Coordination Chemistry Reviews: 自組裝多肽納米材料結構、功能調控及生物醫學應用最新進展

一、【背景介紹】 ?

多肽作為支持各種生物和生理活性的基本成分，在結構上由通過酰胺鍵順序連接的氨基酸單體組成。多肽分子具有高度的設計靈活性、優異的生物相容性、可調節的形態和可生物降解性，這些特性使多肽成為制備活性生物材料和醫療器械的絕佳選擇。基于多肽分子的雜化納米材料的設計和合成為各種生物醫學應用提供了廣闊的前景。通過整合不同的多肽基材料，可以有效地設計和構建各種自組裝多肽基雜化納米材料系統，以滿足生物醫學應用的特殊需求。

在多肽納米材料的合成中，其結構和功能調控尤為重要。例如，在多肽自組裝過程中，可以根據定制多肽序列合成理想尺寸的納米結構。此外，外部環境的調節也可以作為調控多肽納米材料自組裝過程的有效措施，從而實現后續雜化材料所需的尺寸和形貌。通過調節分子間內部相互作用和外部環境來調控多肽的自組裝行為，可以輕松實現不同形貌的多肽納米材料的合成。更重要的是，通過外部環境的調節可以實現多肽納米材料形貌的實時轉變。此外，通過內部設計和外部調節，多肽分子還可以與無機納米粒子、蛋白質、DNA、生物膜脂質結構以及金屬等相互作用，結合多肽分子的特殊自組裝能力，可以輕松獲得性能優化、結構良好的自組裝多肽雜化納米材料。

最近，青島大學附屬醫院西永明教授團隊與青島大學化學化工學院魏剛教授（泰山學者青年專家）團隊以及青島大學物理學院韓萍副教授合作，在國際高水平綜述雜志Coordination Chemistry Reviews發文，對自組裝多肽納米材料和結構、功能調控策略以及在生物醫學應用領域的最新進展進行了評述。

二、【研究亮點】

本工作展示了關于多肽自組裝和仿生合成相結合的進展報告，以定制針對生物醫學應用的多肽納米材料的結構和功能。通過結構和功能調控，多肽基納米材料表現出增強的化學、物理和生物特性，極大地促進了其在生物醫學領域的潛在應用（如圖1所示）。

圖1 ?多肽分子自組裝調控、仿生合成、生物醫學應用總覽。 ???Elsevier 2023

該工作的亮點包括：

展示了多肽分子自組裝納米材料在生物醫學領域的最新進展

探討了各種通過調控自組裝體系內部和外部相互作用合成功能多肽納米材料的方法

總結了通過仿生合成策略調控自組裝多肽納米材料功能的策略

三、【研究內容】

通過不同的自組裝機制和內部/外部環境調節可以實現不同形態的多肽納米結構。驅動多肽分子自組裝行為的內部相互作用主要包括靜電相互作用、氫鍵和π-π相互作用（圖2）。通過調節自組裝體系的外部環境及作用力，如溶液pH值、溫度、離子強度或者加入酶、有機溶劑等也可以有效的調控多肽納米材料的結構和性質（圖3）。需要指出，一些多肽的自組裝過程中可能會發生一種或多種內部/外部相互作用。

圖2 ?通過調節多肽分子間內部相互作用對自組裝多肽納米結構進行調控。 ??Elsevier 2023

圖3 ?通過調節外部作用力對多肽自組裝及結構進行調控。 ??Elsevier 2023

多肽分子在不同的pH環境下表現出不同的化學、生物、物理學性質，因此可以通過共價、非共價相互作用以及生物特異性識別與其他材料相結合，這是一種非常簡單方便的功能納米材料的合成策略。此外，輔以仿生合成新方法，可以對自組裝多肽納米材料的功能進行有效調控。圖4展示了多肽納米結構與不同納米材料的有效結合及用于功能納米復合材料仿生合成的途徑。

圖4??通過仿生合成制備多肽基納米材料實現對材料功能的有效調控。 ??Elsevier 2023

基于自組裝多肽納米材料的可調控結構和功能，其可廣泛應用于生物醫學領域，包括生物傳感器、生物成像、光熱/光動力治療（圖5）、組織工程、藥物/基因傳遞（圖6）以及抗菌材料等。

圖5??多肽基納米材料用于癌癥光熱及光動力學診療。 ??Elsevier 2023

圖6??多肽基納米材料用于藥物/基因傳遞和疾病診療。 ??Elsevier 2023

?四、【結論與展望】

多肽基納米材料的生物相容性可以更容易地被細胞或組織吸收，因此無論是在藥物釋放、細胞成像還是光治療方面，都可以更加準確有效。多肽自組裝過程的可控性為開發多形貌、多功能、多用途的多肽基雜化納米材料奠定了良好的基礎。多肽強大的自組裝能力賦予其豐富的多樣性，可以實現從內到外的精細調控。它不僅可以降低不同維度納米材料合成的時間成本，而且可以很大程度上提高合成效率。多肽鏈上豐富的氨基酸側鏈基團在與其他物質的結合過程中發揮著非常重要的作用，是雜化納米材料合成的理想橋梁和平臺。源于生物學的用途，多肽基雜化納米材料由于其良好的生物相容性和可降解性，在生物醫學和環境保護方面具有廣泛的應用潛力。

該研究領域未來的研究可以包括：（1）疾病相關多肽序列的自組裝行為和機理；（2）利用計算機模擬及人工智能深入理解多肽分子自組裝行為；（3）多肽分子序列設計及剪切技術；（4）3D結構多肽納米水凝膠及氣凝膠設計合成。

原文詳情：

論文題目：Recent advance in tailoring the structure and functions of self-assembled peptide nanomaterials for biomedical applications

Coordination Chemistry Reviews, 2023, 494, 215374

第一作者：朱丹珠 （青島大學化學化工學院與青醫附院聯合培養碩士研究生）

通訊作者：韓萍；西永明；魏剛

通訊單位：青醫附院/青島大學化學化工學院/青島大學物理學院

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2023.215374

本文由作者供稿