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All-Natural, Robust, and pH-Responsive Glycyrrhizic Acid-Based Double Network Hydrogels for Controlled Nutrient Release

自愈水凝胶 材料科学 生物相容性 肿胀 的 离子强度 化学工程 超分子化学 分子 热稳定性 聚丙烯酸 离解(化学) 高分子化学 复合材料 聚合物 化学 有机化学 水溶液 工程类 冶金
作者
Qing Li,Xinke Yu,Shiqi Zhang,Mengyue Xu,Yunyi Yang,Zhili Wan,Xiaoquan Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (37): 43633-43647 被引量:39
标识
DOI:10.1021/acsami.3c10407
摘要

Supramolecular hydrogels self-assembled from naturally occurring small molecules (e.g., glycyrrhizic acid, GA) are promising materials for controlled bioactive delivery due to their facile fabrication processes, excellent biocompatibility, and versatile stimuli-responsive behaviors. However, most of these natural hydrogels suffer from poor mechanical strength and processability for practical applications. In this work, through adopting a multicomponent gel approach, we developed a novel mechanically robust GA-based hydrogel with an interpenetrating double network (DN) that is composed of a Ca2+-enhanced hydrogen-bond supramolecular GA nanofibril (GN) network and a Ca2+cross-linked natural polysaccharide sodium alginate (ALG) network. Compared to the single GN network (SN) hydrogel, the GN-ALG hybrid hydrogels (GN-ALG-DN) with the hierarchical double-network structure possess excellent mechanical properties and shaping adaptation, encouraging small and large amplitude oscillatory shear (SAOS and LAOS) rheological performances, better thermal stability, higher resistance to large compression deformations, and lower swelling behaviors. Furthermore, the GN-ALG-DN hydrogels exhibit a pH-responsive and sustained release behavior of nutrients (i.e., vitamin B12, VB12), showing a faster VB12 release rate with a higher swelling ratio in an alkaline condition (pH 7.5) than in an acidic condition (pH 2.5). This is ascribed to the fact that the higher dissociation degree of carboxylic groups in GA and ALG molecules in an alkaline environment induces the erosion and looseness of the self-assembled GN network and the ionic-cross-linked ALG network, which can lead to the decomposition of the hybrid hydrogels and thereby increases the release of nutrients. Cytotoxicity tests further demonstrate the excellent biocompatibility of the GN-ALG-DN hydrogels. This study highlights the design of robust shaped and structured supramolecular hydrogels from natural herb small molecules, which can serve as solid, edible, and stimuli-responsive active cargo delivery platforms for food, biomedical, and sustainable applications.
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