Bioinspirierte Histidin–Zn2+ Koordination zur Einstellung der mechanischen Eigenschaften von selbstheilenden gekräuselten Quervernetzten Hydrogelen

Natürliche biopolymerische Materialien besitzen oft Eigenschaften, die ihren einzelnen Komponenten überlegen sind. Im Miesmuschelbyssus ist die reversible Histidin (His)-Metall-Koordination ein Schlüsselelement, das die Selbstorganisation höherer Ordnung sowie die Selbstheilung vermittelt. Die Struktur des Byssus dient somit als hervorragende natürliche Vorlage für die Entwicklung von selbstheilenden biomimetischen Materialien mit reversibel einstellbaren mechanischen Eigenschaften. Inspiriert von Byssalfäden haben wir His-Metall-Koordinationsstellen in ein heterodimeres gekräuseltes Coil (CC) ingenieuriert. Diese CC-bildenden Peptide dienen als nichtkovalente Vernetzung für auf Poly(ethylen-glykol) basierende Hydrogele und sind an der Bildung höherer Assemblierungen über intermolekulare His-Metall-Koordination als zweite Vernetzungsart beteiligt. Raman- und zirkuläre Dichroismus-Spektroskopie zeigten das Vorhandensein von α-helikalen, Zn2+-vernetzten Aggregaten. Mit Rheologie demonstrieren wir, dass das Hydrogel selbstheilend ist und dass die Zugabe von Zn2+ die Hydrogeleigenschaften reversibel von viskoelastisch zu elastisch umschaltet. Wichtig ist, dass unterschiedliche Zn2+:His-Verhältnisse es ermöglichen, die Relaxationszeit des Hydrogels über fast drei Größenordnungen zu steuern. Diese Einstellbarkeit wird der progressiven Umwandlung einzelner CC-Vernetzungen in Zn2+-vernetzte Aggregate zugeschrieben; ein Prozess, der bei Zugabe des Metallchelator Ethylendiamintetraessigsäure vollständig reversibel ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass die His-Metall-Koordination als vielseitiger Vern Mechanismus zur Einstellung der viskoelastischen Eigenschaften biomimetischer Hydrogele genutzt werden kann.