3.5 dubbla tvärbundna hydrogeler som behåller självläkning genom kombination av oxidationsresistenta och oxidationslabila polyfenoler
de hydrogeler som diskuterats hittills är baserade på katekoler som både kan genomgå koordination och oxidativ tvärbindning (schema 1). Dessa har varit mycket framgångsrika, men det finns en risk för att långsam oxidation försämrar koordinationsöverlänkningen och därmed de självläkande egenskaperna. Därför skulle det vara fördelaktigt att använda polyfenolligander som är mindre känsliga för oxidation. Katekoler med elektronuttagande substituenter såsom-Cl, –NO2, –CN, –CF3 (Schema 4) är svåra att oxidera jämfört med ren katekol, medan det motsatta gäller för katekoler med elektrondonerande substituenter såsom –OMe och-Me.54,55 således har klor-och nitrokatekoler använts i bioinspirerade material med den extra fördelen av antibakteriella egenskaper respektive förmågan att bryta ner nätverket genom ljusinducerad klyvning av nitrokatekol från polymeren.56,57
Schema 4. Oxidationsresistenta katekolanaloger. (A) elektronuttagande substituenter minskar benägenheten för oxidation. (B) att ändra ringstrukturen till en pyridinon uppnår samma effekt. (C) pH-beroende keleringsjämvikt av 3-hydroxi-4-pyridinon.
Oxidation kan också förhindras genom användning av alternativa ringstrukturer som föreslagits av Menyo et al. vem använde en kelaterande HOPO-funktionalitet istället för DOPA (strukturen av HOPO, 3-hydroxi-4-pyridinon, visas i Schema 4B).58 HOPO är mindre benägen för oxidation än DOPA eftersom elektrondensiteten dras tillbaka från ringen genom induktiva och resonanseffekter. Detta sänker dramatiskt fenoliska pKa-värden (HOPO: pKa1 = 3,6, pKa2 = 9,9, DOPA: pKa1 = 9,1, pKa2 = 14).58 HOPO behåller hög affinitet mot hårda metalljoner som FeIII och AlIII, vilket innebär att det är en mycket bra ersättning för DOPA i hydrogeldesign.59
vi syntetiserade en HOPO-analog funktionaliserad av en karboxylsyra, cHOPO, 1-(2 ’ -karboxietyl)-2-metyl-3-hydroxi-4 (1h) – pyridinon, för att möjliggöra enkel koppling till t.ex. polyallylamin.60 cHOPO syntetiserades från maltol inspirerad av syntesen av 1-karboximetyl-3-hydroxi-2-metyl-4-pyridinon beskrivet av Mawani et al. och Zhang et al.61,62 vi gjorde sedan g-cHOPO-polyallylamin med standard EDC / NHS-kopplingskemi till polyallylamin (MW 120-200 kDa) vilket gav en cHOPO-ympningstäthet på 7%.
vi bestämde PKA för katekolanalogen genom UV-VIS-titrering med hjälp av pH-beroende integrerade absorptionssignaler. De resulterande titreringskurvorna visas i Fig. 6. För pure cHOPO var den första pKa 3,52 och den andra 9,89. Vid konjugering till polyallylamin förändrades dessa värden signifikant. Den första pKa skiftade nästan en full pH-enhet till 2,60 medan den andra skiftade till 9,65 och breddades signifikant (Fig. 6). Vi tillskriver skiftet i den första pKa till förändringen i miljön vid konjugering till polyallylamin, där molekylen ändras från att ha en karboxylsyrasubstituent till att kopplas via en amidbindning till polyaminmiljön av polyallylamin, dvs från –CH2CH2COOH till –CH2CH2CONH-polymer. Den andra pKa skiftar mindre, men övergången breddas avsevärt från en uppenbar bredd på 2,9 pH-enheter till en av 5,5 pH-enheter. Vi tillskriver detta att överlappa med PKA av aminerna i polymerryggraden, vilket innebär att den lokala elektroniska miljön i HOPO-ringarna förändras signifikant med pH i detta pH-område.
Fig. 6. UV-VIS-titrering av cHOPO (streckad linje) och g-cHOPO-polyallylamin (g-cHOPO-PAH, full linje). Notera skiftet i den första pKa och den bredare övergången i g-cHOPO-polyallylamin runt pH 9.
ritas om från data i Andersen, a.; Krogsgaard, m.; Birkedal, H. Biomakromolekyler 2018, 19, 1402-1409.
järnkomplexen var starkt färgade, lila vid lågt pH och orange vid högt pH och absorptionsspektra för Fe(III) – komplexen med cHOPO skiftade från cirka 450 nm till cirka 550 nm när pH ökade från 1 till 11. Monokomplexet är således lila medan tris-komplexet är orange. Vid ympning till polyallylamin börjar absorptionstopparna röda skift vid signifikant lägre pH än för fri cHOPO, runt pH 3 snarare än 7. Detta indikerar att uppkomsten av den bis-komplexa bildningen skiftar till mycket lägre pH-värden för g-cHOPO-polyallylamin än för fri cHOPO, troligen på grund av en kombination av den lägre pKa men möjligen också till den rumsliga närheten av cHOPOs bundna till samma polymermolekyl. Således förskjuter polymerkonjugering bildandet av högre ordningskomplex (bis – och tris-komplex) till lägre pH, vilket är en signifikant fördel för hydrogelbildning och återspeglar att koordinations-och tvärbindningsegenskaperna hos dessa ligander kan förändras av substituenter flera kol bort från den hetero-aromatiska ringen.
vi bildade självläkande hydrogeler med Al (III) för att kringgå de starkt färgade Fe(III)-cHOPO-komplexen. Hydrogelbildning var reversibel vid alla pH-värden, vilket framgår av konkurrerande bindningsexperiment med EDTA. Dessutom genomförde vi UV-VIS-absorptionsexperiment av lösningar av järnkomplex blandade vid pH 1 och utsattes sedan för 5 min till pH 12, varefter pH återfördes till pH 1. Absorptionsspektra reverserades fullständigt för g-HOPO-polyallylamin medan ihållande förändringar som återspeglar oxidation vid högt pH observerades för g-DOPA-polyallylamin. Konceptet med fullständigt reversibel gelbildning fastställdes således. Hydrogelerna var självläkande vid alla pH-värden som visas för oscillerande reologi på Al(III) hydrogeler. Kvalitativa makroskopiska tester, där gelstycken skars i hälften och placerades i kontakt för att läka, bekräftade de reologiska uppgifterna: gelstyckena läkte inom några minuter och kunde lyftas och spännas med en spatel utan att bryta.
hydrogelmekaniken undersöktes genom oscillatorisk reologi som sammanfattas i Fig. 7A. I överensstämmelse med pH-beroendet av koordinationskomplexjämvikterna och den allmänna hydrogelbildningsmekanismen för dessa polyallylamin-ryggradspolymerhydrogeler ökar lagringsmodulen tills pH 9 där en maximal lagringsmodul på cirka 15 kPa erhölls. Hydrogelen bildades redan vid pH ~ 4, vilket är cirka 3 pH-enheter lägre än i motsvarande DOPA-baserade hydrogel på grund av förskjutningen i cHOPO-metall stökiometriska förändringar till lägre pH-värden. Denna sänkning av pH-uppkomsten av signifikant gel-tvärbindning är en signifikant ytterligare fördel med cHOPO-hydrogelerna jämfört med motsvarande DOPA.
Fig. 7. Lagringsmodul av hydrogeler av Al (III) och g-cHOPO-polyallylamin som en funktion av pH. (a) ren Al(III)—g-cHOPO-polyallylamin hydrogel. (B) jämförelse av ren Al (III)—g-cHOPO-polyallylaminhydrogel med sådana där 1 mol% garvsyra tillsattes för ytterligare pH-beroende oxidativ tvärbindning.
ritas om från data i Andersen, a.; Krogsgaard, m.; Birkedal, H. Biomakromolekyler 2018, 19, 1402-1409.
vi antog att kombinera på ett kontrollerbart sätt effekterna av koordination och kovalenta tvärbindningar skulle ge detaljerad kontroll över hydrogelstyvhet samtidigt som man behåller självläkning vid alla pH-värden och alla tider. Vi uppnådde detta genom att bilda DC-hydrogeler: Al (III) g-cHOPO-polyallylaminhydrogeler förstärktes på ett uppringnings sätt genom kovalenta tvärbindningar genom tillsats av garvsyra som också användes i det hydrogelbildningssystem som beskrivs i föregående avsnitt. Detta fungerade mycket bra. Lagringsmoduli som en funktion av pH av rent koordination tvärbundna geler jämförs med de med 1 mol% garvsyra, motsvarande 5 mol% pyrogallolgrupper per aminmonomer, i Fig. 7B. vid lågt pH, innan oxidativ tvärbindning kan sätta in, är de två kurvorna likartade. Men över pH på cirka 8 där oxidativ tvärbindning blir viktig ökade lagringsmodulen drastiskt och nådde en maximal styvhet 5,5 gånger större än utan garvsyra vid pH 9, vilket bevisar att DC-hydroglarna kombinerar de två tvärbindningsmekanismerna. Mellan pH 4 och 7 har garvsyrasystemet något högre lagringsmodul än det rena koordinationssystemet. Vi föreslår att detta orsakas av den större andelen metallbindande ligander i garvsyrainnehållande system, vilket ger ytterligare tvärbindning i denna bis-komplexa dominerande regim.
hydrogelernas självläkande egenskaper behölls både som bestämda genom makroskopiska kvalitativa tester och genom reologi vid pH 3, 6, 9 och 12. Konkurrenskraftig bindning av EDTA visade att hydrogelbildning inte längre var reversibel som förväntat för den tillsatta kovalenta tvärbindningen. Därefter undersökte vi beroende av lagringsmodulen på koncentrationen av tillsatt garvsyra. Lagringsmodulen vid pH 9 ökade exponentiellt med garvsyrakoncentration tills cirka 2 mol% garvsyra där en lagringsmodul på inte mindre än 434 kPa uppnåddes i jämförelse med 15 kPa för ren koordinationskemi hydrogel. Ovanför denna garvsyrakoncentration blev hydrogelerna syneretiska, dvs de utesluter vatten på grund av den höga graden av kovalent tvärbindning och styvheten ökade inte längre på samma sätt. Ändå visade resultaten tydligt att hydrogelstyvheten kunde ringas in vid viljan genom kontroll av koncentrationen av tillsatt garvsyra.
vi utnyttjade vidare den reversibla al (III) geleringen av g-cHOPO-polyallylamin för att studera plasmonisk avkänning med kirala plasmoniska guld nanostrukturer.63 chiral guld nano-krokar gjordes av hålmask kolloidal litografi och kunde lyftas ut. Nano-krokarna var bara några hundra nanometer i diameter med en komplex böjd 3D-struktur som genererade den kirala krokformen. Nano-krokarnas chiralitet gav dem stark cirkulär dikroism. Nano-krokarna införlivades i Al (III) g-cHOPO-polyallylaminhydrogeler. CD-signaturen (cirkulär dikroism) av nano-krokarna förblev lätt mätbar. Våglängden för CD-spektralsignaturerna berodde på polymerkoncentration. Detta gjorde det möjligt att följa vattenupptaget i hydrogelen under svullnadsexperiment genom att följa förändringen i CD-spektra över tiden.63 detta illustrerar mångsidigheten hos dessa hydrogeler som vi förväntar oss kan hitta utbredd användning i många nanovetenskapsscenarier.
