Preparation of photosensitive hydrogels by blue light-induced photopolymerization and formation of bio-functionalizable microwells by uv-mediated etching

Abstract

Işık, ışığa duyarlı malzemelerdeki fotokromik birimlerin optik sinyali yakalayarak ve bunu bir foto reaksiyon yoluyla kimyasal bir sinyale dönüştürerek izomerleşmesine, dimerleşmesine veya ışığa duyarlı grupların bölünmesine neden olabilir. Bu değişiklikler, hidrojel yapısının şişmesine, büzülmesine ve/veya kısmen veya tamamen bozulmasına yol açar. Bu işlemin gerçekleştirilebilmesi için hidrojel ağlarında ışığa duyarlı grupların bulunması zorunludur. Sonuç olarak, literatürde yaygın olarak kullanılan ışığa duyarlı grup, UV dalga boyu gereksinimi (365 nm) ve biyolojik uygulamalar için yüksek duyarlılığı nedeniyle orto-nitrobenzil (ONB) grubudur. UV varlığında nitrobenzil gruplarının nitrozobenzil gruplarına ayrışmasının, amin taşıyan moleküllere karşı amin-reaktif birimler oluşturduğu literatürde gösterilmiştir. Bu çalışmada, orto nitrobenzil birimlerinde parçalanmaya yol açmayan görünür mavi ışığın kullaılmasıyla fotopolimerizasyonu yoluyla cam üzerinde ışığa duyarlı ONB içeren PEG bazlı hidrojeller hazırlanmıştır. (Poli(etilen glikol)metil eter metakrilat) oranı sabit tutulup, ONB içeren çapraz bağlayıcıyle PEGDA'nın birbirine oranı değiştirilmesi ile dört farklı hidrojel elde edilmiştir. Hidrojeller daha sonra mikrokuyucuklar içeren amin reaktif nitrozo benzaldehit birimlerini vermek üzere çapraz bölgelerindeki bağlayıcı sitelerinde ONB'yi ayrıştırmak için bir fotomaske yoluyla UV ışığına maruz bırakıldı. Reaktif grupların ve mikro kuyucukların oluşumu FTIR spektroskopisi ve taramalı elektron mikroskobu ile karakterize edilmiştir. Mikrokuyulardaki reaktif grup yoğunluğunun, hidrojellerdeki UV'ye duyarlı çapraz bağlayıcı oranı değiştirilerek kontrol edilebileceği ve mikrokuyucukların işlevselleştirilmesi ve biyoişlevselleştirilmesinin amin-aldehit reaksiyonu yoluyla yapılabileceği gösterilmiş olup florasan mikroskobuyla takip edilmiştir.

Light can cause isomerization, dimerization, or cleavage of photosensitive groups due to the presence of photochromic units in photosensitive materials, which capture the optical signal and converts it into a chemical transformation through a photoreaction. To undertake this process, the presence of photosensitive groups in the hydrogel networks are incorporated. One of the commonly used photosensitive groups in literature is the ortho-nitrobenzyl ester (ONB) group due to its facile cleavage upon UV irradiation (365 nm) and its suitability for biological applications. It is established that the decomposition of the nitrobenzyl group in the presence of UV results in a nitrosobenzaldehyde group which has reactivity toward amine-bearing molecules. In this study, PEG-based hydrogels containing light-responsive ONB in the crosslinking points were prepared on glass surfaces using photopolymerization under visible blue light, which does not decompose the ortho nitrobenzyl units. Four different hydrogels were obtained by keeping the amount of (poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate) constant and varying the ratio of the ONB-containing crosslinker and PEGDA. Hydrogels were then exposed to UV light through a photomask to decompose ONB at crosslinker sites to yield an amine-reactive nitroso benzaldehyde unit containing micro-patterns. To observe the reactive groups and microwells formations, FTIR spectroscopy and SEM analyses were performed respectively. It was shown that the density of reactive groups in microwells can be controlled by adjusting the ratio of the UV-responsive ONB-based crosslinker in hydrogels. Additionally, efficient (bio) functionalization in the fabricated microwells could be achieved through photogenerated nitrosobenzaldehyde and monitored by a fluorescent microscope.