3.5酸化耐性ポリフェノールと酸化不安定ポリフェノールの組み合わせによって自己治癒を保持する二重架橋ヒドロゲル
これまでに議論されているヒドロゲルは、配位と酸化架橋の両方を受けることができるカテコールに基づいている(スキーム1)。 これらは非常に成功しているが、遅い酸化が配位架橋を損ない、それによって自己修復特性を損なう危険性がある。 したがって、酸化に敏感ではないポリフェノール配位子を使用することは有益であろう。 -Cl、–NO2、–CN、–CF3（スキーム4）などの電子吸引性置換基を持つカテコールは、純粋なカテコールと比較して酸化しにくいが、–OMeや-Meなどの電子供与性置換基を持つカテコールでは逆が成り立つ。54,55このように、クロロ-とニトロ-カテコールは、抗菌特性とポリマーからのニトロ-カテコールの光誘起切断によってネットワークを破壊する能力のそれぞれ、追加の利益とバイオインスパイアード材料に採用されています。56,57
スキーム4。 酸化抵抗力があるカテコールのアナログ。 （Ａ）電子吸引性置換基は、酸化傾向を減少させる。 (B)環構造をピリジノンに変更することは、同様の効果を達成する。 (C)3-ヒドロキシ-4-ピリジノンのpH依存性キレート平衡。酸化は、Menyoらによって提案された代替環構造を使用することによっても防止することができる。 WHOはDOPAの代わりにキレート化HOPO機能を使用した（HOPO、3-ヒドロキシ-4-ピリジノンの構造はスキーム4Bに示されている）。58HOPOは、電子密度が誘導効果および共鳴効果によってリングから引き出されるため、DOPAよりも酸化されにくい。 これは、フェノール性ｐＫａ値を劇的に低下させる（ＨＯＰＯ：ＰＫＡ１＝３.６、ＰＫＡ２＝９.９、ＤＯＰＡ：ｐＫａ１＝９.１、ｐＫａ２＝１ ４）。58HOPOはFeIIIおよびAlIIIのような堅い金属イオンの方に高い類縁を保ちます、それがヒドロゲルの設計のDOPAのための非常によい取り替えであることを意味59
我々は、カルボン酸、cHOPO、1-(2′-カルボキシエチル)-2-メチル-3-ヒドロキシ-4(1H)-ピリジノンによって官能化されたHOPOアナログを合成し、例えばポリアリルアミンへの容易なカップリングを可能にした。60cHOPOはMawaniらによって記載された1-カルボキシメチル-3-ヒドロキシ-2-メチル-4-ピリジノンの合成に触発されたmaltolから合成された。 およびＺｈａｎｇ ｅ ｔ ａ ｌ．61,62我々は、ポリアリルアミン（MW120-200kDa）に標準EDC/NHSカップリング化学を使用してg-チョポ-ポリアリルアミンを作った7％のチョポグラフト密度を与える。
我々は、pH依存統合吸収信号を用いたUV-VIS滴定によってカテコール類似体のpKaを決定した。 得られた滴定曲線を図３に示す。 6. Pure cHOPOの場合、最初のpKaは3.52、2番目のpKaは9.89でした。 ポリアリルアミンへの抱合時に，これらの値は有意に変化した。 最初のpKaはほぼ完全なpH単位を2.60にシフトし、2番目のpKaは9.65にシフトし、大幅に拡大しました（図1）。 6). 最初のpKaのシフトは、分子がカルボン酸置換基を有することから、ポリアリルアミンのポリアミン環境、すなわち–CH2CH2COOHから–CH2CH2CONH-ポリマーへのアミド結合を介して連結されるように変化するポリアリルアミンへの共役時の環境の変化に帰する。 第二のpKaはあまりシフトしませんが、遷移は2.9pH単位の見かけの幅から5.5pH単位のいずれかに大幅に広がります。 これは高分子骨格のアミンのｐｋａと重複すると考えられ，ＨＯＰＯ環の局所電子環境はこのｐｈ範囲でｐｈとともに著しく変化することを意味した。
図。 6. ＣＨＯＰＯ（破線）およびｇ−ＣＨＯＰＯ−ポリアリルアミン（ｇ−ＣＨＯＰＯ−ＰＡＨ、フルライン）のＵＶ−ＶＩＳ滴定。 最初のpKaのシフトとpH9の周りのg-cHOPO-ポリアリルアミンのより広い遷移に注意してください。のデータから再描画される。
Andersen,A.;Krogsgaard,M.;Birkedal,H.Biomacromolecules2018,19,1402-1409。
鉄錯体は強く着色され、低pHでは紫色、高pHではオレンジ色であり、cHOPOとFe(III)錯体の吸収スペクトルは約450nmから約550nmにphが1から11に増加するにつれてシフトした。 このように、モノ錯体は紫色であり、トリス錯体はオレンジ色である。 ポリアリルアミンにグラフトすると、吸収ピークは、pH3ではなく7の周りに、遊離cHOPOよりも有意に低いpHで赤色シフトを開始します。 これは，ビス錯体形成の開始が遊離ｃｈｏｐｏよりもｇ-ｃｈｏｐｏ-ポリアリルアミンの方がはるかに低いｐｈ値にシフトすることを示している。 したがって、ポリマー共役は、ハイドロゲル形成のための重要な利点であり、これらのリガンドの配位と架橋特性がヘテロ芳香環から離れたいくつかの炭素の置換基によって変更することができることを反映している、より低いpHに高次錯体（ビスとトリス錯体）の形成をシフトします。
強く着色されたFe(III)-cHOPO錯体を回避するためにAl(III)と自己回復ヒドロゲルを形成しました。 ヒドロゲル形成は、ＥＤＴＡとの競合結合実験によって証明されるように、すべてのｐｈ値で可逆的であった。 さらに、pH1で混合した鉄錯体の溶液のUV-VIS吸収実験を行った後、pH12に5分間かけ、その後pHをpH1に戻した。 Ｇ-ＨＯＰＯ-ポリアリルアミンの吸収スペクトルは完全に逆転したが，高ｐｈでの酸化を反映する持続的な変化はｇ-ＤＯＰＡ-ポリアリルアミンのために観察された。 完全に可逆的なゲル形成の概念が確立された。 Ａ ｌ（ＩＩＩ）ヒドロゲル上の振動レオロジーのために示されているように，ヒドロゲルはすべてのｐｈ値で自己治癒した。 ゲル片を半分に切断し、治癒するために接触させた定性的な巨視的試験は、レオロジーデータを確認した：ゲル片は数分以内に治癒し、破壊することなくヘラで持ち上げられ、緊張することができた。
ハイドロゲルの力学は、図に要約されたように振動レオロジーによって調べた。 7A. 配位錯体平衡のpH依存性とこれらのポリアリルアミン骨格ポリマーヒドロゲルの一般的なヒドロゲル形成機構に合わせて、貯蔵弾性率はpH9まで増加し、約15kPaの最大貯蔵弾性率が得られた。 ヒドロゲルはpH-4で既に形成されており、これはcHOPO-metal化学量論的変化が低いpH値にシフトするため、対応するDOPAベースのヒドロゲルよりも約3pH単位低い。 有意なゲル架橋のｐｈ発症のこの低下は、対応するＤＯＰＡのものよりもｃｈｏｐｏ-ヒドロゲルの重要な追加の利点である。p>
図。 7. Ｐｈの関数としてのＡ ｌ（ＩＩＩ）およびｇ-チョポ-ポリアリルアミンのヒドロゲルの貯蔵弾性率。（Ａ）純粋なＡ Ｌ（ＩＩＩ）—ｇ-チョポ-ポリアリルアミンヒドロゲル。 (B)純粋なAl(III)—g-cHOPO-polyallylamineヒドロゲルと、追加のpH依存性酸化架橋のために1mol%タンニン酸を添加したものとの比較。のデータから再描画される。
Andersen,A.;Krogsgaard,M.;Birkedal,H.Biomacromolecules2018,19,1402-1409。
我々は、調整と共有結合架橋の効果を制御可能な方法で組み合わせることは、すべてのpH値とすべての時間で自己治癒を維持しながら、ハイドロゲルの剛性を詳細に制御できると仮定した。 DCハイドロゲルを形成することでこれを達成しました: Ａ ｌ（ＩＩＩ）ｇ-ｃｈｏｐｏ-ポリアリルアミンヒドロゲルは，前節で述べたワンポットヒドロゲル形成系でも使用されたタンニン酸の添加による共有架橋によってダイヤルイン方式で強化された。 これは非常によく働いた。 純粋に配位架橋ゲルのｐＨの関数としての貯蔵係数は、図１のアミン単量体当たり５モル％ピロガロール基に対応する１モル％タンニン酸を有するものと比較 低ｐＨでは、酸化的架橋が設定される前に、２つの曲線は類似している。 しかし、酸化架橋が重要になる約8のpH以上では、貯蔵弾性率が大幅に増加し、5.5倍のタンニン酸を含まないpH9で最大剛性に達し、DCヒドロゲルが二つの架橋機構を組み合わせていることを証明した。 PH4と7の間では、タンニン酸系は純粋な配位系よりも幾分高い貯蔵弾性率を有する。 これは，タンニン酸含有系における金属結合配位子の割合が大きいことによって引き起こされることを示唆した。
ハイドロゲルの自己治癒特性は、巨視的定性試験およびpH3、6、9および12におけるレオロジーによって決定されるように保持された。 ＥＤＴＡによる競合結合は，ヒドロゲル形成が付加された共有結合架橋のために予想されるようにもはや可逆的ではないことを示した。 次に，添加したタンニン酸の濃度に対する貯蔵弾性率の依存性を調べた。 PH9での貯蔵弾性率は、純粋な配位化学ヒドロゲルのための15kPaと比較して、約2mol％タンニン酸の貯蔵弾性率が434kPa以上に達するまで、タンニン酸濃度と指数関数的に増加した。 このタンニン酸濃度を超えると，ヒドロゲルは共重合性になり，すなわち，共有結合架橋度が高いために水を排除し，剛性はもはや同じように増加しなかった。 それにもかかわらず，ヒドロゲルの剛性は添加タンニン酸の濃度を制御することによって自由にダイヤルインできることを明らかに示した。
我々はさらに、キラルプラズモン金ナノ構造とプラズモンセンシングを研究するためにg-cHOPO-ポリアリルアミンの可逆的なAl(III)ゲル化を利用しました。63キラルゴールドナノフックは、ホールマスクコロイドリソグラフィーによって作られ、持ち上げることができ ナノフックは直径わずか数百ナノメートルであり、カイラルフック形状を生成する複雑な湾曲した3D構造を有する。 ナノフックのキラリティは強い円二色性を与えた。 ナノフックをＡ ｌ（ＩＩＩ）ｇ-ｃｈｏｐｏ-ポリアリルアミンヒドロゲルに組み込んだ。 ナノフックのｃｄ（円二色性）シグネチャは容易に測定可能であった。 ＣＤスペクトルシグネチャの波長は高分子濃度に依存した。 これにより，時間の経過とともにＣ ｄスペクトルの変化に従うことにより，膨潤実験中のヒドロゲルへの水の取り込みに従うことが可能になった。63これは、多くのナノサイエンスシナリオで広く使用されていることが期待されるこれらのハイドロゲルの汎用性を示しています。
