水凝胶中,亲水性或两亲性聚合物通过共价键或物理相互作用交联形成网络。快速且无催化剂的交联策略对共价交联水凝胶的构建具有重要意义。迄今为止,已经开发了广泛的反应用于制备共价交联的水凝胶,例如迈克尔加成反应,叠氮化物-炔烃环加成反应和狄尔斯-阿尔德反应。羰基与N-亲核试剂(例如伯胺,酰肼和氨氧基)之间的缩合反应广泛用于生物缀合领域以及水凝胶的构建中。

【研究成果】

最近,长春应化所中科院院士陈学思教授团队首次报道了邻苯二甲醛(OPA)与N-亲核试剂(伯胺,酰肼和氨氧基)之间的缩合反应以形成水凝胶。将含有OPA的四臂聚乙二醇(4aPEG)与各种以N-亲核试剂封端的4aPEG作为构建基块混合时,形成的水凝胶具有超快的凝胶化速率,高机械强度和极低的临界凝胶化浓度(CGC)。

小分子模型反应表明,这些交联的关键是杂环邻苯二甲酰亚胺产物或异吲哚(双)半乳糖中间体的快速形成,具体取决于N-亲核试剂。邻苯二甲酰亚胺键形成的二级速率常数(4.3 M-1 s-1)分别比苯甲醛酰腙和肟的速率常数高3000倍和200倍,与许多环加成点击反应相当。

基于通用的OPA化学方法,无需复杂的化学修饰即可轻松地从天然多糖,蛋白质或合成聚合物制备各种水凝胶。而且,通过经由OPA与氨基之间的反应引入带有胺的肽,可以容易地将生物功能性赋予水凝胶。具体成果‘‘A fast and versatile cross-linking strategy via o-phthalaldehyde condensation for mechanically strengthened and functional hydrogels’’出版在《National Science Review》期刊上。

陈学思院士团队:固含低至1%!超快制备高强度可降解水凝胶

【图文解析】

1.水凝胶的设计与合成

为了获得通过OPA / N-亲核试剂缩合构建水凝胶的基本组成部分,作者合成了多种形式的以OPA或N-亲核试剂封端的4aPEG(Mn = 10 kDa),包括以OPA封端的4aPEG(4P-OPA),伯胺末端的4aPEG(4P-NH2),酰肼末端的4aPEG(4P-NHNH2)和氨氧基末端的4aPEG(4P-ONH2)(图1)。

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图1.(A)用于水凝胶形成的结构单元的结构:用OPA或N-亲核试剂(胺,酰肼或氨氧基)封端的四臂PEG。(B)由A中的材料形成水凝胶的示意图。(C)OPA(或PhCHO)与摩尔比为1:1的各种N-亲核试剂之间形成键的推定机理。

 

2.水凝胶流变和力学性能的比较

在反应性端基的摩尔比固定为1:1时,在pH 7.4和37 ℃下评估4aPEG各种混合物的胶凝行为。观察到所有基于4P-OPA的混合物均显示低至1%的临界胶凝浓度(图2A,B)。在将4P-OPA与4P-NH2、4P-NHNH2或4P-ONH2混合后的10分钟内,即使在2%的低聚合物浓度下也形成了独立的水凝胶(图2C)。随着聚合物浓度的增加,基于4P-OPA的系统的胶凝作用进一步加速,当聚合物浓度高于9%时,混合前体组分后立即形成水凝胶。相反,将4P-PhCHO与4P-NH2混合后,水凝胶只能在不小于25%的聚合物浓度情况下形成(图2B)。尽管将4P-PhCHO与4P-NHNH2或4P-ONH2以相对较低的聚合物浓度混合(CGC分别为5%和4%)形成水凝胶,但凝胶时间相当长:4P-PhCHO与4P-NHNH2的胶凝需要110-341分钟,而4P-PhCHO与4P-ONH2的胶凝需要27-227分钟(取决于聚合物浓度)(图2C)。使用时间扫描测量,通过流变法进一步研究了水凝胶的形成速率。

具体而言,发现在记录第一个数据点之前,对于4P-OPA与4P-NH2的5%混合物,通过储存模量>失去模量 (G’> G”),表明存在瞬时凝胶化过程(图2D)。此外,G’/ G”交叉法测定2%的4P-OPA与4P-NHNH2混合物的胶凝点为2分钟,而将4P-OPA与4P-NHNH2混合则延长至277分钟(图2E)。为了研究基于4P-OPA的水凝胶在凝胶动力学方面是否仍保持优势,在10-50 mM的经典苯胺催化剂存在下对4P-PhCHO水凝胶进行时间扫描流变测量(图2G)。此外,以压缩和拉伸测试以评估块状水凝胶的机械强度。正如预期的那样,随着聚合物浓度从9%增加到15%,4P-OPA / 4P-NHNH2水凝胶的压缩强度和拉伸强度分别从234 kPa和37.7 kPa增加到410 kPa和60.5 kPa(图2H,I)。

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图2.(A)照片分别显示当聚合物浓度小(等)于CGC时4P-OPA与4P-NH2、4P-NHNH2和4P-ONH2的混合物的溶液或水凝胶状态。(B)4aPEG各种组合的CGC。(C)不同聚合物浓度下的胶凝时间。(D–F)各种配方的时间扫描流变学测量。(G)4P-OPA与4P-NHNH2混合物的时间扫描流变测量,与在10–50 mM苯胺催化剂存在下4P-PhCHO与4P-NHNH2混合物相比。(H)压缩试验的代表性应力-应变曲线。(I)拉伸试验的代表性应力-应变曲线。

 

3.成胶机理的探讨

作者为了更好地了解基于4P-OPA的水凝胶的交联机理,通过NMR,UV和质谱研究市售OPA与N-亲核试剂(甲胺,咔唑乙酯和乙氧基胺)之间的模型反应。已经确定OPA在水溶液中可逆地作为水合物存在。从D2O / DMSO-d6(4:1)中OPA的1H NMR光谱中观察到,分配给OPA水合物的化学位移分别为6.44和6.15 ppm(图3A)。通过在PBS中混合0.1 mM OPA和0.1 mM甲胺,进一步通过UV评估邻苯二甲酰亚胺的形成动力学(图3B)。将OPA与氨基甲酸乙酯混合5分钟后,1H NMR谱图显示该混合物由水合物和IHBA(5.67和5.45 ppm)组成,水合物/ IHBA摩尔比为53:47(图3C,D)。由于残留的醛基团能够参与另一次亲核进攻,由OPA与咔嗪乙酯形成的the可能在几天内经历分子内环化反应,生成环化产物2-(ethoxycarbonyl)-1,2-dihydro- phthalazin-1-ol(图3E)。

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图3.(A)OPA与甲胺在D2O / DMSO-d6(4:1(v / v))中反应的时间依赖性1H NMR分析。(B)UV监测邻苯二甲酰亚胺形成。(C)在D2O / DMSO-d6(4:1(v / v))中OPA与氨基甲酸乙酯反应的时间依赖性1H NMR分析。(D)使用1H NMR积分计算化合物的百分比。(E)1H-13C HMBC光谱测DMSO-d6中的2-(ethoxycarbonyl)-1,2-dihydro-phthalazin-1-ol。

 

4.功能性探讨和应用

OPA对N-亲核试剂的高反应活性为从天然和合成大分子制备各种水凝胶提供了一种通用的策略。作者进一步研究了4P-OPA与各种含N-亲核试剂反应,包括羟乙基壳聚糖(HECS),己二酰二肼改性的透明质酸(HA-ADH),明胶,牛血清白蛋白(BSA)和聚(L-赖氨酸)(PLL)(图4A)。样品瓶反演测试和时间扫描流变学测量表明,将4P-OPA与每种大分子混合后,可以在15 秒至5分钟内形成水凝胶,具体取决于含N-亲核试剂的大分子的类型和聚合物的浓度(图4B)。增加聚合物的浓度将减少胶凝时间,并显着提高所得水凝胶的机械强度(图4C–G)。掺入多种天然或合成的大分子使水凝胶具有可调节的生物降解能力。例如,在10 U mL-1透明质酸酶的存在下,4P-OPA / HA-ADH水凝胶可在22天和30天之内降解。(图4H)。在1 U mL-1弹性蛋白酶的存在下,分别在4%和8%的聚合物浓度下4P-OPA / BSA水凝胶可以在3天和8天之内迅速降解。(图4I)。

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图4.(A)4P-OPA与各种含N-亲核试剂的天然和合成大分子示意图。(B)不同聚合物浓度下的混合物的凝胶化时间。(C-G)A中每种组合的凝胶化过程的时间扫描流变学测量。(H)4P-OPA / HA-ADH水凝胶和(I)4P-OPA / BSA水凝胶的溶胀和降解曲线。

 

【陈述总结】

基于OPA和N-亲核试剂(伯胺,酰肼或氨氧基)之间的反应,作者提出了一种异常快速的凝胶化方法。与传统的苯甲醛/ N-亲核试剂反应形成的类似物相比,OPA / N-亲核试剂交联的4aPEG水凝胶在生理条件下显示出明显更快的胶凝速率,优异的机械强度和更低的CGC。另外,OPA与N-亲核试剂的高效和通用反应使生物活性肽易于缀合到水凝胶网络中,并且能够简单的从天然多糖,蛋白质和合成聚合物中制备各种水凝胶。

全文链接:

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa128/5856590?searchresult=1

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