Reología Ajustable por Aniones de Hofmeister en Hidrogeles Supramoleculares Auto-reparables

Resumen

Exploramos la gelificación física de una serie de derivados de acetal de d-gluconico funcionalizados con grupos amina alquilo grasos. Un derivado forma hidrogeles robustos y auto-reparables en agua. Sorprendentemente, el módulo elástico y la resistencia a la tracción de estos geles pueden ajustarse finamente mediante la adición de sales de Hofmeister. Los análisis espectroscópicos (FT-IR, ¹H-RMN, DRX) revelan que el apilamiento π-π entre anillos de benceno impulsa la auto-ensamblaje. Nuestro estudio presenta una estrategia sencilla para modular las propiedades mecánicas de hidrogeles basados en acetal de d-gluconico.

Antecedentes

Los gelificantes de baja masa molecular (LMMG) se auto-ensamblan mediante interacciones supramoleculares —enlaces de hidrógeno, fuerzas de van der Waals, apilamiento π-π— para formar geles ligeros, sensibles a estímulos y que a menudo exhiben comportamiento auto-reparable. Estos materiales han atraído interés para aplicaciones biomédicas, sensores y robótica blanda. A pesar de los avances en geles poliméricos auto-reparables, su falta de biodegradabilidad limita su uso biomédico. Los recientes progresos en organogeles e hidrogeles basados en LMMG ofrecen una alternativa prometedora, aunque su ajuste reológico permanece poco explorado. El concepto de "ión específico" de Hofmeister, descrito por primera vez en 1888, vincula el tipo de ión con la solubilidad de proteínas y se ha aplicado a coloides, polímeros e hidrogeles. Estudios muestran que iones kosmótropos (sal-fuera) fortalecen las redes de gel, mientras que iones caotrópicos (sal-adentro) las debilitan. Para hidrogeles poliméricos, las sales de Hofmeister se han usado para controlar propiedades mecánicas, pero su efecto en hidrogeles LMMG es prácticamente desconocido. Aquí, diseñamos una serie de derivados de acetal de d-gluconico (Gn, n = 1-4) con grupos amina alquilo e investigamos su gelificación, auto-reparación y reología mediada por sales.

a Aniones de Hofmeister. b Estructuras químicas del gelificante Gn (n = 1-4).

Las pruebas iniciales de gelificación (Archivo adicional 1: Tabla S1) mostraron que G1-G4 son potentes gelificantes en disolventes orgánicos seleccionados; G1, G2 y G3 también forman hidrogeles, con G1 exhibiendo auto-reparación pronunciada. La concentración crítica de gelificación (CGC) de G1 en agua es 25 mM, convirtiéndose en el foco de los estudios subsiguientes de efecto de sales. La CGC de G1 aumenta gradualmente al añadir sales de 0.5 M que abarcan la serie de Hofmeister, reflejando una modulación ión-específica de la propensión a gelificar.

Métodos/Experimental

Materiales

Todos los reactivos fueron de origen comercial y usados sin purificación adicional. El precursor clave, 2,4-(3,4-dicloro) benzilideno metil-d-gluconato, se sintetizó según la literatura. Las rutas sintéticas detalladas y datos de caracterización están en el Archivo adicional 1.

Preparación de Geles

La gelificación se evaluó por inversión de tubo. Los gelificantes se disolvieron en 1 mL de disolvente, se calentaron para disolver, se enfriaron a temperatura ambiente y se invirtieron. Un estado homogéneo y no fluido se etiquetó G; geles parciales (PG), soluciones claras (S), precipitación (P) o insolubles (I) también se notaron. La CGC es la concentración mínima requerida para inmovilizar 1 mL de disolvente.

Caracterización Espectroscópica y Estructural

¹H-RMN (Bruker DPX 400 MHz) se registró en D₂O-d6 a 25 °C. Los espectros FT-IR se recolectaron con un espectrómetro FTS3000 (pastillas de KBr). La difracción de rayos X en polvo (DRXP) usó un Bruker D8-S4 (CuKα, λ = 1.546 Å). Las imágenes SEM se obtuvieron con un Hitachi S-4800 a 3-5 kV; las muestras se secaron al vacío y se recubrieron con Au.

Medidas Reológicas

Barridos de frecuencia (0.1-100 rad s^-1) y barridos de deformación (0.01-1000%) se realizaron en un Anton Paar Physica MCR 301 con placa paralela de acero de 15 mm (hueco 0.5 mm). Pruebas de barrido temporal aplicaron 0.1% de deformación para establecer línea base, 100% para ruptura, luego 0.1% para monitorizar recuperación. Las mediciones se realizaron a 20 °C para prevenir pérdida de disolvente.

Resultados y Discusión

Efectos de Iones Específicos en la Gelificación

La CGC de G1 en agua aumenta sistemáticamente con sales de 0.5 M desde kosmótropos (SO₄^2-, S₂O₃^2-, HPO₄^2-, F^-) hasta caotrópicos (I^-, ClO₄^-, SCN^-). La correlación entre CGC y el coeficiente de viscosidad B de cada anión (Fig. 2a) produce un ajuste lineal (pendiente = 0.543). Eliminando valores atípicos (ClO₄^-, F^-, S₂O₃^2-) mejora el ajuste a 0.932 (Fig. 2b). Los kosmótropos, que fortalecen los enlaces de hidrógeno del agua, reducen el agua libre y promueven el auto-ensamblaje del gelificante, disminuyendo la CGC. Los caotrópicos tienen el efecto opuesto.

La temperatura de transición de gel (T_gel) sigue la misma tendencia (Fig. 2c,d). Para la mayoría de aniones a 0.5 M, T_gel disminuye de kosmótropos a caotrópicos, reflejando una red fibrilar más fuerte en presencia de iones kosmótropos. Aumentar la concentración de sal de 0 a 1 M generalmente eleva T_gel, sugiriendo una red 3-D más densa.

Reología Ajustable Inducida por Sales

Los geles de G1 muestran auto-reparación rápida: un gel al 2.0% (p/v) puede recuperarse de una disrupción mecánica en 10 min y reunirse cuando se corta (Fig. 3a). El análisis reológico (2.5% p/v, 0.5 M sales) muestra que G' abarca 110 kPa a 350 kPa, y G'' varía 11 kPa a 65 kPa, con una variación del 68-83% a través de la serie de Hofmeister (Fig. 3b). Aniones kosmótropos elevan G' y G'', mientras que caotrópicos los disminuyen. Pruebas de barrido temporal revelan ratios de recuperación superiores al 80% tras cada ciclo de ruptura, confirmando excelente tixotropía y auto-reparación.

Conocimientos Espectroscópicos

Los espectros FT-IR (Fig. 4a) revelan desplazamientos en bandas O-H, N-H y C=O al añadir SO₄^2- y S₂O₃^2-, indicando enlaces de hidrógeno debilitados pero mayor estabilidad general del gel. ¹H-RMN (Fig. 4b) muestra desplazamientos hacia campo alto de protones de benceno con iones kosmótropos, reflejando apilamiento π-π mejorado, y desplazamientos hacia campo bajo con caotrópicos, indicando apilamiento debilitado. Estas tendencias se alinean con el comportamiento mecánico observado.

Microestructura

Imágenes SEM (Fig. S3) ilustran fibras helicoidales izquierdas tipo cuerda (~30-50 nm) formando redes 3-D densas en presencia de SO₄^2-, mientras que SCN^- produce fibras sueltamente agrupadas y rotas, correlacionándose con propiedades mecánicas más débiles.

DRXP y Modo de Empaquetamiento

Patrones DRXP (Fig. 4c) muestran espaciados d característicos de 0.38 nm (apilamiento π-π) y 0.46 nm (empaquetamiento hexagonal compacto). La adición de SO₄^2- o SCN^- no altera el motivo fundamental de empaquetamiento, sugiriendo que los efectos iónicos influyen principalmente en la densidad de red más que en el empaquetamiento molecular.

Mecanismo Propuesto de Auto-ensamblaje

G1 minimizado energéticamente (Fig. 4d) sugiere una longitud de 1.46 nm y una orientación de apilamiento π-π cara a cara. Las nanofibras se ensamblan en haces helicoidales mediante interacciones de van der Waals, culminando en una red 3-D entrelazada que atrapa agua.

Conclusiones

Hemos desarrollado un gelificante basado en acetal de d-gluconico que forma hidrogeles auto-reparables con reología ajustable mediante adición de aniones de Hofmeister. FT-IR, ¹H-RMN y DRXP confirman el apilamiento π-π como motor principal del auto-ensamblaje. Este trabajo proporciona una ruta sencilla para adaptar las propiedades mecánicas y de auto-reparación de hidrogeles supramoleculares de bajo peso molecular, con implicaciones para aplicaciones biomédicas y de materiales blandos.