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武漢理工戴紅蓮教授團隊Chem. Mater.:具有可調(diào)凝膠pH值和堿性pH響應(yīng)性的硼氮內(nèi)配位硼酸酯水凝膠的模塊化設(shè)計及凝膠機理
2023-03-09  來源:高分子科技

  動態(tài)共價鍵水凝膠不需要外場的驅(qū)動能夠?qū)ι砦h(huán)境的刺激作出響應(yīng),在藥物響應(yīng)性釋放、細(xì)胞適應(yīng)性支架和生物傳感方面引起廣泛興趣。其中,硼酸酯動態(tài)共價鍵水凝膠由于其對ROS、葡萄糖和pH值的響應(yīng)性,已經(jīng)在腫瘤、糖尿病和炎癥方面獲得廣泛使用。然而,硼酸酯水凝膠的凝膠化pH值受限和水解穩(wěn)定性差限制了其在不同生理微環(huán)境下的應(yīng)用。


  近期,武漢理工大學(xué)戴紅蓮教授團隊報告了一種基于酰胺鍵模塊化接枝構(gòu)建硼氮內(nèi)配位硼酸酯(IBNCB)水凝膠的方法,通過構(gòu)建苯硼酸或N, N-雙(2-羥乙基)酰胺鍵接枝的含氨基或者胺羧基聚合物來設(shè)計IBNCB水凝膠。與傳統(tǒng)的硼酸酯水凝膠相比,制備的八種不同的IBNCB模型水凝膠在堿性環(huán)境中表現(xiàn)出獨特的pH響應(yīng)性,增強水解穩(wěn)定性,具有雙向pH可調(diào)的機械性能,降低了凝膠化所需的pH值并使其可調(diào)節(jié)。研究證明,形成IBNCB水凝膠所需的pH值應(yīng)大于苯硼酸化合物的pKa-acid,但低于N, N-雙(2-羥乙基)化合物的pKa-amineB-N配位鍵被在IBNCB鍵的形成中至關(guān)重要,并且受到N, N-雙(2-羥乙基)供電子能力(pKa-amine)的影響。這些IBNCB水凝膠為創(chuàng)建分子內(nèi)或者分子間硼氮配位鍵提供了參考。同時,為開發(fā)pH響應(yīng)型智能材料提供了新的思路。通過基于酰胺鍵接枝的IBNCB水凝膠的模塊化設(shè)計,其他含氨基化合物(如明膠、膠原蛋白、聚賴氨酸等)和含羧基化合物(如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、海藻酸鈉等)都可以使用同樣的方法與苯硼酸或N,N-(2-羥乙基)接枝來制備IBNCB材料理論上可以生產(chǎn)出無數(shù)種獨特的IBNCB材料,如微凝膠、聚合物囊泡和微納米顆粒等。該工作以“Modular Design and Bonding Mechanism of Internal Boron–Nitrogen Coordinated Boronic Ester Hydrogels with Alkaline pH Responsiveness and Tunable Gelation pH”為題發(fā)表在《Chem. Mater.(10.1021/acs.chemmater.2c03550)。文章第一作者為武漢理工大學(xué)博士研究生康海飛與博士研究生魏雯穎,通訊作者為武漢理工大學(xué)戴紅蓮教授。此研究得到國家自然科學(xué)基金等資助支持。



 文章要點:


  (Ⅰ)制備了IBNCB水凝膠,并研究了其凝膠化機制。研究表明,sp3雜化的硼陰離子和質(zhì)子化的胺陽離子的結(jié)合決定著IBNCB水凝膠的形成。


  (Ⅱ)所制備的IBNCB水凝膠顯示出獨特的堿響應(yīng)性和增強的水解穩(wěn)定性。由于IBNCB鍵在堿性pH值下的解離,IBNCB水凝膠具有堿響應(yīng)性,這與傳統(tǒng)的硼酸酯水凝膠不同。此外,硼-氮配位鍵的存在增強了IBNCB水凝膠的水解穩(wěn)定性。


  (ⅢIBNCB水凝膠中存在雙向的pH值可調(diào)的機械性能。由于硼氮內(nèi)配位鍵對pH值的響應(yīng)性,IBNCB水凝膠網(wǎng)絡(luò)具有酸堿雙向可調(diào)的機械穩(wěn)定性和動態(tài)性。


  (Ⅳ)證明了IBNCB水凝膠具有較低的凝膠化pH值和可調(diào)控的凝膠化pH值。由于IBNCB的低pKa和高平衡常數(shù),IBNCB水凝膠具有較低的凝膠化pH值。研究發(fā)現(xiàn),降低苯硼酸化合物的pKa-acid調(diào)節(jié)了IBNCB水凝膠的凝膠化pH值下限。


  (Ⅴ)實現(xiàn)了基于酰胺鍵接枝的IBNCB水凝膠的模塊化設(shè)計。基于酰胺鍵的模塊化接枝,制備了四種聚合物原料模型并在這四種聚合物的基礎(chǔ)上構(gòu)建了八種IBNCB水凝膠模型,該模塊化接枝方法適用于其他含氨基或羧基化合物來制備IBNCB材料。


IBNCB水凝膠在堿性環(huán)境中解離 


1 A)IBNCB水凝膠和傳統(tǒng)硼酸酯水凝膠的示意圖;B)(PEI-B溶液、(PBA溶液和(PEI-N/PBA水凝膠的照片;CPEI-N/PBAPEI-3OH/PBAPEIE/PBAPVA/PBA混合物的pH依賴的溶液-凝膠相圖;D) PBAPEI-N的電位滴定曲線。


IBNCB水凝膠的雙向pH值可調(diào)的機械性能和較低的凝膠化pH 


2 A)PGA-B/THEED水凝膠的宏觀和微觀自愈過程。BPGA-B/THEED水凝膠的應(yīng)變掃描;CPGA-B/THEED水凝膠在pH值為7/8/9/10時的動態(tài)頻率掃描;D)水凝膠的pH值對水凝膠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性有影響,由平臺模量Gp決定。E)反映網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性的松弛時間(τRτR=1/ωc)受pH值的影響;F)不同MDEA濃度下IBNCBpKa值;FIBNCB1,2-丙二醇苯硼酸酯在DMSO-d6平衡競爭結(jié)合條件下的1H NMR譜。


基于酰胺鍵接枝的IBNCB水凝膠的模塊化設(shè)計與可控凝膠pH 


3 APEI-BPGA-N的化學(xué)結(jié)構(gòu);B)所用化合物的pKa列表;C)調(diào)整含苯硼酸的化合物的pKa,以調(diào)整聚合物/小分子IBNCB水凝膠凝膠化所需的pH值;D) 調(diào)整含苯硼酸化合物的pKa,以調(diào)整聚合物/聚合物IBNCB水凝膠凝膠化所需的pH值;E)基于聚合物酰胺鍵接枝的IBNCB水凝膠的模塊化設(shè)計:苯硼酸或N, N-雙(2-羥乙基)可通過酰胺鍵接枝到含氨基聚合物或含羧基聚合物上,并可成對反應(yīng)形成水凝膠。


叔胺的pKa影響IBNCB鍵的形成 


圖4 AAPBA和其他二元醇在水溶液中是否形成硼酸酯;BPGA-BHEPPD/PBA的混合物是溶液;CPGA-B/THEA的混合物是溶液;DBICINEBHEPPDTHEA的電位滴定曲線;E)胺的供電子能力受氮上取代基R的影響,其pKa取決于其供電子能力。


IBNCB水凝膠的成鍵機理 


5 A)苯硼酸和NN-雙(2-羥基乙基)在不同pH環(huán)境下的示意圖;B)本工作提出的pKa值的分配可以解釋其他三種常見的硼氮配位鍵。


IBNCB水凝膠對主鏈電荷的敏感性和IBNCB鍵的動態(tài)平衡性


6 APEI-B/PEI-N混合物的相圖;BPEI-B/PEI-3OH混合物的相圖;CPEI-B/PEIE混合物的相圖;DPEI-B/PEI-N復(fù)合物的示意圖;EPEI-B/PEI-3OH水凝膠的示意圖;FPEI-B/PEIE水凝膠的示意圖;G)水凝膠中IBNCB鍵的動態(tài)平衡假想。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c03550

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