Probing the relationship between solutions, gels, and crystals by using salts of bile acids

Abstract

La gélification est un phénomène courant dans lequel une grande quantité de solvant est immobilisée dans un réseau constitué de relativement petites quantités de substrat. Avec des propriétés à la fois solides et liquides, un gel est un état unique. L'étude des propriétés et du mécanisme de la gélification attire l'attention des chercheurs du monde entier. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens, telles que le processus d'auto-assemblage et les interactions moléculaires dans le système de gel, la relation entre les solutions, les gels et les cristaux et l'organisation moléculaire dans le réseau de gel. L'exploration de ces questions fournira des connaissances sur le mécanisme de gélification et contribuera à la conception et à la fabrication de nouveaux gels aux applications diverses. Cette thèse décrit notre étude des gels et de leur relation avec les solutions et les cristaux à l'aide de sels biliaires, qui sont des molécules amphiphiles naturelles abondantes. La rigidité de la partie stéroïde et l'hydrophobie variable des sels biliaires facilitent l'étude du processus d'autoassemblage. La recherche est présentée à travers trois articles publiés ou soumis au cours de mon programme de doctorat. Le premier article explore les interactions moléculaires qui se produisent dans la formation d'hydrogels moléculaires fabriqués à partir de mélanges de désoxycholate de sodium et d'acide formique. La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire fournit de nouvelles informations sur la transition gel-sol au niveau moléculaire, l'interaction entre les espèces libres/gélifiées et l'interaction des régions hydrophobes des sels biliaires avec le réseau de gel. Le deuxième article résume notre exploration de la relation entre les gels et les cristaux, en particulier la façon dont les composants moléculaires sont organisés. Les sels d'ammonium d'acide lithocholique produisent différents modèles d'auto-assemblage, tels que des gels, des fibres et des cristaux, avec divers anions d'ammonium. L'organisation moléculaire de l’acide lithocholique dans différentes conditions est remarquablement cohérente, indiquant qu'il existe une relation intime entre la gélification et la cristallisation dans ce système. Les résultats ont également mis en lumière la question de longue date de l'agencement des molécules dans les fibres de gel. Le troisième article décrit notre étude systématique de la gélification et de la cristallisation en utilisant une gamme plus large de sels biliaires. Généralement, avec l'augmentation de iii l'hydrophobie des sels biliaires, la préférence pour la formation de solutions est progressivement remplacée par une tendance à produire des gels et finalement des cristaux. Une association bord à bord d'anions biliaires est également observée dans différents types de sels biliaires. Les résultats renforcent notre conclusion selon laquelle les structures moléculaires internes des fibres dans les gels et dans les cristaux sont étroitement liées.

Gelation is a common phenomenon in which a large amount of solvent is immobilized in a network made up of relatively small amounts of substrate. With properties of both solid and liquid, a gel is a unique state. Gelation draws attention from researchers worldwide to study its properties and mechanism. However, many questions are still unraveled, such as the self-assembly process and molecular interactions in the gel system, the relationship between solutions, gels, and crystals, and the molecular organization in the gel network. Exploring these questions will provide knowledge about the mechanism of gelation and contribute to the design and fabrication of new gels for different applications. This thesis describes our study of gels and their relationship with solutions and crystals using bile salts, which are abundant natural amphiphiles. The rigid steroid moiety and the variable hydrophobicity of the bile salts facilitate the study of the self-assembly process. The research is presented through three articles published or submitted during my Ph.D. program. The first paper probes the molecular interactions that occur in the formation of molecular hydrogels made from mixtures of sodium deoxycholate and formic acid. Nuclear magnetic resonance spectroscopy provides new information about the gel-sol transition on the molecular level, the interaction between free/gelated species, and the interaction of hydrophobic regions of bile salts with the gel network. The second paper summarizes our exploration of the relationship between gels and crystals, especially how the molecular components are organized. Ammonium salts of lithocholic acid produce different patterns of self-assembly, such as gels, fibers, and crystals, with various ammonium anions. The molecular organization of lithocholates under different conditions is remarkably consistent, indicating that there is an intimate relationship between gelation and crystallization in this system. The results also shed light on the long-existing question of how molecules are arranged in gel fibers. The third paper describes our systematic study of gelation and crystallization using a broader range of bile salts. Generally, with increasing hydrophobicity of the bile salts, the preference to form solutions is gradually superseded by a trend to produce gels and finally crystals. An edge-to-edge association of bile anions is also observed in different kinds of bile salts. The results strengthen our conclusion that the internal molecular structures of fibers in gels and in crystals are closely related.