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苯丙氨酸二肽類分子自組裝:分子設(shè)計、結(jié)構(gòu)調(diào)控與材料應(yīng)用
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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


苯丙氨酸二肽是由兩個苯丙氨酸通過酰胺鍵組成的二肽分子(NH2⁃Phe⁃Phe⁃COOH,圖 1)。與其他多肽分子類似,苯丙氨酸二肽屬于兩性電解質(zhì),其等電點約為 5.5。因此,在游離或組裝過程中,分子間存在靜電相互作用。此外,該分子還包括兩個苯環(huán)和一個酰胺鍵,具有形成 π⁃π 堆積、氫鍵等非共價鍵的能力。這些非共價相互作用是苯丙氨酸二肽自組裝形成納米結(jié)構(gòu)的主要成因。

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。


表 1 總結(jié)了這些改性苯丙氨酸二肽的名稱以及對應(yīng)組裝體的結(jié)構(gòu)。由表可見,乙;ê 1 個甲基)修飾后,組裝體形貌仍為納米管[25],但采用 N⁃叔丁氧羰基(含 3 個甲基)修飾后,Boc⁃FF 自組裝形成一種高強度的納米球[26,27]。結(jié)果表明:提高修飾基團的甲基數(shù)量或許有助于形成球形組裝體結(jié)構(gòu)。同時,Reches 等[28]研究發(fā)現(xiàn),苯丙氨酸二肽經(jīng)半胱氨酸(含 1 個巰基) 修飾后,也可自組裝形成納米球。為了驗證巰基對形成納米囊的作用,該工作還在苯丙氨酸二肽自組裝過程中,加入硫醇化試劑 2⁃亞氨基硫烷( 可取代 NH2 上的 H 形成含巰基基團),結(jié)果發(fā)現(xiàn):加入該試劑可誘導(dǎo)組裝體結(jié)構(gòu)從納米管到納米囊轉(zhuǎn)變,這進一步證實了巰基的引入是形成納米囊結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[28]。對于芳香環(huán)修飾的苯丙氨酸二肽,研究發(fā)現(xiàn)這些分子均可組裝成納米纖維并形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的水凝膠材料[12, 31,32]。在此基礎(chǔ)上進一步修飾氨基酸,其形貌并沒有明顯改變[39],可見芳香環(huán)是形成苯丙氨酸二肽類水凝膠纖維的關(guān)鍵基團。特別地,本研究小組設(shè)計合成的二茂鐵⁃苯丙氨酸二肽,相比其他芳香環(huán)改性二肽,具有外力響應(yīng)多級組裝的獨特行為[12],即該分子首先在水溶液中自組裝形成一種納米球,引入外力(如搖動)后,這些納米球可進一步組裝形成納米纖維和水凝膠。

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


3.1 溶液 pH 和溫度調(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。


3.2 溶劑調(diào)控
除了苯丙氨酸二肽外,其他二肽類分子一般在水溶液中組裝。目前,通過溶劑來調(diào)控二肽類分子自組裝的研究主要集中在苯丙氨酸二肽體系。表 2和圖 2 匯總了 FF 可發(fā)生組裝的不同溶劑及其組裝體形貌的變化。

3.2.1 水體系
由表 2 可見,第一類為水溶液,可通過加熱⁃冷卻或者超聲⁃靜置的方式誘導(dǎo) FF 直接在水溶液中自組裝,組裝體以直徑為 1 ~ 6 μm 的微管為主( 圖2a)[13, 44, 48];除了溫度或超聲誘導(dǎo)組裝外,還有一條主要途徑是首先將肽類分子溶解在強極性有機溶劑1,1,1,3,3,3⁃hexafluoro⁃2⁃propanol( HFIP) 中,然后稀釋到水中進行組裝。這種方式獲得的組裝體為數(shù)微米長的納米管或納米線(圖 2b),直徑分布從幾十納米到幾百納米[10, 16, 49]。FF 從高濃度( HFIP) 到低濃度(水)稀釋的過程中,伴隨著快速自組裝,難以控制 FF 濃度的均一,從而形成不同形貌和尺寸的組裝體。Yan 等[50]將 FF 溶解在 HFIP 中,揮發(fā)去除 HFIP 后,再加入水并加熱到 65 ℃ ,超聲處理30 min,然后靜置一天。研究發(fā)現(xiàn),FF 自組裝形成了一種數(shù)毫米長的六方形微管,該微管顯示出良好的光導(dǎo)性能。此外,在水溶液中還可以通過調(diào)節(jié) pH值誘導(dǎo)組裝,FF 經(jīng)三氟乙酸溶解后,加熱氨水調(diào)節(jié)pH 值到 5.5,可形成均一的納米線(圖 2c)[44, 51]:當(dāng)FF 濃度為 0.18wt% 時,納米線直徑為 113 nm,長度為 1.9μm;當(dāng)提高 FF 濃度時,納米線直徑和長度均增大,尺寸分布也變寬,可見低 FF 濃度有利于形成尺寸小且均一的結(jié)構(gòu)。Kim 等[44] 通過解析微管和納米線的 X 射線衍射圖譜,發(fā)現(xiàn)兩者均屬于六方晶型,但微管具有更強的氫鍵作用力,包括苯丙氨酸與水分子之間以及相鄰苯丙氨酸分子首尾( head⁃to⁃tail)之間的氫鍵。

3.2.2 有機溶劑

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。


在上述溶劑中,FF 均組裝成具有六方晶型的晶態(tài)納米結(jié)構(gòu)。中科院化學(xué)研究所李峻柏團隊則報道了一 種 新 的 FF 組 裝 體 結(jié) 構(gòu)———有 機 凝 膠 ( 圖2f)[23]。研究發(fā)現(xiàn),FF 在甲苯和氯仿溶劑中均可通過 π⁃π 堆積自組裝形成納米纖維,這些納米纖維進一步構(gòu)成具有溫度響應(yīng)性的有機凝膠。與晶態(tài)納米管/ 線不同,凝膠纖維的 XRD 譜圖中只在 2θ = 5.2°處有一個尖峰,表明 β⁃片層間的距離約 1.7 nm。該團隊進一步在甲苯中引入極性溶劑乙醇作為共溶劑,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著乙醇含量的增加,FF 組裝體結(jié)構(gòu)從纖維到微晶轉(zhuǎn)變(圖 2g)。當(dāng)乙醇含量達 25%時,5 h 后組裝體以花狀微晶為主;進一步增大乙醇含量到 70% ,可縮短微晶形成時間至 10 min。此外,在甲苯中引入乙醛為共溶劑,發(fā)現(xiàn) FF 納米纖維可進一步組裝成高度取向的片層微晶,這種分級有序組織、納微結(jié)構(gòu)高度取向的微晶顯示了良好的光導(dǎo)性能, 發(fā)展了自組裝肽材料的新功能和新應(yīng)用[65]。隨后,該團隊選擇了四氫呋喃、1,4 ⁃二氧六環(huán)、二甲基亞砜、吡啶和乙酸乙酯 5 種有機溶劑,發(fā)現(xiàn) FF 在這些溶劑中自組裝形成了一種花狀或片狀介晶(圖 2h⁃i)[24]。XRD 結(jié)果顯示不同溶劑中形成的組裝體具有類似的結(jié)構(gòu)。根據(jù)溶劑參數(shù)不同,研究者推斷 FF 介晶的形成可能與溶劑的溶解度參數(shù)(δ 值)以及電子供體(DN) / 受體(AN)數(shù)有關(guān)。一方面,四氫呋喃、二甲基亞砜、吡啶等溶劑由于電子供體數(shù)大于電子受體數(shù)(DN - AN > 10),因此屬于氫鍵供體溶劑。在這些溶劑中,FF 自組裝成介晶。而在水溶液(AN > DN,氫鍵受體溶劑)中,水分子與FF 分子中的氫鍵供體(N—H)形成氫鍵,自組裝成納米管或納米線。此外,不同溶劑中,FF 的解離常數(shù)也不同,進而導(dǎo)致 FF 組裝過程中靜電相互作用不同。另一方面,甲苯和氯仿作為溶劑分子不具有形成氫鍵的能力,因此 FF 只能通過自身分子間的氫鍵和 π⁃π 相互作用自組裝成凝膠纖維。

3.3 界面調(diào)控
3.3.1 液⁃固界面
液⁃固界面組裝,即將含肽類分子的溶劑放置在固體界面,溶劑揮發(fā)后獲得固態(tài)組裝體。一方面,可通過界面調(diào)控獲得有序排列的納米結(jié)構(gòu),例如:Reches 等[56]將含有苯丙氨酸二肽的 HFIP 溶液滴在硅化玻璃表面,隨著 HFIP 的快速蒸發(fā),可以在硅化玻璃表面得到垂直生長的納米管陣列( 圖 3);Hendler 等[66]采用甲基吡咯烷酮作分散劑在不同的固體表面(如 SiO2 、Au、Pt 等)均獲得有序排列的納米管膜。另一方面,引入界面后,可獲得不同結(jié)構(gòu)的納米組裝體。例如:Du 等[57]將含 FF 的甲苯溶液置于聚對苯二甲酸乙二酯表面,然后通入濕度為 80%的空氣,隨著有機溶劑的揮發(fā)和水分子的聚集成核,誘導(dǎo) FF 自組裝形成蜂窩狀的多孔膜結(jié)構(gòu);本課題組采用玻璃和多孔膜兩種表面進行苯丙氨酸二肽組裝的調(diào)控,發(fā)現(xiàn) FF 在玻璃表面形成數(shù)微米長的納米線, 而 在 多 孔 膜 表 面 則 組 裝 成 微 囊 結(jié) 構(gòu) ( 圖4)[16]。此外,研究還發(fā)現(xiàn),通過界面的協(xié)助,相比在溶液中,FF 更容易自組裝成均一的結(jié)構(gòu)[13, 53, 63]。例如,在乙腈⁃水混合溶劑中,FF 自組裝成納米線,但含有少量納米管,且尺寸也不均一,而在相同的溶劑條件下引入界面,則可獲得均一的納米線[13]。

3.3.2 液⁃液界面
液⁃液界面,特別是油水界面,在控制材料結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)有大量報道。近年來,水相液⁃液界面作為一類不含油相的新型界面體系受到了關(guān)注[67,68]。我們小組根據(jù) Fmoc⁃FF 在堿性水溶液中帶負電荷的特點,引入一種陽離子高分子(如聚乙烯亞胺,PEI)水溶液,當(dāng)兩種液體接觸時,由于靜電相互作用在界面處快速形成一層雜化層,進而阻礙 Fmoc⁃FF 和 高 分 子 的 擴 散 而 形 成 穩(wěn) 定 的 液⁃液 界 面。Fmoc⁃FF 分子在本體溶液中由于靜電排斥作用而溶解分散,但在液⁃液界面由于陽離子高分子的吸引,靜電排斥作用消失,從而發(fā)生自組裝形成納米纖維;谶@種原理,我們獲得了一種由肽納米纖維和高分子構(gòu)成的復(fù)合微囊,并進一步在 Fmoc⁃FF 溶液中通過添加陰離子高分子羧甲基纖維素(CMC),增強液⁃液界面處的靜電相互作用,顯著提高了微囊的機械穩(wěn)定性(圖 5).

為了進一步控制 Fmoc⁃FF 分子在液⁃液界面處的有序自組裝,本課題組引入射流理論,將陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)溶液快速注入到 Fmoc⁃FF 水溶液中,導(dǎo)致 Fmoc⁃FF 自組裝納米纖維的定向排列,進而形成有序的 Fmoc⁃FF / CPAM 復(fù)合纖維(圖 6)[15]。該過程涉及流體剪切力、靜電作用、擴散等多種協(xié)同作用。其中,流體剪切力能夠為 Fmoc⁃FF 自組裝途徑提供驅(qū)動力,使得納米纖維沿剪切力方向定向排列。此外,還可通過改變濃度、注射速度等參數(shù)控制纖維的微觀形貌。

3.4 氣相調(diào)控
苯丙氨酸二肽在氣相環(huán)境中的組裝主要涉及兩方面研究,一是將苯丙氨酸二肽膜置于苯胺蒸氣或水蒸氣中,固相生長成納米陣列(圖 7a)[22, 60];另一方面是苯丙氨酸二肽在高溫下氣化,然后在固體基底上沉積組裝成納米結(jié)構(gòu).

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))。


3.5 多組分共組裝

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。


3.5.1 基于 FF 的共組裝體
針對苯丙氨酸二肽分子,有兩類多組分共組裝系,一類是 FF⁃肽類分子共組裝(圖 8a),另一類是FF⁃有機小分子共組裝(圖 8b)。Yuran 等[69] 基于FF 和 Boc⁃FF 分別能組裝成納米管和納米球的特性,研究了 FF 與 Boc⁃FF 在液相中的共組裝行為,通過控 制 兩 者 濃 度 和 溶 劑, 合 成 了 類 似 “ 項 鏈(necklace)”的二元共組裝納米材料(圖 8a)。該報道基于聚電解質(zhì)的“項鏈”模型,闡述了 FF / Boc⁃FF共組裝機理:Boc⁃FF 在酸性 pH(pH ~ 3.5)下帶負電荷,自組裝后類似聚電解質(zhì)形成小球結(jié)構(gòu),當(dāng)體系中存在兩性離子 FF 后,由于反離子相互作用,則共組裝成熱力學(xué)穩(wěn)定的項鏈結(jié)構(gòu)。此外,該團隊還報道了另外一種肽類衍生物( Fmoc⁃DOPA( acetonated)⁃D⁃ Phe⁃OMe)和 FF 的共組裝體系,研究發(fā)現(xiàn),兩種分子可共組裝成類似紅細胞、白細胞的微球[70]。

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)。


3.5.2 基于陽離子 FF 的共組裝
陽離子 FF 二肽在溶解狀態(tài)下通過質(zhì)子化帶正電荷,因此,可引入陰離子組分,通過靜電作用誘導(dǎo)分子間結(jié)合,從而發(fā)生共組裝。鑒于傳統(tǒng)的多金屬氧化物等無機物具有易修飾、 可催化等優(yōu)異性質(zhì)[73 ~ 75],Yan 等[76] 選擇了一種多金屬氧化物磷鎢酸鹽,與陽離子 FF 通過靜電作用結(jié)合形成組裝單體,并進一步共組裝成直徑 70 nm 左右的復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)(圖 9a)。這種納米球不僅具有 pH 和溫度刺激響應(yīng)性,并且表現(xiàn)出新穎的自適應(yīng)包封性能。

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。


3.5.3 基于 Fmoc⁃FF 的共組裝

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.


Ulijn 研究小組報道了一種 Fmoc⁃FF / Fmoc⁃RGD(RGD:精氨酸⁃甘氨酸⁃天冬氨酸三肽)共組裝體系,發(fā)現(xiàn)兩種肽類分子協(xié)同組裝成納米纖維,進而形成超分子水凝膠(圖 10)[78]。該凝膠具有高含水量以及剛性的多孔纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于活性分子 RGD的引入,在 3D 細胞培養(yǎng)方面表現(xiàn)出良好的性能。最近,該團隊還報道了多種基于其他肽類分子的共組 裝 體 系[82,83], 如 Fmoc⁃YL / Pyr⁃YL、 Fmoc⁃S / Pyr⁃YL、Fmoc⁃FY/ Fmoc⁃S 等。

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]。


3.6 酶催化調(diào)控

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。


Xu 研究小組以磷酸化肽類分子為前軀體,采用磷酸 化 酶 去 磷 酸 化 產(chǎn) 生 凝 膠 單 體 ( 如 Nap⁃FFGEY[40],Nap⁃FFKY[39]、Fmoc⁃Y[85] 等),進而自組裝成水凝膠(圖 11a)。該小組還構(gòu)建了一種激酶/磷酸化酶雙酶體系,通過磷酸化/ 去磷酸化實現(xiàn)了肽類超分子凝膠的可逆合成[40]。此外,研究發(fā)現(xiàn)這種酶催化組裝過程可在體內(nèi)實現(xiàn),根據(jù)肽類分子不同,具有抑制癌細胞增長、抑制細菌增殖、控制細胞死亡、細胞成像等應(yīng)用潛力,并可通過熒光標(biāo)記成像法對組裝過程進行實時跟蹤.

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.


4.1 納米材料合成

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。


4.1.1 貴金屬
已有大量報道采用生物模板法合成貴金屬納米材料(Ag、Pt 等),生物模板對金屬結(jié)構(gòu)和尺寸具有重要的影響。例如,Reches 等[10]以 L 型苯丙氨酸二肽自組裝形成的納米管為模板, 合成了直徑僅20 nm的 Ag 納米線,納米管經(jīng)酶解去除后即可獲得納米線(圖 12a);Song 等[19]以 D 型苯丙氨酸二肽為單體合成了一種納米管⁃納米囊復(fù)合結(jié)構(gòu),經(jīng)原位還原在納米管外壁和納米囊內(nèi)部合成了 Pt 納米顆粒,直徑分別為 2 ~ 3 nm 和 200 ~ 600 nm。可見,苯丙氨酸二肽類模板的優(yōu)勢在于可為貴金屬的成核生長提供微環(huán)境,從而合成特定尺寸的貴金屬材料(如直徑 20 nm 的納米線和 2 ~ 3 nm 的納米顆粒)。

4.1.2 二氧化鈦(TiO2 )

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。


4.1.3 電容材料

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


4.1.4 鋰電池材料

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。


4.1.5 聚苯胺

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。


4.2 傳感檢測
4.2.1 電化學(xué)檢測
基于苯丙氨酸二肽納米管具有電子傳輸效率高、 穩(wěn) 定 性 好、 比 表 面 積 大 等 特 點, Gazit 小組[109 ~ 111]將納米管或 Boc⁃FF 納米球修飾電極用于電化學(xué)檢測。一方面,可直接將 FF 納米管沉積在石墨電極表面,以鐵氰化鉀為模型體系進行循環(huán)伏安和時間⁃電流曲線測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨電極經(jīng)肽納米管修飾后,其檢測靈敏度提高了一倍[109];另一方面,該小組對二肽納米管進行巰基修飾,進而固定在金電極上[110],以過氧化氫為模型體系,測試該電極的伏安曲線,發(fā)現(xiàn) 0􀆰 4 V 下肽修飾電極的響應(yīng)值為裸電極的 16 倍。上述結(jié)果表明 FF 納米管能夠顯著提高電子傳輸效率。進一步,將葡萄糖氧化酶或乙醇脫氫酶固定在二肽納米管上,建了一種新型酶電極(圖 13a) ,實現(xiàn)了葡萄糖和乙醇的高靈敏檢測[110]。此外,有報道發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸二肽納米線[112]、Boc⁃FF 納米球[111] 也可用于電化學(xué)檢測。

4.2.2 光學(xué)檢測

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。


4.2.3 細胞成像
在細胞成像應(yīng)用方面,一種思路是通過對肽類分子進行改性,引入熒光基團,使得肽類組裝體具有熒光特性。例如,Li 等[39] 在 Nap⁃FFKYp 分子上修飾 4⁃硝基 - 2,1,3⁃苯并二唑(NBD),獲得了一種含熒光基團的前驅(qū)體。采用這種前驅(qū)體和磷酸化酶處理細胞 2 min,可在細胞核附近觀察到明顯的黃色熒光(圖 14a)。

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)。


4.3 藥物傳遞
肽類納米材料因其良好的生物相容性,在藥物傳遞方 面 具 有 很 好 的 應(yīng) 用 前 景[17,18, 117,118]。Yan[18]將陽離子二肽單體和寡核苷酸通過靜電作用結(jié)合,在稀釋過程中控制二肽組裝結(jié)構(gòu)由納米管向微囊轉(zhuǎn)化,包覆寡核苷酸的微囊可由細胞的內(nèi)吞作用所吸收, 從而在細胞內(nèi)實現(xiàn)寡核苷酸的釋放(圖 15)。

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。


4.4 組織修復(fù)材料

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。


4.5 其他應(yīng)用

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。


例如:基于苯丙氨酸二肽自組裝納米管的高電子傳輸效率,Kim 等[123] 設(shè)計合成了一種含四(對羥基苯基)卟啉和鉑納米顆粒的 FF 復(fù)合納米管,用于模擬光合作用(圖 16)。在該系統(tǒng)中,卟啉環(huán)在日光照射下可以生成電激子,經(jīng)由 FF 納米管傳導(dǎo),在鉑顆粒上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移進而氧化還原生成產(chǎn)物,盡管其效果與自然界的葉綠體無法媲美,但是提出了采用肽類復(fù)合材料應(yīng)用于模擬光合作用的新思路,對于人工光合作用研究有著重要借鑒意義。

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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