摘 要 近年來,苯丙氨酸二肽類分子的自組裝研究受到了廣泛關(guān)注,已成為超分子化學(xué)、生物材料科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域之一。苯丙氨酸二肽類納米組裝體因具有結(jié)構(gòu)多樣、易功能化以及良好的生物相容性等優(yōu)點,在納米制造、組織修復(fù)等方面展示出巨大的應(yīng)用潛力。本文從分子設(shè)計、組裝結(jié)構(gòu)調(diào)控與材料應(yīng)用三個層次系統(tǒng)綜述了苯丙氨酸二肽類分子自組裝的研究進展。首先總結(jié)了苯丙氨酸二肽類分子的修飾改性,包括乙;、芳香環(huán)、氨基酸、短肽等基團。然后,重點介紹了苯丙氨酸二肽類分子自組裝的調(diào)控策略和方法,如溶劑、界面、氣相、多組分共組裝和酶催化組裝。最后,介紹了苯丙氨酸二肽類自組裝材料在納米材料合成、傳感檢測、藥物傳遞及組織修復(fù)等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀,并分析了該領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。
超分子自組裝是指分子在一定熱力學(xué)和動力學(xué)條件下通過非共價相互作用(如氫鍵、靜電作用、π⁃π 堆積、疏水作用等) 而自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的過程[1 ~ 5]。在生物體內(nèi),多肽、蛋白、核苷酸、磷脂等分子,均可通過自組裝形成有序的功能性高級結(jié)構(gòu)。借鑒生物體內(nèi)的這種自組裝現(xiàn)象,國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計合成了大量不同序列的多肽類分子,進而自組裝成多肽類納米結(jié)構(gòu)[2, 4 ~ 9]。
2003 年,以色列科學(xué)家 Gazit 研究小組發(fā)現(xiàn)源自 Aβ 淀粉樣蛋白的核心片段———苯丙氨酸二肽(NH2⁃Phe⁃Phe⁃COOH,FF),在水溶液中可自組裝形成穩(wěn)定的納米管[10]。隨后,有大量研究報道了以FF 為組裝核心的分子修飾、新型肽類分子設(shè)計、組裝過程和結(jié)構(gòu)調(diào)控、材料性能強化和應(yīng)用探索等。其中,中科院化學(xué)所李峻柏研究小組設(shè)計了一種陽離子苯丙氨酸二肽,并在自組裝調(diào)控和材料應(yīng)用方面開展了系統(tǒng)的工作[1]。根據(jù) FF 二肽類分子結(jié)構(gòu)以及組裝條件的不同,可獲得量子點、納米球、納米/微米管、納米線、納米/ 微米囊、納米纖維/ 凝膠、納米管/ 納米線陣列等組裝體材料[1]。鑒于這些材料的獨特性能,如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定多樣、易修飾、生物相容性好、電子傳輸效率高等,其潛在的應(yīng)用研究亦受到高度關(guān)注,特別是在無機/ 有機納米材料合成、傳感檢測、藥物傳遞、組織修復(fù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
本研究小組近年來圍繞苯丙氨酸二肽類分子組裝開展了多項工作,包括二茂鐵⁃FF 分子設(shè)計與組裝調(diào) 控[12]、 溶 劑/ 界 面 調(diào) 控 FF 二 肽 組 裝[13 ~ 16]、Fmoc⁃FF / 多糖共組裝與藥物傳遞應(yīng)用[17] 等。結(jié)合這些研究工作,本文從分子設(shè)計、組裝結(jié)構(gòu)調(diào)控和材料應(yīng)用三個層次系統(tǒng)綜述了國內(nèi)外在苯丙氨酸二肽類分子自組裝方面的研究進展。特別地,針對近年來在該領(lǐng)域的最新發(fā)展,如界面調(diào)控、多組分共組裝、酶催化組裝、新應(yīng)用等,進行了介紹和分析。
2 苯丙氨酸二肽類分子設(shè)計
除了兩性苯丙氨酸二肽之外,中國科學(xué)院化學(xué)研究所李峻柏研究小組報道了一種陽離子苯丙氨酸二肽(NH2⁃Phe⁃Phe⁃NH2 ,圖 1)[18]。研究發(fā)現(xiàn),該分子在生理條件(pH = 7.2)下自組裝形成納米管,并可通過稀釋使二肽分子發(fā)生重排進一步組裝成納米囊。此外,還有文獻報道 D 型苯丙氨酸二肽(D⁃Phe⁃D⁃Phe)[19]、苯丙氨酸⁃α,β⁃脫氫苯丙氨酸二肽(NH2⁃Phe⁃ΔPhe ⁃COOH)[20]也可組裝成納米管結(jié)構(gòu)。
為了賦予苯丙氨酸二肽新的自組裝行為,并拓展組裝體的結(jié)構(gòu)和性能,二肽分子的化學(xué)改性引起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣。一方面,在苯丙氨酸二肽的氨基端修飾上特殊基團(圖 1),包括烷基類,如乙;ǎ粒⁃)、N⁃叔丁氧羰基(Boc⁃);巰基類,如半胱氨 酸 ( NH2⁃Cys⁃);芳 香 環(huán) 類, 如 N⁃芐 氧 羰 基(Cbz⁃)、萘乙酰基(Nap⁃)、N⁃芴甲氧羰基( Fmoc⁃)、二茂 鐵 羰 基 ( Fc⁃) 等。例 如, 自 1995 年 Vegners等[21]報道了 Fmoc 保護的氨基酸和二肽可形成水凝膠以來,Fmoc 基團被廣泛用于肽類超分子水凝膠體系的分子修飾。另一方面,在芳香環(huán)修飾的苯丙氨酸二肽基礎(chǔ)上,繼續(xù)修飾氨基酸,如在 Fmoc⁃Phe⁃Phe⁃COOH 上 修 飾 苯 丙 氨 酸 形 成 Fmoc⁃( Phe )3⁃COOH;在 Nap⁃Phe⁃Phe⁃COOH 上修飾 Lys⁃Tyr 形成Nap⁃(Phe)2⁃Lys⁃Tyr 等。
此外,研究發(fā)現(xiàn),在單一苯丙氨酸分子上修飾芳香環(huán)基團,如 Fmoc⁃Phe⁃OH[42],Fc⁃Phe⁃OH[43] 等,也能自組裝形成納米纖維和水凝膠。這進一步證實芳香環(huán)修飾基團之間的 π⁃π 堆積力是這類分子自組裝成纖維的關(guān)鍵作用力之一。
3 苯丙氨酸二肽類分子組裝調(diào)控
目前,已報道了多種方法來誘導(dǎo)苯丙氨酸二肽類分子自組裝。其中,一條途徑是將肽類分子溶解在堿性或酸性溶液中,再通過調(diào)節(jié) pH 值誘發(fā)組裝;此外,還可通過超聲或加熱的方法直接分散溶解肽類分子,然后在靜置或冷卻的過程中發(fā)生組裝。一般情況下,苯丙氨酸二肽類分子在中性(或弱酸、弱堿)和常溫條件下更利于組裝。其中,有些肽類分子的組裝對 pH 或溫度敏感,則可通過調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)來改變分子自組裝行為。例如,FF 分子在三氟乙酸中溶解后,再加氨水調(diào)節(jié) pH 值到 5.5 (等電點),可形成均一的納米線,而在水溶液中通過加熱⁃冷卻方法則組裝成了微管[44]。Kumaraswamy 等[45]進一步考察了 pH 為 4.0 ~ 10 范圍內(nèi) FF 組裝體結(jié)構(gòu)的變化,發(fā)現(xiàn)在 pH = 4.0 時形成納米管,直徑為35 ~ 60 nm,升高 pH 后組裝體尺寸增大到幾百納米到數(shù)微米。此外,通過調(diào)節(jié)溶液 pH 值也可實現(xiàn)Fmoc⁃FF 分子的可控組裝:在強堿條件( pH > 10.5)下,Fmoc⁃FF 發(fā)生解離而帶負電荷,因此溶解在水溶液中;當(dāng)降低 pH 值到 9.0 左右時,Fmoc⁃FF 發(fā)生自組裝,形成納米纖維和弱凝膠;進一步降低 pH 值到7.4,則組裝成由許多纖維構(gòu)成的扁平纖維帶,這些纖維帶進一步形成穩(wěn)定的水凝膠;當(dāng) pH 值降低到4.7 時,Fmoc⁃FF 組裝體發(fā)生聚集,透明水凝膠變?yōu)闇啙崛芤海郏矗,47]。這種 pH 和溫度響應(yīng)的自組裝行為可能與肽類分子在水溶液中的解離平衡有關(guān)。以FF 為例,強酸(如三氟乙酸) 可使氨基質(zhì)子化而帶正電,當(dāng)調(diào)節(jié) pH 值到等電點時,分子各帶一個正電荷和負電荷而成電中性,此時,靜電相互作用可能成為分子自組裝的主要驅(qū)動力;而提高溫度則主要促進羧基的解離而發(fā)生溶解,冷卻過程中,這種平衡被打破,但體系中離子強度低,導(dǎo)致多種非共價作用(特別是氫鍵)驅(qū)動分子自組裝。由于 FF 的自組裝機理至今尚不清晰,因此,本文僅根據(jù)文獻報道,結(jié)合基礎(chǔ)理論來推測其內(nèi)在調(diào)控機制。
FF 自組裝體系中已報道的有機溶劑有甲醇、乙腈、甲苯、氯仿、四氫呋喃等(表 2)。跟水的極性相比,甲醇極性更小,但也屬于強極性溶劑,具有很強的氫鍵供體或受體能力。Ryu 等[52]采用 HFIP 溶解FF 再稀釋到甲醇中( FF 最終濃度約 3 mg / mL),獲得了直徑大于 100 nm 的納米管結(jié)構(gòu);但 Amdursky等[53]采用同樣的方法在甲醇中卻發(fā)現(xiàn)了一種直徑只有 20 nm 左右的顆粒,當(dāng) FF 濃度為 8 mg / mL 時,該顆粒具有量子點的特性,即有明顯的激發(fā)波長(270 nm,半峰寬 < 10 nm) 和發(fā)射波長(290 nm)。本團隊采用加熱⁃冷卻的方法也考察了 FF 在甲醇中的自組裝行為,發(fā)現(xiàn)低濃度下(如 2 mg / mL)在溶劑中難以形成大尺寸( > 100 nm)的組裝體[13],該實驗現(xiàn)象跟 Amdursky 等報道結(jié)果相符。Rissanou 等[64]采用動力學(xué)模擬手段對比研究了 FF 在水和甲醇中的自組裝行為,結(jié)果表明,FF 在甲醇中具有很弱的自組裝傾向,這也進一步驗證了我們的實驗現(xiàn)象。此外,我們還發(fā)現(xiàn) FF 在乙腈溶劑中可自組裝形成均一的納米線,其直徑約 80 nm,長度達數(shù)微米(圖2d)[13].
除了上述強極性溶劑,Han 等[54] 采用一種非極性溶劑二硫化碳(CS2 )來調(diào)控 FF 自組裝。研究發(fā)現(xiàn),在二硫化碳中通過簡單超聲即可獲得具有液晶行為的納米線(圖 2e),并認為該納米線仍為六方晶型,FF 單體原料中的水分子是形成晶態(tài)結(jié)構(gòu)必不可少的 成 分。SEM 結(jié) 果 顯 示 納 米 線 平 均 直 徑 為346 nm,長度為 8.6 μm,長徑比可達 25.1。分子模擬結(jié)果顯示納米線的密度為 1.299 g / cm3,接近 CS2的密度 1.263 g / cm3。大長徑比和相近的密度導(dǎo)致納米線可穩(wěn)定分散在 CS2 中。當(dāng)組裝體濃度大于0.2wt% 時,體系中開始出現(xiàn)液晶相;當(dāng)濃度大于7 wt% 時,即可獲得均一的液晶相。這種獨特的光學(xué)特性為苯丙氨酸二肽納米材料的應(yīng)用開辟了新的方向。此外,通過三氟乙酸⁃氨水調(diào)控 pH 法在水中合成納米纖維,干燥后加入到 CS2 中,亦可形成各向異性的液晶[51]。這些結(jié)果表明,CS2 溶劑是誘導(dǎo)纖維有序排列而形成液晶的關(guān)鍵因素。
韓國 Park 研究團隊首次將含苯丙氨酸二肽的HFIP 溶液置于固體基底(如硅、玻璃、石英等) 表面,在無水條件下真空干燥形成一層無定型膜。然后將該 FF 膜置于150 ℃苯胺蒸氣中,獲得了一種直徑約 150 nm、長達 10 μm 的垂直排列的納米線陣列(圖 7c)[22];而將固體基底上含 FF 的 HFIP 液滴置于水蒸氣中,常溫下形成了納米管陣列(圖 7b)[60]。該小組還考察了水活性和溫度對 FF 固相生長的影響,發(fā)現(xiàn)高水活性( > 0.9)和高溫(100 ~ 150 ℃ )可使無定型膜發(fā)生相轉(zhuǎn)變組裝成晶態(tài)的納米棒陣列[61]。當(dāng)該陣列置于 HFIP 蒸氣中,則可發(fā)生解組裝重新形成無定型膜,整個過程可逆。
Adler⁃Abramovich 等[62]則在 220 ℃ 條件下直接讓苯丙氨酸二肽發(fā)生氣化,在氣化的過程中,二肽分子環(huán)化生成環(huán)狀結(jié)構(gòu)(cyclo⁃FF),進而在 80 ℃ 基底表面沉積組裝成直徑 50 ~ 300 nm 的納米管陣列。研究發(fā)現(xiàn),采用這種氣相沉積方法獲得的納米管陣列可作為超級電容器材料。Lee 等[63]進一步提高溫度到 250 ℃ ,采用氬氣為載氣,在 180 ℃基底表面沉積生成直徑 90 nm、長度超過 10 μm 的單晶納米線。該納米線具有半導(dǎo)體特性,并且在 465 nm 處具有非常強的熒光發(fā)射峰(367 nm 激發(fā))。
上述調(diào)控策略,包括 pH、溫度、溶劑、界面和氣相調(diào)控,均是圍繞苯丙氨酸二肽類分子單一組分的組裝行為進行調(diào)控。近年來,國內(nèi)外學(xué)者還在苯丙氨酸二肽類分子基礎(chǔ)上通過引入其他組分,研究多組分共組裝行為,旨在獲得具有獨特結(jié)構(gòu)或性能的組裝體,拓展其應(yīng)用。
最近,中科院過程工程所 Yan 等與其他團隊合作開 發(fā) 了 一 種 FF / 卟 啉 多 級 共 組 裝 新 體 系 ( 圖8b)[71]。通過調(diào)控二元組分協(xié)同共組裝的驅(qū)動力將二肽與卟啉進行有機結(jié)合,制備多功能的具有“多室”結(jié)構(gòu)的微球。該研究從分子層次上闡述了結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,并闡釋了分子協(xié)同自組裝的機理:首先帶正電荷的 FF 分子可消除卟啉(四磺酰苯基卟吩)組裝體( J⁃aggregates) 之間的電荷排斥,同時通過靜電作用有機結(jié)合在組裝體表面,形成一種 FF /卟啉離子復(fù)合物。該復(fù)合物發(fā)生自組裝形成納米棒結(jié)構(gòu),并進一步有序聚集成多孔微球。
此外,在苯丙氨酸二肽組裝過程中,加入光敏劑(如水楊酸、1, 10⁃鄰二氮雜菲)和鑭系元素(如 Eu、Tb),可共組裝成具有熒光特性的納米管。通過加入不同組分,可調(diào)控組裝體的熒光特性[52, 72]。最近,Na 等[48]研究發(fā)現(xiàn),加入一種聚集誘導(dǎo)熒光發(fā)射分子蒽類化合物,也能導(dǎo)致 FF 微管具有熒光特性(激發(fā)波長 404 nm,發(fā)射波長 527 ~ 536 nm)。
該團隊還發(fā)現(xiàn),引入陰離子芳香類化合物磺酸偶氮苯,亦可與陽離子 FF 二肽發(fā)生共組裝,根據(jù)磺酸偶氮苯端基(COOH、OH、CH3 等)的不同,可共組裝成刺猬狀、花狀和片狀結(jié)構(gòu)(圖 9b)[77]。加入磺酸偶氮苯后,由于兩組分分子間靜電作用以及芳香環(huán)之間 π⁃π 堆積等非共價鍵的引入,改變了陽離子FF 二肽的分子排列方式,從而形成不同結(jié)構(gòu)的組裝體。
以 Fmoc⁃FF 為主體的共組裝體系可分為兩類,一類是 Fmoc⁃FF / 小分子體系[78,79],另一類是 Fmoc⁃FF / 大分子體系.
除了小分子組分,一些大分子也可引入 Fmoc⁃FF 自組裝體系[17, 80,81],進而強化 Fmoc⁃FF 組裝體的性能。例如,本課題組通過添加魔芋葡甘聚糖(KGM),顯著提高了 Fmoc⁃FF 水凝膠在生理溶液中的穩(wěn)定性和機械強度[17]。
借鑒生物體內(nèi)酶催化自組裝現(xiàn)象,國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)了多種酶在體外也能催化肽類進行自組裝,如磷酸化酶[39,40, 84,85]、嗜熱菌蛋白酶[36, 86,87]、胰凝乳蛋白酶[88]、枯草芽孢桿菌蛋白酶[89]、β⁃內(nèi)酰胺酶[90]、酯酶[35]和脂肪酶[37]等。
Yang 研究小組采用磷酸化酶設(shè)計合成了多種酶響 應(yīng) 性 智 能 水 凝 膠、 納 米 球 等, 如 Fmoc⁃Tyr⁃OMe[92],Nap⁃GFFY⁃OMe[93],Ada⁃GFFY⁃OMe[94]。此外,該小組還采用特殊結(jié)構(gòu)的蛋白[95],如 ULD⁃TIP⁃1[96], MPP6[97] 等, 通 過 蛋 白⁃肽 ( 如 TIP⁃1 /GGGWRESAI)分子識別,增強自組裝肽纖維之間的相互作用,獲得了高穩(wěn)定性和特定功能的肽類水凝膠。
Ulijn 小組采用嗜熱菌蛋白酶催化組裝合成了多種 Fmoc⁃肽類分子水凝膠, 如 Fmoc⁃FFF, Fmoc⁃LFF 等[36, 86,87]。在該過程中,肽類分子酶法合成反應(yīng)本身的 ΔG > 0,但當(dāng)產(chǎn)物肽類分子發(fā)生自組裝后,可推動整個過程自發(fā)進行,形成穩(wěn)定的水凝膠。該小組還構(gòu)建了嗜熱菌蛋白酶/ 枯草芽孢桿菌蛋白酶雙酶體系,控制水凝膠的形成與水解.
上述酶催化組裝體系中,酶作為一種“開關(guān)”可啟動超分子自組裝或解組裝,通過這種途徑可合成酶響應(yīng)型智能水凝膠[11, 98,99]。最近,Zhou 等[41] 研究發(fā)現(xiàn)酶還可以誘導(dǎo)肽類(Nap⁃FFFKY) 納米纖維的有序排列(圖 11b),獲得了一種各向異性的水凝膠。結(jié)果表明,納米纖維的有序排列可能跟 π⁃π 堆積以及酶的立體選擇性有關(guān)。
4 苯丙氨酸二肽類材料的應(yīng)用
苯丙氨酸二肽類納米材料結(jié)構(gòu)功能多樣,且具有良好的生物相容性。特別是隨著 FF 二肽類分子設(shè)計、組裝體結(jié)構(gòu)調(diào)控方面的研究不斷深入,其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。近年來,研究結(jié)果顯示,FF 二肽類材料在納米材料合成、傳感分析、藥物傳遞和組織修復(fù)等領(lǐng)域呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景.
借鑒自然界的生物礦化現(xiàn)象,采用生物模板法合成金屬/ 半導(dǎo)體材料得到了快速發(fā)展。其中,苯丙氨酸二肽類納米材料(如納米管、納米線陣列、水凝膠等)因具有金屬離子捕捉能力以及獨特的分子識別能力,同時還可為金屬/ 半導(dǎo)體以及高分子材料的合成提供微環(huán)境或基質(zhì),被認為是一種極具潛力的模板材料。
二氧化鈦在光催化、太陽能電池等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Kim 團隊[103,104]通過超聲冷卻在氯仿中獲得了一種苯丙氨酸二肽有機凝膠,溶劑揮發(fā)后形成了氣凝膠。以該凝膠為模板,采用原子層沉積技術(shù),即在140 ℃ 、3 Torr 條件下,以鈦酸四異丙酯為前驅(qū)體,氨氣為反應(yīng)氣,氬氣為載體,經(jīng)過 500 ~ 1000 次循環(huán)在干凝膠的纖維表面上形成 10 ~ 20 nm 厚的 TiO2 層,再經(jīng)過 400 ℃高溫分解肽纖維獲得了 TiO2 空心納米帶。由于這種特殊的結(jié)構(gòu),使得 TiO2 空心納米帶在太陽能電池等應(yīng)用方面更有優(yōu)勢。
Adler⁃Abramovich 等[62] 研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)氣相沉積合成的苯丙氨酸二肽納米管陣列可直接用于雙層電容器,其電容密度高達 480 mF / cm2,相比碳納米管的電容密度(120 mF / cm2)提高了 3 倍。Kim 等[101]在苯丙氨酸二肽自組裝過程中,加入肼還原石墨烯,合成了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的肽⁃石墨烯納米線(圖12b)。在 pH = 3.7 ~ 5.4 的范圍內(nèi),隨著 pH 的增加,二肽納米線外表面帶電量減小,殼層石墨烯厚度由 21 nm 減小至 9 nm。此外,肽⁃石墨烯復(fù)合納米線經(jīng)過 400 ℃的煅燒后,可以獲得中空的石墨烯殼層,并構(gòu) 筑 成 多 孔 三 維 網(wǎng) 絡(luò)。該 材 料 比 表 面 積 為730 m2/ g,比電容達 157 F / g,相對于普通石墨烯(74 F / g)提升了一倍。肽類材料具有結(jié)構(gòu)多樣、易修飾等優(yōu)勢,結(jié)合石墨烯在電化學(xué)方面的獨特性能,使得肽⁃石墨烯復(fù)合材料更具應(yīng)用潛力
在電池材料方面,Ryu 等[59] 將固相生長的苯丙氨酸二肽納米線陣列置于氯化鈷(CoCl2 )中,經(jīng)硼氫化鈉(NaBH4 )還原后再氧化,在納米線表面生長了一層氧化鈷(Co3O4 )顆粒。以該復(fù)合材料為工作電極材料,構(gòu)建了鋰離子電池系統(tǒng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)首次充放電電容率達 280 mAh / g,飽和后為 80 mAh / g,相比純肽納米線陣列提高了 2 倍。
除了苯丙氨酸二肽纖維,Fmoc⁃FF 水凝膠纖維也可 作 為 模 板 合 成 電 池 用 材 料。Ryu 等[102] 以Fmoc⁃FF 纖維為模板,依次加入金屬離子(Fe3 +)和磷酸根離子( PO43 -),從而在纖維表面礦化生成FePO4 顆粒層,進一步炭化后獲得 FePO4/ C 復(fù)合納米管(圖 12c)。以該復(fù)合納米管構(gòu)筑的鋰離子電池首次充放電電容率達 170 mAh / g,接近 FePO4 的理論最大電容率 178 mAh / g。在該體系中,肽類纖維炭化后形成的無定型碳有助于提高 FePO4 納米管的電化學(xué)性能。
聚苯胺是一種導(dǎo)電聚合物并且具有電致發(fā)光性能,常被用作電極材料、傳感器材料等[107,108]。Ryu等[58]將制備好的苯丙氨酸二肽納米線陣列置于苯胺溶液中,以過硫酸銨為氧化劑進行氧化聚合,在肽纖維的表面形成厚度約 200 nm 的聚苯胺層。將形成的肽⁃聚苯胺復(fù)合材料經(jīng)過熱交聯(lián)或光熱交聯(lián)后置于 HFIP 中,可去除肽納米線模板,進而獲得聚苯胺中空納米管。該研究還考察了肽⁃聚苯胺復(fù)合納米線陣列的摻雜/ 脫摻雜現(xiàn)象以及氧化還原特性。結(jié)果顯示,復(fù)合材料在 HCl 和氨水蒸氣中分別進行摻雜和脫摻雜,可用肉眼觀察到顏色從綠色到深藍色的轉(zhuǎn)變。通過比較純肽材料和肽⁃聚苯胺復(fù)合材料的循環(huán)伏安曲線,發(fā)現(xiàn)聚苯胺的引入顯著提高了肽材料的導(dǎo)電性能。
Amdursky 等 報 道 苯 丙 氨 酸 二 肽 納 米 管 陣列[113]、Boc⁃FF 納米球[27] 和 Fmoc⁃FF 納米纖維[114]均具有熒光特性。例如,經(jīng)氣相沉積生長的 FF 納米管陣列,在 307 nm 和 450 nm 處分別有明顯的激發(fā)峰和發(fā)射峰;而 Fmoc⁃FF 水凝膠的激發(fā)和發(fā)射波長分別為 310 nm 和 325 nm,且隨著 Fmoc⁃FF 濃度的增加,激發(fā)波長的半峰寬變窄。由于這些肽類材料具有獨特的熒光特性,因此有望用于光學(xué)檢測。但這些材料本身不具備特異性分子識別能力,因此難以直接用于分析檢測。
Kim 等[72] 通過添加光敏劑和鑭系元素,合成了一種熒光 FF 復(fù)合納米管,進而采用這種納米管進行有機磷檢測( 圖 13b) 。研究發(fā)現(xiàn),5 種有機磷中只有對氧磷可猝滅 FF 復(fù)合納米管的 熒光,而單純光敏劑 / 鑭系元素則難以高選擇性識別有機磷,表明肽納米管基質(zhì)的存在有利于目標(biāo)物的特異性識別。
此外,肽 類 水 凝 膠 也 可 作 為 熒 光 材 料 的 載體,形 成 一 種 熒 光 水 凝 膠。例 如, Kim 等[115] 以Fmoc⁃FF 水凝膠為載體,以 CdTe 或 CdSe 為熒光材料,同時加入葡萄糖氧化酶或 辣 根 過 氧 化 氫酶,合成了一種復(fù)合熒光水凝膠,當(dāng)加入底物( 葡萄糖、苯酚或?qū)Χ椒樱?時,由于酶催化生成的產(chǎn)物可猝滅量子點的熒光,從而實現(xiàn)目標(biāo)物的快速檢測。
另一種思路是以肽類材料為載體,通過包裹熒光量子點,合成一種熒光肽類復(fù)合材料,進而用于細胞成像。例如,Yan 等[116]將含 CdSeS 量子點的甲苯溶液加入到含陽離子 FF 二肽的 HFIP 溶液中,形成了一種復(fù)合有機凝膠。真空干燥后,加水到干凝膠中,在超聲輔助下可獲得一種平均直徑約 150 nm 的膠體粒子。量子點固定后,細胞毒性可大幅度降低,但其熒光特性不受影響,因此是一種理想的細胞成像材料(圖 14b)。
本研究小組[17] 以多烯紫杉醇為疏水性模型藥物,與 Fmoc⁃FF 共混溶解在 DMSO 中,然后稀釋到KGM 溶液中,獲得了載藥的復(fù)合水凝膠。通過調(diào)變KGM 濃度、KGM 分子量、KGM 水解酶(β⁃甘露聚糖酶)濃度等參數(shù),可調(diào)控藥物在模擬腸液中的釋放速率。
此外, 其 他 肽 類 納 米 材 料, 如 Nap⁃FF 水 凝膠[117]、FF 微管[118]等,也可用于藥物傳遞與緩釋。
肽類超分子水凝膠具有含水量高、生物相容性好、易修飾功能化和機械性能可控等優(yōu)點,可以為細胞培養(yǎng)及組織修復(fù)提供接近于天然細胞外基質(zhì)的三維空間仿生微環(huán)境,并支持正常細胞的黏附、分化、定向生長及生育。因此,肽類材料在組織修復(fù)方面具有很好的應(yīng)用潛力.
Ulijn 研究小組[47] 考察了牛軟骨細胞在 Fmoc⁃FF 水凝膠內(nèi)的培養(yǎng)效果,實驗表明,7 天內(nèi)細胞的數(shù)量都有明顯增長,且細胞形態(tài)能夠保持完整。此外,該小組[78] 還設(shè)計合成了一種 Fmoc⁃FF / Fmoc⁃RGD 復(fù)合水凝膠,并用于人真皮纖維細胞的培養(yǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn) 3 h 內(nèi)沒有出現(xiàn)細胞死亡,24 h 細胞有明顯增長,14 天后仍能保持完整的結(jié)構(gòu)。上述研究表明,Fmoc⁃肽類水凝膠能夠為細胞的生長提供良好的微環(huán)境。
除了上述應(yīng)用外,研究發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸二肽類納米材料在其他領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用,如超疏水性表面[121]、非線性光學(xué)[122]、人工光合作用[123]、噴涂打。郏保玻矗、抑制癌細胞增長[31, 125]、抑制細菌增殖[38] 以及控制細胞死亡[35]等。
5 結(jié)論與展望
苯丙氨酸二肽類超分子自組裝是一個新興的前沿領(lǐng)域,在近十年來得到了快速發(fā)展,在科學(xué)理論和實際應(yīng)用方面都呈現(xiàn)出廣闊的前景。但仍有很多問題尚未解決和需要深入探索。在肽類分子設(shè)計方面,主 要 研 究 集 中 在 簡 單 基 團 ( 如 Fmoc⁃, Nap⁃,Phe⁃)的修飾,而針對特定功能分子片段的修飾研究較少,制約了該材料的性能和應(yīng)用。在組裝調(diào)控方面,大量研究集中在苯丙氨酸二肽、Fmoc⁃FF、Nap⁃FF 等肽類分子,而圍繞其他肽類分子的調(diào)控研究較少。特別是近幾年新興的界面調(diào)控、多組分共組裝、酶催化組裝等有待拓展和深入研究。在組裝材料應(yīng)用方面,大多數(shù)研究僅限于實驗室階段,特別是在生物醫(yī)學(xué)(如藥物傳遞、組織修復(fù)等) 領(lǐng)域,體內(nèi)和臨床實驗研究仍有待探索。此外,成本問題也限制了苯丙氨酸二肽類材料的大規(guī)模合成和應(yīng)用。隨著對這類分子自組裝研究的逐步深入,可望獲得一系列極具潛力的生物納米材料,并推動超分子化學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及生物納米技術(shù)的發(fā)展。
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