DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c00507
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39070669
تاريخ النشر: 2024-07-09
المؤلف: L. Terriac وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهيدروجيل: التخليق، الخصائص، التطبيقات
نظرة عامة
تكتسب هلاميات الإستر البوروني (BE) زخمًا في التطبيقات الطبية الحيوية بسبب شبكاتها الجزيئية الديناميكية، التي تسهل خصائص مثل اللزوجة المرنة، والحقن، والطباعة، والشفاء الذاتي. تجعل حساسيتها لـ pH، والتفاعلات الأكسدة والاختزال، والسكريات منها مناسبة لتصميم مواد استجابة للتحفيز. على الرغم من إمكاناتها كدعائم لتوصيل الأدوية، وزراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد، وتصنيع الأنسجة، فإن التحدي المتمثل في تحقيق الاستقرار عند pH الفسيولوجي (≈7.4) قد أعاق تطبيقها الأوسع. تسلط هذه المراجعة الضوء على التقدم في كيمياء BE، مع التركيز على الآليات الجزيئية لتكوين BE وتدهوره، بالإضافة إلى تطوير أنظمة تعمل بفعالية عند pH الفسيولوجي.
تشير النتائج إلى تقدم كبير في إنتاج هلاميات BE مستقرة عند pH الفسيولوجي، خاصة من خلال استخدام أحماض الفينيل بورونيك (PBAs) ذات قيم pK_a أقل وديولات أكثر تفاعلية. لقد أظهرت هذه الهلاميات فائدتها في العلاجات القابلة للحقن والاستجابة للتحفيز. ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتعزيز الاستقرار على المدى الطويل وقابلية التعديل لهلاميات BE فيما يتعلق بتكوينها، ووقت الاسترخاء، والصلابة. سيتطلب تحقيق هذه الأهداف نهجًا متعدد التخصصات، يجمع بين الخبرات من الكيمياء الحاسوبية، والكيمياء العضوية، والريولوجيا، والكيمياء الفيزيائية، وعلوم المواد الحيوية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الأهمية المتزايدة للهلاميات الديناميكية في التطبيقات الطبية الحيوية، مع التأكيد على خصائصها الفريدة المستمدة من التفاعلات الجزيئية القابلة للعكس. تعرض هذه الهلاميات لزوجة مرنة قابلة للتعديل، وهي ضرورية لوظائف مثل الحقن، والطباعة، والقابلية للتشكيل، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات مثل زراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد التي تحاكي تفاعلات المصفوفة خارج الخلوية الطبيعية. يمكن استخدام تفاعلات قابلة للعكس متنوعة، بما في ذلك الأيونية، والكهروفوبية، والسوبريمولكولية، والتفاعلات التساهمية الديناميكية، لإنشاء هذه الهلاميات، حيث تعتبر التفاعلات التساهمية الديناميكية مفيدة بشكل خاص نظرًا لاعتمادها على جزيئات صغيرة وسهلة التثبيت.
من بين التفاعلات التساهمية الديناميكية، يُلاحظ أن تكوين الإستر البوروني (BE) له إمكانات في تصميم الهلاميات، حيث يسمح بإنشاء مواد ليست فقط لزجة مرنة ولكن أيضًا حساسة للتغيرات البيئية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات المستجيبة للتحفيز. ومع ذلك، فإن التحدي المتمثل في تحقيق تكوين BE عند pH الفسيولوجي (≈7.4) قد قيد استخدامها الطبي الحيوي. تهدف الورقة إلى معالجة هذا التحدي من خلال مراجعة التقدمات الأخيرة في كيمياء BE واستكشاف استراتيجيات مبتكرة لتصميم هلاميات BE في الظروف الفسيولوجية. كما ستقدم نظرة شاملة على أنظمة هلاميات BE الحالية وتطبيقاتها في توصيل الأدوية، وزراعة الخلايا ثلاثية الأبعاد، والطباعة الحيوية.
الطرق
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون استخدام هلاميات الإستر البوروني (BE) القابلة للتوافق الحيوي كمواد تضحية في الطباعة ثلاثية الأبعاد للهياكل المجوفة. تتضمن المنهجية طباعة خيوط هلامية من BE، والتي يتم بعد ذلك تغليفها في مادة غير تضحية. يمكن إذابة هلام BE من خلال تغيير في pH أو عن طريق إدخال جزيء تنافسي، مثل الجلوكوز، لإنشاء قنوات مجوفة. على سبيل المثال، نجح تسينغ وآخرون في تصنيع قنوات شبيهة بالأوعية الدموية عن طريق ضغط هلام BE أنبوبي يتكون من PEG-diacrylate، وdithiothreitol، وبوراكس، مكدسة بين هلاميات قائمة على الكيتوزان. من خلال غمر هذا البناء في وسط زراعة خلايا عالي الجلوكوز، حققوا إذابة هلام BE، مما أدى إلى تكوين قنوات بقطر حوالي 2.5 مم.
لتحسين دقة الخيوط واقترابها من أبعاد الشرايين الصغيرة (10-150 ميكرومتر)، طور المؤلفون هلام BE محسّن يتضمن ألياف السليلوز النانوية (CNF) لتحسين قابلية الطباعة، بالإضافة إلى بولي فينيل الكحول (PVA) وcopolymer بولي (بولي أكريلات البيوتيل) (PBA). تم ضغط هذا الهلام الجديد من خلال فوهة 27 G، مما أسفر عن خيوط دقيقة بقطر 250 ميكرومتر. ثم تم تغليف هذه الخيوط الدقيقة بـ GelMA السائل وتعرضت للأشعة فوق البنفسجية. عند التعرض لوسط DMEM عالي الجلوكوز، تمت إزالة هلام BE التضحية بشكل فعال خلال 5 دقائق عند 37 درجة مئوية، مما أدى إلى تكوين قنوات دقيقة يمكن أن تُروى بخلايا بطانية، والتي التصقت وتكاثرت لمحاكاة الهياكل الوعائية.
المناقشة
تسلط المناقشة حول كيمياء الإستر البوروني (BE) الضوء على تفاعل الإسترification القابل للعكس بين مشتقات حمض البورون (BA) والديولات، والذي يتأثر باستقرار الإستر البوروني الناتج (BE) والتوازن الكيميائي بين المتفاعلات. تشمل العوامل الرئيسية التي تؤثر على هذا التوازن ثابت تفكك الحمض ($K_d$)، وقيم pK_a لـ BA والديول، وpH المحلول. تؤكد الدراسة أن BAs المحايدة أكثر تفاعلية من أشكالها الأنيونية، وأن تكوين BE الأمثل يحدث عند قيم pH التي توازن بين pK_a لـ BA والديول. يحذر المؤلفون من الاعتماد المفرط على “قاعدة الشحنة” لتوقع استقرار BE، خاصة عند العمل مع الديولات الشائعة، حيث أظهرت الملاحظات التجريبية أن توازن الشحنة قد لا يكون صحيحًا عبر سياقات جزيئية مختلفة.
لتسهيل تكوين BE عند pH الفسيولوجي، تحدد الأبحاث استراتيجيتين رئيسيتين: تصميم PBAs ذات قيم pK_a أقل لتعزيز الاستقرار والتفاعل، وتطوير ديولات ذات تفاعل محسّن تجاه PBAs. لقد أظهرت تعديلات متنوعة على PBAs، مثل إدخال مجموعات سحب الإلكترون أو الروابط داخل الجزيء، أنها تخفض pK_a وتحسن ثوابت الربط مع الديولات. بالإضافة إلى ذلك، تناقش الدراسة أهمية تكوين الديول، مشيرة إلى أن الديولات السيس في ترتيب متوازي تعزز التفاعل، مع تسليط الضوء على إمكانات الديولات الجديدة مثل nopoldiol ومشتقات السوربيتول لتحقيق تقارب ربط عالي. بشكل عام، تؤكد النتائج على ضرورة التصميم الجزيئي الدقيق لتحقيق هلاميات BE فعالة للتطبيقات الطبية الحيوية عند pH الفسيولوجي.
القيود
تنشأ قيود هلاميات الإستر البوروني (BE) من طبيعتها التساهمية الديناميكية، التي تمنحها خصائص مرغوبة مثل الشفاء الذاتي واللزوجة المرنة، والتي تتميز بمعامل التخزين ($G’$) ومعامل الفقد ($G”$). بينما تظهر هذه الهلاميات استرخاء سريع في الإجهاد، عادةً في غضون ثوانٍ، فإن التباين في هياكل البوليمر وأزواج الربط المتقاطع يعقد المقارنات المباشرة لسلوكيات الاسترخاء الخاصة بها. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام السكريات المتعددة ذات درجات مختلفة من الاستبدال (DS) وأوزان جزيئية مختلفة يعقد أيضًا التوصيف الفيزيائي لهذه المواد. على الرغم من أن بعض الأنظمة التي تستخدم PEG بأربعة أذرع قد أظهرت وعدًا، إلا أن أوقات الاسترخاء العامة تظل محدودة، وغالبًا ما لا تتجاوز عشرات الثواني، مما يتوافق مع خصائص مرنة أقل.
علاوة على ذلك، فإن استقرار هلاميات BE في ظل الظروف الفسيولوجية هو مصدر قلق حاسم، حيث إنها عرضة للتدهور خلال ساعات إلى أيام بسبب روابطها القابلة للعكس وثوابت الربط المنخفضة. يمكن أن يتفاقم هذا التدهور بواسطة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، والتي يمكن أن تؤدي إلى منتجات ثانوية سامة. لقد أدت التقدمات الأخيرة إلى تقديم هلاميات BE أكثر استقرارًا، ومع ذلك، فإن الاعتماد على PEG المنتهي الوظائف يحد من عدد المجموعات التفاعلية المتاحة للربط المتقاطع، مما قد يؤثر على سلامة الشبكة. لقد أظهر الجمع بين الربط المتقاطع لـ BE والطرق التساهمية بعض الوعد في تعزيز الاستقرار، لكن هذا النهج يعقد التصميم وقد يغير الخصائص اللزجة المرنة. بشكل عام، تسلط التحديات الحالية الضوء على الحاجة إلى مزيد من البحث في استراتيجيات الربط المتقاطع لـ BE وتأثيرات تركيبة الوسط على أداء الهلام، خاصة في البيئات الفسيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c00507
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39070669
Publication Date: 2024-07-09
Author(s): L. Terriac et al.
Primary Topic: Hydrogels: synthesis, properties, applications
Overview
Boronate ester (BE) hydrogels are gaining traction in biomedical applications due to their dynamic molecular networks, which facilitate properties such as viscoelasticity, injectability, printability, and self-healing. Their sensitivity to pH, redox reactions, and sugars makes them suitable for designing stimuli-responsive materials. Despite their potential as scaffolds for drug delivery, 3D cell culture, and biofabrication, the challenge of achieving stability at physiological pH (≈7.4) has hindered their broader application. This review highlights advancements in BE chemistry, focusing on the molecular mechanisms of BE formation and degradation, as well as the development of systems that function effectively at physiological pH.
The findings indicate significant progress in producing stable BE hydrogels at physiological pH, particularly through the use of phenylboronic acids (PBAs) with lower pK_a values and more reactive diols. These hydrogels have demonstrated utility in injectable and stimuli-responsive therapies. However, further research is necessary to enhance the long-term stability and tunability of BE hydrogels regarding their composition, relaxation time, and rigidity. Achieving these goals will require a multidisciplinary approach, integrating expertise from computational chemistry, organic chemistry, rheology, physical chemistry, and biomaterials science.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing significance of dynamic hydrogels in biomedical applications, emphasizing their unique properties derived from reversible molecular interactions. These hydrogels exhibit tunable viscoelasticity, which is crucial for functionalities such as injectability, printability, and malleability, making them suitable for applications like 3D cell culture that mimic natural extracellular matrix interactions. Various reversible interactions, including ionic, hydrophobic, supramolecular, and dynamic covalent reactions, can be employed to create these hydrogels, with dynamic covalent reactions being particularly advantageous due to their reliance on small, easily grafted molecules.
Among the dynamic covalent reactions, boronate ester (BE) formation is noted for its potential in hydrogel design, as it allows for the creation of materials that are not only viscoelastic but also sensitive to environmental changes, making them suitable for stimuli-responsive applications. However, the challenge of achieving BE formation at physiological pH (≈7.4) has limited their biomedical use. The paper aims to address this challenge by reviewing recent advancements in BE chemistry and exploring innovative strategies for BE hydrogel design at physiological conditions. It will also provide a comprehensive overview of existing BE hydrogel systems and their applications in drug delivery, 3D cell culture, and bioprinting.
Methods
In this section, the authors explore the use of biocompatible elastomer (BE) hydrogels as sacrificial materials in the 3D printing of hollow structures. The methodology involves printing a BE hydrogel filament, which is subsequently encased in a nonsacrificial material. The BE hydrogel can be dissolved through a change in pH or by introducing a competitive molecule, such as glucose, to create hollow channels. For instance, Tseng et al. successfully fabricated vascular-like channels by extruding a tubular BE hydrogel composed of PEG-diacrylate, dithiothreitol, and borax, layered between chitosan-based hydrogels. By immersing this construct in a high-glucose cell culture medium, they achieved the dissolution of the BE hydrogel, resulting in channels approximately 2.5 mm in diameter.
To enhance the resolution of the filaments and approach the dimensions of arterioles (10-150 μm), the authors developed an improved BE hydrogel incorporating cellulose nanofibrils (CNF) for better printability, along with polyvinyl alcohol (PVA) and a poly(butyl acrylate) (PBA) copolymer. This new hydrogel was extruded through a 27 G nozzle, yielding microfilaments with a diameter of 250 μm. These microfilaments were then coated with liquid GelMA and subjected to UV exposure. Upon exposure to a high-glucose DMEM medium, the sacrificial BE hydrogel was effectively removed within 5 minutes at 37 °C, resulting in the formation of microchannels capable of being perfused with endothelial cells, which adhered and proliferated to simulate vascular structures.
Discussion
The discussion on boronate ester (BE) chemistry highlights the reversible esterification reaction between boronic acid (BA) derivatives and diols, which is influenced by the stability of the resulting boronate ester (BE) and the chemical equilibrium among the reactants. Key factors affecting this equilibrium include the acid dissociation constant ($K_d$), the pK_a values of the BA and diol, and the pH of the solution. The study emphasizes that neutral BAs are more reactive than their anionic forms, and optimal BE formation occurs at pH values that balance the pK_a of the BA and diol. The authors caution against over-reliance on the “charge rule” for predicting BE stability, particularly when working with common diols, as empirical observations have shown that the charge balance may not hold true across different molecular contexts.
To facilitate BE formation at physiological pH, the research identifies two primary strategies: designing PBAs with lower pK_a values to enhance stability and reactivity, and developing diols with improved reactivity towards PBAs. Various modifications to PBAs, such as incorporating electron-withdrawing groups or intramolecular bonds, have been shown to lower their pK_a and improve binding constants with diols. Additionally, the study discusses the importance of diol conformation, noting that cis diols in a coplanar arrangement enhance reactivity, while highlighting the potential of novel diols like nopoldiol and sorbitol derivatives to achieve high binding affinities. Overall, the findings underscore the necessity of careful molecular design in achieving effective BE-based hydrogels for biomedical applications at physiological pH.
Limitations
The limitations of boronate ester (BE) hydrogels stem from their dynamic covalent nature, which imparts desirable properties such as self-healing and viscoelasticity, characterized by storage modulus ($G’$) and loss modulus ($G”$). While these hydrogels exhibit rapid stress relaxation, typically within seconds, the variability in polymer backbones and cross-linking pairs complicates direct comparisons of their relaxation behaviors. Additionally, the use of polysaccharides with differing degrees of substitution (DS) and molecular weights further complicates the physical characterization of these materials. Although certain systems utilizing 4-arm PEG have shown promise, the overall relaxation times remain limited, often not exceeding tens of seconds, which correlates with lower elastic properties.
Moreover, the stability of BE hydrogels under physiological conditions is a critical concern, as they are prone to degradation within hours to days due to their reversible bonds and low binding constants. This degradation can be exacerbated by reactive oxygen species (ROS), which can lead to toxic byproducts. Recent advancements have introduced more stable BE hydrogels, yet the reliance on end-functionalized PEG limits the number of reactive groups available for cross-linking, potentially affecting network integrity. Combining BE cross-linking with covalent methods has shown some promise in enhancing stability, but this approach complicates the design and may alter viscoelastic properties. Overall, the current challenges highlight the need for further research into BE cross-linking strategies and the effects of medium composition on hydrogel performance, particularly in physiological environments.