JACS：具有自修復及自組裝功能的β-片多肽-γ聚谷氨酸雜化水凝膠

【引言】

在生物組織工程中常用到生物支撐材料來給細胞提供一定的機械支撐，同時能夠保持很好的生物活性如細胞流動和養分的擴散。這些支撐材料一般都是由聚合物或者多肽凝膠組成，共價交聯的聚合物凝膠一般可以通過調整交聯度或者分子結構來得到很好的機械性能，但是這一類的材料都是由非自然存在的單體合成的，需要進一步的改性或者功能化才能在生物系統中應用。自組裝水凝膠生物材料是一種能夠通過注射且原位形成的可降解、生物相容性較好的材料，由于這種材料在較低應力下會造成機械性能的損失，因此很難滿足在生物領域中的應用。而實現對自組裝水凝膠機械性能的改性，使其能夠在生物醫療和組織支撐材料領域中大顯身手則是一項重要的研究課題。

【成果簡介】

近日，倫敦帝國學院的Molly Stevens教授（通訊作者）報道了該課題組合成的β-片肽-γ聚谷氨酸(γ-PGA)雜化水凝膠的最新進展，該研究成果以題為“Self-Healing, Self-Assembled β?Sheet Peptide?Poly(γ-glutamic acid) Hybrid Hydrogels”發表在J. Am. Chem. Soc.上。該工作通過優選β-片肽的接枝密度和濃度，得到了具有應力穩定性的聚合物骨架結構，同時通過調整所得的雜化水凝膠的機械性能，使其能夠應用在很多領域。另外，由于β-片肽非共價鍵交聯方式的重組，使雜化水凝膠在應力斷裂的條件下具有自修復的能力。因此，本文合成的自修復聚合物-β-片肽雜化水凝膠能夠在生物醫藥領域和生物支架材料方面得到較好的發展。

【圖文導讀】

圖1 自修復、自組裝雜化水凝膠的制備

(a) 圖示為疊氮修飾的自組裝材料β-片肽(N3-D2I4D2)和炔烴功能化的γ-PGA生物功能聚合物；

(b) 雜化水凝膠的合成和自組裝是將疊氮化的多肽與炔烴功能化的聚合物經銅催化發生化學反應；

(c) β-片肽的自組裝，引發形成水凝膠。這類水凝膠由β-片肽通過共價鍵結合到聚合物骨架上；

(d) 不同比例共價鍵結合的β-片肽和非共價自由態的β-片肽混合水凝膠作為對照。

圖2 雜化水凝膠的光譜研究

(a) 圓二色譜圖表示雜化水凝膠在220和230 nm處出現最小值，通常表明為β-片肽的構象；

(b) 酰胺I的紅外譜圖；

(c) 硫磺素T檢測法，表明存在β-片肽的水凝膠可以減少鹽酸胍的含量；所有水凝膠都是由質量分數為7.5%的雜化水凝膠構成，FT-IR表征采用凍干的水凝膠。

圖3 雜化水凝膠的機械性能測試

(a) 不同濃度(5，7.5和10 wt%)的γ-PGA-10%βC雜化水凝膠掃頻和楊氏模量的關系；

(b) 雜化水凝膠的機械性能，對照試驗包括不同接枝密度和不同β-片肽的交聯結合比例；

(c) 從0到0.01%，1%，2%，5%，10%，15%，20%，30%，50%和100%不斷增加應力的循環掃描，圖中的點代表每個應力掃描的結束點；

(d) 從0到200%應力的三組重復應力掃描，掃描振蕩頻率為6.283 rads-1，所有的雜化水凝膠每次掃描后有30 min恢復時間，從圖中可以看出雜化水凝膠能夠在斷裂后恢復其機械性能，所有測試樣品都是由7.5%的雜化水凝膠構成的。

圖4 雜化水凝膠的表面形貌

(a) γ-PGA-5%βC材料的SEM；

(b) γ-PGA-10%βC材料的SEM；

(c) γ-PGA-15%βC材料的SEM；

(d) γ-PGA-10%βC+5%βF材料的SEM，所有水凝膠都是由質量分數為7.5%的雜化水凝膠組成，圖中的標尺為1 μm。

【小結】

本文通過接枝β-片肽到γ-聚谷氨酸聚合物骨架上，合成了一種肽-聚合物的雜化水凝膠。通過調整β-片肽的接枝密度，改變水凝膠本體的濃度和共價結合多肽的比例得到了具有較好機械性能的水凝膠。同時，本文合成的水凝膠在具有相同的楊氏模量時可以表現出不同的對應力響應的機械性能。β-片肽作為很好的物理交聯劑，能夠在應力增加到20%時，維持水凝膠的機械性能不變，并且可以在應力破壞后，基于其自身的自組裝特性進行自修復。另外，本文采用不同的光譜技術研究了雜化水凝膠的二級結構的變化，表明其內部含有β-片肽。

文獻鏈接: Self-Healing, Self-Assembled β?Sheet Peptide?Poly(γ-glutamic acid) Hybrid Hydrogels?(J. Am. Chem. Soc., 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b00528)

本文由材料人編輯部高分子小組點點提供，材料牛編輯整理。

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