Coordination Chemistry Reviews: 自组装多肽纳米材料结构、功能调控及生物医学应用最新进展

一、【背景介绍】  

多肽作为支持各种生物和生理活性的基本成分，在结构上由通过酰胺键顺序连接的氨基酸单体组成。多肽分子具有高度的设计灵活性、优异的生物相容性、可调节的形态和可生物降解性，这些特性使多肽成为制备活性生物材料和医疗器械的绝佳选择。基于多肽分子的杂化纳米材料的设计和合成为各种生物医学应用提供了广阔的前景。通过整合不同的多肽基材料，可以有效地设计和构建各种自组装多肽基杂化纳米材料系统，以满足生物医学应用的特殊需求。

在多肽纳米材料的合成中，其结构和功能调控尤为重要。例如，在多肽自组装过程中，可以根据定制多肽序列合成理想尺寸的纳米结构。此外，外部环境的调节也可以作为调控多肽纳米材料自组装过程的有效措施，从而实现后续杂化材料所需的尺寸和形貌。通过调节分子间内部相互作用和外部环境来调控多肽的自组装行为，可以轻松实现不同形貌的多肽纳米材料的合成。更重要的是，通过外部环境的调节可以实现多肽纳米材料形貌的实时转变。此外，通过内部设计和外部调节，多肽分子还可以与无机纳米粒子、蛋白质、DNA、生物膜脂质结构以及金属等相互作用，结合多肽分子的特殊自组装能力，可以轻松获得性能优化、结构良好的自组装多肽杂化纳米材料。

最近，青岛大学附属医院西永明教授团队与青岛大学化学化工学院魏刚教授（泰山学者青年专家）团队以及青岛大学物理学院韩萍副教授合作，在国际高水平综述杂志Coordination Chemistry Reviews发文，对自组装多肽纳米材料和结构、功能调控策略以及在生物医学应用领域的最新进展进行了评述。

二、【研究亮点】

本工作展示了关于多肽自组装和仿生合成相结合的进展报告，以定制针对生物医学应用的多肽纳米材料的结构和功能。通过结构和功能调控，多肽基纳米材料表现出增强的化学、物理和生物特性，极大地促进了其在生物医学领域的潜在应用（如图1所示）。

图1  多肽分子自组装调控、仿生合成、生物医学应用总览。  © Elsevier 2023

该工作的亮点包括：

展示了多肽分子自组装纳米材料在生物医学领域的最新进展

探讨了各种通过调控自组装体系内部和外部相互作用合成功能多肽纳米材料的方法

总结了通过仿生合成策略调控自组装多肽纳米材料功能的策略

三、【研究内容】

通过不同的自组装机制和内部/外部环境调节可以实现不同形态的多肽纳米结构。驱动多肽分子自组装行为的内部相互作用主要包括静电相互作用、氢键和π-π相互作用（图2）。通过调节自组装体系的外部环境及作用力，如溶液pH值、温度、离子强度或者加入酶、有机溶剂等也可以有效的调控多肽纳米材料的结构和性质（图3）。需要指出，一些多肽的自组装过程中可能会发生一种或多种内部/外部相互作用。

图2  通过调节多肽分子间内部相互作用对自组装多肽纳米结构进行调控。 © Elsevier 2023

图3  通过调节外部作用力对多肽自组装及结构进行调控。 © Elsevier 2023

多肽分子在不同的pH环境下表现出不同的化学、生物、物理学性质，因此可以通过共价、非共价相互作用以及生物特异性识别与其他材料相结合，这是一种非常简单方便的功能纳米材料的合成策略。此外，辅以仿生合成新方法，可以对自组装多肽纳米材料的功能进行有效调控。图4展示了多肽纳米结构与不同纳米材料的有效结合及用于功能纳米复合材料仿生合成的途径。

图4  通过仿生合成制备多肽基纳米材料实现对材料功能的有效调控。 © Elsevier 2023

基于自组装多肽纳米材料的可调控结构和功能，其可广泛应用于生物医学领域，包括生物传感器、生物成像、光热/光动力治疗（图5）、组织工程、药物/基因传递（图6）以及抗菌材料等。

图5  多肽基纳米材料用于癌症光热及光动力学诊疗。 © Elsevier 2023

图6  多肽基纳米材料用于药物/基因传递和疾病诊疗。 © Elsevier 2023

 四、【结论与展望】

多肽基纳米材料的生物相容性可以更容易地被细胞或组织吸收，因此无论是在药物释放、细胞成像还是光治疗方面，都可以更加准确有效。多肽自组装过程的可控性为开发多形貌、多功能、多用途的多肽基杂化纳米材料奠定了良好的基础。多肽强大的自组装能力赋予其丰富的多样性，可以实现从内到外的精细调控。它不仅可以降低不同维度纳米材料合成的时间成本，而且可以很大程度上提高合成效率。多肽链上丰富的氨基酸侧链基团在与其他物质的结合过程中发挥着非常重要的作用，是杂化纳米材料合成的理想桥梁和平台。源于生物学的用途，多肽基杂化纳米材料由于其良好的生物相容性和可降解性，在生物医学和环境保护方面具有广泛的应用潜力。

该研究领域未来的研究可以包括：（1）疾病相关多肽序列的自组装行为和机理；（2）利用计算机模拟及人工智能深入理解多肽分子自组装行为；（3）多肽分子序列设计及剪切技术；（4）3D结构多肽纳米水凝胶及气凝胶设计合成。

原文详情：

论文题目：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 （青岛大学化学化工学院与青医附院联合培养硕士研究生）

通讯作者：韩萍；西永明；魏刚

通讯单位：青医附院/青岛大学化学化工学院/青岛大学物理学院

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ccr.2023.215374

本文由作者供稿