3.5 hydrożele Podwójnie usieciowane, które zachowują samouzdrawianie przez połączenie odpornych na utlenianie i nietrwałych na utlenianie polifenoli
omawiane do tej pory hydrożele opierają się na katecholach, które mogą zarówno podlegać koordynacji, jak i sieciowaniu oksydacyjnemu (Schemat 1). Są one bardzo skuteczne, ale istnieje ryzyko, że powolne utlenianie upośledza koordynację sieciowania, a tym samym właściwości samoleczenia. Dlatego korzystne byłoby zastosowanie ligandów polifenolowych, które są mniej wrażliwe na utlenianie. Katechole z podstawnikami wycofującymi elektrony, takimi jak –CL, –NO2, –CN,-CF3 (Schemat 4), są trudne do utlenienia w porównaniu z czystym katecholem, podczas gdy przeciwieństwo dotyczy katecholi z podstawnikami przekazującymi elektrony, takimi jak –OMe i –Me.54,55 tak więc chloro-i nitro-katechole zostały zastosowane w materiałach bioinspiracyjnych z dodatkową korzyścią, odpowiednio, właściwości przeciwbakteryjnych i zdolności do rozbicia sieci przez wywołane światłem rozszczepienie nitro-katecholu z polimeru.56,57
Analogi katecholowe odporne na utlenianie. (A) podstawniki wycofujące elektrony zmniejszają skłonność do utleniania. B) zmiana struktury pierścieniowej na pirydynon osiąga ten sam efekt. (C) zależne od pH równowaga chelatacyjna 3-hydroksy-4-pirydynonu.
utlenianiu można również zapobiec poprzez zastosowanie alternatywnych struktur pierścieniowych zaproponowanych przez Menyo i wsp. kto stosował chelatującą funkcję HOPO zamiast DOPA (struktura HOPO, 3-hydroksy-4-pirydynonu, jest pokazana na schemacie 4B).58 HOPO jest mniej podatny na utlenianie niż DOPA, ponieważ gęstość elektronów jest wycofywana z pierścienia przez efekty indukcyjne i rezonansowe. To dramatycznie obniża wartości fenolowych PKA (HOPO: pKa1 = 3.6, pKa2 = 9.9, DOPA: pKa1 = 9.1, pKa2 = 14).58 HOPO zachowuje wysokie powinowactwo do jonów metali twardych, takich jak FeIII i AlIII, co oznacza, że jest bardzo dobrym zamiennikiem DOPA w konstrukcji hydrożelowej.59
zsyntetyzowaliśmy Analog HOPO funkcjonalizowany przez kwas karboksylowy, cHOPO, 1-(2′-karboksyetylo)-2-metylo-3-hydroksy-4(1H)-pirydynon, aby umożliwić łatwe sprzęganie np. z poliallilaminą.60 cHOPO zsyntetyzowano z maltolu zainspirowanego syntezą 1-karboksymetylo-3-hydroksy-2-metylo-4-pirydynonu opisaną przez Mawaniego i wsp. i Zhang et al.61,62 następnie wykonaliśmy g-cHOPO-poliallilaminę stosując standardową chemię sprzęgającą EDC/NHS do poliallilaminy (MW 120-200 kDa), dając gęstość szczepienia cHOPO na poziomie 7%.
oznaczaliśmy pKa analogu katecholowego przez miareczkowanie UV-VIS przy użyciu zintegrowanych sygnałów absorpcyjnych zależnych od pH. Uzyskane krzywe miareczkowania przedstawiono na Fig. 6. Dla czystego cHOPO pierwszy pKa wynosił 3,52, a drugi 9,89. Po sprzęganiu z poliallilaminą wartości te uległy znaczącej zmianie. Pierwszy pKa przesunął prawie pełną jednostkę pH do 2,60, podczas gdy drugi przesunął się do 9,65 i znacznie się rozszerzył (Fig. 6). Przypisujemy przesunięcie w pierwszym pKa do zmiany środowiska po sprzęganiu z poliallilaminą, gdzie cząsteczka zmienia się z podstawnika kwasu karboksylowego na połączony wiązaniem amidowym ze środowiskiem poliaminowym poliallilaminy, tj. z-ch2ch2cooh do-ch2ch2conh-polimeru. Drugi pKa przesuwa się mniej, ale przejście znacznie rozszerza się od pozornej szerokości 2,9 jednostki pH do jednej z 5,5 jednostek pH. Przypisujemy to pokrywaniu się z pKa Amin szkieletu polimeru, co oznacza, że lokalne środowisko elektroniczne pierścieni HOPO zmienia się znacząco z pH w tym zakresie pH.
rys. 6. Miareczkowanie metodą UV-VIS cHOPO (linia przerywana) i G-cHOPO-polialliloaminy (g-cHOPO-PAH, linia pełna). Zwróć uwagę na przesunięcie w pierwszym pKa i szersze Przejście W G-cHOPO-poliallilaminie wokół pH 9.
Redrawn from data in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
kompleksy żelaza były silnie zabarwione, fioletowe przy niskim pH i pomarańczowe przy wysokim pH, a widmo absorpcji kompleksów Fe(III) z cHOPO przesunęło się z około 450 nm do około 550 nm, gdy pH wzrosło z 1 do 11. Mono-kompleks jest zatem fioletowy, podczas gdy tris-kompleks jest pomarańczowy. Po szczepieniu do poliallilaminy szczyty absorpcji zaczynają się przesuwać ku czerwieni przy znacznie niższym pH niż w przypadku wolnego cHOPO, około pH 3, a nie 7. Oznacza to, że początek tworzenia bis-kompleksu przesuwa się do znacznie niższych wartości pH dla g-cHOPO-polialliloaminy niż dla wolnego cHOPO, najprawdopodobniej z powodu połączenia niższego pKa, ale być może również z przestrzennej bliskości choposu związanego z tą samą cząsteczką polimeru. Tak więc koniugacja polimeru przesuwa tworzenie kompleksów wyższego rzędu (Bis-i tris-kompleksy) do niższego pH, co jest istotną zaletą dla tworzenia hydrożeli i odzwierciedla, że właściwości koordynacyjne i sieciujące tych ligandów mogą być zmienione przez podstawniki o kilka węgli od pierścienia heteroaromatycznego.
utworzyliśmy samouzdrawiające się hydrożele z Al(III), aby ominąć silnie zabarwione kompleksy Fe(III)-cHOPO. Tworzenie hydrożelu było odwracalne przy wszystkich wartościach pH, o czym świadczą eksperymenty z wiązaniem konkurencyjnym z EDTA. Dodatkowo przeprowadziliśmy eksperymenty absorpcyjne UV-VIS roztworów kompleksów żelaza zmieszanych przy pH 1, a następnie poddanych przez 5 minut pH 12, po czym pH powróciło do pH 1. Widmo absorpcji całkowicie się odwróciło dla G-HOPO-polialliloaminy, podczas gdy dla G-DOPA-polialliloaminy obserwowano trwałe zmiany odzwierciedlające utlenianie przy wysokim pH. W ten sposób powstała koncepcja w pełni odwracalnego tworzenia żelu. Hydrożele były samouzdrawiające się przy wszystkich wartościach pH, jak pokazano dla reologii oscylacyjnej na hydrożelach Al (III). Jakościowe Badania makroskopowe, w których kawałki żelu zostały przecięte na pół i umieszczone w kontakcie w celu zagojenia, potwierdziły dane reologiczne: kawałki żelu zagojone w ciągu kilku minut i mogły być podnoszone i napinane szpatułką bez pękania.
mechanikę hydrożelu zbadano za pomocą reologii oscylacyjnej, jak podsumowano na Fig. 7A. Zgodnie z zależnością pH kompleksów koordynacyjnych i ogólnym mechanizmem tworzenia hydrożeli tych polialliloaminowych hydrożeli szkieletowych, moduł magazynowania wzrasta do pH 9, gdzie uzyskano maksymalny moduł magazynowania wynoszący około 15 kPa. Hydrożel uformował się już przy pH ~ 4, które jest o około 3 jednostki pH niższe niż w odpowiednim hydrożelu opartym na DOPA z powodu zmiany stechiometrycznych zmian cHOPO-metalowych do niższych wartości pH. To obniżenie pH istotnego usieciowania żelu jest istotną dodatkową zaletą cHOPO-hydrożeli nad odpowiednimi DOPA.
rys. 7. Moduł magazynowania hydrożeli al (III) i G-cHOPO-polialliloaminy w funkcji pH. (a) czystego hydrożelu Al (III)—g-cHOPO-polialliloaminy. B) porównanie czystego hydrożelu al (III)—g-cHOPO-polialliloaminowego z tymi, w których dodano 1 mol % kwasu garbnikowego w celu dodatkowego usieciowania oksydacyjnego zależnego od pH.
Redrawn from data in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromolecules 2018, 19, 1402-1409.
postawiliśmy hipotezę, że połączenie w kontrolowany sposób efektów koordynacji i kowalencyjnych połączeń sieciowych zapewniłoby szczegółową kontrolę nad sztywnością hydrożelu, zachowując samouzdrawianie we wszystkich wartościach pH i przez cały czas. Osiągnęliśmy to tworząc hydrożele DC: hydrożele al (III) g-cHOPO-polialliloaminowe zostały wzmocnione w sposób dial-in przez kowalencyjne sieciowanie poprzez dodanie kwasu garbnikowego, który był również stosowany w systemie tworzenia hydrożelu w jednym naczyniu opisanym w poprzednim punkcie. To działało bardzo dobrze. Moduły magazynowania w funkcji pH żeli sieciowanych czysto koordynacyjnie porównuje się z modułami z 1 mol% kwasem garbnikowym, odpowiadającymi 5 mol% grupom pirogalolowym na monomer aminy, na Fig. 7b. przy niskim pH, zanim dojdzie do sieciowania oksydacyjnego, obie krzywe są podobne. Jednak powyżej pH około 8, gdzie utlenianie sieciujące staje się ważne, moduł magazynowania drastycznie wzrósł i osiągnął maksymalną sztywność 5,5 razy większą niż bez kwasu garbnikowego przy pH 9, dowodząc, że hydrożele DC łączą dwa mechanizmy sieciowania. Między pH 4 A 7 system kwasu garbnikowego ma nieco wyższy moduł magazynowania niż czysty system koordynacji. Sugerujemy, że jest to spowodowane większym udziałem ligandów wiążących metal w układzie zawierającym kwas garbnikowy, który zapewnia dodatkowe sieciowanie w tym bis-złożonym systemie dominującym.
właściwości samoleczenia hydrożeli zostały zachowane zarówno zgodnie z makroskopowymi badaniami jakościowymi, jak i reologią przy pH 3, 6, 9 i 12. Wiązanie konkurencyjne przez EDTA wykazało, że tworzenie hydrożelu nie jest już odwracalne, zgodnie z oczekiwaniami dla dodatkowego kowalencyjnego sieciowania. Następnie zbadaliśmy zależność modułu magazynowania od stężenia dodanego kwasu garbnikowego. Moduł magazynowania przy pH 9 wzrastał wykładniczo przy stężeniu kwasu garbnikowego do około 2 mol% kwasu garbnikowego, gdzie osiągnięto moduł magazynowania nie mniejszy niż 434 kPa w porównaniu do 15 kPa dla czystego hydrożelu chemii Koordynacyjnej. Powyżej tego stężenia kwasu garbnikowego hydrożele stały się syneretyczne, tzn. wykluczały wodę ze względu na wysoki stopień kowalencyjnego sieciowania i sztywność nie zwiększała się już w ten sam sposób. Niemniej jednak wyniki wyraźnie wykazały, że sztywność hydrożelu może być dowolnie wybierana poprzez kontrolę stężenia dodanego kwasu garbnikowego.
następnie wykorzystaliśmy odwracalne żelowanie Al(III) g-cHOPO-polialliloaminy do badania wykrywania plazmonicznego za pomocą chiralnych plazmonicznych nanostruktur złota.63 chiralne złote Nano-haki zostały wykonane za pomocą koloidalnej litografii z maską otworową i można je było podnieść. Nano-haki miały tylko kilkaset nanometrów średnicy, a skomplikowana, zakrzywiona struktura 3D generowała chiralny kształt haka. Chiralność nano-haczyków dawała im silny kołowy dichroizm. Nano-haki zostały włączone do hydrożeli al (III) g-cHOPO-polialliloaminowych. CD (dichroizm kołowy) sygnatura nano-haków pozostała łatwa do zmierzenia. Długość fali sygnatur spektralnych CD zależała od stężenia polimeru. Umożliwiło to śledzenie wychwytu wody do hydrożelu podczas eksperymentów z obrzękiem poprzez śledzenie zmiany widma CD w czasie.63 ilustruje to wszechstronność tych hydrożeli, które, jak się spodziewamy, mogą być szeroko stosowane w wielu scenariuszach nanonaukowych.
