Fig. 7B. A pH basso, prima che la reticolazione ossidativa possa essere impostata, le due curve sono simili. Tuttavia al di sopra del pH di circa 8 dove la reticolazione ossidativa diventa importante, il modulo di stoccaggio è aumentato drasticamente e ha raggiunto una rigidità massima 5,5 volte maggiore rispetto a quella senza acido tannico a pH 9, dimostrando che gli idrogel DC combinano i due meccanismi di reticolazione. Tra pH 4 e 7, il sistema acido tannico ha un modulo di stoccaggio leggermente più elevato rispetto al sistema di coordinazione puro. Suggeriamo che ciò sia causato dalla maggiore percentuale di leganti metallici nel sistema contenente acido tannico, che fornisce ulteriore reticolazione in questo regime dominante bis-complesso.
Le proprietà di auto-guarigione degli idrogel sono state mantenute sia come determinato dai test qualitativi macroscopici che dalla reologia a pH 3, 6, 9 e 12. Il legame competitivo di EDTA ha mostrato che la formazione di idrogel non era più reversibile come previsto per la reticolazione covalente aggiunta. Successivamente abbiamo studiato la dipendenza del modulo di stoccaggio dalla concentrazione di acido tannico aggiunto. Il modulo di stoccaggio a pH 9 è aumentato esponenzialmente con la concentrazione di acido tannico fino a circa 2 mol% di acido tannico dove è stato raggiunto un modulo di stoccaggio di non meno di 434 kPa rispetto ai 15 kPa per l’idrogel di chimica di coordinazione pura. Al di sopra di questa concentrazione di acido tannico, gli idrogel sono diventati sineretici, cioè hanno escluso l’acqua a causa dell’alto grado di reticolazione covalente e la rigidità non è più aumentata nello stesso modo. Tuttavia, i risultati hanno chiaramente dimostrato che la rigidità dell’idrogel poteva essere composta a piacimento attraverso il controllo della concentrazione di acido tannico aggiunto.
Abbiamo ulteriormente sfruttato la gelazione reversibile Al(III) di g-cHOPO-polyallylamine per studiare il rilevamento plasmonico con nanostrutture chirali di oro plasmonico.63 Nano-ganci in oro chirale sono stati realizzati con litografia colloidale a maschera di foro e potrebbero essere sollevati. I nano-ganci erano solo poche centinaia di nanometri di diametro con una complessa struttura curva 3D generando il chirale hook-forma. La chiralità dei nano-ganci ha dato loro un forte dicroismo circolare. I nano-ganci sono stati incorporati in idrogel di Al (III) g-cHOPO-poliallilammina. La firma CD (dicroismo circolare) dei nano-ganci è rimasta facilmente misurabile. La lunghezza d’onda delle firme spettrali del CD dipendeva dalla concentrazione del polimero. Ciò ha permesso di seguire l’assorbimento di acqua nell’idrogel durante gli esperimenti di gonfiore seguendo il cambiamento negli spettri del CD nel tempo.63 Ciò illustra la versatilità di questi idrogel che ci aspettiamo possano trovare ampiamente utilizzati in molti scenari di nanoscienza.
