《Chem. Mater.》途径驱动的生物玻璃-肽水凝胶作为动态和可自修复的基质

【背景介绍】在过去的十年中，再生医学在从组织替代到组织再生的显着范式转变中，需要明智地设计能够模仿天然组织的结构和功能特征的智能支架，从而在体内产生积极的愈合反应。最近，生物活性玻璃（生物玻璃，BG）已经成为潜在的生物材料，显示出在假体医疗植入物和药物输送中作为骨水泥材料的有趣应用。由于较低的二氧化硅含量（<60％），bg材料显示出令人感兴趣的生物活性，从而产生了不同形式的羟基磷灰石（hap），最终通过形态和生物固定促进了自然粘附。但是，与合成的羟基磷灰石相比，生物活性玻璃的生物学特性优越，因为生物活性玻璃的溶出产物上调了控制成骨的基因的表达，从而导致更高的骨形成率和机械强度的提高。强度和结构完整性。【摘要】肽水凝胶最近已成为设计组织工程中合成支架的潜在生物材料。最近，CSIR-基因组和整合生物学研究所Munia
Ganguli和纳米科学技术研究所Asish Pal等研究人员在《Chemistry of Materials》上发表了题为Pathway-Driven Peptide–Bioglass Nanocomposites as the Dynamic and Self-Healable
Matrix论文。他们展示了肽两亲物1的路径控制自组装，以提供动力学控制的纳米纤维（1NF）和热力学稳定的扭曲螺旋束（1TB）。这些具有不同持久性长度的超分子纳米结构可促进原位矿化，从而产生模板化的生物活性玻璃复合材料，1NFBG和1TBBG-可吸收，介孔和可降解的生物材料，如骨支架。1TBBG是具有优异性能的材料，其开孔网络结构百分比较高，这是通过非桥连和桥连氧的比例获得的。根据流变学研究，该水凝胶复合材料显示出出色的动态和自愈性能，尤其是1TBBG的弹性模量几乎可与天然骨相媲美。在模拟体液中孵育后，生物玻璃复合材料说明了结构和拓扑控制介导的可调节的生物活性反应，可诱导多相磷酸钙以及磷酸八钙和碳酸盐羟基磷灰石的沉积。最后，这种时空复合材料促进了刚度控制的成骨细胞与细胞的相互作用，以支持U2OS在水凝胶基质中的生存，从而突出了它们作为成骨细胞生长的基质的潜能，可延长培养时间并在3D骨组织建模中发挥作用。作者尝试对超分子肽自组装进行结构控制，进而直接调节所得生物玻璃复合材料基质的性能，并最终影响骨再生。因此，衍生自简约模型肽Fmoc-VFFAKK的动力学控制纳米纤维（1NF）和热力学稳定的扭曲螺旋束（1TB）分别用作设计生物玻璃复合材料1NFBG和1TBBG的模板（示意图1）。纳米复合材料的详细结构研究是通过先进的显微镜和光谱技术进行的，示意图1.
肽两亲物1的分子结构及其在水中驱动的自组装至产量纳米结构1NF和1TB的过程。进行SEM可视化原位矿化和最终将生物活性玻璃沉积到肽1NF和1TB的多孔三维纤维网络中（图1A，B）。在130°C的温度下，所有样品的轻微重量损失（<10％）归因于表面物理吸附的水分子的损失（图1C）。1NFBG和1TBBG的孔特征通过氮吸附来评估–
BET产生的解吸等温线（图1D）。使用BJH方程可知，平均孔径从3.8 nm（1NFBG）降低到3.3 nm（1TBBG）（图1E），这可能是由于1TBBG中相对于1NFBG的无机物矿化程度更高。结果也导致了1TBBG的更高的孔体积和表面积。图1.记录在4000至400
cm-1的波数范围内的FTIR光谱用于洞察1NFBG和1TBBG样品矿化过程中不同键的参与。在生物玻璃复合物形成时，肽的特征性酰胺I和酰胺II峰向更高的波数移动。因此，金属离子与氨基酸部分的螯合分别导致酰胺I和II在1632和1536 cm-1出现峰（图2A）。此外，Si–O–Si的特征峰（在1075 cm–1处拉伸，在465 cm–1处弯曲），硅酸盐网络的环状结构（798
cm–1）和P–O（619 cm– 1）在995
cm–1处与Si–O（非桥接氧）结合，表明生物玻璃已掺入肽水凝胶中。此外，通过拉曼光谱阐明了基于NBO和桥联氧（BO）的1NFBG和1TBBG生物活性肽复合物的原子结构（称为Qn）（图2B，C）。图2.接下来，使用动态振荡流变实验研究了水凝胶及其复合材料的机械强度。天然肽纳米结构的特征频率扫描实验表明，水凝胶强度对结构具有影响，其中1TB具有比1NF更高的G'模量（图3A）。复合材料1NFBG和1TBBG与1NF和1TB天然水凝胶的机械响应的比较显示，原位矿化的生物玻璃水凝胶的G'值比相应的天然肽水凝胶的G'值增加了2倍以上（图3B）。此外，采用动态振荡流变学来定量评价自愈性能。它涉及连续监测储能模量，同时拉紧凝胶直至失效，然后恢复以确认凝胶的自愈特性（图3C）。当将1TBBG凝胶块紧密贴近时，它们会在几秒钟内彼此自粘，而无需使用任何外部治愈剂。通过三个周期的0.1和100％应变的交替变化来研究1TBBG的触变性，这三个周期在去除高应变后显示了网络的瞬时自恢复（图3D）。图3.由于1TBBG的机械刚度更接近天然骨，并且与1NFBG相比具有更高的生物活性响应，因此进一步选择了1TBBG作为复合凝胶以监测稳定性模式。与对照生物玻璃水凝胶复合材料相比，通过监测暴露于SBF，胰蛋白酶和SBF中的胰蛋白酶的水凝胶的机械性能，可以评估15天内肽复合材料1TBBG的稳定性（图5A）。所有样品在细胞毒性水平方面均表现出内部变化。尽管如此，发现所有物质的总体生存力都高于85％，因此表明水凝胶对两种细胞系均具有良好的生物相容性（图5B）。同样，作为矿物质化生物玻璃模板，模仿极简肽两亲物的ECM有助于软组织和硬组织细胞的相容性。图5.（A）比较条形图，显示了在用模拟体液（SBF），胰蛋白酶以及不同浓度的SBF和胰蛋白酶的鸡尾酒溶液处理后，1TBBG凝胶在0.1％应变和10
rad/s下的储能模量（G'）时间间隔为1天，7天和15天。（B）相互作用48小时后，针对U2OS和HaCaT细胞系的天然水凝胶1NF和1TB以及相应的生物玻璃复合材料1NFBG和1TBBG的MTT分析。（C，D）1NFBG和（E，F）1TBBG孵育后，在光学显微镜下成像的U2OS细胞的形态显示了U2OS细胞系随时间的扩散形态。（G）天然肽水凝胶构建体的示意图。为了进一步验证肽水凝胶复合材料是适合组织发育的生物材料，通过长时间放置大量细胞来评估材料的细胞毒性。因此，将大约一百万个使用二乙酸荧光素（FDA）和碘化丙啶（PI）的预染色U2OS细胞接种到水凝胶中，并进行了14天的监测（图6）。两种水凝胶复合物均表现出细胞附着和维持作用，反映了在14天的较长培养时间内水凝胶的稳定性。值得注意的是，细胞在2D或在组织培养的聚苯乙烯烧瓶中以单层形式生长，而据报道，水凝胶在整个过程中支持多层或3D细胞生长，并使细胞与基质的分离最小，从而表明它们是出色的生物材料。因此，由于肽1模拟天然ECM，这种基于肽的水凝胶制成的3D构建体可能是用于骨癌建模和相应抗癌药物反应的可行底物。图6.
FDA/PI分析图像描绘了U2OS细胞与水凝胶复合物（A，B）1NFBG和（C，D）1TBBG在0和7天的不同时间间隔的相互作用。【总结】作者展示了一种简约的肽两亲物设计，该介导物通过温度驱动的自组装介导，将其结构从纳米纤维调节到与胶原蛋白螺旋非常相似的扭曲螺旋束。这种途径驱动的自组装肽纳米结构可作为生物活性玻璃原位矿化的模板，并控制其结构功能特征。与纳米纤维相比，扭曲的螺旋束在生物玻璃表面上赋予了更高比例的NBO部位，从而增强了其羟基磷灰石的矿化功效。纤维的束缚和连续的生物矿化增加了水凝胶网络的刚度，从而导致扭曲的束模板生物玻璃水凝胶复合材料具有接近天然骨骼的有效机械响应。最佳的成骨活性证实了超分子水凝胶复合物作为骨细胞利基的实用性。该复合物在基质微环境提示的情况下具有机械强度的变化。这种具有拓扑，结构和机械控制的介孔，动态，可自愈的生物材料可以作为骨组织工程应用的植入物涂层的潜在候选者。参考文献：doi/10.1021/acs.chemmater.0c03757版权声明：「水凝胶」是由专业博士（后）创办的公众号，旨在分享学习交流高分子聚合物胶体学等领域的研究进展。上述仅代表作者个人观点。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载或投稿请后台联系编辑。感谢各位关注！