Thermoresponsive Hydrogels and Supramolecular Approaches To Irreversible Thermochromic Systems

Abstract

As etiquetas inteligentes são um sistema de etiquetagem avançado que tenta resolver algumas deficiências dos dispositivos atuais, como códigos de barras, códigos QR e tecnologia RFID. Visam informar sobre o estado dos produtos aos quais estão fixados graças a sensores sensíveis a estímulos externos. Entre todos os fatores relevantes como pH, microrganismos, humidade relativa, condições de iluminação, oxigénio e outros gases, a temperatura é o mais significativo para garantir a qualidade e segurança de produtos perecíveis durante os processos de distribuição, transporte e armazenamento. Por exemplo, medicamentos armazenados à temperatura ambiente podem tornar-se menos eficazes quando sobreaquecidos. Processos inadequados de embalagem, transporte e armazenamento deterioram progressivamente a qualidade dos alimentos e, consequentemente, diminuem o prazo de validade. Para superar esse problema, a comunidade científica tem vindo a desenvolver indicadores termocrómicos capazes de detectar e monitorizar a temperatura à qual esses produtos estão expostos. Esses dispositivos exibem convencionalmente uma mudança de cor reversível. No entanto, dependendo das características do produto perecível, algumas aplicações requerem dispositivos capazes de apresentar transições de cor irreversíveis. O principal objetivo deste trabalho é projetar sistemas termocrómicos irreversíveis, passiveis de serem aplicados no desenvolvido de etiquetas inteligentes. Neste projeto de doutoramento exploraram-se sistemas supramoleculares e materiais termoresponsivos, com intuito de desenvolver sistemas que respondam selectivamente à temperatura, independentemente de outras condições experimentais, e mudem de cor irreversivelmente. As reações de desproteção de grupos funcionais termolábeis podem ser exploradas para deslocar substratos dos seus complexos de inclusão e desencadear uma mudança de cor irreversível. Depois de se sintetizar uma pequena biblioteca de corantes baseados em dialquilamino trans-chalconas solúveis em água, investigou-se a formação de complexos de inclusão entre estas moléculas e o recetor macrocíclico cucurbit[7]uril (CB7). Este estudo demonstrou que pequenas modificações na estrutura destes corantes podem afetar de forma significativa os desvios de pKa induzidos pela inclusão destes corantes na cavidade do recetor. Em seguida, desenvolveram-se sistemas recetor-substrato termosensíveis com resposta colorimétrica na faixa de temperatura de 15 a 60 °C. Estes sistemas foram construídos tendo por base uma rede de reações reversíveis do tipo recetor-substrato acopladas a uma reação irreversível desencadeada por ação da temperatura. De forma abreviada, o sistema pode ser descrito da seguinte forma: a reação de equilíbrio entre o CB7 e a trans-chalcona é utilizada como indicador uma vez que o corante apresenta cores diferentes, dependendo se está ou não encapsulado. No mesmo meio existe uma molécula suscetível a uma reação de desprotecção irreversível passível de ser induzida por um aumento de temperatura, nomeadamente a fenilalanina N-BOC. Quando a temperatura aumenta forma-se fenilalanina. Esta molécula compete com a chalcona devido à sua maior afinidade pela cavidade CB7. A chalcona é deslocada da cavidade do recetor por ligação competitiva, levando a uma mudança de cor irreversível. A afinidade do corante trans-chalcona pela cavidade do CB7 (K = 4,24 × 105 M–1) é comparável com a constante de ligação do competidor fenilalanina (K = 4,84 × 105 M–1, a pH = 7), sendo que a presença desta espécie em concentrações significativas provoca a dissociação do complexo CB7-corante. Apesar dos resultados promissores, verificou-se que ao pH otimizado para a desproteção da fenilalanina N-BOC, a protonação da trans-chalcona diminui significativamente o efeito termocrómico desejado. Este problema pode ser resolvido usando um sal de flavílio cuja afinidade pela cavidade do recetor (K = 2,74 × 105 M–1) é muito menor que a da fenilalanina (K = 2,80 × 106 M–1, a pH = 1). O corante é deslocado quantitativamente a 15 °C na presença de uma pequena concentração de CB7 (25 μM e 50 μM) e com constantes de velocidade semelhantes (3,40 × 10-4 min-1 and 3.39 × 10-4 min-1, respetivamente). A cinética é mais rápida a 25 °C e, apesar da constante cinética para a reacção de desproteção ser constante (1,51 × 10-3 min-1, 1,44 × 10-3 min-1 e 1,41 × 10-3 min-1), a velocidade de variação de cor pode ser ajustada alterando a concentração de CB7 (25 μM, 50 μM e 100 μM, respetivamente). Os indicadores de temperatura dependentes do tempo são uma ferramenta valiosa para produtos termossensíveis. A maioria destes sensores são desenhados para detetar aumentos de temperatura sendo que, por outro lado, os dispositivos capazes de sinalizar diminuições de temperatura são muito mais raros. De forma a desenvolver sensores deste segundo tipo, utilizaram-se hidrogéis termosensíveis à base de Pluronic para criar um indicador descendente entre 0 °C e 15 °C, idealmente dentro da faixa de +2 °C /+8 °C, onde há uma maior exigência associada ao transporte e armazenamento de vacinas e outras mercadorias sensíveis. Este estudo representa uma materialização alternativa ao sistema termocrómico irreversível descrito no parágrafo anterior. Esquematicamente, uma tira de papel absorvente é imersa em uma pequena quantidade de hidrogel colorido (i.e., crystal violet em 30% Pluronic® F127): o gel não difunde ao longo do papel absorvente. Quando a temperatura diminui abaixo da temperatura de transição, o hidrogel colorido na sua fase líquida é absorvido e difunde através do papel de forma irreversível. A temperaturas de transição sol-gel do hidrogel colorido pode ser convenientemente modulada na presença de sais inorgânicos específicos da série Hofmeister, permitindo ajustes de 12 °C a 25 °C usando aniões inorgânicos, e de 13 °C a 16 °C usando catiões inorgânicos. O sulfato de sódio 0,3 M permite desencadear a transição sol-gel a 7 °C, que está dentro da faixa de temperatura ideal de interesse (2-8 °C). A absorção capilar de sulfato de sódio 0,3 M em Pluronic® F127 a 30% foi estudada a 7 °C e 4 °C, e a absorção mais alta e mais rápida do hidrogel foi medida na temperatura mais baixa: 20 mm de tira foram coloridos em 2 horas. Um protótipo deste indicador descendente de temperatura dependente do tempo com baixo custo de fabricação foi montado e testado para avaliar a sua confiabilidade e reprodutibilidade.

Smart labels are an advanced labelling system which try to solve some shortcomings of the current devices, such as barcodes, QR codes, and RFID technology. They aim to visualize the state of products they are attached to thanks to sensors sensitive to external stimuli. Among all impacting factors such as pH, microorganisms, relative humidity, lighting conditions, oxygen, and other gases, temperature is the most significant one to ensure quality and safety of perishable products during distribution, transport, and storage processes. For example, medications stored at room temperature can become less effective when overheated. Inappropriate packaging, transportation, and storage processes progressively deteriorate food quality and then shorten the shelf life. To overcome this issue, researchers designed time-temperature indicators able to detect and monitor the environment at which these products are exposed. These devices conventionally display a reversible colour change, but irreversible colour transitions are also targeted depending on the characteristics of the perishable product. The main goal of this work is to design irreversible thermochromic systems acting as indicators. By means of supramolecular chemistry and thermoresponsive materials, this dissertation will explain the development of a system which selectively responds to temperature, regardless of other experimental conditions, and irreversibly changes colour. Thermo-triggered deprotection reactions can be a way to displace guest molecules from inclusion complexes and accomplish an irreversible colour change. After synthesizing a small library of water-soluble dialkylamino trans-chalcone dyes and investigating how small structural modifications can affect the pKa shift induced by complexation with cucurbit[7]uril (CB7), we devised a thermosensitive multi-component host-guest system responsive in the temperature range 15-60 °C. The core is an equilibrium reaction between CB7 and the trans-chalcone dye, which has different colours whether encapsulated or not. In the same medium there is N-BOC phenylalanine, namely a molecule susceptible to irreversible thermo-induced deprotection reaction. When temperature increases, phenylalanine is formed. This molecule competes with the chalcone due to its higher affinity for CB7 cavity. The chalcone is displaced from the host cavity by competitive binding leading to an irreversible colour change. Affinity of the trans-chalcone dye for the CB7 cavity (K = 4.24 × 105 M–1) is comparable with the binding constant of the competitor phenylalanine (K = 4.84 × 105 M–1, at pH = 7) and the aniline moiety is susceptible to protonation and then the colour change cannot be easily detected. This problem can be solved by using a flavylium salt whose affinity for the host cavity (K = 2.74 × 105 M–1) is much lower than that of phenylalanine (K = 2.80 × 106 M–1, at pH = 1). The dye is quantitatively displaced at 15 °C with small concentration of CB7 (25 μM and 50 μM) and similar rate constants (3.40 × 10-4 min-1 and 3.39 × 10-4 min-1, respectively). The kinetics is faster at 25 °C and, even though the rate constant is always the same (1.51 × 10-3 min-1, 1.44 × 10-3 min-1, and 1.41 × 10-3 min-1), the colour-change rate can be tuned by changing the concentration of CB7 (25 μM, 50 μM, and 100 μM, respectively). Ascending time-temperature indicators available on the market are a valuable tool for thermosensitive products, but there are a few examples of descending time-temperature indicator able to detect cold temperatures. Therefore, we used Pluronic-based thermoresponsive hydrogels to create a descending indicator between 0 °C and 15 °C, and ideally within the +2 °C /+8 °C range, where there is a larger demand for vaccines and frost sensitive goods. This study represents an alternative materialization of the irreversible thermochromic system pursued by supramolecular chemistry. Schematically, a strip of blotting paper is immersed into a small amount of coloured hydrogel (i.e., crystal violet in 30% Pluronic® F127): the gel does not diffuse alongside the blotting paper. When temperature decreases below the transition temperature, the coloured hydrogel in its liquid phase is absorbed by the paper irreversibly. The coloured hydrogel shows different transition temperatures by solubilizing specific inorganic salts of the Hofmeister series: sol-gel transition temperature can be modulated from 12 °C to 25 °C by using inorganic anions, and from 13 °C to 16 °C by using inorganic cations. 0.3 M sodium sulphate allows to trigger the sol-gel transition at 7 °C, which is within the ideal temperature range of interest (2-8 °C). Capillary absorption of 0.3 M sodium sulphate in 30% Pluronic® F127 was studied at 7 °C and 4 °C, and higher and faster absorption of hydrogel was measured at the lowest temperature: 20 mm of strip were coloured in 2 hours. A prototype of this descending TTI requiring low-cost manufactured was also assembled and tested to evaluate its reliability and reproducibility.