邢成芬 郭婧琦 高冬 袁宏博

摘要 水凝膠是一種在水中能發(fā)生溶脹并且具有穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物材料，因其具有高含水量、高柔韌性以及良好的生物相容性等特點而廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的水凝膠的力學(xué)性能較差，限制了水凝膠更深層次更廣泛的應(yīng)用，因此近幾十年來科學(xué)家們一直致力于探索和研究該熱點問題。聚異腈多肽水凝膠作為一種具有良好的生物相容性、溫敏性以及與生物聚合物類似的應(yīng)力剛化性能的新型合成聚合物材料克服了傳統(tǒng)水凝膠的力學(xué)性能較差及組織粘附力弱等方面的不足，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的許多方面如傷口敷料、組織工程支架、藥物輸送以及細胞三維培養(yǎng)等得到應(yīng)用。因此，本文綜述了聚異腈多肽的結(jié)構(gòu)功能特點以及其應(yīng)用研究進展，并且對其今后的發(fā)展方向進行展望。

關(guān) 鍵 詞 水凝膠；聚異腈多肽；刺激響應(yīng)；多功能性；生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

中圖分類號 O632.62 文獻標志碼 A

0 引言

水凝膠是一種以水或者生物液體為分散介質(zhì)，能在其中發(fā)生溶脹行為并保持大量的水分、穩(wěn)定的尺寸以及維持物理化學(xué)機械性能的具有良好的生物相容性、高孔隙率和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物材料[1-2]。水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)間隙中存在流動的水分子；此外，水凝膠對氧氣、營養(yǎng)素和其他水溶性代謝物具有高滲透性，從而使一些小分子也可以以水為分散介質(zhì)在三維網(wǎng)絡(luò)中進行信息和物質(zhì)的傳遞。然而，這種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不會由于水凝膠具有親水的基團或者水溶性的結(jié)構(gòu)而發(fā)生破壞[3]。水凝膠具有類似于軟組織的物理特性。同時，水凝膠通常會對外界環(huán)境的刺激做出相應(yīng)的反應(yīng)，如溫度、pH、離子強度、溶劑、電場和光等[4]。因此，近年來水凝膠作為智能材料被廣泛應(yīng)用于藥物釋放體系、生物傳感器、組織工程、醫(yī)學(xué)診斷和治療等領(lǐng)域[5-8]。但是，傳統(tǒng)的水凝膠存在不易降解、力學(xué)性能較低、組織粘附力弱等不足，極大地限制了水凝膠更深層次更廣領(lǐng)域的應(yīng)用，因而制備能夠克服傳統(tǒng)水凝膠的劣勢的新型水凝膠材料具有十分重大的意義。

近年來，荷蘭奈梅亨大學(xué)Rowan團隊設(shè)計制備出一種新型的仿生水凝膠，即聚異腈多肽（Polyisocyanopeptide， PIC）水凝膠[9]，這種水凝膠由手性氨基酸修飾的異氰單體聚合而成，并且克服了傳統(tǒng)水凝膠的不足。因為PIC具有良好的生物相容性、可調(diào)控的溫度響應(yīng)性、穩(wěn)定的螺旋骨架、半柔半剛特性、多孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、其他人工合成的聚合物不具備的生物聚合物類似的應(yīng)力剛化性能以及可以模擬細胞周圍復(fù)雜的機械環(huán)境等優(yōu)勢，已經(jīng)應(yīng)用于細胞三維培養(yǎng)、多功能刺激響應(yīng)體系、組織工程支架、傷口敷料、光伏器件材料、醫(yī)學(xué)診斷和免疫治療等領(lǐng)域，并取得了突出的成果[10-11]。本文概述了聚異腈多肽水凝膠的結(jié)構(gòu)功能特點及近年來的應(yīng)用研究進展。

1 聚異腈多肽的結(jié)構(gòu)功能特點

聚異腈多肽作為一種新型的合成聚合物具有獨特的結(jié)構(gòu)和突出的功能特點，主要包括穩(wěn)定的螺旋骨架、溫敏性凝膠化性質(zhì)、多孔微觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)力剛化效應(yīng)[12]。

1.1 穩(wěn)定的螺旋骨架

聚異腈類聚合物是一類典型的螺旋聚合物，經(jīng)手性氨基酸修飾的異腈單體在聚合時被氨基酸的手性中心誘導(dǎo)而形成具有手性的右手螺旋超分子結(jié)構(gòu)。由于聚合物骨架上側(cè)鏈的多肽結(jié)構(gòu)單元間的氫鍵相互作用有效地提高了消旋勢壘，導(dǎo)致聚合物被固定為具有一定剛性的穩(wěn)定的41螺旋聚合物（骨架為螺旋結(jié)構(gòu)），成功模擬了自然界蛋白質(zhì)和雙鏈DNA的β-螺旋結(jié)構(gòu)，這種螺旋結(jié)構(gòu)具有相對較高的反轉(zhuǎn)屏障（如圖1所示）[13-14]。以這一完美的骨架作為支架可以引入各種官能團從而實現(xiàn)該聚合物的多種功能化修飾，為構(gòu)建不同性能、不同種類和不同空間取向的螺旋結(jié)構(gòu)超分子提供了可能。本課題組通過增加螺旋聚異腈多肽中疏水相互作用以及氫鍵相互作用有效地提高了水凝膠的熱穩(wěn)定性，使其可長時間承受高達80 ℃的高溫[15]，這有助于理解和發(fā)展熱穩(wěn)定性高的仿生材料。

1.2 溫敏性凝膠化性質(zhì)

在聚異腈多肽螺旋結(jié)構(gòu)的主鏈上連接具有溫敏屬性的低聚乙二醇支鏈制備具有溫敏性質(zhì)和水溶性的仿生聚合物水凝膠，這種熱誘導(dǎo)導(dǎo)致的凝膠形成歸因為柔性低聚乙二醇尾部間的疏水相互作用。聚異腈多肽水凝膠的溶液-凝膠轉(zhuǎn)變十分迅速（通常以秒為單位）且完全可逆。當溫度達到成膠溫度以上時，聚異腈多肽在極低的濃度下即可形成凝膠態(tài)（如圖2所示）[16]。當聚合物主鏈連接三甘醇鏈（即3OEG-PIC）時，溶液-凝膠轉(zhuǎn)變在19 ℃左右，即室溫下就能發(fā)生相變成膠，可用于細胞培養(yǎng)及短的寡核苷酸與其互補鏈結(jié)合的傳感檢測；當聚合物主鏈連接四甘醇鏈（4OEG-PIC）時，其相轉(zhuǎn)變發(fā)生在40 ～ 45 ℃之間，即在生理學(xué)相關(guān)溫度下完全溶解，可作為合成聚合物的優(yōu)異支架。本課題組通過調(diào)控連接低聚乙二醇的長度可以靈活精確地調(diào)控水凝膠的成膠溫度在10 ～ 60 ℃范圍內(nèi)[17]。

1.3 多孔微觀結(jié)構(gòu)

對于肌動蛋白或者中間絲類的生物凝膠，分子鏈的捆綁由結(jié)合蛋白或者二價金屬離子決定，但是對聚異腈多肽水凝膠而言，聚合物鏈的捆綁是熱活化的。當溫度低于成膠溫度時，聚合物的分子鏈彼此獨立存在；當溫度升高到成膠溫度以上時，聚異腈多肽的分子鏈通過疏水作用發(fā)生纏結(jié)和捆綁形成多孔的、半柔性的三維纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如圖3所示）[14]，這種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的空隙大小直接由聚異腈多肽的濃度決定。選擇性交聯(lián)是制造具有受控構(gòu)架仿生網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵步驟，Schoenmakers等[18]通過選擇性交聯(lián)聚異腈多肽分子鏈上的指定位點可以制備具有受控構(gòu)架的三維仿生網(wǎng)絡(luò)。

1.4 應(yīng)力剛化效應(yīng)

良好的機械性能對水凝膠的應(yīng)用具有十分重要的意義。聚異腈多肽水凝膠具有與細胞內(nèi)和細胞外的絲狀生物聚合物（如肌動蛋白、膠原、纖維蛋白和神經(jīng)微絲等）相似的應(yīng)力剛化性質(zhì)，即隨著外界應(yīng)力的增強，聚異腈多肽水凝膠的強度增加（如圖4所示），同時這種聚合物的機械性能可通過聚合物的鏈長、聚合物的濃度以及外界溫度而調(diào)控[16]。通常人工合成的具有生物相容性的水凝膠材料（如聚丙烯酰胺和聚N-異丙基丙烯酰胺等）則沒有這種應(yīng)力剛化的機械性能[19]，因此聚異腈多肽水凝膠能夠模擬細胞骨架的構(gòu)成成分——中間絲，有助于保護組織免于破裂、進行長距離的細胞間通訊、模擬細胞外基質(zhì)和細胞生長的真實微環(huán)境，為制備應(yīng)力敏感的材料提供思路。

2 聚異腈多肽水凝膠的應(yīng)用研究進展

水溶性聚異腈多肽是一種新的具有數(shù)百納米長度的合成水凝膠，因其具有穩(wěn)定的螺旋構(gòu)象、多孔的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、溫敏性、應(yīng)力剛化效應(yīng)、生物相容性、穩(wěn)定性和半柔性等性質(zhì)，可以模擬細胞外基質(zhì)中復(fù)雜的機械環(huán)境和天然的蛋白微絲及細胞骨架等，也可以與其他生物材料或者聚合物組裝形成多功能材料。本文主要從三維細胞培養(yǎng)、組織工程支架、傷口敷料和刺激響應(yīng)復(fù)合體系等方面介紹聚異腈多肽水凝膠的應(yīng)用。

2.1 聚異腈多肽水凝膠用于三維細胞培養(yǎng)

細胞周圍環(huán)境（如細胞外基質(zhì)）中的分子和機械性能對細胞的功能至關(guān)重要[20]。盡管傳統(tǒng)的二維細胞培養(yǎng)體系極大地促進了我們對復(fù)雜生物現(xiàn)象的理解，但它無法取代真實體系中細胞周圍環(huán)境與細胞發(fā)生的重要相互作用，因而無法深入地理解細胞內(nèi)復(fù)雜的真實情況[21-22]。而三維細胞培養(yǎng)體系能模擬細胞間及細胞與細胞外基質(zhì)間的生理作用[23-24]，因而有利于正確理解疾病的致病機理并且采取有效的治療手段[25]。

Das等[19]將三乙二醇官能化的聚異腈多肽用細胞粘附肽GRGDS修飾并將人骨髓間充質(zhì)干細胞（hMSCs）封裝包裹于其中，這種水凝膠（3OEG-PIC-GRGDS）能模擬成人干細胞壁龕的剛度并顯示生物聚合物類似的應(yīng)力硬化效應(yīng)。人骨髓間充質(zhì)干細胞在三維聚異腈多肽水凝膠中能夠定向和分化，僅通過改變應(yīng)力剛化的開始即可容易地使其從脂肪生成轉(zhuǎn)變?yōu)楣巧桑ㄈ鐖D5所示），這種機械性能可以通過改變材料的聚合物長度并保持其剛度和配體密度而調(diào)節(jié)。該項工作提供了一個新的模型來研究應(yīng)力剛化這種生理學(xué)重要參數(shù)對封裝在三維微環(huán)境中的細胞的影響。

Zimoch等[26]證明成纖維細胞、內(nèi)皮細胞、脂肪干細胞和黑色素瘤細胞可在GRGDS修飾優(yōu)化的三維PIC水凝膠中存活、生長和分化。利用水凝膠的熱敏性質(zhì)可以快速溫和地回收活細胞，從而避免了酶的使用以及耗時的消化步驟。同時，這種水凝膠可以支持毛細血管等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的體外自發(fā)形成以及脂肪分化。在3OEG-PIC-GRGDS水凝膠中生長的人體器官結(jié)構(gòu)可以成功地移植到免疫缺陷的大鼠的皮下，并在大鼠身上存活并整合到周圍的組織中，因此可廣泛地用于生物醫(yī)學(xué)研究。

2.2 聚異腈多肽水凝膠用于組織工程支架

生物材料制成的組織工程支架作為微環(huán)境中的遞送工具廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在體內(nèi)它們可以用于生物活性分子的釋放[27-28]或指示細胞定位對細胞施加時空控制[29-30]。因此這種支架可以作為誘導(dǎo)強烈的和持久的藥物傳遞系統(tǒng)或者抗癌免疫反應(yīng)的工具用于提高疾病以及癌癥免疫療法的功效[31-32]。

Weiden等[33]利用水溶性聚異腈多肽在生理溫度下可以由熱誘導(dǎo)成膠的性質(zhì)，通過注射技術(shù)進行微創(chuàng)遞送腫瘤特異性T細胞。即使在高細胞密度時，螺旋聚異腈多肽水凝膠（3OEG-PIC）也可以使T細胞在體外存活并劇烈擴增，利用其熱響應(yīng)性可以快速回收T細胞?；煊蠺細胞的PIC水溶液通過皮下注射立即凝膠化形成三維構(gòu)架，并能在局部保持至少四周而不引起任何炎癥。T細胞從水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)中出來并遷移到遠處的組織或者器官，這為改善現(xiàn)有的過繼性T細胞治療策略提供思路。

Wang等[34]將PIC水凝膠作為脂氧素A4（LXA4）的注射載體支架，應(yīng)用于牙周的局部藥物輸送。LXA4可以預(yù)防牙周骨質(zhì)流失和促進牙周再生，而不會引起傳統(tǒng)的抗炎的拮抗劑治療產(chǎn)生的多重副作用。當PIC與磷酸鹽緩沖液（PBS）一起孵育后，PIC能保持凝膠完整性至少兩周并且能夠以持續(xù)的方式釋放LXA4，同時保持生物活性并具有細胞相容性。這項工作表明PIC水凝膠適用于預(yù)期的牙周應(yīng)用，在臨床治療牙周炎方面具有潛力。

Mandal等[35]發(fā)展了一種新的抗體功能化的、半柔性的、具有可控的持久長度和高度的立構(gòu)規(guī)整性的絲狀聚合物，作為新型的遞送體系用于免疫療法。將可活化T細胞的抗CD3抗體修飾PIC作為合成的樹突細胞（sDC）。PIC半柔半剛的性質(zhì)使得sDC上的效應(yīng)分子全部結(jié)合在T細胞上并且高效激活T細胞（如圖6所示），這比游離抗體或者剛性的球狀聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）有更低的T細胞激活濃度，并且可誘導(dǎo)更強更持久的T細胞應(yīng)答。有望作為癌癥免疫治療的高效納米疫苗，為抗癌的臨床應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

2.3 聚異腈多肽水凝膠用于傷口敷料

燒傷、手術(shù)或者創(chuàng)傷可能導(dǎo)致嚴重的傷疤形成和功能受損[36]，需要及時地盡量減少出血、摧毀感染物質(zhì)以及清理壞死組織的傷口，最后促進組織修復(fù)和再生[37]。然而，目前大多數(shù)的傷口敷料并不理想，需要定期更換，但這會造成傷口的二次傷害并干擾組織的修復(fù)。

Veld等[38]直接將PIC作用于小鼠的全層背部皮膚傷口上作為傷口敷料，由于PIC具有良好的生物相容性、溫敏性、與膠原和纖維蛋白類似的機械性能以及可以模擬細胞外微環(huán)境的優(yōu)勢，PIC在小鼠的皮膚傷口上原位成膠并且在沒有額外支撐的情況下保持與傷口粘附，最終導(dǎo)致傷口愈合而不引起異物反應(yīng)或炎癥。同時由于PIC的可逆熱響應(yīng)行為，PIC凝膠易于去除，從而為發(fā)展新型的傷口敷料開辟了道路。

2.4 聚異腈多肽水凝膠用于刺激響應(yīng)復(fù)合體系

刺激響應(yīng)水凝膠在材料科學(xué)界得到了很多關(guān)注，廣泛應(yīng)用于藥物輸送、熒光傳感和仿生材料等[39-41]。

本課題組通過疏水相互作用將水溶性共軛聚合物PFBT與3OEG-PIC水凝膠組裝成多重刺激響應(yīng)超分子復(fù)合水凝膠組裝體SA[42]，其具有共軛聚合物的光捕獲熒光特性以及熒光信號放大特性[43]和水溶性PIC的良好機械性能及溫敏性。CO2的存在可引發(fā)PFBT分子內(nèi)部從芴單元到BT位點的能量轉(zhuǎn)移；碳酸酐酶的催化使CO2和HCO3-相互轉(zhuǎn)化從而引起SA的熒光能量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了復(fù)合水凝膠的多重刺激響應(yīng)檢測（如圖7所示）。

Deshpande等[44]將單鏈DNA結(jié)合到PIC上，設(shè)計制備了一種具有可調(diào)控剛性的DNA響應(yīng)水凝膠。復(fù)合水凝膠的剛度以及臨界應(yīng)力可通過溫度和DNA交聯(lián)劑的濃度方便地調(diào)整。在高溫下，利用PIC的溫敏性形成疏水性捆綁的應(yīng)力剛化三維網(wǎng)絡(luò)；在低于PIC的溶液-凝膠轉(zhuǎn)變溫度下，通過DNA鏈交聯(lián)控制凝膠形成。此外，通過在橋接DNA上添加位點可允許完全雙向地控制材料的機械性能。這項工作擴展了合成水凝膠材料的多功能性和可控性，在生物醫(yī)學(xué)以及材料科學(xué)領(lǐng)域具有良好的前景。

2.5 其他應(yīng)用

Dongen等人將T4噬菌體DNA聚合酶Ⅲ的鉗位蛋白（gp45）與剛性的聚異腈多肽類聚合物（PIAA和PIAAA）組裝作為一種仿生數(shù)據(jù)編碼系統(tǒng)[45]。由于PIAA和PIAAA的構(gòu)象與雙鏈DNA的螺旋構(gòu)象相似，可以與gp45在空間上很好地結(jié)合并且具有一定的相互作用。同時，組裝體中的gp45與DNA結(jié)合從而促進DNA聚合酶的DNA復(fù)制過程，為開發(fā)生物催化DNA編碼系統(tǒng)提供思路。

Li等[41]設(shè)計制備了一種新的在CDCl3中可形成溶致性液晶的螺旋聚異腈多肽類聚合物（L，L-PIAF-OBn），其肽側(cè)鏈中酰胺和羰基之間形成的氫鍵實現(xiàn)了螺旋結(jié)構(gòu)的額外穩(wěn)定化。由于L，L-PIAF-OBn的優(yōu)異溶解性和內(nèi)在的低粘度，可以通過窄線獲得高質(zhì)量的NMR光譜，從而作為一種新型的介質(zhì)去獲取有機分子的殘余偶極耦合（RDC）。

Schwartz等[46]發(fā)現(xiàn)取代有二萘嵌苯的聚異腈多肽的結(jié)構(gòu)有利于電子傳輸，并且具有極高的激子遷移速率和電荷密度，有望用于薄膜晶體管和光伏器件。指定具有光學(xué)、電學(xué)、催化活性的官能團的空間位置在預(yù)定的位置，有望用于催化學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Foster等[47]證明了與二萘嵌苯單獨存在相比，取代有二萘嵌苯的聚異腈多肽光伏器件在功率轉(zhuǎn)換方面有數(shù)量級的改進，因此有望將聚異腈多肽鏈作為分子模板應(yīng)用于其他光伏材料，如聚噻吩和富勒烯體系等。

從目前的研究結(jié)果來看，聚異腈多肽在進行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾、材料復(fù)合來調(diào)控其物理、生物等性能方面有非常大的優(yōu)勢。在今后的材料發(fā)展中，有希望在聚異腈多肽單體的端位進行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾，引入具有靶向生物識別、多重刺激響應(yīng)的化學(xué)基團，從而使其在生物識別以及細胞和組織響應(yīng)性等方面得到應(yīng)用。另外，由于其具有較好的生物相容性以及可塑性，有望與其他具備生物功能的無機、有機材料或者高分子共聚組裝，得到具有多重功能的生物材料，應(yīng)用于生物領(lǐng)域或者其他領(lǐng)域的更多方面。

3 結(jié)語

聚異腈多肽作為一種新型的多功能的高分子材料，由于其具有良好的生物相容性、可調(diào)控的溫度響應(yīng)性、高孔隙率、類似蛋白質(zhì)和DNA的穩(wěn)定β-螺旋構(gòu)象、半柔半剛性質(zhì)以及生物聚合物類似的應(yīng)力剛化效應(yīng)，改進了傳統(tǒng)水凝膠機械性能較差、組織粘附力較弱等不足，擴展了水凝膠材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用，在三維細胞培養(yǎng)、組織工程支架、傷口敷料以及刺激響應(yīng)復(fù)合體系等方面已經(jīng)得到了應(yīng)用并且表現(xiàn)出了優(yōu)良的特性，具有良好的應(yīng)用前景和潛力。在未來的研究中，研究者可以結(jié)合先進的科學(xué)技術(shù)，同時進一步通過物理化學(xué)方法改進聚異腈多肽的結(jié)構(gòu)和生物性能，進而擴展聚異腈多肽水凝膠在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]