3.5 Duplo com referências cruzadas hidrogéis que manter a auto-cura através da combinação de oxidação e resistente à oxidação lábil polifenóis
Os hidrogéis discutidos até o momento são baseados em catechols que pode submeter-se a coordenação e a oxidativo reticulação (Esquema 1). Estes têm sido muito bem sucedidos, mas há um risco de que a oxidação lenta prejudique a coordenação e, assim, as propriedades de auto-cura. Portanto, seria benéfico empregar ligantes de polifenol que são menos sensíveis à oxidação. Os catecóis com substituintes que retiram elétrons como –Cl, –NO2, –CN,-CF3 (Esquema 4) são difíceis de oxidar em comparação com o catecol puro, enquanto o oposto se aplica aos catecóis com substituintes que doam elétrons como –OMe e –Me.54,55 assim, cloro e nitro-catecóis têm sido empregados em materiais bioinspired com o benefício adicional, respectivamente, das propriedades antibacterianas e a capacidade de quebrar a rede por clivagem induzida pela luz do nitro-catecol a partir do polímero.56,57
Esquema 4. Análogos de catecol resistentes à oxidação. A) os substituintes de retirada de electrões reduzem a propensão à oxidação. B) A alteração da estrutura do anel para uma piridinona produz o mesmo efeito. C) equilíbrio quelante dependente do pH de 3-hidroxi-4-piridinona.
a oxidação também pode ser evitada através do uso de estruturas de anéis alternativos, conforme proposto por Menyo et al. who used a chelating HOPO functionality instead of DOPA (the structure of HOPO, 3-hydroxy-4-pyridinone, is shown in Scheme 4B).58 HOPO é menos propenso à oxidação do que DOPA porque a densidade de elétrons é retirada do anel por efeitos indutivos e de ressonância. Isso reduz drasticamente os valores fenólicos de pKa (HOPO: pKa1 = 3.6, pKa2 = 9.9, DOPA: pKa1 = 9.1, pKa2 = 14).58 HOPO mantém grande afinidade com iões de metal duro, como FeIII e AlIII, o que significa que é uma substituição muito boa para DOPA no projeto de hidrogel.59
sintetizámos um análogo do HOPO funcionalizado por um ácido carboxílico, cHOPO, 1-(2′-carboxietil)-2-metil-3-hidroxi-4 (1H) – piridinona, para permitir o acoplamento fácil, por exemplo, à polialilamina.60 cHOPO foi sintetizado a partir de maltol inspirado na síntese de 1-carboximetil-3-hidroxi-2-metil-4-piridinona descrita por Mawani et al. e Zhang et al.61,62 fizemos então g-cHOPO-polialilamina usando a química de acoplamento EDC/NHS padrão sobre a polialilamina (MW 120-200 kDa) dando uma densidade de enxerto de cHOPO de 7%.determinámos o pKa do análogo do catecol por titulação UV-VIS utilizando os sinais de absorção integrados dependentes do pH. As curvas de titulação resultantes são apresentadas na figura. 6. Para o Chopo puro, o primeiro pKa era de 3,52 e o segundo de 9,89. Após conjugação com polialilamina, estes valores mudaram significativamente. O primeiro pKa mudou quase uma unidade de pH completo para 2,60, enquanto o segundo mudou para 9,65 e ampliou significativamente (Fig. 6). Nós atribuímos a mudança no primeiro pKa para a mudança no ambiente após a conjugação à polialilamina, onde a molécula muda de ter um substituinte de ácido carboxílico a ser ligado através de uma ligação amida ao ambiente de polialilamina, isto é, de –CH2CH2COOH a –CH2CH2CONH-polímero. O segundo PKA muda menos, mas a transição aumenta significativamente de uma largura aparente de 2,9 unidades de pH para uma de 5,5 unidades de pH. Atribuímos isto a sobreposição com o pKa das aminas da espinha dorsal do polímero, o que significa que o ambiente electrónico local dos anéis HOPO muda significativamente com o pH nesta gama de pH.
Fig. 6. Titulação UV de cHOPO (linha tracejada) e g-cHOPO-polialilamina (g-cHOPO-PAH, linha completa). Observe a mudança no primeiro pKa e a transição mais ampla Em g-cHOPO-polialilamina em torno do pH 9.
refund from data in Andersen, A.; Krogsgaard, M.; Birkedal, H. Biomacromoléculas 2018, 19, 1402-1409.
os complexos de ferro eram fortemente coloridos, roxos a baixo pH e laranja a alto pH e os espectros de absorção dos complexos Fe(III) com cHOPO deslocaram-se de cerca de 450 nm para cerca de 550 nm, à medida que o pH aumentava de 1 para 11. O mono-complexo é, portanto, roxo, enquanto o tris-complexo é laranja. Após a enxertia para a polialilamina, os picos de absorção começam a mudar para o vermelho em pH significativamente menor do que para o cHOPO livre, em torno de pH 3 em vez de 7. Isto indica que o início da formação bis-complexa muda para valores de pH muito mais baixos para g-cHOPO-polialilamina do que para Chopo livre, provavelmente devido a uma combinação do pKa inferior, mas possivelmente também para a proximidade espacial de cHOPOs ligados à mesma molécula de polímero. Assim polímero conjugação de turnos a formação de ordem superior complexos (bis e tris-complexos) diminuição do pH, o que é uma vantagem significativa para a formação de hidrogel e reflete que a coordenação e a reticulação propriedades dos ligantes podem ser alterados por substituintes vários carbonos de distância da hetero-anel aromático.
Nós formamos hidrogéis auto-regenerativos com Al (III) para contornar os complexos fortemente coloridos Fe(III)-cHOPO. A formação de hidrogel foi reversível em todos os valores de pH, como evidenciado por experimentos de ligação competitivos com EDTA. Além disso, realizamos experimentos de absorção UV-VIS de soluções de complexos de ferro misturados a pH 1 e depois submetidos por 5 minutos a pH 12, após o que o pH foi devolvido a pH 1. O espectro de absorção REVERTEU completamente para a g-HOPO-polialilamina, enquanto se observaram alterações persistentes que reflectem a oxidação a um pH elevado para a g-DOPA-polialilamina. O conceito de formação de gel totalmente reversível foi assim estabelecido. Os hydrogels eram auto-curativos em todos os valores de pH, como mostrado para a reologia oscilatória em hidrogels Al(III). Testes macroscópicos qualitativos, em que os pedaços de gel foram cortados ao meio e colocados em contato para curar, confirmaram os dados reológicos: os pedaços de gel curados em minutos e poderiam ser levantados e amarrados com uma espátula sem quebrar.
a mecânica do hidrogel foi investigada pela reologia oscilatória como resumida na Fig. 7A. De acordo com a dependência do pH dos equilíbrios do complexo de coordenação e do mecanismo geral de formação de hidrogel destes hidrogéis da coluna vertebral dos polímeros de polialilamina, o módulo de armazenamento aumenta até pH 9, onde se obtém um módulo de armazenamento máximo de cerca de 15 kPa. O hidrogel formado já em pH ~ 4, que é cerca de 3 unidades de pH mais baixo do que no hidrogel correspondente baseado em DOPA devido à mudança de cHOPO-metal estequiometria para valores de pH mais baixos. Esta diminuição do pH de aparecimento de um cruzamento significativo de gel é uma vantagem adicional significativa dos cHOPO-hydrogels sobre os dopa correspondentes.
Fig. 7. Módulo de armazenamento de hidrogéis de Al (III) e g-cHOPO-polialilamina em função do hidrogel de Al (III)—G-cHOPO-polialilamina puros. B) comparação do hidrogel de Al(III)—g-cHOPO-polialilamina puro com um hidrogel em que foi adicionado 1 mol% de ácido tânico para ligação cruzada oxidativa dependente do pH.
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hipotetizamos que combinando de forma controlável os efeitos da coordenação e de ligações covalentes iria permitir um controle detalhado sobre a rigidez do hidrogel, mantendo a auto-cura em todos os valores de pH e em todos os momentos. Conseguimos isso formando HIDROGELS DC: os hidrogéis Al(III) g-cHOPO-polialilamina foram reforçados de maneira dialogante por ligações cruzadas covalentes através da adição de ácido tânico que também foi usado no sistema de formação de hidrogel de pot descrito na seção anterior. Isto funcionou muito bem. Os módulos de armazenamento em função do pH de géis interligados puramente de coordenação são comparados com os de 1 mol% de ácido tânico, correspondendo a 5 mol% de grupos pirogalol por monómero de amina, na Fig. 7B. a baixo pH, antes da ligação cruzada oxidativa poder ser estabelecida, as duas curvas são semelhantes. No entanto, acima de pH de cerca de 8 onde oxidativo reticulação torna-se importante, o armazenamento módulo de elasticidade aumentou drasticamente e atingiu uma máxima rigidez 5,5 vezes maior do que sem ácido tânico em pH 9, provando que a DC hidrogéis combinar os dois mecanismos de reações. Entre pH 4 e 7, o sistema de ácido tânico tem um módulo de armazenamento um pouco mais elevado do que o sistema de coordenação pura. Nós sugerimos que isso é causado pela maior proporção de ligantes de metal no sistema contendo ácido tânico, que fornece ligações adicionais neste regime dominante bis-complexo.
as propriedades auto-regenerativas dos hidrogelos foram mantidas tanto por testes qualitativos macroscópicos como por rheologia a pH 3, 6, 9 e 12. A ligação competitiva por EDTA mostrou que a formação de hidrogel já não era reversível como esperado para o cruzamento covalente adicionado. Em seguida, investigamos a dependência do módulo de armazenamento sobre a concentração de ácido tânico adicionado. O módulo de armazenamento a pH 9 aumentou exponencialmente com a concentração de ácido tânico até cerca de 2 mol% de ácido tânico, onde um módulo de armazenamento de pelo menos 434 kPa foi alcançado em comparação com o hidrogel de 15 kPa para a química de coordenação pura. Acima desta concentração de ácido tânico, os hidrogelos tornaram-se sineréticos, ou seja, excluíram a água devido ao elevado grau de reticulação covalente e a rigidez já não aumentou da mesma forma. No entanto, os resultados demonstraram claramente que a rigidez do hidrogel pode ser discada à vontade através do controle da concentração de ácido tânico adicionado.além disso, aproveitámos a gelação reversível da Al(III) da g-cHOPO-polialilamina para estudar o sensoriamento plasmónico com nanoestruturas de ouro plasmónico quiral.63 nano-Ganchos De Ouro quiral foram feitos por litografia coloidal de máscara de Buraco e poderiam ser retirados. Os nano-ganchos eram apenas algumas centenas de nanômetros de diâmetro, com uma estrutura 3D curvante complexa gerando a forma de gancho quiral. A quiralidade dos nano-ganchos deu-lhes forte dicroismo circular. Os nano-ganchos foram incorporados em hidrogéis Al(III) g-cHOPO-polialilamina. A assinatura CD (dicroismo circular) dos nano-ganchos permaneceu facilmente mensurável. O comprimento de onda das Assinaturas espectrais do CD dependia da concentração do polímero. Isto tornou possível seguir a captação de água para o hidrogel durante os experimentos de inchaço, seguindo a mudança no espectro de CD ao longo do tempo.63 isto ilustra a versatilidade destes hidrogels que esperamos possam ser amplamente utilizados em muitos cenários de nanociência.
