武大李景峰副教授、蔡林教授和华中大郭晓东教授Adv. Sci.综述：骨组织工程中超分子肽纳米纤维水凝胶的多维构建及综合应用

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近年来，骨组织工程正逐渐成为一种替代自体骨移植用于修复临界大小骨缺损的理想策略，主要由生物材料、种子细胞、活性因子及生物物理刺激等四大基本要素构成（DOI: 10.3389/fcell.2021.790050）。但由于缺乏理想的生物材料，天然骨组织的多维复杂性仍难以模拟。超分子肽纳米纤维水凝胶是一种可用于骨组织工程的新兴材料，通过非共价相互作用发生自组装，形成类似于天然细胞外基质的纳米微环境，同时易于功能化，具有天然可降解性、低免疫原性、机械可调性等优势，用于骨组织工程具有巨大应用前景。

近日，武汉大学李景峰副教授、蔡林教授和华中科技大学郭晓东教授共同通讯在Advance Science（IF 16.806）上发表了题为Supramolecular Peptide Nanofiber Hydrogels for Bone Tissue Engineering: from Multi-hierarchical Fabrications to Comprehensive Applications的综述性文章。该文聚焦于超分子肽纳米纤维水凝胶的多维构建及综合应用，基于超分子肽纳米纤维水凝胶，作者首次创新性地提出了一种用于构建仿生骨移植物的多维构建理念，即：(1) 结构方面，如何构建超分子肽的序列进而组装形成细胞外基质模拟纳米支架；(2)生化功能方面，如何根据生理及药理要求赋予超分子肽纳米纤维水凝胶多种生物化学功能；（3）机械性能方面，如何优化超分子肽纳米纤维水凝胶的弹性模量从而提供利于成骨分化的生物物理微环境。进一步，作者总结了目前利用超分子肽纳米纤维水凝胶用于骨修复的综合应用方式，包括可注射水凝胶、复合纳米支架、生物打印以及生物反应发生器。

图1：概述-超分子肽纳米纤维水凝胶用于骨组织工程

该文首先介绍了超分子肽的结构设计，主要由氨基酸、疏水性的脂肪烷基链及可提供π-π堆积作用的芳香族基团构成。根据结构设计原理，超分子肽可分为基于β-折叠或β-发卡结构的交替肽、基于亲疏水性的肽两亲性分子以及模拟天然高分子的多重复螺旋肽。

图2：用于超分子肽结构设计的基本元素

其次，该文介绍了两种赋予超分子肽纳米纤维水凝胶生物化学功能的方法：通过物理溶解生物活性因子和通过共价结合生物活性序列。从而可以赋予超分子肽纳米纤维水凝胶促进骨组织再生所需的多种功能，并模拟天然骨细胞外基质的结构。

图3：天然骨细胞外基质结构及超分子肽纳米纤维水凝胶功能模拟策略

随后，该文详细介绍了骨组织再生所需的生物化学功能，包括基础生物化学功能（细胞募集、细胞粘附及基质降解）；优化生物化学功能（基质矿化、成骨、成血管、成神经及免疫调节）；其他生物化学功能（抗菌及肿瘤抑制）。

图4：基于超分子肽纳米纤维水凝胶提供骨组织再生所需的多种的生物化学功能

此外，该文还进一步探讨了提高超分子肽纳米纤维水凝胶机械性能的策略，主要包括优化成胶条件、化学交联、物理交联以及构建互穿网络。优化的机械性能有利于临床转化及修复干细胞成骨分化。

最后，该文总结了关于超分子肽纳米纤维水凝的综合应用方式。该水凝胶可直接以注射的形式用于修复非承重区域骨缺损，减少患者创伤。对于承重区域骨缺损，可利用水凝胶包裹固态支架材料，提供类细胞外基质结构，进而构建复合纳米支架。同时，超分子肽纳米纤维水凝胶还可以通过生物打印，依次沉降活性因子及（或）种子细胞，构建具有不同功能微环境的移植物。亦可以负载种子细胞在体外通过生物反应发生器构建组织工程骨移植物，用于替代现行使用的自体骨移植物。该文可为骨组织工程方向研究专家提供新的研究思路。

武汉大学李景峰副教授、蔡林教授和华中科技大学郭晓东教授为该文共同通讯作者，武汉大学硕士研究生郝卓文为本文第一作者。该文得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金和武汉大学中南医院院内基金的资助。

原文链接：

http://doi.org/10.1002/advs.202103820

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