Preparazione di idrogel multifunzionali con gruppi isotiouronio accessibili tramite incrocio radicale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10361 (2023) Citare questo articolo

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Gli idrogel possono essere dotati di gruppi funzionali per scopi specifici. I gruppi isotiouronio possono migliorare l'adsorbimento o consentire l'accoppiamento di altri gruppi funzionali attraverso reazioni lievi dopo la trasformazione in gruppi tiolici. Qui presentiamo un metodo per preparare idrogel multifunzionali introducendo gruppi di isotiouronio in idrogel di poli(etilenglicole) diacrilato (PEGDA) e convertendoli in idrogel tiolo-funzionalizzati mediante la riduzione dei gruppi di isotiouronio. A questo scopo, il monomero anfifilico 2-(11-(acriloilossi)-undecil)isotiouronio bromuro (AUITB), contenente un gruppo isotiouronio, è stato sintetizzato e copolimerizzato con PEGDA. In questo modo conveniente, è stato possibile incorporare fino al 3% in peso di AUITB negli idrogel senza modificare il loro grado di rigonfiamento all'equilibrio. Il successo della funzionalizzazione è stato dimostrato dall'analisi superficiale degli idrogel con misurazioni dell'angolo di contatto con l'acqua e aumento dei punti isoelettrici delle superfici dell'idrogel da 4,5 a 9,0 a causa della presenza dei gruppi isotiouronio. Gli idrogel hanno mostrato idoneità come adsorbente, come esemplificato dal marcato adsorbimento del farmaco anionico diclofenac. Il potenziale della funzionalizzazione per le reazioni di (bio)coniugazione è stato dimostrato dalla riduzione dei gruppi isotiouronio a tioli e dalla successiva immobilizzazione dell'enzima funzionale perossidasi di rafano sugli idrogel. I risultati mostrano che gruppi di isotiouronio completamente accessibili possono essere introdotti in idrogel reticolati radicalmente.

Gli idrogel sono ampiamente esaminati nei campi dell'ingegneria tissutale1,2,3, della somministrazione di farmaci4,5,6 o per i (bio)sensori7,8,9. Sono composti da una rete polimerica insolubile rigonfiata in un mezzo acquoso10. La funzionalità dell'idrogel, come il suo comportamento di rigonfiamento, generalmente deriva da un'interazione tra la rete polimerica e il mezzo di rigonfiamento11,12,13. Tuttavia, un modo elegante per personalizzare le proprietà dell’idrogel è modificare la composizione della rete polimerica o la densità e l’architettura dei legami incrociati.

Una classe importante di idrogel è quella basata sul poli(etilenglicole) (PEG), spesso preparato mediante fotoindurimento del PEG diacrilato (PEGDA)5,14,15,16. Gli idrogel risultanti sono bioinerti e inibiscono l'adsorbimento delle proteine17,18 nonché l'adesione cellulare19,20. In base ai requisiti sulle proprietà dell'idrogel, la formazione della rete polimerica può essere influenzata dalla massa molare o dalla concentrazione di PEGDA nelle soluzioni del precursore dell'idrogel, cioè prima della reticolazione21,22,23. Inoltre, è possibile ottenere una funzionalizzazione degli idrogel a base di PEG aggiungendo altre molecole o monomeri alle soluzioni dei precursori dell'idrogel. Ciò è stato fatto con successo in precedenza, ad esempio includendo monomeri che generavano un idrogel polielettrolitico15,16,24. Il monomero caricato positivamente 2-(metacriloilossi)etil trimetilammonio cloruro (MAETAC) è stato incorporato negli idrogel PEGDA mediante copolimerizzazione15. In uno studio simile il monomero sodio metallil solfonato (SMAS) con carica negativa è stato utilizzato per funzionalizzare gli idrogel PEGDA16. In entrambi gli studi, sono stati osservati un aumento dell'adsorbimento proteico, dell'adesione cellulare e della proliferazione sugli idrogel funzionalizzati rispetto agli idrogel non funzionalizzati. Oltre a migliorare la compatibilità cellulare, tali idrogel polielettrolitici presentano altri vantaggi e possibili applicazioni. I materiali polielettrolitici possono essere utilizzati per adsorbire molecole di carica opposta mediante interazione elettrostatica o scambio ionico e possono essere applicati, ad esempio, nella purificazione dell'acqua25. La scelta del monomero e del suo gruppo funzionale è cruciale per il possibile campo di applicazione dell'idrogel.

Una porzione ionica particolarmente interessante, che a nostra conoscenza è stata finora trascurata per la preparazione di idrogel macroscopici, è il gruppo isotiouronio. Le proprietà notevoli dei sali di isotiouronio a bassa massa molare o delle nanoparticelle contenenti isotiouronio, come l'attività antitumorale26 o gli effetti antibatterici27, sono state segnalate in precedenza. Le particelle con funzionalità isotiuronio sono disponibili in commercio come adsorbitori per gli ioni di metalli pesanti28,29,30,31. Il gruppo isotiouronio è stabile in ambienti acquosi da acidi a neutri e a contatto con l'aria e potrebbe quindi essere adatto per essere aggiunto direttamente alle soluzioni di precursori di idrogel.