3.5 Double crosslinked hydrogels die zelfgenezing behouden door combinatie van oxidatieresistente en oxidatielabiele polyfenolen
De tot nu toe besproken hydrogels zijn gebaseerd op catecholen die zowel coördinatie als oxidatieve crosslinking kunnen ondergaan (Schema 1). Deze zijn zeer succesvol geweest, maar er bestaat een risico dat langzame oxidatie de coördinatie crosslinking en daarmee de zelfherstellende eigenschappen aantast. Daarom zou het voordelig zijn om polyfenol liganden in dienst te nemen die minder gevoelig zijn voor oxidatie. Catecholen met elektron –terugtrekkende substituenten zoals –Cl, –NO2, –CN,-CF3 (schema 4) zijn moeilijk te oxideren in vergelijking met zuivere catechol, terwijl het tegenovergestelde geldt voor catecholen met elektron –donerende substituenten zoals –OMe en-Me.Zo zijn chloor – en nitro-catecholen gebruikt in biogeïnspireerde materialen met het toegevoegde voordeel, respectievelijk, van antibacteriële eigenschappen en de mogelijkheid om het netwerk af te breken door licht geïnduceerde splitsing van de nitro-catechol uit het polymeer.56,57
schema 4. Oxidatiebestendige catechol-analogen. (A) elektron terugtrekkende substituenten verminderen de neiging tot oxidatie. (B) het veranderen van de ringstructuur naar pyridinon heeft hetzelfde effect. C) pH-afhankelijke chelatie-evenwichten van 3-hydroxy-4-pyridinon.
oxidatie kan ook worden voorkomen door gebruik van alternatieve ringstructuren zoals voorgesteld door Menyo et al. die een chelaatvormende HOPO functionaliteit gebruikte in plaats van DOPA (de structuur van HOPO, 3-hydroxy-4-pyridinone, wordt getoond in schema 4B).HOPO is minder vatbaar voor oxidatie dan DOPA omdat elektronendichtheid uit de ring wordt onttrokken door inductieve en resonantie-effecten. Dit verlaagt de fenolische PKA-waarden dramatisch (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 HOPO behoudt een hoge affiniteit voor hardmetaalionen zoals FeIII en AlIII, wat betekent dat het een zeer goede vervanging is voor DOPA in hydrogelontwerp.59
we hebben een HOPO-analoog gesynthetiseerd door een carbonzuur, cHOPO, 1-(2 ‘ – carboxyethyl)-2-methyl-3-hydroxy-4(1H) – pyridinon, om een gemakkelijke koppeling met bijvoorbeeld polyallylamine mogelijk te maken.60 cHOPO werd gesynthetiseerd uit maltol geïnspireerd door de synthese van 1-carboxymethyl-3-hydroxy-2-methyl-4-pyridinone beschreven door Mawani et al. en Zhang et al.61,62 vervolgens maakten we G-cHOPO-polyallylamine met behulp van standaard EDC/NHS koppeling chemie op polyallylamine (MW 120-200 kDa) wat een Chopo enting dichtheid van 7% gaf.
we bepaalden de pKa van het catechol-analoog door UV-VIS titratie met behulp van de pH-afhankelijke geïntegreerde absorptiesignalen. De resulterende titratiecurven worden weergegeven in Fig. 6. Voor pure cHOPO was de eerste pKa 3,52 en de tweede 9,89. Na conjugatie aan polyallylamine veranderden deze waarden significant. De eerste pKa verschoven bijna een volledige pH-eenheid naar 2,60, terwijl de tweede verschoven naar 9,65 en verbreed aanzienlijk (Fig. 6). We schrijven de verschuiving in de eerste pKa toe aan de verandering in omgeving na conjugatie aan polyallylamine, waar het molecuul verandert van het hebben van een carboxylzuursubstituent om via een amidebinding te worden gekoppeld aan de polyamineomgeving van polyallylamine, d.w.z. van –CH2CH2COOH naar –ch2ch2conh-polymeer. De tweede PKA verschuift minder, maar de overgang verbreedt aanzienlijk van een schijnbare breedte van 2,9 pH eenheden naar een van 5,5 pH eenheden. We schrijven dit toe als overlap met de pKa van de amines van de polymeer backbone, wat betekent dat de lokale elektronische omgeving van de HOPO ringen aanzienlijk verandert met de pH in dit pH-bereik.
Fig. 6. UV-VIS titratie van cHOPO (streeplijn) en G-Chopo-polyallylamine (g-cHOPO-PAH, volledige lijn). Let op de verschuiving in de eerste pKa en de bredere overgang in G-cHOPO-polyallylamine rond pH 9.hertekening van gegevens in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromoleculen 2018, 19, 1402-1409.
De ijzercomplexen waren sterk gekleurd, paars bij lage pH en Oranje bij hoge pH en de absorptiespectra van de Fe(III) complexen met cHOPO verschoof van ongeveer 450 nm naar ongeveer 550 nm toen de pH steeg van 1 naar 11. Het mono-complex is dus paars terwijl het tris-complex Oranje is. Na enten op polyallylamine, beginnen de absorptiepieken rood te verschuiven bij beduidend lagere pH dan bij vrije cHOPO, rond pH 3 in plaats van 7. Dit wijst erop dat het begin van de bis-complexvorming verschuift naar veel lagere pH-waarden voor G-Chopo-polyallylamine dan voor vrij cHOPO, hoogstwaarschijnlijk door een combinatie van de lagere pKa maar mogelijk ook door de ruimtelijke nabijheid van cHOPOs gebonden aan hetzelfde polymeermolecuul. Zo verschuift de polymeerconjugatie de vorming van hogere ordecomplexen (bis – en tris-complexen) naar een lagere pH, wat een belangrijk voordeel is voor hydrogelvorming en weerspiegelt dat de coördinatie-en crosslinking-eigenschappen van deze liganden kunnen worden veranderd door substituenten verschillende koolstoffen uit de buurt van de heteroaromatische ring.
we vormden zelfherstellende hydrogels met Al(III) om de sterk gekleurde Fe(III)-cHOPO complexen te omzeilen. Hydrogelvorming was reversibel bij alle pH-waarden, zoals blijkt uit competitieve bindingsexperimenten met EDTA. Daarnaast hebben we UV-VIS absorptieexperimenten uitgevoerd van oplossingen van ijzercomplexen gemengd bij pH 1 en vervolgens gedurende 5 min aan pH 12 onderworpen, waarna de pH weer op pH 1 werd gebracht. De absorptiespectra reverseerden volledig voor g-HOPO-polyallylamine, terwijl voor G-DOPA-polyallylamine aanhoudende veranderingen werden waargenomen die de oxidatie bij hoge pH weerspiegelen. Het concept van volledig omkeerbare gelvorming werd aldus vastgesteld. De hydrogels waren zelfgenezend bij alle pH-waarden zoals getoond voor oscillatoire reologie op Al(III) hydrogels. Kwalitatieve macroscopische tests, waarbij gelstukken in tweeën werden gesneden en in contact werden gebracht om te genezen, bevestigden de reologische gegevens: de gelstukken genezen binnen enkele minuten en konden worden opgeheven en gespannen met een spatel zonder te breken.
De hydrogelmechanica werd onderzocht met behulp van oscillatoire reologie, zoals samengevat in Fig. 7 bis. In overeenstemming met de pH-afhankelijkheid van het coördinatiecomplex en het algemene hydrogelvormingsmechanisme van deze polyallylamine backbone polymeerhydrogels, neemt de opslagmodulus toe tot pH 9, waar een maximale opslagmodulus van ongeveer 15 kPa werd verkregen. De hydrogel werd al gevormd bij pH ~ 4, wat ongeveer 3 pH-eenheden lager is dan in de overeenkomstige op DOPA gebaseerde hydrogel als gevolg van de verschuiving in chopometaalstoichiometrische veranderingen naar lagere pH-waarden. Dit verlagen van de pH begin van significante gel crosslinking is een significant bijkomend voordeel van de cHOPO-hydrogels ten opzichte van de overeenkomstige DOPA.
Fig. 7. Opslagmodulus van hydrogels van Al (III) en g-cHOPO-polyallylamine als functie van pH. (a) zuivere al(III)—g-cHOPO-polyallylamine hydrogel. B) vergelijking van zuivere al(III)—g-Chopo-polyallylaminehydrogel met die waarbij 1 mol% tanninezuur werd toegevoegd voor extra pH-afhankelijke oxidatieve crosslinking.hertekening van gegevens in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromoleculen 2018, 19, 1402-1409.
we veronderstelden dat het op een controleerbare manier combineren van de effecten van coördinatie en covalente crosslinks gedetailleerde controle over hydrogelstijfheid zou opleveren, terwijl het zelfgenezend blijven bij alle pH-waarden en alle tijden. Dit hebben we bereikt door DC hydrogels te vormen: de al (III) g-Chopo-polyallylamine hydrogels werden versterkt in een dial-In manier door covalente dwarsverbindingen door toevoeging van looizuur dat ook werd gebruikt in het ene pot hydrogel vormingssysteem beschreven in de vorige paragraaf. Dit werkte heel goed. Opslagmoduli als functie van de pH van zuiver coördinatie crosslinked gels worden vergeleken met die met 1 mol % looizuur, overeenkomend met 5 mol% pyrogallol groepen per amine monomeer, in Fig. 7B. bij lage pH, voordat oxidatieve crosslinking kan instellen, zijn de twee curven gelijkaardig. Echter boven pH van ongeveer 8 waar oxidatieve crosslinking belangrijk wordt, nam de opslagmodulus drastisch toe en bereikte een maximale stijfheid 5,5 keer groter dan zonder looizuur bij pH 9, wat bewijst dat de DC hydrogels de twee crosslinking mechanismen combineren. Tussen pH 4 en 7 heeft het looizuursysteem een iets hogere opslagmodulus dan het zuivere coördinatiesysteem. Wij stellen voor dat dit wordt veroorzaakt door het grotere aandeel van metaalbindende liganden in het tanninezuurhoudende systeem, dat extra crosslinking biedt in dit bis-complex dominante regime.
de zelfherstellende eigenschappen van de hydrogels werden behouden, zowel zoals bepaald door macroscopische kwalitatieve tests als door reologie bij pH 3, 6, 9 en 12. Competitieve binding door EDTA toonde aan dat hydrogelvorming niet langer reversibel was zoals verwacht voor de toegevoegde covalente crosslinking. Vervolgens onderzochten we de afhankelijkheid van de opslagmodulus van de concentratie toegevoegd looizuur. De opslagmodulus bij pH 9 nam exponentieel toe bij tanninezuurconcentratie tot ongeveer 2 mol% tanninezuur, waar een opslagmodulus van niet minder dan 434 kPa werd bereikt in vergelijking met de 15 kPa voor zuivere coördinatiechemie hydrogel. Boven deze tanninezuurconcentratie werden de hydrogels syneretisch, dat wil zeggen dat ze water uitsloten vanwege de hoge mate van covalente crosslinking en de stijfheid niet meer op dezelfde manier toenamen. Niettemin hebben de resultaten duidelijk aangetoond dat de hydrogelstijfheid naar believen kan worden ingesteld door controle van de concentratie van Toegevoegd looizuur.
We gebruikten verder de reversibele al (III) gelatie van G-cHOPO-polyallylamine om de plasmonische sensing met chirale plasmonische gouden nanostructuren te bestuderen.63 Chiral gouden Nano-haken werden gemaakt door Hole-mask colloïdale lithografie en konden worden opgeheven. De nano-haken waren slechts een paar honderd nanometers in diameter met een complexe gebogen 3D-structuur die de chirale haak-vorm genereert. De chiraliteit van de nanohaken gaf hen een sterk cirkelvormig dichroïsme. De nano-haken werden opgenomen in Al(III) g-Chopo-polyallylamine hydrogels. De cd (circular dichroism) handtekening van de nano-haken bleef gemakkelijk meetbaar. De golflengte van de CD-spectrale signaturen hing af van de polymeerconcentratie. Dit maakte het mogelijk om de wateropname in de hydrogel tijdens zwellings-experimenten te volgen door de verandering in de CD-spectra in de tijd te volgen.63 dit illustreert de veelzijdigheid van deze hydrogels waarvan we verwachten dat ze wijdverbreid worden gebruikt in vele nanowetenschappelijke scenario ‘ s.
