基于多肽和蛋白质的水凝胶研究进展

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1、基于多肽和蛋白质的水凝胶研究进展王晓威，王晓曼，冉隆豪，张文彬＊（北京大学化学与分子工程学院，软物质科学与工程中心，高分子化学与物理教育部重点实验室，北京１００８７１）摘要：基于多肽和蛋白质的水凝胶体系作为生物材料的一个重要种类，受到了广泛关注，近年来更得到了长足的进步。其凝胶化的机制既可以是侧基之间的物理组装和聚集，也可以是反应性残基之间的可控化学反应。两者协同作用可进一步促进其功能改性。多肽和蛋白质独有的生物活性及其结构和功能上的多样性和可调性为生物材料的发展提供了诸多可能，展现出广泛的应用前景。本文对基于多肽和蛋白质

2、的水凝胶的设计、制备和应用等研究进展进行了简要的介绍与总结，并对该领域的进一步发展进行了展望。关键词：水凝胶；多肽；蛋白质；高分子；生物材料引言材料科学与生命科学的交叉，推动了生物材料的迅猛发展。水凝胶是一类非常重要的生物材料。它是由亲水性三维网状结构与大量水构成的独特分散体系，能够在水中溶胀而不溶解。多数软组织就是由蛋白质和聚糖等生物高分子组成的水凝胶。因此，水凝胶在生物医学领域，特别是药物释放、组织工程、再生医学、生物传感器、柔性促动器以及人工细胞外基质等方面具有广泛的应用前景［１～３］。近年来，基于多肽和蛋白质的水凝

3、胶，因其结构上的精确性和功能上的多样性得到特别的关注，本文将就该体系做简要的介绍和总结。背景水凝胶构建水凝胶可以通过物理交联和化学交联的方法。前者基于非共价键相互作用，如静电作用、疏水１１．１作用、氢键等作用；后者则是基于共价键作用。评价水凝胶作为生物材料的应用前景的两个方面是生理活性和机械性能［４，５］。生理活性主要取决于高分子的组成、分布及其与细胞之间的相互作用；而机械性能主要取决于交联点的强度和密度。两者直接影响细胞的生长和分化行为［３，６］。近年来，围绕水凝胶的功能化和机械性能改性涌现了很多出色的工作。一方面，人们

4、通过加入纳米复合物或大分子聚集体参与交联［７］，改变交联点的性质，结合两个甚至多个性质互补的网络［８，９］或者利用不同交联机理协同作用［１０，１１］等方法来改进水凝胶的力学性能；另一方面，通过引入具有生理活性的基元并控制它们在时间空间上的表现来改进水凝胶的生理活性。综合调控这两方面的性质是水凝胶研究的重要方向。多肽和蛋白质多肽和蛋白质均为一类由α－氨基酸以肽键相连而成的化合物。一般把含有１００个（有时是５０个）以上氨基酸的多肽称为蛋白质。它们在体内起到了极为重要的生理功能，可以说是构成生命的物质基础。虽然其组成仅包含２０种

5、天然氨基酸，它却能在生命过程中起到复杂多样的关键功能。这主要归因于其１．２收稿：２０１４－０５－３０；修回：２０１４－０６－１９；基金项目：北京大学百人计划，中组部第五批青年千人计划资助。作者简介：王晓威（１９９１－），男，博士研究生，主要从事蛋白质基生物材料的研究；王晓曼，１９９０年生，女，博士研究生，主要从事巨型分子生物材料的研究；冉隆豪，１９９４年生，男，本科生，主要从事蛋白质水凝胶的研究；＊通讯联系人：张文彬（１９８１－），男，特聘研究员，副教授，研究兴趣主要在于发展基于精确高分子（包括蛋白质和巨型分子）的生物材料

6、。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｂｉｎ＠ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．第８期高分子通报·４５·精确的序列结构和多级的空间结构。氨基酸上不同性质的官能团（疏水、亲水、电中性、电负性、极性基团）的微妙平衡和巧妙结合正是蛋白质能进行有序折叠和实现多种功能的关键。多肽可以通过固相合成，也可以通过蛋白质降解得到。多肽的固相合成虽然只适用有限长度分子的合成（通常小于５０个氨基酸），但是可以方便地引入各种非天然氨基酸［１２］。蛋白质的生物合成则是由ＤＮＡ的转录与翻译实现的一个高度精确可靠的模板聚合反应。现代基因工程和重组蛋白质生物合成的迅猛发展为蛋白质生

7、物材料研究提供了很好的基础，而蛋白质工程更进一步拓展了其可修饰性和功能性。例如，Ｓｃｈｕｌｔｚ组［１３，１４］与Ｔｉｒｒｅｌｌ组［１５，１６］成功将非天然氨基酸引入蛋白质，为设计与操纵特殊蛋白质提供了极大的便利。定点突变和定向进化等技术的成熟更容许人们对于同一种蛋白质的性质进行改进和微调，其结构和功能控制的精确水平是合成高分子体系里所不能比拟的。基于多肽／蛋白质－合成高分子的水凝胶体系合成高分子虽然不具有生物大分子的结构精确度，生理功能也相对有限，但是其单体结构复杂多样，也比较容易修饰并实现量产。现代可控聚合技术的发展更提

8、供了控制合成高分子分子量、分散度等重要结构参数的多种有效方法。因而，合成高分子与多肽和蛋白质在作为材料方面具有很多互补的优点，其复合水凝胶体系也备受关注。Ｍｉｃｈａｅｌ加成、点击化学［１７］等一系列快速高效的化学修饰手段为创造复合水凝胶提供了合适的手段，架起了合成体系和生物体系之间的桥梁，促进了这个方向