《Adv. Mater.》:用于心脏组织工程的多肽基导电抗菌凝胶材料



超分子材料通过非共价相互作用自组装,以实现特定功能。这些可逆的非共价作用为材料提供了层级结构,赋予材料有序与动态的特征,以模拟生命系统。其中,水凝胶为超分子材料的重要部分。而基于短肽的水凝胶由于其优异的生物相容性、高保水量与高凝胶化倾向,具有广阔的应用前景。但较差的机械稳定性阻碍了其发展。为此,引入超分子3D基质,通过纳米工程等手段能够有效地解决机械性能不足的问题。同时,引入特定的超分子纤维能够赋予凝胶导电性能,提供独特的生物学功能。


本文中,作者开发了一种基于短肽RGD与聚苯胺(PAni)的超分子纤维复合水凝胶。该材料具有优异的机械稳定性,能够支持纤维细胞于表面的黏附与生长,同时也具有抗菌性与导电性能。

作者首先合成了肽段Fmoc-K(Fmoc)-RGD。该肽段能够在低浓度下(0.5% w/v)下形成透明的凝胶。透射电子显微镜(TEM)表征表明,其由缠结的纳米纤维组成,证明了其为超分子凝胶(图1b)。流变结果表明,凝胶在一小时内形成,储能模量高达5 kPa(图1c-d)。同时,上述凝胶具有一定的自愈特征,能够在大应变下转变为溶胶状态,并在应变于线性粘弹区时发生重组(图1f-g)。傅里叶变换红外光谱(FTIR)和荧光光谱表明凝胶内部存在的β-折叠特征与Fmoc基团的π–π堆积(图1h-j)。



1. 本文的水凝胶设计


此外,分子动力学(MD)模拟也证实了凝胶的自组装过程。其中,Fmoc基团之间的π–π堆积在聚集体内部形成疏水核心,对于水凝胶骨架的形成起到重要作用。同时,RGD链段间的接触在前期迅速增加,其相互作用对于凝胶的形成也有较大意义。而纤维形成后,RGD链段保留在纤维表面,使其仍然具有优异的细胞黏附能力。 


接下来,作者研究了该多肽凝胶的细胞相容性,发现该凝胶能够较好地支持成纤维细胞,帮助其黏附、扩散与增殖。为了进一步将上述凝胶用于生电细胞培养中,作者希望加入PAni网络,得到复合导电凝胶(图2a)。复合凝胶的TEM表明多肽纳米纤维与PAni在网络结构中的共存(图2b)。PAni的复合并未改变凝胶的机械性能、自修复性质与生物相容性能(图2d-g),相对的,PAni的复合给凝胶带来了诸多优势。该凝胶具有半导体特性,最高电流达到约0.4 μA(图2c)。引入的带正电荷的PAni链段使其能够与DNA结合,从而具有作为DNA固定材料的潜力(图2h)。此外,PAni的抗菌性能使得凝胶能够抑制细菌生长。


2.  PAni-多肽复合凝胶的性能


上述诸多优势使得该复合凝胶是一种极佳的生电细胞组织培养支架(图3a)。心脏细胞外基质(ECM)由分层组织的纤维网络组成,肌内膜纤维为直径达数十纳米至百纳米的原纤维网状结构,围绕心肌细胞,与细胞骨架蛋白形成相互作用。本设计中的纳米纤维凝胶能够模拟肌内膜纤维。同时,心肌细胞为生电细胞,能够在电信号下发生自发收缩,干扰电信号以发生各向异性的传递。作者希望,PAni的引入能够改善心肌细胞的电交流。为此,作者将从新生大鼠中提取的心肌细胞接种于复合凝胶中,培养7日后,细胞保持较高活力(图3b),同时α-肌动蛋白和肌钙蛋白明显表达(图3c)。此外,为研究凝胶中的心肌细胞的细胞功能,作者将其与钙敏感染料一同孵育,发现凝胶表面细胞表现出自发与同步的收缩行为,同时钙信号通过水凝胶表面传播(图3d-g)。此外,在自然电信号传播的反方向上施加电刺激后,能够观察到电信号的反转(图3h-k)。由此,复合凝胶是支持心肌细胞生长并发挥功能的极好基质。

3. 复合凝胶支持心肌细胞的生长


综上,本文报道了一种基于RGD的从头设计的多肽凝胶,并通过纳米工程将其与PAni复合。得到的复合凝胶具有自我支持、自我修复的特征,同时具有导电和抗菌性能,能够支持心肌细胞生长并发挥功能。该凝胶具有广阔的生物应用前景,例如体外心脏支架培养或药物筛选。


该研究以“Nanoengineered Peptide-Based Antimicrobial Conductive Supramolecular Biomaterial for Cardiac Tissue Engineering”为题发表于Advanced Materials上。本文的通讯作者为以色列特拉维夫大学的Ehud Gazit教授


原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008715


相关进展

东华大学俞建勇院士、丁彬研究员团队《Adv. Funct. Mater.》:在陶瓷纳米纤维增强离子导电水凝胶方面取得新进展

南方医科大学邱小忠教授团队:一种具有微观均质导电率的自修复离子水凝胶心肌补片用于修复心肌梗死

天津大学张雷教授课题组CEJ:长效抗冻、保湿和自再生离子导电水凝胶

西南交大鲁雄/谢超鸣团队:仿贻贝纳米酶用于构建粘附、导电、抗菌和自成型水凝胶生物电子

免责声明:部分资料来源于网络,转载的目的在于传递更多信息及分享,并不意味着赞同其观点或证实其真实性,也不构成其他建议。仅提供交流平台,不为其版权负责。如涉及侵权,请联系我们及时修改或删除。邮箱:info@polymer.cn

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群,请先加审核微信号PolymerChina (或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。

这里“阅读原文”,查看更多