初夏，新一季《乘風》如約而至，姐姐們的美踏著夏天的熱浪，再次成功擊中萬千網友的心窩窩。

然而，最讓小編難忘的還是那年第一季中，“追她需要去法國排隊”的咱山東大嫚！姐姐把未知的X卡當作加冕的王冠，穩穩地站在榮耀的C位。

她說，X=無限可能。

其實，水凝膠也堪稱是近兩年材料研究領域無限可能般的存在。X+水凝膠直接BUFF值疊滿！繼上期帶來席夫堿凝膠的介紹后，本期#材料輕Talk，我們將視線聚焦在多肽水凝膠的研究進展，看它如何無懼乘風，BUFF疊滿。

多肽水凝膠的定義和分類

水凝膠是一類具有三維網狀結構的親水高聚結合體，由天然或合成高分子材料經過物理或化學方法交聯制成，其自身不溶于水，但能夠吸收大量的水分或體液而膨脹[1]。當選用的高分子為多肽類時（膠原、聚L-賴氨酸、聚L-谷胺酸等），形成的水凝膠就稱為多肽水凝膠（Peptide Hydrogel），也可以稱為蛋白質水凝膠。由于多肽凝膠具有高吸水性、良好生物組織相容性、可控降解性以及環境響應性等優點，在材料科學、生物醫學、臨床醫學等領域受到越來越多的關注。

▲  圖1：基于肽和蛋白質的水凝膠[2]

多肽水凝膠的交聯方法

分散在水溶液介質中的聚合物鏈通過多種機理發生交聯后，形成水凝膠。這些機理包括：物理糾纏、離子反應、化學交聯等，具體的機理由聚合物的內在特性決定[3]。根據高分子網絡內部交聯方式的不同，多肽類水凝膠可以分為多肽類化學凝膠和多肽類物理凝膠[4]。

▲  圖2：水凝膠的交聯。（A至D）物理交聯。（A）熱誘導聚合物鏈的纏結。（B）分子自組裝。（C）離子凝膠化。（D）靜電相互作用。（E）化學交聯[3]

2.1
多肽物理水凝膠

多肽物理水凝膠通過氫鍵、離子鍵、π-π堆積、靜電相互作用或疏水相互作用等物理交聯方法制備。與化學交聯相比，通過物理交聯形成水凝膠往往比化學交聯形成水凝膠的速度更快，不需要添加化學交聯劑，可以在一定的外部刺激，如pH和溫度下自組裝形成，并且形成水凝膠的過程是可逆的[5, 6]。總之，多肽物理水凝膠主要通過非共價分子自組裝的方法實現，這也是形成蛋白質水凝膠的常見策略。

鑒于在特定環境變化下，物理交聯結構容易被破壞，因而多肽物理水凝膠在某些領域有重要的應用前景，例如在生物醫藥領域用于緩釋藥物。雖然物理水凝膠表現出比化學水凝膠低得多的剛度和強度，但它們對各種環境刺激表現出更高的響應性；此外，這也可以作為其優勢，因為它使物理水凝膠適合作為可注射材料。（圖3）[2]。

▲  圖3：可注射凝膠示意圖

2.2
多肽化學水凝膠

多肽化學水凝膠的交聯作用通過共價鍵實現, 得到的水凝膠是一種永久性凝膠, 即凝膠過程不可逆。主要實現方法有：

? 交聯劑法：引入交聯劑或者是具有反應活性的官能團, 利用多肽鏈中的活性反應基團與交聯劑之間的反應獲得凝膠網絡。

? 光交聯法：與傳統的交聯誘導方式不太一樣，光響應性水凝膠在多肽的鏈中引入光敏感基團，在光（如紫外線，輻射）照射下可以進行原位聚合，能夠達到時間以及空間上的精準控制。近年來，光敏性水凝膠所受的關注度也越來越高。

? 以支鏈的形式引入其他凝膠中形成雜化的或者復合型的凝膠。

多肽自組裝水凝膠的具體形成過程

多肽自組裝水凝膠的形成過程，可分為兩個階段：

（1）肽的自組裝，形成二級結構和納米纖維；

（2）納米纖維的延伸、聯合和糾纏，形成三維網絡[1]。

3.1
肽納米纖維的形成

多肽自組裝水凝膠形成的早期，大部分的肽首先自組裝成二級結構，然后聚集成納米纖維。根據其不同的構象，二級結構被分為三類：β-sheet、β-haircut、α-helix（圖4）。每種二級結構對應相應的肽序列，并對納米纖維的結構和最終水凝膠的性能產生重要影響。因此，肽序列和二級結構構象的設計對于制造具有不同結構和性能的自組裝水凝膠至關重要。

▲ 圖4：肽自組裝成納米纖維的過程示意圖：（a）具有β-sheet結構的肽EAK16-II。 (b) 具有β-hairpin結構的多肽MAX8。(c) 具有α-helix結構的多肽GAAVILRR[1]

3.2
三維分層多肽自組裝水凝膠的形成

在二級結構和多肽納米纖維形成后，自組裝是連續的，通過納米纖維的延伸和糾纏可以得到最終的三維網絡水凝膠。納米纖維之間的相互作用主要由疏水殘基控制。

3.3
形成多肽自組裝水凝膠過程中的影響因素

多肽自組裝水凝膠的形成過程中，外部條件起著重要的作用，環境的變化可能會大大影響所獲得的水凝膠產品的結構和性能。在大多數肽的自組裝過程中，可以通過調節pH值或離子強度來屏蔽氨基酸側鏈之間的電荷排斥，而且在一些多肽自組裝水凝膠的催化過程中使用的酶有時會賦予水凝膠產物一些特定的性質（如區域選擇性）。因此，pH值、離子強度和酶是影響三維分層水凝膠形成的三個主要因素。

下表為多肽自組裝水凝膠制備方法的匯總[7]。

多肽水凝膠的性質

獨特的自組裝形成方式和網絡結構為多肽水凝膠提供了特定的流變特性，肽成分為水凝膠提供了優異的生物相容性。多肽水凝膠的特性決定了它們的應用，因此在制備時應該充分考慮這一點[1]。

4.1
流變特性

流變特性是多肽水凝膠影響其生物應用的最重要因素，通常由包括儲存模量（G′）、損失模量（G′′）和損失因子（tanδ）等參數來表征。G'是代表材料的彈性或剛度，即水凝膠的凝固程度，其直接決定了其在生物學上的應用領域；G "代表類似液體的流動特性。G'和G "共同表征材料的粘彈性能，損失因子tanδ被定義為G′′與G′的比值（即tanδ= G′′/ G′）剛度是描述材料抵抗變形的能力的參數。

4.2
生物相容性

由于內部的肽成分，多肽水凝膠顯示出良好的生物相容性。細胞在多肽水凝膠的作用下生長和增殖，具有很強的生命力，在其植入后很少會引起組織炎癥。因此，其作為一種有前途的構件被廣泛應用于生物領域，具體見下一部分。

多肽水凝膠在生物醫學領域的應用

多肽水凝膠具有水含量高、多孔結構、可調節的機械穩定性、良好的生物相容性、出色的可注射性和類天然組織的彈性等特點。此外，肽自組裝水凝膠易于通過對氨基酸側鏈的特異性修飾或功能化，實現特定的生物學功能。在安全性上，多肽凝膠降解時只形成氨基酸, 對機體不會產生不良影響，當導入機體后, 不會引起免疫反應和組織炎癥。多肽水凝膠的上述特性使其非常適合在生物醫學領域如藥物輸送與控釋、組織工程和傷口愈合等領域的應用。圖5展示了多肽自組裝水凝膠的一些生物學應用[8]。

▲ 圖5. 多肽水凝膠的生物學應用。包括組織工程，藥物遞送等，疫苗開發等[7]

多肽水凝膠臨床轉化挑戰[9]

▲  圖6：水凝膠的轉化潛力拓展到可植入、可注射和可噴涂的生物材料[10]

6.1
監管挑戰

與大量關于用各種聚合物和交聯化學組合創造新的水凝膠的科學出版物相比，只有少數的水凝膠獲得了監管部門的批準/許可，進入了臨床。雖然謹慎和嚴格的監管過程是確保病人安全的絕對必要條件，但相關的高成本和長時限是將新材料從實驗室轉化為臨床的最重大障礙。盡管某些水凝膠產品可以作為醫療器械被批準，與NDA相比，需要更少的臨床證據，但仍然需要大量的研究活動來驗證其益處和安全狀況。

6.2
制造和儲存挑戰

由于新的水凝膠總是在臨床前階段進行小規模的開發和驗證，未來符合現行GMP法規的大規模生產是水凝膠轉化的一個主要挑戰，尤其是那些使用天然聚合物作為源材料和/或含有生物或細胞的水凝膠。

6.3
材料挑戰

盡管有大量的材料和凝膠化學制品，但水凝膠作為一種軟性材料，相對來說還是比較新的，其高度復雜的性質給科學家們帶來了根本性的挑戰，他們需要全面描述其化學和拓撲結構，了解其結構與性能的關系，并指導其進一步發展。

多肽水凝膠文獻案例精選

V1-Cal多肽水凝膠化增強其對梗死后心室重構和心臟功能的改善作用V1-Cal 

hydrogelation enhances its effects on ventricular remodeling reduction and cardiac function improvement post myocardial infarction

  摘要：

心肌梗塞（MI）是全世界殘疾和死亡的一個主要原因。一種細胞滲透肽V1-Cal已經顯示出對心肌梗塞的顯著治療效果。然而，使用V1-Cal來改善心肌梗塞后的長期心臟功能，目前受到其短半衰期的限制。在此，安醫大/中科大教授張野/梁高林等人將V1-Cal與水凝膠Nap-Phe-Phe-Tyr（NapFFY）共同組裝，獲得了一種新的超分子水凝膠V1-Cal/NapFFY。研究發現，該水凝膠可以明顯增強V1-Cal在心肌梗塞大鼠模型中減少心室重構和改善心功能的治療效果。體外實驗表明，V1-Cal與NapFFY的共同組裝大大增加了水凝膠的機械強度，使V1-Cal的持續釋放時間超過兩周。體內實驗表明從V1-Cal/NapFFY水凝膠中持續釋放V1-Cal可以有效減少TRPV1的表達和激活，減少細胞凋亡和MI大鼠模型中炎癥因子的釋放。特別是，V1-Cal/NapFFY水凝膠能顯著減少梗死面積和纖維化，同時改善MI后28天的心臟功能。這種V1-Cal/NapFFY水凝膠預期在將來可以用于臨床治療MI。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134450

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具有可調粘性和微孔結構的仿生糖肽水凝膠用于快速止血和高效的傷口愈合

Biomimetic Glycopolypeptide Hydrogels with Tunable Adhesion and Microporous Structure for Fast Hemostasis and Highly Efficient Wound Healing

  摘要：

盡管第一代組織粘合劑和止血劑已經應用于臨床，但人們對水凝膠的微觀結構和止血功能與傷口愈合之間的相關性了解不多，而且難以設計出高性能的水凝膠來滿足世界范圍內日益增長的傷口閉合、止血和愈合的需求。受細胞外基質微觀結構和貽貝模擬化學的啟發，上海交通大學董常明教授等制備了兩種協調共價的糖多肽水凝膠，具有可調節的組織粘附強度（14.6-83.9 kPa）和微孔結構（8-18 μm），溶血率低于1.5%。值得注意的是，微孔的大小主要控制著止血，與纖維蛋白膠和其他水凝膠相比，具有16-18 μm大孔的水凝膠實現了≈14秒的最快止血和≈6%的最低血液損失。此外，通過溶血、細胞毒性、皮下植入、止血和愈合試驗評估，生物相容性和止血都影響傷口愈合性能。重要的是，糖多肽水凝膠處理的大鼠皮膚缺損模型在第14天就實現了傷口的完全閉合，并再生出厚實的真皮和表皮，還有一些毛囊。因此，這項工作建立了一種通用的方法來構建具有可調控的粘附性和微孔結構、快速止血和卓越愈合功能的糖多肽水凝膠，也揭示了設計高性能止血和愈合水凝膠的有用原理。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202105628

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參考文獻：

[1] Fu, K., H.G. Wu, and Z.Q. Su, Self-assembling peptide-based hydrogels: Fabrication, properties, and applications. Biotechnology Advances, 2021. 49.

[2] Jonker, A.M., D.W.P.M. Lowik, and J.C.M. van Hest, Peptide- and Protein-Based Hydrogels. Chemistry of Materials, 2012. 24(5): p. 759-773.

[3] Zhang, Y.S. and A. Khademhosseini, Advances in engineering hydrogels. Science, 2017. 356(6337).

[4] 劉群峰 and 原波, 多肽水凝膠的研究進展. 現代化工, 2011. 31(02): p. 29-33.

[5] Ding, X., et al., Synthetic peptide hydrogels as 3D scaffolds for tissue engineering. Advanced Drug Delivery Reviews, 2020. 160: p. 78-104.

[6] Zhang, Z.H., et al., Peptide-based supramolecular hydrogels for local drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews, 2021. 174: p. 482-503.

[7] Li, H., X.D. Shi, and J.L. Li, Self-Assembled Peptide Hydrogel for Biomedical Applications. Progress in Chemistry, 2022. 34(3): p. 568-579.

[8] 戴江東, 環境響應性自組裝多肽水凝膠的研究進展. 江蘇科技信息, 2020. 37(13): p. 30-34.

[9] Gao, Y.S., K. Peng, and S. Mitragotri, Covalently Crosslinked Hydrogels via Step-Growth Reactions: Crosslinking Chemistries, Polymers, and Clinical Impact. Advanced Materials, 2021. 33(25).

[10] Correa, S., et al., Translational Applications of Hydrogels. Chemical Reviews, 2021. 121(18): p. 11385-11457.