3.5 hidrogeluri duble reticulate care păstrează auto-vindecarea prin combinarea polifenolilor rezistenți la oxidare și labili la oxidare
hidrogelurile discutate până acum se bazează pe catecholi care pot suferi atât coordonare, cât și reticulare oxidativă (Schema 1). Acestea au avut un mare succes, dar există riscul ca oxidarea lentă să afecteze reticularea coordonării și, prin urmare, proprietățile de auto-vindecare. Prin urmare, ar fi benefic să se utilizeze liganzi polifenoli care sunt mai puțin sensibili la oxidare. Catecholii cu substituenți care retrag electroni –cum ar fi –Cl, –NO2, –CN,-CF3 (Schema 4) sunt greu de oxidat în comparație cu catecholul pur, în timp ce opusul este valabil pentru catecholii cu substituenți donatori de electroni, cum ar fi –OMe și –Me.54,55 astfel, cloro – și nitro-catecholii au fost folosiți în materiale bioinspirate cu beneficiul suplimentar, respectiv, al proprietăților antibacteriene și capacitatea de a descompune rețeaua prin scindarea indusă de lumină a nitro-catecolului din polimer.56,57
Schema 4. Analogi catecolici rezistenți la oxidare. (A) substituenții de retragere a electronilor reduc tendința la oxidare. (B) schimbarea structurii inelului într-o piridinonă obține același efect. (C) echilibrele de chelare dependente de pH ale 3-hidroxi-4-piridinonei.
oxidarea poate fi prevenită și prin utilizarea structurilor inelare alternative, așa cum a propus Menyo și colab. cine a folosit o funcționalitate chelatoare HOPO în loc de DOPA (structura HOPO, 3-hidroxi-4-piridinonă, este prezentată în schema 4b).58 HOPO este mai puțin predispus la oxidare decât DOPA, deoarece densitatea electronilor este retrasă din inel prin efecte inductive și de rezonanță. Acest lucru scade dramatic valorile PKA fenolice (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 HOPO păstrează o afinitate ridicată față de ionii de metale dure, cum ar fi FeIII și AlIII, ceea ce înseamnă că este un înlocuitor foarte bun pentru DOPA în proiectarea hidrogelului.59
am sintetizat un analog HOPO funcționalizat de un acid carboxilic, cHOPO, 1-(2′-carboxietil)-2-metil-3-hidroxi-4(1h)-piridinonă, pentru a permite cuplarea facilă la, de exemplu, polialilamină.60 cHOPO a fost sintetizat din maltol inspirat de sinteza 1-carboximetil-3-hidroxi-2-metil-4-piridinonă descrisă de Mawani și colab. și Zhang și colab.61,62 am făcut apoi g-cHOPO-polialilamină folosind chimia standard de cuplare EDC/NHS pe polialilamină (MW 120-200 kDa) dând o densitate de grefare cHOPO de 7%.
am determinat pKa a analogului catecol prin titrare UV-VIS folosind semnalele de absorbție integrate dependente de pH. Curbele de titrare rezultate sunt prezentate în Fig. 6. Pentru Chopo pur, primul pKa a fost de 3,52, iar al doilea a fost de 9,89. La conjugarea cu polialilamină, aceste valori s-au schimbat semnificativ. Primul pKa a schimbat aproape o unitate de pH completă la 2,60, în timp ce al doilea s-a deplasat la 9,65 și s-a extins semnificativ (Fig. 6). Atribuim schimbarea primului pKa la schimbarea mediului la conjugare la polialilamină, unde molecula se schimbă de la a avea un substituent al acidului carboxilic la a fi legată printr –o legătură amidică la mediul poliaminic al polialilaminei, adică de la –CH2CH2COOH la-ch2ch2conh-polimer. Al doilea pKa se schimbă mai puțin, dar tranziția se lărgește semnificativ de la o lățime aparentă de 2,9 unități de pH la una de 5,5 unități de pH. Atribuim acest lucru să se suprapună cu pKa a aminelor coloanei vertebrale polimerice, ceea ce înseamnă că mediul electronic local al inelelor HOPO se schimbă semnificativ cu pH-ul în acest interval de pH.
Fig. 6. Titrarea UV-VIS a cHOPO (linie punctată) și g-cHOPO-polialilamină (g-cHOPO-PAH, linie completă). Observați schimbarea primului pKa și tranziția mai largă în g-cHOPO-polialilamină în jurul pH-ului 9.redesenat din datele din Andersen, a.; Krogsgaard, m.; Birkedal, H. Biomacromolecule 2018, 19, 1402-1409.
complexele de fier au fost puternic colorate, violet la pH scăzut și portocaliu la pH ridicat, iar spectrele de absorbție ale complexelor de Fe(III) cu cHOPO s-au deplasat de la aproximativ 450 nm la aproximativ 550 nm pe măsură ce pH-ul a crescut de la 1 la 11. Mono-complexul este astfel violet, în timp ce complexul tris este portocaliu. La altoirea la polialilamină, vârfurile de absorbție încep să se schimbe roșu la pH semnificativ mai mic decât pentru Chopo liber, în jurul pH-ului 3, mai degrabă decât 7. Acest lucru indică faptul că debutul formării complexului bis se deplasează la valori de pH mult mai mici pentru g-cHOPO-polialilamină decât pentru Chopo liber, cel mai probabil datorită unei combinații a pKa inferior, dar posibil și proximității spațiale a cHOPOs legat de aceeași moleculă de polimer. Astfel, conjugarea polimerilor schimbă formarea complexelor de ordin superior (complexe bis și tris) la pH mai mic, ceea ce reprezintă un avantaj semnificativ pentru formarea hidrogelului și reflectă faptul că proprietățile de coordonare și reticulare ale acestor liganzi pot fi modificate de substituenți mai mulți atomi de carbon departe de inelul hetero – aromatic.
am format hidrogeluri de auto-vindecare cu Al(III) pentru a ocoli complexele Fe(III)-cHOPO puternic colorate. Formarea hidrogelului a fost reversibilă la toate valorile pH-ului, după cum reiese din experimentele de legare competitivă cu EDTA. În plus, am efectuat experimente de absorbție UV-VIS a soluțiilor de complexe de fier amestecate la pH 1 și apoi supuse timp de 5 min la pH 12, după care pH-ul a fost readus la pH 1. Spectrele de absorbție s-au inversat complet pentru g-HOPO-polialilamină, în timp ce s-au observat modificări persistente care reflectă oxidarea la pH ridicat pentru g-DOPA-polialilamină. Conceptul de formare a gelului complet reversibil a fost astfel stabilit. Hidrogelurile s-au auto-vindecat la toate valorile pH-ului, așa cum se arată pentru reologia oscilatorie pe hidrogelurile Al(III). Testele macroscopice calitative, în care bucățile de gel au fost tăiate în jumătate și puse în contact pentru a se vindeca, au confirmat datele reologice: bucățile de gel s-au vindecat în câteva minute și au putut fi ridicate și tensionate cu o spatulă fără a se rupe.
mecanica hidrogelului a fost investigată prin reologie oscilatorie așa cum este rezumat în Fig. 7A. În conformitate cu dependența de pH a echilibrelor complexului de coordonare și mecanismul general de formare a hidrogelului acestor hidrogeluri polimerice polialilaminice, modulul de stocare crește până la pH 9 unde s-a obținut un modul de stocare maxim de aproximativ 15 kPa. Hidrogelul s-a format deja la pH ~ 4, care este cu aproximativ 3 unități de pH mai mic decât în hidrogelul corespunzător pe bază de DOPA datorită schimbării modificărilor stoichiometrice cHOPO-metalice la valori mai mici ale pH-ului. Această scădere a debutului pH-ului reticulării semnificative a gelului este un avantaj suplimentar semnificativ al cHOPO-hidrogelilor față de cele DOPA corespunzătoare.
Fig. 7. Modul de stocare a hidrogelilor de Al (III) și g-cHOPO-polialilamină în funcție de pH. (a) hidrogel pur Al (III)—g-cHOPO-polialilamină. (B) Compararea hidrogelului pur Al (III)—g-cHOPO-polialilamină cu cele în care s-a adăugat 1 mol% acid tanic pentru reticulare oxidativă suplimentară dependentă de pH.redesenat din datele din Andersen, a.; Krogsgaard, m.; Birkedal, H. Biomacromolecule 2018, 19, 1402-1409.
am emis ipoteza că combinarea într-o manieră controlabilă a efectelor coordonării și a legăturilor încrucișate covalente ar permite un control detaliat asupra rigidității hidrogelului, păstrând în același timp auto-vindecarea la toate valorile pH-ului și în orice moment. Am realizat acest lucru prin formarea hidrogelurilor DC: hidrogelurile Al (III) g-Chopo-polialilamină au fost întărite într-o manieră dial-in prin legături încrucișate covalente prin adăugarea de acid tanic care a fost utilizat și în sistemul de formare a hidrogelului cu un singur vas descris în secțiunea precedentă. Acest lucru a funcționat foarte bine. Modulele de stocare în funcție de pH-ul gelurilor reticulate pur de coordonare sunt comparate cu cele cu 1 mol% acid tanic, corespunzând la 5 mol% grupări pirogalol per monomer aminic, în Fig. 7B. la pH scăzut, înainte ca reticularea oxidativă să se poată seta, cele două curbe sunt similare. Cu toate acestea, peste pH-ul de aproximativ 8, unde reticularea oxidativă devine importantă, modulul de stocare a crescut drastic și a atins o rigiditate maximă de 5,5 ori mai mare decât fără acid tanic la pH 9, dovedind că hidrogelurile DC combină cele două mecanisme de reticulare. Între pH 4 și 7, Sistemul de acid tanic are un modul de stocare ceva mai mare decât sistemul de coordonare pură. Sugerăm că acest lucru este cauzat de proporția mai mare de liganzi de legare a metalelor din sistemul care conține acid tanic, care asigură reticulare suplimentară în acest regim dominant bis-complex.
proprietățile de auto-vindecare ale hidrogelilor au fost reținute atât prin teste calitative macroscopice, cât și prin reologie la pH 3, 6, 9 și 12. Legarea competitivă de către EDTA a arătat că formarea hidrogelului nu mai este reversibilă așa cum era de așteptat pentru reticularea covalentă adăugată. În continuare am investigat dependența modulului de stocare de concentrația acidului tanic adăugat. Modulul de stocare la pH 9 a crescut exponențial cu concentrația de acid tanic până la aproximativ 2 mol% acid tanic unde a fost atins un modul de stocare de cel puțin 434 kPa în comparație cu 15 kPa pentru hidrogelul chimic de coordonare pură. Peste această concentrație de acid tanic, hidrogelurile au devenit sineretice, adică au exclus apa datorită gradului ridicat de reticulare covalentă și rigiditatea nu mai crește în același mod. Cu toate acestea, rezultatele au demonstrat în mod clar că rigiditatea hidrogelului ar putea fi apelată după bunul plac prin controlul concentrației de acid tanic adăugat.
am valorificat în continuare gelificarea reversibilă Al(III) a g-cHOPO-polialilaminei pentru a studia detectarea plasmonică cu nanostructuri de aur plasmonice chirale.63 de nano-cârlige chirale de aur au fost realizate prin litografie coloidală cu mască de gaură și au putut fi ridicate. Nano-cârligele aveau doar câteva sute de nanometri în diametru, cu o structură complexă curbată 3d care generează forma cârligului chiral. Chiralitatea nano-cârligelor le-a dat un puternic dicroism circular. Nano-cârligele au fost încorporate în hidrogelurile Al(III) g-Chopo-polialilamină. Semnătura CD (dicroism circular) a nano-cârligelor a rămas ușor de măsurat. Lungimea de undă a semnăturilor spectrale CD depindea de concentrația polimerului. Acest lucru a făcut posibilă urmărirea absorbției apei în hidrogel în timpul experimentelor de umflare, urmând modificarea spectrelor CD în timp.63 acest lucru ilustrează versatilitatea acestor hidrogeluri pe care ne așteptăm să le găsim utilizate pe scară largă în multe scenarii de nanoștiință.
