3.5 Dobbel tverrbundet hydrogeler som beholder selvhelbredende ved kombinasjon av oksidasjonsresistente og oksidasjons labile polyfenoler
hydrogelene diskutert så langt er basert på katekoler som både kan gjennomgå koordinering og oksidativ kryssbinding (Skjema 1). Disse har vært svært vellykkede, men det er fare for at langsom oksidasjon svekker koordinasjonskrysset og dermed selvhelbredende egenskaper. Derfor ville det være gunstig å ansette polyfenol ligander som er mindre følsomme for oksidasjon. Katekoler med elektron-uttak substituenter som-Cl, – NO2, – CN, – CF3 (Skjema 4) er vanskelig å oksidere i forhold til ren katekol, mens det motsatte holder for katekoler med elektrondonerende substituenter som-OMe og-Me.54,55 således har klor-og nitro-katekoler vært ansatt i bioinspirerte materialer med henholdsvis den ekstra fordelen av antibakterielle egenskaper og evnen til å bryte ned nettverket ved lysinducert spaltning av nitro-katekolen fra polymeren.56,57
Skjema 4. Oksidasjonsresistente katekolanaloger. (A) Elektron trekke substituenter redusere tilbøyelighet til oksidasjon. (B) Endring av ringstrukturen til en pyridinon oppnår samme effekt. (C) ph-avhengige chelation-likevekter av 3-hydroksy-4-pyridinon.
Oksidasjon kan også forebygges ved bruk av alternative ringstrukturer som foreslått Av Menyo et al. HVEM brukte en chelaterende HOPO-funksjonalitet i stedet FOR DOPA (STRUKTUREN AV HOPO, 3-hydroksy-4-pyridinon, er vist I Skjema 4B).58 HOPO er mindre utsatt for oksidasjon enn DOPA fordi elektrontetthet trekkes tilbake fra ringen ved induktive og resonanseffekter. Dette reduserer dramatisk de fenoliske pka-verdiene (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, PKA2 = 14).58 HOPO beholder høy affinitet mot hardmetallioner som FeIII Og AlIII, noe som betyr at DET er en veldig god erstatning for DOPA i hydrogel design.59
vi syntetiserte EN HOPO analog funksjonalisert av en karboksylsyre, cHOPO, 1-(2 ‘ – karboksyetyl) – 2-metyl-3-hydroksy-4 (1h) – pyridinon, for å tillate enkel kobling til f.eks. polyallylamin.60 cHOPO ble syntetisert fra maltol inspirert av syntesen av 1-karboksymetyl-3-hydroksy-2-metyl-4-pyridinon beskrevet Av Mawani et al. Og Zhang et al.61,62 vi lagde deretter g-cHOPO-polyallylamin ved hjelp av STANDARD EDC / NHS koblingskjemi på polyallylamin (MW 120-200 kDa) som gir en cHOPO-graftingstetthet på 7%.
vi bestemte pka av katekolanalogen VED UV-VIS titrering ved hjelp av ph-avhengige integrerte absorpsjonssignaler. De resulterende titreringskurver er vist I Fig. 6. For ren cHOPO var den første pKa 3,52 og den andre var 9,89. Ved konjugering til polyallylamin endret disse verdiene betydelig. Den første pKa skiftet nesten en full pH-enhet til 2,60 mens den andre skiftet til 9,65 og utvidet betydelig (Fig. 6). Vi tilskriver skiftet i den første pKa til miljøendringen ved konjugering til polyallylamin, hvor molekylet endres fra å ha en karboksylsyresubstituent til å være koblet via en amidbinding til polyaminmiljøet av polyallylamin, dvs. fra –CH2CH2COOH til-CH2CH2CONH-polymer. Den andre pKa skifter mindre, men overgangen utvides betydelig fra en tilsynelatende bredde på 2,9 pH-enheter til en av 5,5 pH-enheter. Vi tilskriver dette til å overlappe med pka av aminene i polymer-ryggraden, noe som betyr at DET lokale elektroniske miljøet I HOPO-ringene endres betydelig med pH i dette pH-området.
Fig. 6. UV-VIS titrering av cHOPO (stiplet linje) og g-cHOPO-polyallylamin(g-cHOPO-PAH, full linje). Legg merke til skiftet i den første pKa og den bredere overgangen i g-cHOPO-polyallylamin rundt pH 9.
Redrawn fra data I Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
jernkompleksene var sterkt farget, lilla ved lav pH og oransje ved høy pH og absorpsjonsspektrene Til Fe(III) – kompleksene med cHOPO skiftet fra omtrent 450 nm til rundt 550 nm da pH økte fra 1 til 11. Monokomplekset er således lilla mens tris-komplekset er oransje. Ved podning til polyallylamin begynner absorpsjonstoppene å skifte rødt ved betydelig lavere pH enn for fri cHOPO, rundt pH 3 i stedet for 7. Dette indikerer at utbruddet av den bis-komplekse formasjonen skifter til mye lavere pH-verdier for g-cHOPO-polyallylamin enn for fri cHOPO, mest sannsynlig på grunn av en kombinasjon av den nedre pKa, men muligens også til den romlige nærheten av cHOPOs bundet til det samme polymermolekylet. Dermed skifter polymerkonjugering dannelsen av høyere ordens komplekser (bis – og tris-komplekser) til lavere pH, noe som er en betydelig fordel for hydrogeldannelse og reflekterer at koordinasjons-og tverrbindingsegenskapene til disse ligandene kan endres av substituenter flere karboner vekk fra den hetero-aromatiske ringen.
vi dannet selvhelbredende hydrogeler Med Al (III) for å omgå De sterkt fargede Fe(III)-cHOPO-kompleksene. Hydrogeldannelsen var reversibel ved alle pH-verdier som vist ved konkurrerende bindende eksperimenter med EDTA. I tillegg gjennomførte VI UV-VIS absorpsjonsforsøk av løsninger av jernkomplekser blandet ved pH 1 og deretter utsatt for 5 min til pH 12, hvoretter pH ble returnert til pH 1. Absorpsjonsspektrene reverserte fullstendig for g-HOPO-polyallylamin, mens vedvarende endringer som reflekterer oksidasjon ved høy pH ble observert for g-DOPA-polyallylamin. Konseptet med fullstendig reversibel geldannelse ble således etablert. Hydrogelene var selvhelbredende ved alle pH-verdier som vist for oscillatorisk reologi På Al (III) hydrogeler. Kvalitative makroskopiske tester, hvor gelbitene ble kuttet i halv og plassert i kontakt for å helbrede, bekreftet de reologiske dataene: gelbitene helbredet i løpet av minutter og kunne løftes og spennes med en spatel uten å bryte.
hydrogelmekanikken ble undersøkt ved oscillatorisk reologi som oppsummert I Fig. 7A. I tråd med ph-avhengigheten av koordinasjonskompleksets likevekter og den generelle hydrogeldannelsesmekanismen for disse polyallylamin-ryggradspolymerhydrogelene, øker lagringsmodulen til pH 9 hvor en maksimal lagringsmodul på ca. 15 kPa ble oppnådd. Hydrogelen dannet allerede ved pH ~ 4, som er omtrent 3 pH-enheter lavere enn i den tilsvarende DOPA-baserte hydrogelen på grunn av skiftet i cHOPO-metall-støkiometriske endringer til lavere pH-verdier. Denne senking av ph-utbruddet av signifikant gel-tverrbinding er en betydelig ekstra fordel av cHOPO-hydrogelene over de tilsvarende DOPA-ene.
Fig. 7. Lagringsmodul av hydrogeler Av Al (III) og g-cHOPO-polyallylamin som en funksjon av pH. (A) Ren Al (III)—g-cHOPO-polyallylamin hydrogel. (B) Sammenligning av ren Al (III) – g-cHOPO-polyallylaminhydrogel med de der 1 mol% tannsyre ble tilsatt for ytterligere pH-avhengig oksidativ kryssbinding.
Redrawn fra data I Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
vi hypotese at å kombinere på en kontrollerbar måte effektene av koordinasjon og kovalente tverrbindinger ville gi detaljert kontroll over hydrogel stivhet og samtidig beholde selvhelbredelse på alle pH-verdier og alle tider. Vi oppnådde dette ved å danne DC-hydrogeler: Al (III) g-cHOPO-polyallylamine hydrogels ble forsterket i en dial-in måte ved kovalente tverrbindinger gjennom tilsetning av garvesyre som også ble anvendt i den ene potten hydrogel formasjon system beskrevet i foregående avsnitt. Dette fungerte veldig bra. Lagringsmoduli som en funksjon av pH av rent koordinerende tverrbundne geler sammenlignes med de med 1 mol% tannsyre, tilsvarende 5 mol% pyrogallolgrupper per aminmonomer, I Fig. 7B. ved lav pH, før oksidativ kryssbinding kan settes inn, er de to kurvene like. Men over pH på ca 8 hvor oksidativ tverrbinding blir viktig, lagringsmodulen økt drastisk og nådde en maksimal stivhet 5,5 ganger større enn uten garvesyre ved pH 9, beviser AT DC hydrogels kombinere de to tverrbindingsmekanismer. Mellom pH 4 og 7 har tanninsyresystemet noe høyere lagringsmodul enn pure coordination-systemet. Vi foreslår at dette skyldes den større andelen metallbindende ligander i det tanninsyreholdige systemet, noe som gir ytterligere tverrbinding i dette bis-komplekse dominerende regimet.de selvhelbredende egenskapene til hydrogelene ble beholdt både som bestemt ved makroskopiske kvalitative tester og ved reologi ved pH 3, 6, 9 og 12. Konkurransedyktig binding av EDTA viste at hydrogeldannelsen ikke lenger var reversibel som forventet for den tilsatte kovalente tverrbindingen. Deretter undersøkte vi avhengigheten av lagringsmodulen på konsentrasjonen av tilsatt tannsyre. Lagringsmodulen ved pH 9 økte eksponentielt med tanninsyrekonsentrasjon til omtrent 2 mol% tannsyre hvor en lagringsmodul på ikke mindre enn 434 kPa ble nådd i forhold til 15 kPa for ren koordinasjonskjemi hydrogel. Over denne tanninsyrekonsentrasjonen ble hydrogelene syneretic, dvs. de utelukket vann på grunn av den høye graden av kovalent tverrbinding og stivheten økte ikke lenger på samme måte. Likevel viste resultatene tydelig at hydrogelstivheten kunne ringes inn ved vilje gjennom kontroll av konsentrasjonen av tilsatt tannsyre.Vi videre utnyttet reversibel Al (III) gelation av g-cHOPO-polyallylamine å studere plasmonic sensing med kirale plasmonic gull nanostrukturer.63 Kirale gull nano-kroker ble laget av hullmaske kolloidal litografi og kunne løftes ut. Nano-kroker var bare noen få hundre nanometer i diameter med en kompleks buet 3d struktur genererer kiral krok-form. Chiraliteten til nano-krokene ga dem sterk sirkulær dikroisme. Nanokrokene ble innlemmet I Al (III) g-cHOPO-polyallylaminhydrogeler. CD-signaturen (sirkulær dikroisme) av nano-krokene forblir lett målbare. Bølgelengden TIL CD-spektrale signaturer var avhengig av polymerkonsentrasjon. Dette gjorde det mulig å følge vannopptaket i hydrogelen under hevelsesforsøk ved å følge endringen I CD-spektrene over tid.63 dette illustrerer allsidigheten til disse hydrogelene som vi forventer kan finne utbredt i mange nanovitenskap scenarier.
