生理学的環境におけるアルギン酸ゲルの相互作用経路と構造化学的変換

多価金属イオンのアルギン酸塩（alg）高分子の著しく多様な親和性により、架橋アルギン酸ゲルは優れた生体材料になります。しかし、驚くべきことに、生理学的環境におけるそれらの相互作用と構造的変換についてはほとんど知られていない。このギャップを埋めるために、さまざまなイオンによって架橋されたアルグゲルのセットを準備し、胃液と腸の液体と細胞環境をシミュレートするさまざまな媒体でそれらの構造変化を監視しました。これらの研究では、多核固体NMR（SS-NMR）分光法を使用し、さまざまな競合イオン交換と相互変換反応を明らかにしました。環境に応じて、アルグチェーンは、強い水素結合によって安定化された酸性（水力）ゲル、および/または弱く架橋NA/Hゲルなどのさまざまな形態を採用しました。同時に、交換された多価イオンは、アルグビーズマトリックスに直接堆積した不溶性リン酸マイクロドメインを形成する環境と広く相互作用しました。二次相のアルギン酸ビーズへの変換と取り込みの程度は、架橋イオンのサイズと電気陰性度に続きました。全体として、さまざまな巨視的および生物学的検査と多核SS-NMRの適用された組み合わせにより、生理学的環境におけるアルギン酸ビーズ変換の複雑な経路が明らかになりました。

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.