超分子材料通過非共價相互作用自組裝，以實現(xiàn)特定功能。這些可逆的非共價作用為材料提供了層級結構，賦予材料有序與動態(tài)的特征，以模擬生命系統(tǒng)。其中，水凝膠為超分子材料的重要部分。而基于短肽的水凝膠由于其優(yōu)異的生物相容性、高保水量與高凝膠化傾向，具有廣闊的應用前景。但較差的機械穩(wěn)定性阻礙了其發(fā)展。為此，引入超分子3D基質(zhì)，通過納米工程等手段能夠有效地解決機械性能不足的問題。同時，引入特定的超分子纖維能夠賦予凝膠導電性能，提供獨特的生物學功能。
本文中，作者開發(fā)了一種基于短肽RGD與聚苯胺（PAni）的超分子纖維復合水凝膠。該材料具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性，能夠支持纖維細胞于表面的黏附與生長，同時也具有抗菌性與導電性能。
作者首先合成了肽段Fmoc-K(Fmoc)-RGD。該肽段能夠在低濃度下（0.5% w/v）下形成透明的凝膠。透射電子顯微鏡（TEM）表征表明，其由纏結的納米纖維組成，證明了其為超分子凝膠（圖1b）。流變結果表明，凝膠在一小時內(nèi)形成，儲能模量高達5 kPa（圖1c-d）。同時，上述凝膠具有一定的自愈特征，能夠在大應變下轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z狀態(tài)，并在應變于線性粘彈區(qū)時發(fā)生重組（圖1f-g）。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和熒光光譜表明凝膠內(nèi)部存在的β-折疊特征與Fmoc基團的π–π堆積（圖1h-j）。
此外，分子動力學（MD）模擬也證實了凝膠的自組裝過程。其中，F(xiàn)moc基團之間的π–π堆積在聚集體內(nèi)部形成疏水核心，對于水凝膠骨架的形成起到重要作用。同時，RGD鏈段間的接觸在前期迅速增加，其相互作用對于凝膠的形成也有較大意義。而纖維形成后，RGD鏈段保留在纖維表面，使其仍然具有優(yōu)異的細胞黏附能力。
接下來，作者研究了該多肽凝膠的細胞相容性，發(fā)現(xiàn)該凝膠能夠較好地支持成纖維細胞，幫助其黏附、擴散與增殖。為了進一步將上述凝膠用于生電細胞培養(yǎng)中，作者希望加入PAni網(wǎng)絡，得到復合導電凝膠（圖2a）。復合凝膠的TEM表明多肽納米纖維與PAni在網(wǎng)絡結構中的共存（圖2b）。PAni的復合并未改變凝膠的機械性能、自修復性質(zhì)與生物相容性能（圖2d-g），相對的，PAni的復合給凝膠帶來了諸多優(yōu)勢。該凝膠具有半導體特性，最高電流達到約0.4 μA（圖2c）。引入的帶正電荷的PAni鏈段使其能夠與DNA結合，從而具有作為DNA固定材料的潛力（圖2h）。此外，PAni的抗菌性能使得凝膠能夠抑制細菌生長。
上述諸多優(yōu)勢使得該復合凝膠是一種極佳的生電細胞組織培養(yǎng)支架（圖3a）。心臟細胞外基質(zhì)（ECM）由分層組織的纖維網(wǎng)絡組成，肌內(nèi)膜纖維為直徑達數(shù)十納米至百納米的原纖維網(wǎng)狀結構，圍繞心肌細胞，與細胞骨架蛋白形成相互作用。本設計中的納米纖維凝膠能夠模擬肌內(nèi)膜纖維。同時，心肌細胞為生電細胞，能夠在電信號下發(fā)生自發(fā)收縮，干擾電信號以發(fā)生各向異性的傳遞。作者希望，PAni的引入能夠改善心肌細胞的電交流。為此，作者將從新生大鼠中提取的心肌細胞接種于復合凝膠中，培養(yǎng)7日后，細胞保持較高活力（圖3b），同時α-肌動蛋白和肌鈣蛋白明顯表達（圖3c）。此外，為研究凝膠中的心肌細胞的細胞功能，作者將其與鈣敏感染料一同孵育，發(fā)現(xiàn)凝膠表面細胞表現(xiàn)出自發(fā)與同步的收縮行為，同時鈣信號通過水凝膠表面?zhèn)鞑ィ▓D3d-g）。此外，在自然電信號傳播的反方向上施加電刺激后，能夠觀察到電信號的反轉(zhuǎn)（圖3h-k）。由此，復合凝膠是支持心肌細胞生長并發(fā)揮功能的極好基質(zhì)。
綜上，本文報道了一種基于RGD的從頭設計的多肽凝膠，并通過納米工程將其與PAni復合。得到的復合凝膠具有自我支持、自我修復的特征，同時具有導電和抗菌性能，能夠支持心肌細胞生長并發(fā)揮功能。該凝膠具有廣闊的生物應用前景，例如體外心臟支架培養(yǎng)或藥物篩選。
該研究以“Nanoengineered Peptide-Based Antimicrobial Conductive Supramolecular Biomaterial for Cardiac Tissue Engineering”為題發(fā)表于Advanced Materials上。本文的通訊作者為以色列特拉維夫大學的Ehud Gazit教授。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008715
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