【背景介紹】
在過去的十年中，再生醫學在從組織替代到組織再生的顯著範式轉變中，需要明智地設計能夠模仿天然組織的結構和功能特徵的智能支架，從而在體內產生積極的癒合反應。最近，生物活性玻璃（生物玻璃，BG）已經成為潛在的生物材料，顯示出在假體醫療植入物和藥物輸送中作為骨水泥材料的有趣應用。由於較低的二氧化矽含量（<60％），bg材料顯示出令人感興趣的生物活性，從而產生了不同形式的羥基磷灰石（hap），最終通過形態和生物固定促進了自然粘附。但是，與合成的羥基磷灰石相比，生物活性玻璃的生物學特性優越，因為生物活性玻璃的溶出產物上調了控制成骨的基因的表達，從而導致更高的骨形成率和機械強度的提高。強度和結構完整性。
【摘要】
肽水凝膠最近已成為設計組織工程中合成支架的潛在生物材料。最近，CSIR-基因組和整合生物學研究所Munia Ganguli和納米科學技術研究所Asish Pal等研究人員在《Chemistry of Materials》上發表了題為Pathway-Driven Peptide–Bioglass Nanocomposites as the Dynamic and Self-Healable Matrix論文。他們展示了肽兩親物1的路徑控制自組裝，以提供動力學控制的納米纖維（1NF）和熱力學穩定的扭曲螺旋束（1TB）。這些具有不同持久性長度的超分子納米結構可促進原位礦化，從而產生模板化的生物活性玻璃複合材料，1NFBG和1TBBG-可吸收，介孔和可降解的生物材料，如骨支架。1TBBG是具有優異性能的材料，其開孔網絡結構百分比較高，這是通過非橋連和橋連氧的比例獲得的。根據流變學研究，該水凝膠複合材料顯示出出色的動態和自愈性能，尤其是1TBBG的彈性模量幾乎可與天然骨相媲美。在模擬體液中孵育後，生物玻璃複合材料說明了結構和拓撲控制介導的可調節的生物活性反應，可誘導多相磷酸鈣以及磷酸八鈣和碳酸鹽羥基磷灰石的沉積。最後，這種時空複合材料促進了剛度控制的成骨細胞與細胞的相互作用，以支持U2OS在水凝膠基質中的生存，從而突出了它們作為成骨細胞生長的基質的潛能，可延長培養時間並在3D骨組織建模中發揮作用。
作者嘗試對超分子肽自組裝進行結構控制，進而直接調節所得生物玻璃複合材料基質的性能，並最終影響骨再生。因此，衍生自簡約模型肽Fmoc-VFFAKK的動力學控制納米纖維（1NF）和熱力學穩定的扭曲螺旋束（1TB）分別用作設計生物玻璃複合材料1NFBG和1TBBG的模板（示意圖1）。納米複合材料的詳細結構研究是通過先進的顯微鏡和光譜技術進行的，
示意圖1. 肽兩親物1的分子結構及其在水中驅動的自組裝至產量納米結構1NF和1TB的過程。
進行SEM可視化原位礦化和最終將生物活性玻璃沉積到肽1NF和1TB的多孔三維纖維網絡中（圖1A，B）。在130°C的溫度下，所有樣品的輕微重量損失（<10％）歸因於表面物理吸附的水分子的損失（圖1C）。1NFBG和1TBBG的孔特徵通過氮吸附來評估– BET產生的解吸等溫線（圖1D）。使用BJH方程可知，平均孔徑從3.8 nm（1NFBG）降低到3.3 nm（1TBBG）（圖1E），這可能是由於1TBBG中相對於1NFBG的無機物礦化程度更高。結果也導致了1TBBG的更高的孔體積和表面積。
圖1.
記錄在4000至400 cm-1的波數範圍內的FTIR光譜用於洞察1NFBG和1TBBG樣品礦化過程中不同鍵的參與。在生物玻璃複合物形成時，肽的特徵性醯胺I和醯胺II峰向更高的波數移動。因此，金屬離子與胺基酸部分的螯合分別導致醯胺I和II在1632和1536 cm-1出現峰（圖2A）。此外，Si–O–Si的特徵峰（在1075 cm–1處拉伸，在465 cm–1處彎曲），矽酸鹽網絡的環狀結構（798 cm–1）和P–O（619 cm– 1）在995 cm–1處與Si–O（非橋接氧）結合，表明生物玻璃已摻入肽水凝膠中。此外，通過拉曼光譜闡明了基於NBO和橋聯氧（BO）的1NFBG和1TBBG生物活性肽複合物的原子結構（稱為Qn）（圖2B，C）。
圖2.
接下來，使用動態振蕩流變實驗研究了水凝膠及其複合材料的機械強度。天然肽納米結構的特徵頻率掃描實驗表明，水凝膠強度對結構具有影響，其中1TB具有比1NF更高的G'模量（圖3A）。複合材料1NFBG和1TBBG與1NF和1TB天然水凝膠的機械響應的比較顯示，原位礦化的生物玻璃水凝膠的G'值比相應的天然肽水凝膠的G'值增加了2倍以上（圖3B）。此外，採用動態振蕩流變學來定量評價自愈性能。它涉及連續監測儲能模量，同時拉緊凝膠直至失效，然後恢復以確認凝膠的自愈特性（圖3C）。當將1TBBG凝膠塊緊密貼近時，它們會在幾秒鐘內彼此自粘，而無需使用任何外部治癒劑。通過三個周期的0.1和100％應變的交替變化來研究1TBBG的觸變性，這三個周期在去除高應變後顯示了網絡的瞬時自恢復（圖3D）。
圖3.
由於1TBBG的機械剛度更接近天然骨，並且與1NFBG相比具有更高的生物活性響應，因此進一步選擇了1TBBG作為複合凝膠以監測穩定性模式。與對照生物玻璃水凝膠複合材料相比，通過監測暴露於SBF，胰蛋白酶和SBF中的胰蛋白酶的水凝膠的機械性能，可以評估15天內肽複合材料1TBBG的穩定性（圖5A）。所有樣品在細胞毒性水平方面均表現出內部變化。儘管如此，發現所有物質的總體生存力都高於85％，因此表明水凝膠對兩種細胞系均具有良好的生物相容性（圖5B）。同樣，作為礦物質化生物玻璃模板，模仿極簡肽兩親物的ECM有助於軟組織和硬組織細胞的相容性。
圖5.（A）比較條形圖，顯示了在用模擬體液（SBF），胰蛋白酶以及不同濃度的SBF和胰蛋白酶的雞尾酒溶液處理後，1TBBG凝膠在0.1％應變和10 rad/s下的儲能模量（G'）時間間隔為1天，7天和15天。（B）相互作用48小時後，針對U2OS和HaCaT細胞系的天然水凝膠1NF和1TB以及相應的生物玻璃複合材料1NFBG和1TBBG的MTT分析。（C，D）1NFBG和（E，F）1TBBG孵育後，在光學顯微鏡下成像的U2OS細胞的形態顯示了U2OS細胞系隨時間的擴散形態。（G）天然肽水凝膠構建體的示意圖。
為了進一步驗證肽水凝膠複合材料是適合組織發育的生物材料，通過長時間放置大量細胞來評估材料的細胞毒性。因此，將大約一百萬個使用二乙酸螢光素（FDA）和碘化丙啶（PI）的預染色U2OS細胞接種到水凝膠中，並進行了14天的監測（圖6）。兩種水凝膠複合物均表現出細胞附著和維持作用，反映了在14天的較長培養時間內水凝膠的穩定性。值得注意的是，細胞在2D或在組織培養的聚苯乙烯燒瓶中以單層形式生長，而據報導，水凝膠在整個過程中支持多層或3D細胞生長，並使細胞與基質的分離最小，從而表明它們是出色的生物材料。因此，由於肽1模擬天然ECM，這種基於肽的水凝膠製成的3D構建體可能是用於骨癌建模和相應抗癌藥物反應的可行底物。
圖6.FDA/PI分析圖像描繪了U2OS細胞與水凝膠複合物（A，B）1NFBG和（C，D）1TBBG在0和7天的不同時間間隔的相互作用。
【總結】
作者展示了一種簡約的肽兩親物設計，該介導物通過溫度驅動的自組裝介導，將其結構從納米纖維調節到與膠原蛋白螺旋非常相似的扭曲螺旋束。這種途徑驅動的自組裝肽納米結構可作為生物活性玻璃原位礦化的模板，並控制其結構功能特徵。與納米纖維相比，扭曲的螺旋束在生物玻璃表面上賦予了更高比例的NBO部位，從而增強了其羥基磷灰石的礦化功效。纖維的束縛和連續的生物礦化增加了水凝膠網絡的剛度，從而導致扭曲的束模板生物玻璃水凝膠複合材料具有接近天然骨骼的有效機械響應。最佳的成骨活性證實了超分子水凝膠複合物作為骨細胞利基的實用性。該複合物在基質微環境提示的情況下具有機械強度的變化。這種具有拓撲，結構和機械控制的介孔，動態，可自愈的生物材料可以作為骨組織工程應用的植入物塗層的潛在候選者。
參考文獻：doi/10.1021/acs.chemmater.0c03757
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