Interaction Pathways and Structure–Chemical Transformations of Alginate Gels in Physiological Environments

化学 电负性 高分子 离子 水溶液中的金属离子 生物材料 化学工程 聚电解质 聚合物 有机化学 生物化学 工程类
作者
Martina Urbanová,Miroslava Pavelková,Jiřı́ Czernek,Kateřina Kubová,Jakub Vysloužil,Alena Pechová,D. Molínková,Jan Vysloužil,David Vetchý,Jiřı́ Brus
出处
期刊:Biomacromolecules [American Chemical Society]
卷期号:20 (11): 4158-4170 被引量:92
标识
DOI:10.1021/acs.biomac.9b01052
摘要

The remarkably diverse affinity of alginate (ALG) macromolecules for polyvalent metal ions makes cross-linked alginate gels an outstanding biomaterial. Surprisingly, however, very little is known about their interactions and structural transformations in physiological environments. To bridge this gap, we prepared a set of ALG gels cross-linked by various ions and monitored their structural changes at different media simulating gastric and intestinal fluids and cellular environments. For these studies, we used multinuclear solid-state NMR (ss-NMR) spectroscopy, which revealed a range of competitive ion-exchange and interconversion reactions, the rate of which strongly depended on the nature of the cross-linking metal ions. Depending on the environment, ALG chains adopted different forms, such as acidic (hydro)gels stabilized by strong hydrogen bonds, and/or weakly cross-linked Na/H-gels. Simultaneously, the exchanged polyvalent ions extensively interacted with the environment even forming in some cases insoluble phosphate microdomains directly deposited in the ALG bead matrix. The extent of the transformations and incorporation of secondary phases into the alginate beads followed the size and electronegativity of the cross-linking ions. Overall, the applied combination of various macroscopic and biological tests with multinuclear ss-NMR revealed a complex pathway of alginate beads transformations in physiological environments.
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