Hofmeister 阴离子诱导的自修复超分子水凝胶的可调流变学

背景

由低分子量凝胶剂 (LMMGs) 组成的凝胶可以从 LMMGs 通过超分子相互作用如氢键、范德华相互作用、π-π 堆积等自组装获得 [1,2,3,4, 5、6、7、8、9、10、11、12、13]。在过去的几十年中，由于凝胶剂的动态相互作用，LMMGs 和由 LMMGs 衍生的超分子凝胶的合成取得了快速进展。它们不仅作为聚合物凝胶的替代材料，而且作为能够响应多种外部刺激的新型软材料而备受关注。此外，自愈是一种系统自发修复其损坏并延长材料寿命的能力 [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24]，是一种材料最迷人的特性。他们在生物组织 [25]、形状记忆 [24] 和传感器 [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24] 等领域发现了作为先进材料的潜在应用.自修复超分子凝胶的开发是材料研究的新兴领域之一。然而，报道的自愈凝胶主要是聚合物凝胶 [25,26,27,28,29,30,31]。尽管它们具有增强的机械性能，但这些基于合成聚合物的水凝胶不具有细胞相容性或可降解性，这对于新兴的生物医学应用至关重要 [32,33,34]。最近报道了基于低分子量凝胶剂 (LMWG) 的自修复有机凝胶 [35,36,37,38,39] 和水凝胶。为了提高所得凝胶的应用，开发具有可调流变特性的分子凝胶至关重要，这也将为凝胶剂的分子结构与凝胶化能力之间的关系提供新的见解。一般来说，分子凝胶的流变行为可以通过在原始凝胶体系中引入新的组分来调节，如金属配合物、中性分子和无机盐[40,41,42,43,44,45]。

尽管 Hofmeister 在 1888 年描述了“特定离子”对蛋白质折叠和聚集的影响，但对这种影响的理解仍然存在争议 [46, 47]。 Hofmeister 根据离子在水溶液中稳定蛋白质的相对能力对离子进行分类，结果如图 1a 所示。系列左侧的离子是 kosmotropes（水合良好的离子），右侧的离子是离液剂（水合差的离子）。前者降低，后者增加蛋白质溶解度。这种现象的分子基础长期以来一直归因于盐类引起的水中结构的变化[48]。然而，最近的证据表明，离子与大分子及其水合壳之间的直接相互作用导致蛋白质的水合水分子被去除，导致它们折叠和沉淀，这可能是霍夫迈斯特效应的原因。 49,50,51,52]。这些特定的离子效应后来在其他领域被观察到，包括胶体和表面化学，以及大分子系统，如蛋白质和聚合物等 [53,54,55,56,57,58,59,60]。由于对溶解在水中的大分子有很强的影响，盐也被用来监测水凝胶的特性 [61,62,63,64,65,66,67,68]。罗文等人。 [53] 报道说，他们使用 Hofmeister 效应来可控地操纵基于乙二醇官能化聚异氰化物的聚合物水凝胶的机械性能。王等人。 [69,70,71] 证明，他们通过将明胶水凝胶浸泡在适当浓度的 (NH4)2SO4 溶液中，在不改变明胶链或添加化学交联或填料的情况下，生产出具有高延展性、强度、可恢复性和抗疲劳性的水凝胶。然而，它最近才在超分子化学，更具体地说，基于 LWMGs 的水凝胶中受到重视。例如，Mocerino 等人。 [61,62,63,64,65,66,67,68] 产生了一种大环低分子量水凝胶剂，脯氨酸官能化杯 [25,26,27,28,29,30,31] 芳烃，其显示离子-特定的溶胶-凝胶转变，但没有研究盐对水凝胶分子组织的影响。罗伊等人。 [61] 证明盐具有使用疏水性肽基水凝胶剂调节超分子水凝胶的形态、材料刚度和手性特性的能力。然后，罗伊等人。 [66] 报道说，盐对水性介质中芳香族二肽两亲物的分子自组装有显着影响。盐会影响酶网络的结构，进而影响酶动力学以及相应的纳米结构的成核和生长。埃斯库德等人。 [61,62,63,64,65,66,67,68] 在不同盐的水溶液中，从玻拉两亲性 l-缬氨酸衍生物制备智能超分子水凝胶。水凝胶选择性地响应不同的离子，它们的强度要么被加强，要么被削弱。最近，我们小组报道了一种具有长烷基链的多功能 d-葡萄糖缩醛基凝胶剂，该凝胶剂可以形成具有出色自愈能力的凝胶 [72, 73]。我们还报道了基于胺酸双组分系统的多功能凝胶系统，该系统显示出高效的自修复、室温相选择性凝胶化和染料去除能力 [74]。在这些工作的基础上，我们在这里设计了一系列有机化合物（Gn，n =1-4，图 1b) 衍生自带有 d-葡萄糖的烷基胺部分。这些化合物是基于氢键相互作用和 π-π 堆积力的高效 LMWG。氢键是超分子凝胶自组装的主要驱动力之一。通过在烷基链中引入氨基或羟基，或用碘甲烷取代羟基的活性氢，添加或调整氢键位点。这些化合物用作新型高效的 LMWG（参见图 1b）。

一 霍夫迈斯特阴离子。 b 凝胶剂 Gn (n =1-4) 检查

最初，Gn 在各种溶剂中的胶凝能力总结在附加文件 1：表 S1 中。发现 Gn 在某些有机溶剂中是有效的胶凝剂。除G3和G4外，其他都具有使水凝胶化的能力。特别是，在测试过程中发现 G1-gel 具有自愈特性。 G1 凝胶可以在机械损坏时进行即时的自我修复过程。此外，我们还探讨了盐类对凝胶性质，尤其是回收率的影响。

据我们所知，通过加入微量的Hofmeister盐来调节超分子凝胶流变学的报道很少。

方法/实验

材料

d-葡萄糖酸、3, 4-二氯苯甲醛、β-羟基乙二胺、2, 2-亚氨基二（乙胺）、1-氨基己烷和 N -丙基-丙烷-1,3-二胺购自上海景臣科技有限公司，化学试剂均为市售，无需进一步纯化直接使用。 2,4-(3, 4-Dichloro) 亚苄基甲基-d-葡萄糖酸酯是通过先前报道的方法合成的 [75]。附加文件 1 中提供了新化合物 Gn 的表征。附加文件 1：方案 S1 中显示了 Gn 的合成路线。 Gn 的详细合成程序和表征数据在附加文件 1 中给出。

凝胶制备

Gn 在有机溶剂中的凝胶化测试通过典型的管倒置方法进行了研究。 Gn在密封试管中与有机溶剂(1mL)混合，加热直至固体完全溶解，然后冷却至室温。最后将试管倒转，观察里面的溶液是否还能流动[69,70,71]。当获得无重力流动的均质物质时，认为发生了凝胶化，用“G”表示。溶液和类固体凝胶可以作为“部分凝胶（PG）”共存于一个系统中。仅获得溶液的系统称为溶液 (S)。如果在热时获得澄清溶液，但在冷却至室温时发生沉淀，则这些系统用“沉淀 (P)”表示。在不溶性体系(I)中，即使在溶剂的沸点下凝胶剂也不能溶解。临界胶凝浓度 (CGC) 是指固定 1 mL 溶剂所需的最小胶凝剂用量。

¹ 核磁共振

¹ H NMR 光谱测量在 Bruker DPX 400 MHz 光谱仪上进行。在温度实验中，将 10 毫克凝胶剂溶解在 0.5 毫升 D2O-d6 中。温度为 25°C。

盐对凝胶流变学影响的“共凝胶”的制备

将总共​​ 20 毫克凝胶剂加入 1.0 毫升水中。将所得混合物加热直至形成澄清溶液并使其冷却至环境温度以形成凝胶。为了进行比较，仅通过将 20 毫克凝胶剂加入 1.0 毫升 0.5 M 盐溶液中来制备参比凝胶。

场发射扫描电子显微镜

干凝胶的形态通过日立 S-4800 SEM 仪器在 3-5 kV 下运行获得。通过将稀释的凝胶溶液滴在薄铝板上然后真空干燥 24 小时来制备样品。实验前在样品表面镀上一层薄薄的Au。

FT-IR 光谱

红外光谱由 FTS3000 光谱仪用 KBr 颗粒收集。通过在真空下将载玻片上的水凝胶干燥 24 小时来制备干凝胶。

粉末 X 射线衍射

由水凝胶制备的干凝胶的粉末 X 射线衍射 (PXRD) 图通过使用 Bruker D8-S4（CuKα 辐射，λ =1.546 Å）获得。 d间距值由布拉格定律计算（nλ =2d sinθ）。

流变测量

流变学实验用应变控制流变仪（Anton Paar Physica MCR 301）进行，该流变仪配备有钢包覆平行板几何形状（直径 15 毫米）。间隙距离固定为 0.5 毫米。将溶剂捕集装置放置在板上方并且将测量设置在 20°C 以避免溶剂蒸发。从 0.1 到 100 rad s ⁻¹ 获得 0.1% 恒定应变下的频率扫描 .应变扫描在 0.01-1000% 范围内以恒定频率 (1 Hz) 进行。进行时间扫描以观察凝胶的恢复特性。首先，对样品施加 0.1% 的恒定应变。然后施加 100% 的恒定应变来破坏样品。然后再次施加恒定应变 (0.1%)。在本实验中，对样品的储能模量 G' 和损耗模量 G'' 作为时间的函数进行监测。

结果与讨论

特定离子对溶液-凝胶平衡的影响

Gn 的凝胶化能力在附加文件 1：表 S1 中进行了总结。使用了 15 种不同的溶剂来评估它们的胶凝行为。化合物 G3 和 G4 不能使水凝胶化。 G2 的水凝胶表现较弱。基于 G1 的水凝胶的 CGC（最小凝胶浓度）为 25 mM。在此，选择化合物G1进一步研究Hofmeister效应对水凝胶化行为的影响。

本研究中使用的阴离子（作为它们的钠盐）涵盖了 Hofmeister 系列中的所有相对位置：kosmotropes (SO4 ²⁻ , S2SO3 ²⁻ , HPO4 ²⁻ , F ⁻ ), 边界线 (Br ⁻ , Cl ⁻ , NO3 ⁻ ) 和离液剂 (I ⁻ , ClO4 ⁻ ,SCN ⁻ ).

进行 CGC 测量（“凝胶制备”部分）以研究一系列盐对凝胶剂凝胶化能力的影响。如附加文件 1：表 S2 所示，通过添加盐离子 (0.5 M)，来自 kosmotropes 离子（盐析离子，例如 SO4 ²⁻ ），水中 G1 的 CGC 逐渐增加 ) 到离液离子（盐离子，例如 SCN ⁻ ).

由于阴离子的黏度 B 系数越高，与水形成的氢键越强，通过研究不同阴离子的黏度 B 系数与 CGC 的相关性，可以了解不同阴离子对水溶液黏度 B 系数的影响[75] 拟合结果为 0.543（图 2a）。当去除某些点 (ClO4 ⁻ , F ⁻ , S2O3 ²⁻ )，结果拟合高达 0.932（图 2b）。粘度 B 系数从离液离子增加到离液离子。亲离子离子（如 SO4 ²⁻ )可以改善水分子间的氢键，减少游离水的数量，导致胶凝剂与水的相互作用力下降，促进胶凝剂的沉淀和自组装。因此，CGC 减少。离液离子的作用（如SCN ⁻ )相反。不规则离子的存在（ClO4 ⁻ , F ⁻ , S2O3 ²⁻ )表明盐离子对水凝胶性能的影响不能用单一参数(粘度B系数)拟合。

一 具有粘度 B 系数的 CGC（0.5 M 盐）。 b CGC（0.5 M 盐）除了具有粘度 B 系数的特殊点。 c 阴离子（盐浓度从 0 到 5 M）和 G1 水凝胶的 Tgel 作为盐浓度的函数图。 d 阴离子（盐浓度从 0 到 0.7 M）和 G1 水凝胶的 Tgel 对盐浓度的影响图

Tgel 是评价胶凝剂在各种溶剂中胶凝能力的另一个重要参数。较高的 Tgel 意味着更好的热稳定性能。图 2c、d 显示阴离子的类型和浓度对 G1 水凝胶的 Tgel 有很大影响（参见附加文件 1：表 S3 中的详细数据）。除了 I ⁻ 和 ClO4 ⁻ ，G1 水凝胶在一定盐浓度（例如盐浓度为 0.5 M）下的 Tgel 从 kosmotropes 离子逐渐降低到离液离子。众所周知，Kosmotropes 阴离子会导致蛋白质中的“盐析”效应并降低凝胶剂的溶解度，从而导致形成固体状纤维网络。因此，“盐溶”或离液阴离子对凝胶剂网络产生增溶作用。换句话说，亲液阴离子增强了纤维网络，而离液阴离子对水凝胶产生了减弱作用。自然地，Tgel 显示出从亲液离子到离液离子的减少趋势。如图 2d 所示，当所有阴离子的浓度从 0 增加到 1 M 时，G1 水凝胶的 Tgel 逐渐增加。可能是加入盐离子后，G1水凝胶的3D网络结构变得致密，从而提高了G1水凝胶的Tgel。

自修复超分子水凝胶的盐诱导可调流变学

如图 3a 所示，在摇动时，出现导致溶胶-凝胶混合物的液体。静置不到 10 分钟后，凝胶恢复。通过将凝胶切成两部分，然后将这些部分放在一起，进一步证明了 G1 凝胶的自愈特性。结果表明，这些碎片连接在一起并合并成一个连续的凝胶块（图 3a）。接下来，我们又探索了盐类对凝胶回收率的影响。

一 G1 凝胶的自愈特性说明 (2.0% w /v ) 从未掺杂的凝胶和蓝色染料掺杂的凝胶中获得。 b 在 0.1% 和 100% G1 (2.5% w) 交替应变下的时间扫描测试 /v ) 使用 Hofmeister 盐（浓度为 0.5 M），在 25 °C 下具有 1 Hz 的固定频率

超分子凝胶的流变行为对其实际应用很重要，特别是触变性和自愈性。在本节中，为了探讨霍夫迈斯特盐对 G1 水凝胶力学和触变行为的影响，G1 水凝胶 (2.5% w /v ) 包含一系列 Hofmeister 盐（盐浓度为 0.5 M）进行了检查。

当频率变化时，附加文件 1：图 S2a 显示 Hofmeister 阴离子可以将 G' 值调节为 110,000 到 350,000 Pa，G' 值的范围为 68.57%。除了某些阴离子（F ⁻ 和 ClO4 ⁻ )，G' 值从 kosmotropes 逐渐减小到离液。类似地，Hofmeister 阴离子可以将 G'' 值从 11,100 变为 65,100 Pa，范围为 82.95%。损耗模量（G'值）是反映材料粘度的参数。损耗模量和霍夫迈斯特盐之间的关系与粘度 B 系数和霍夫迈斯特盐之间的关系一致。图 3b 显示 Hofmeister 阴离子可以将恢复的 G' 值从 95,600 调节到 340,000 Pa。G' 值的范围为 71.88%。除了特定的阴离子 (F ⁻ )，G' 值从 kosmotropes 逐渐减小到离液。此外，阶跃应变测量显示了第一次循环后 G' 的回收率（90.74%、85.93%、82.08%、100%、90.77%、100%、95.56%、96.48%、95.97%、88.12%、893.89% %），这些结果表明G1水凝胶具有优异的触变性和自修复性能。

据我所知，这是第一次使用 Hofmeister 阴离子调节水凝胶的触变性。也为调节触变性提供了一种简单可行的方法。

FT-IR 光谱

FT-IR是研究凝胶驱动力的有效方法之一。 G1 水凝胶的 FT-IR (2.5% w /v ) 加入不同的盐溶液 (0.5 M)，结果如图 4a 所示。 G1 干凝胶的图 4a 显示约 2937 和 2844 cm ^-1 分别是亚甲基的不对称伸缩振动 (vas) 和对称伸缩振动 (vs) 的特征。添加 SO4 ²⁻ ，在 2946 和 2844 cm ^-1 处观察到相应的带 .这一观察结果支持在阴离子存在下烷基链之间较弱的范德华 (VDW) 相互作用。此外，O-H 的伸缩带与 N-H 的伸缩带重叠并出现在 3369 cm ^-1 .在 1640 cm ^-1 处观察到 C=O 的伸缩带 .对于 G1-SO4 ²⁻ 和 G1-S2O3 ²⁻ 干凝胶，在 3421, 1644 cm ^-1 处观察到相应的条带 和 3383, 1642 cm ⁻¹ 分别与 G1 水凝胶相比发生蓝移。其他阴离子的干凝胶显示出类似的趋势。这些结果表明 O-H、N-H 和 C=O 参与氢键，并且由于 Hofmeister 系列的 kosmotropes 阴离子的加入，水凝胶的氢键减弱。然而，Tgel 反映的热力学稳定性和CGC 反映的凝胶化能力随着kosmotropes 阴离子的加入而逐渐变好。说明在自组装过程中，氢键小于其他作用力，不是自组装的主要驱动力。

一 G1 干凝胶的 FT-IR 光谱 (2.5% w /v ) 存在一些 kosmotropes 离子（浓度为 0.5 M）。 b ¹ G1 (2.5% w /v ) 在 D2O 中添加 Hofmeister 盐（浓度为 0.5 M）。 c 在 Hofmeister 阴离子（浓度为 0.5 M）存在下从水中获得的 2.5% G1 干凝胶的 WXRD 光谱。 d G1 水凝胶可能的自组装机制以及假定的分子堆积模型的示意图（a：G1 的能量最小化结构）

¹ 核磁共振

事实上，π-π相互作用被认为是凝胶剂G1在水中物理凝胶化的主要驱动力之一， ¹ 进一步证明了这一点。 H NMR 测量值（参见图 4b）。

凝胶剂 G1 (2.5% w /v ) 在 D2O 中有/没有 Hofmeister 盐（盐浓度为 0.5 M）进行了比较，如图 4b 所示。在图 4b 中，G1 水凝胶苯环上的一个 H 位移出现在纯 [d6]D2O 中的 7.959 ppm。添加SO4后 ²⁻ , S2O3 ²⁻ , HPO4 ²⁻ , 和 F ⁻ ，C-H 质子的峰分别移至 7.745、7.846、7.901 和 7.904 ppm。与纯 [d6]D2O 中的 G1 相比，G1 苯环上的 C-H 质子与 kosmotropes 阴离子（SO4 ²⁻ , S2O3 ²⁻ , HPO4 ²⁻ , 和 F ⁻ ) 向上场移动，这表明苯环之间的 π-π 堆积效应增强。对应加入I ⁻ 后 , ClO4 ²⁻ , 和 SCN ⁻ ，C-H 质子的峰分别移至 7.993、8.007 和 8.130 ppm。与纯 [d6]D2O 中的 G1 相比，G1 苯环上的 C-H 质子与离液阴离子 (I ⁻ , ClO4 ²⁻ , 和 SCN ⁻ ) 向下场移动，这表明苯环之间的 π-π 堆积效应减弱。在图 4b 中，添加了过渡区阴离子 (Cl ^- , Br ⁻ , 和 NO3 ⁻ )，苯环上的C-H质子信号略有偏移，表明苯环之间的π-π堆积效应不明显。

从亲液剂到离液剂，苯环上的H-位移逐渐向低场移动，苯环之间的π-π堆积效应逐渐减弱。 结果与凝胶剂的宏观性能（CGC 和 Tgel 的变化趋势）一致。也揭示了自组装的主要驱动力是水溶液体系中苯环的π-π堆积力。

SEM

一些典型凝胶的形态通过扫描电镜检查。如附加文件 1：图 S3a 所示，在 G1 水凝胶中观察到间距约为 50 nm 的绳状左手螺旋结构。在 SO4 ²⁻ 的水溶液中观察到形成 3D 网络的绳状左手螺旋纤维，平均直径为 30 nm （浓度为 0.5 M，附加文件 1：图 S3b）。此外，G1水凝胶由复杂而缠结的三维网络组成，纤维束粗而致密。但可以看出，由于 SO4 ²⁻ 的盐析作用 ，凝胶剂沉淀出来并缠绕成更致密的三维网络结构。但是由于Cl ⁻ 的影响 属于 kosmotropes 和 chaotropes 在溶解度上的过渡区域，凝胶剂自组装成纤维结构的网格（附加文件 1：图 S3c）。在阴离子 SCN ⁻ 存在盐的情况下形成的水凝胶的图像 ，表明纤维断裂并松散地折叠在一起，没有形成三维结构，因此结合溶剂的能力相对较弱（附加文件 1：图 S3d）。显然，凝胶的形态和热力学稳定性也呈现出相同的趋势。换句话说，凝胶剂的聚集从kosmotropes和chaotropes减少。

粉末 X 射线衍射

为了探索凝胶剂分子在水中的可能堆积模式，特别是添加了霍夫迈斯特盐，研究了 G1 干凝胶的广角 XRD (WXRD)。如图 4c 所示，来自水中的 G1 干凝胶的 XRD 谱显示四个主要衍射峰集中在 2θ =19.267 (d =0.46030 nm), 2θ =28.262 (d =0.31551 nm), 2θ =34.071 (d =0.26292 nm) 和 2θ =38.843 (d =0.23165)，以及d的比值 -spacing 值大约为 1:1/√2:1:√3，表明 G1 干凝胶从水中的自组装可能由六边形密堆积组成 [76]。此外，在 2θ =23.389 (d =0.38002 nm), 和 d =0.38 nm 是苯环的 π-π 堆积力特性。它表明自组装的主要驱动力是水溶液体系中苯环的 π-π 堆积力 [77, 78]。在图 4c 中，来自 Na2SO4 水溶液（浓度为 0.5 M）的 G1 干凝胶的图案表现出四个衍射峰，中心位于 2θ =19.084 (d =0.46468 nm), 2θ =28.075 (d =0.31757 nm), 2θ =33.901 (d =0.26421 nm)，和 2θ =38.683 (d =0.23257 nm)，证明加入 SO4 ²⁻ 不影响凝胶剂分子的填充模式。虽然来自 NaSCN 水溶液（浓度为 0.5 M）的 G1 干凝胶的图案显示衍射峰集中在 2θ =26.184 (d =0.34006 nm), 2θ =30.263 (d =0.29508 nm), 2θ =38.904 (d =0.23130 nm) 和 2θ =38.683 (d =0.23257 nm），并且来自水溶液（盐浓度为 0.5 M）的 G1 干凝胶的图案表现出四个以 2θ =23.076（d =0.38511 nm), 2θ =29.563 (d =0.30191 nm), 2θ =32.101 (d =0.27860 nm), 和 2θ =39.165 (d =0.22982 纳米）。 d的比例 -spacing 值均为 1:1/√2:1:√3 表明 G1 干凝胶从水中的自组装主要由六边形密堆积 [76] 组成。同时，除了上述主峰外，图 4c 中还出现了其他峰，说明自组装过程中还可能存在其他堆积方式。以上结果表明，不同阴离子的加入对凝胶的性能影响较大，但并未改变水凝胶自组装过程的堆积方式。

凝胶形成机制

此外，G1 的能量最小化结构（附加文件 1：图 S4）表明分子 G1 的长度为 1.46 nm。因此，提出了一种可行的 G1 凝胶剂在水中的自组装模式（图 4d）。如图 4d 所示，G1 分子不是分布在一个简单的平面上，而是通过苯环的 π-π 堆积力以一定的角度相互堆积。然后形成细纳米纤维。 XRD分析表明，细纳米纤维聚集模型是基于六边形密堆积的。通过长碳链提供的 VDW 力，一维纤维的进一步自缔合导致具有不同尺寸的绳状纤维束。最终，通过纤维束与受限水的交织形成了一个3D网络。

结论

总之，我们描述了一种基于 d-葡糖醛缩醛衍生物的新型多功能凝胶剂，其具有高效的自愈特性。我们还提供了一种简单有效的方法来调节 LMWGs 的触变性。此外，基于FT-IR、1HNMR和XRD的分析提出了水凝胶的形成机制。对这些材料的组分结构-凝胶性质关系的进一步研究和探索应用仍在进行中。

缩写

¹ 核磁共振：

H核磁共振

CGC：

最小凝胶浓度

Co-Gels：

复合凝胶

FESEM：

场发射扫描电子显微镜

FT-IR：

傅里叶变换红外光谱

LMMGs:

Low molecular mass gelators

PXRD:

Powder X-ray diffraction

Tgel :

The temperature of phase transition