Advanced Materials|用于心脏组织工程的多肽基导电抗菌凝胶材料
大家好，今天为大家推送的文献是发表于Advanced Materials的一篇文章，标题为“Nanoengineered Peptide-Based Antimicrobial Conductive Supramolecular Biomaterial for Cardiac Tissue Engineering”。本文的通讯作者为以色列特拉维夫大学的Ehud Gazit教授。
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）。
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。
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。
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。
作者：ZZC 审校：LXY
DOI: 10.1002/adma.202008715
Link: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008715