基于二苯丙氨酸组装的双网络水凝胶的构筑与性能研究

Despite their potential in bioapplications, such as tissue engineering, drug delivery and medicine, hydrogels based on peptides have often suffered from their weak mechanical properties, due to their single network of peptides. In this project, tough supramolecular double-network hydrogels are developed by the co-assembly of diphenylalanine and several organic molecules. The stiffness of each network, the concentration of components, their interaction and the condition of the solvent (H2O) could all strongly affect the toughness and/or the strain-responsive character. After optimizing these parameters, we can maintain the hydrogel structure for much longer time in a physiological solution, making it better used in antimicrobial coating, tissue repairing or drug delivery.

基于肽分子构建的水凝胶，在组织支架工程、药物控释载体、生物基质模型等研究领域都证实有应用前景，但依然受制于它们孱弱的机械性能，而机械性能弱主要源于肽分子构筑的单网络。项目拟用二苯丙氨酸和其它分子共组装构筑几种刚性强的超分子双网络水凝胶，其中二苯丙氨酸和选用的分子分别形成一个网络结构，两个网络相互缠绕、性质互补。项目将研究双网络体系中每个网络的机械性质、各组分的浓度、各组分之间的相互作用，以及溶剂水提供的环境变化，以实现对凝胶的组装调控；阐述参数变化对整个体系的机械性质产生的影响；优化参数，构筑并表征水凝胶的精细网络结构，获得兼具生物相容性和强韧性的水凝胶，有望在生理环境中长时间保持凝胶结构，最终用于抗菌涂层、组织工程或药物运输。

仿生体系的分子组装，是以模拟生物体的结构和功能为基础，用自组装的方式构筑仿生纳米材料。生物活性分子，包括肽、蛋白质、磷脂和 DNA 等，为其主要的研究对象。肽分子是由多种氨基酸通过肽键连接，按照一定顺序排列而成的，它是生物体内各种生命活动和细胞功能相关的活性物质。通过认识学习自然界的生物体系，在分子水平上对多肽自组装进行设计并功能化，从而控制其组装体的形状和结构，而这一过程对理解生命现象，探索生命起源和对生物活性肽类药物以及生物医学材料的研制都具有重大的意义二苯丙氨酸（L-Phe-L-Phe, FF）是阿尔兹海默症Aβ-淀粉样多肽的最小识别基序。研究精准控制其组装的结构和应用，对于研究多肽蛋白质组装具有深远意义。本项目主要研究内容：（一）设计构筑机械强度高的聚合物/短肽双网络水凝胶。随后通过多个实验条件优化，得到最佳成胶条件；进一步通过一系列表征手段和理论计算，对体系的组装机理做出合理的解释。最后对优化后的凝胶体系的物理化学生物性质进行全面观测，探索该体系作为应力传感器应用于生物医学材料的潜在价值。（二）使用一种简便的浸渍提拉法实现精准调控二肽组装。通过调节该方法的不同参数，改变溶液成分等条件，诱导二肽组装得到微米纤维、纳米纤维、条带状结构、无定形薄膜等组装体，并探讨其组装机理。（三）研究短肽与金属纳米颗粒作用结果。将三肽包覆金纳米棒，组装得到核壳结构的纳米球，并因协同作用对水溶液中的Hg2+有很强的吸附能力，有望用于重金属污染的治理。总之，肽分子本身有多种共价、非共价作用的位点，组装机理复杂。在肽基双网络凝胶研究过程，对于分级结构的组装机理研究，可以获得更多对构建肽分子双网络结构材料的指导意义。此外，本项目实现了二苯丙氨酸及其衍生物的组装过程精准调控，也初步探索了组装机理，也体现了一定的应用价值。