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水凝膠因其含水量高、載藥能力強而廣泛套用於生物醫學領域。不同類別和數量的胺基酸組合形成各種各樣的肽。同時，自組裝肽水凝膠由肽形成納米纖維，納米纖維進一步纏繞形成水凝膠的三維結構。肽的這種特殊結構和組成賦予了水凝膠特殊的特性和性質。基於多肽的自組裝水凝膠在生物醫學領域具有多種套用。因此，深入了解基於多肽的自組裝水凝膠並探索其套用具有深遠的意義。
基於此，來自 青島大學的於冰教授、山東理工大學叢海林教授團隊 系統 介紹了自組裝肽水凝膠的結構、制備、效能及生物學套用，同時對多肽自組裝凝膠的未來發展進行了展望 。相關研究成果以 「Preparation and Properties of Self-Assembling Polypeptide Hydrogels and Their Application in Biomedicine」 為題於2024年3月27日發表在 【ACS Materials Letters】 上。
1. 自組裝肽水凝膠
根據類別不同，多肽水凝膠主要包括天然多肽水凝膠和修飾多肽水凝膠。天然多肽水凝膠通常由生物聚合物或天然來源的聚合物組成，如海藻酸鈉、殼聚糖、透明質酸等天然生物材料及其衍生物；修飾多肽水凝膠是天然多肽與其他聚合物共聚而成的水凝膠。兩親性是自組裝過程中的重要因素，肽兩親性分子（PA）作為分子構建單元在許多技術領域具有潛在的套用（圖1） 。近年來，大量的肽兩親性分子被設計和合成。PAs庫可以自組裝成各種聚集體，如纖維、納米球、囊泡、納米片、納米環和水凝膠。
圖1 PA分類、形成的不同自組裝納米結構和PA套用概述
目前，已有研究者采用了另一種方法來制備兩親肽水凝膠：利用具有疏水末端和親水區域的肽兩親分子（PA）。PA主要包括兩部份：疏水烷基端和親水區域。在水性條件下，烷基尾鏈在疏水相互作用下形成膠束，親水性β-折疊區域在氫鍵作用下自組裝成圓柱形納米纖維（圖2）。
圖2 肽自組裝成納米纖維的示意圖
2. 自組裝肽材料的結構
自組裝肽水凝膠（SAPH）首先由自組裝肽自組裝成二級結構，然後由二級結構交聯、纏結，形成三維網絡水凝膠結構。對於自組裝肽水凝膠來說，肽的二級結構是決定水凝膠效能的關鍵部份。在肽自組裝的整個過程中，首先透過各種相互作用形成二級結構。 根據構象的不同，肽的二級結構可分為三類：β-折疊結構、α-螺旋結構和β-發夾結構（表1）。不同的肽序列也決定了不同的二級結構，對納米纖維的結構和最終水凝膠的效能有一定的影響。因此，多肽二級結構的設計和研究是制備自組裝多肽的關鍵水凝膠具有優異的效能 。
表1 自組裝多肽水凝膠的二級結構
3. 自組裝肽材料的效能
自組裝肽水凝膠（SAPH）的研究和制備與自組裝肽（SAP）的物理、化學性質等特性密切相關。對於自組裝肽水凝膠的凝膠過程，氫鍵和疏水相互作用是兩個主要影響因素。肽可以在不同的溫度和pH值之間結合和解離。因此，多肽纖維網絡很容易斷裂和重組。SAPH的特性決定了它的套用，因此在制造SAPH時需要考慮。 對於SAPH，可以透過改變肽水平、離子強度、溫度和pH值來控制肽自組裝過程，從而影響SAPH的流動特性（圖3） 。
圖3 多肽水凝膠的流變特性
4. 多肽水凝膠的制備
基於多肽的水凝膠通常透過物理交聯或化學交聯的方式進行交聯，其組分可分為小分子水凝膠和高分子水凝膠。物理交聯水凝膠主要依靠非共價鍵和可逆化學鍵的參與主要包括主客體相互作用（圖4）、氫鍵相互作用（圖5）、靜電相互作用和疏水相互作用（圖6）。由於其可逆相互作用較弱，凝膠過程一般是可逆的，機械強度一般較弱，它還受到pH、熱量或網絡配置過程中離子存在的影響。
圖4 透過主客體相互作用制備多肽水凝膠
圖5 氫鍵制備的多肽水凝膠
圖6 透過疏水相互作用力制備新型可光降解可註射自修復水凝膠
然而，物理交聯水凝膠的物理交聯效果通常弱於化學交聯。因此，這些物理交聯的凝膠容易受到剪下應力等機械力的影響，這也是它們的優點，具有更好的可註射性和愈合能力；相反， 化學交聯水凝膠主要依靠共價鍵，動態共價鍵利用反應的快速平衡（圖7） 。
圖7 醯胺鍵合介導的可註射水凝膠
5. 肽水凝膠的套用
自組裝短肽鏈已被廣泛用於開發各種化石相容性材料。 在微觀層面，根據不同的實驗條件，可以透過調整自組裝途徑來設計不同形態的納米纖維、納米帶和囊泡。由於其高化石相容性、高含水量和優異的機械效能，SAPH被認為是一種有前途的生物醫學套用材料，在生物技術領域有廣泛的套用，如組織工程、輸送系統等（圖8） 。
圖8 自組裝肽水凝膠的生物學套用
綜上， 自組裝肽是由胺基酸單體透過醯胺鍵連線而成的具有自組裝能力的聚合物。具有無毒、免疫原性低、可設計性等優點。同時，它們還具有α-螺旋結構、β-折疊結構等二級結構。因此，近年來，自組裝肽被認為是生物醫學研究中制備水凝膠的優異候選材料。本文系統綜述了自組裝多肽水凝膠的設計思路。介紹了其在生物醫學領域的一些代表性套用，如遞送系統、組織工程等 。
雖然基於自組裝肽的自組裝水凝膠在生物醫學套用中顯示出廣闊的潛力，但仍然存在一些不足。為了更準確地獲得理想的產品，應系統研究自組裝肽水凝膠的機理，並進一步探索自組裝過程的細節；仍需要一些合理的設計方法來改善這些水凝膠的機械效能，以克服這些水凝膠相對較弱的機械強度和不受控制的溶解和降解；作者還指出，未來希望設計出結構更復雜、效能更好的SAPH，以擴大其套用範圍，同時還可以結合其他技術（3D打印等）進行廣泛的開發套用。
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