Multifunctional self-healing hydrogels via nanoengineering of colloidal and polymeric cellulose

自愈水凝胶 生物相容性 纳米纤维 壳聚糖 纤维素 羧甲基纤维素 生物高聚物 细菌纤维素 材料科学 化学 纳米技术 聚合物 高分子化学 有机化学
作者
Roya Koshani,Marzieh Heidari Nia,Zaman Ataie,Yixiang Wang,Ashok Kakkar,Theo G. M. van de Ven
出处
期刊:International Journal of Biological Macromolecules [Elsevier BV]
卷期号:259: 129181-129181 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.ijbiomac.2023.129181
摘要

The unique features of self-healing hydrogels hold great potential for biomedical applications including injectable hydrogels for cancer treatment, procedures for tumor removal or resection. However, the fabrication of durable and multifunctional self-healing hydrogels composed of biocompatible, green building blocks via versatile synthetic methodology continues to pose a significant challenge. Here, we engineered dialdehyde cellulose (DAC, as a macromolecular bio-crosslinker), and electrosterically stabilized nanocrystalline cellulose (ENCC, as a ligand-targeted drug carrier) to facilitate a strategy for the construction of self-healing hydrogels. Benefiting from its high carboxyl group density, ENCC was functionalized with folic acid (FA) using a non-toxic DMTMM coupling agent and loaded with doxorubicin (DOX, a model drug) through electrostatic interactions. A natural self-healing hydrogel was prepared from carboxymethyl chitosan (CCTS) and DAC mixed with DOX-loaded FA-ENCC using dynamic Schiff-base and hydrogen linkages. A combination of active supramolecular and vital covalent junctions led to a soft (storage modulus ∼500 Pa) and durable material, with rapid (< 5 min) reconstruction of molecular structure from fractured and injected to intact forms. The DAC-CCTS hydrogel showed an appreciable loading capacity of ∼5 mg g−1. Biocompatibility of the hydrogels was evaluated using cell viability and metabolic activity assays, showing lower metabolic activity due to sustained release of its cargo. These materials offer a versatile, sustainable, and green platform for the efficient construction of hydrogels, based on macro- and nano-engineered cellulose, the most abundant and easily accessible biopolymer.

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