Water-soluble and photodegradable crosslinker to prepare double-network hydrogels

Abstract

Este projecto compreende o desenvolvimento de hidrogéis altamente elásticos e resistentes que podem ser degradados pela exposição à luz com comprimentos de onda citocompatíveis. Para isso, foram preparados hidrogéis híbridos de rede dupla de alginato e poliacrilamida. A rede dupla consiste em uma rede de alginato, reticulada ionicamente por catiões divalentes (Ca2+), misturada com uma rede de poliacrilamida, reticulada covalentemente por um reticulador sintetizado à base de ONB. O reticulante à base de ONB é o responsável pela sensibilidade do hidrogel à luz, uma vez que ONB é um grupo fotodegradável. A combinação sinérgica destes dois polímeros resulta em hidrogéis com propriedades mecânicas superiores e permite o controle da degradação por exposição à luz.O reticulante foi preparado através de substituições estruturais no anel aromático e na posição benzílica do ONB, o que resulta em um aumento do comprimento de onda máximo de absorção, aumento da cinética de fotoclivagem e produção de subprodutos da reação de degradação menos tóxicos. Além disso, cadeias de PEG foram incorporadas no reticulante, tornando-o solúvel em água. Diferentes pesos moleculares de PEG (600, 1000 e 2000 g/mol) foram usados para estudar a influência do comprimento da cadeia de PEG nas propriedades fotodegradáveis e mecânicas do hidrogel.A síntese dos reticulantes fotodegradáveis (ONB-PEG) foi acompanhada por 1H NMR e FTIR, e as suas propriedades fotodegradáveis foram analisadas por UV-Vis e, novamente, 1H NMR. Os resultados indicaram uma funcionalização bem-sucedida do reticulante e uma degradação efetiva por luz UV a 365 nm.As propriedades mecânicas dos hidrogéis com diferentes pesos moleculares de PEG (H600, H1000 e H2000) foram testadas e comparadas por testes de tração e reologia, e demonstrou-se que o H600 possui o melhor desempenho mecânico.As propriedades fotodegradáveis do hidrogel foram estudadas por testes de reologia e tração. Os resultados mostraram que ao aumentar o tempo de irradiação UV, mais rapidamente a rede de PAAm colapsa, resultando na perda de tenacidade do hidrogel. A análise por SEM da morfologia dos hidrogéis após irradiação UV mostra uma estrutura porosa interligada com inúmeros orifícios circulares, o que confirma o colapso da rede de PAAm, que compromete o desempenho mecânico do gel.O método de deslocamento de solvente foi usado para trocar as moléculas de água nos hidrogéis por moléculas de glicerol para preparar organo-hidrogéis de redes-duplas não secantes. A estratégia proporcionou estabilidade ao longo do tempo, ao mesmo tempo em que melhorou a rigidez e manteve as propriedades fotodegradáveis dos hidrogéis de redes-duplas.Assim, um hidrogel de rede-dupla fotodegradável com propriedades mecânicas aprimoradas e estabilidade ao longo do tempo foi preparado com sucesso, o que expande as aplicações do gel para áreas emergentes como a bioeletrônica.

This project comprises the development of highly stretchable and tough hydrogels that can be degraded by its exposure to light with cytocompatible wavelengths. For that purpose, double-network hybrid hydrogels of alginate and polyacrylamide were prepared. The DN consists of an alginate network, ionically crosslinked by divalent cations (Ca²⁺), mixed with a polyacrylamide network, covalently crosslinked by a synthesized ONB-based crosslinker. The ONB based crosslinker is the responsible for the light-sensibility of the hydrogel, since ONB is a photodegradable group. The synergetic combination of these two polymers results in hydrogels with superior mechanical properties and enables the control over degradation upon light exposure.The crosslinker was prepared through structural substitutions on the aromatic ring and at the benzyl position of the ONB unit, which results in a redshift of the maximum absorption wavelengths, an increase of the photocleavage kinetics and the production of less toxic by-products of the degradation reaction. Furthermore, PEG backbone was incorporated on the crosslinkers, making them soluble in water. Different PEG molecular weights (600, 1000 and 2000 g/mol) were used in order to study the influence of the length of the PEG backbone on the photodegradable and mechanical properties of the hydrogel. The synthesis of the photodegradable crosslinkers (ONB-PEG) was followed by 1H NMR and FTIR, and their photodegradable properties were analysed by UV-Vis and, again, 1H NMR. The results indicated a successful functionalization of the crosslinker, and an effective degradation by UV light at 365 nm. The mechanical properties of the hydrogels with different PEG molecular weights (H600, H1000 and H2000) were tested and compared by tensile and rheology tests, demonstrating that H600 has the higher mechanical performance.The photodegradable properties of the hydrogel were studied by rheology and tensile tests. The results showed that by increasing the time of UV irradiation, more rapidly the PAAm network collapsed, resulting in a loss of toughness of the hydrogel. SEM analysis of the morphology of the hydrogels after UV irradiation shows a porous structure interconnected with numerous circular holes, which confirms the collapse of the PAAm network, which compromises the mechanical performance of the gel. The solvent displacement method was used to displace the water molecules in the hydrogels by glycerol molecules to prepare non-drying DN organohydrogels. The strategy provided stability over time, while enhancing the stiffness and maintaining the photodegradable properties of the DN hydrogels.Thus, a photodegradable DN hydrogel with enhanced mechanical properties and stability over time was successfully prepared, which expands the applications of the gel to emerging areas such as bioelectronics.