基于蛋白质拟肽纳米纤维的三维纳米结构的构建及生物应用研究

The modification and self-assembly of macromolecules shows wide potential applications in the fields of molecular biology, genetic engineering, and biomedical engineering. The project will focus on the design and synthesis of protein-mimetic peptides (PMPs) with special biological functions as well as the subsequent formation of protein-mimetic peptide nanofibers (PMPFs). We would like to investigate the self-assembly mechanism, mechanical property, stability, and biological properties of the created novel PMPFs. Furthermore, we will fabricate three-dimensional fibrous mico-scaffolds and nanofibrous membranes based on the created PMPFs by using the layer-by-layer self-assembly and micro-contact printing techniques. The novel biological properties of the fabricated three-dimensional PMPF scaffolds and their potential applications in biodegradability, cell compatibility, drug delivery, gene transfer, biomimetic mineralization, and protein adsorption will be investigated. The launch of this proposed project will be very significant and helpful for us to understand the relations among the biological properties, the micro-structure of the fabricated 3D PMPF scaffolds and the amino acid sequence of PMPs, and further to raise the new views on the preparation of novel nanoscale biomaterials with the self-assembled PMPFs. The success of this project will have considerable impacts on the development of materials science, nanotechnology, biomedicine, and biophysics.

生物大分子的修饰和自组装在分子生物学、基因工程以及生物医学工程等众多领域有着广泛的潜在应用价值。本项目旨在通过模拟蛋白质分子的结构和功能设计并合成出多种具有特殊生物功能的杂化多肽序列，并将其自组装成多肽纳米纤维，探究这些新型自组装蛋白质拟肽纳米纤维的形成机理、机械性能、稳定性及生物性能，总结规律并形成理论；同时，我们还将利用层层自组装和微压印技术，以功能化的蛋白质拟肽纳米纤维为基础构建具有三维结构的纳米纤维支架和薄膜材料，探究其生物性质以及在生物医学方面的潜在应用，比如生物降解性、细胞相容性、药物传输、基因转染、生物矿化、蛋白吸附等。该项目的实施将有助于我们深入认识和理解三维蛋白质拟肽纤维的生物性能与材料纳米结构以及多肽分子末端修饰氨基酸序列之间的联系，提出基于蛋白质拟肽纳米纤维制备功能化生物纳米材料的独特的见解，促进材料科学、纳米科学、生物医学及生物物理学等学科方向的发展。

基于多肽对探索生命起源、理解生命现象的重要意义，对其自组装行为的研究现在已成为分子自组装研究领域中最为活跃的方向之一。如何合理设计多肽分子序列的组装模式以及赋予自组装结构特殊的功能，是目前科学家们共同面临的挑战。.在本课题中，我们从分子设计角度出发，在多肽分子合成过程中引入具有不同功能的氨基酸序列，赋予多肽分子多样性的生物学功能，进而与石墨烯、金属纳米簇、量子点、金属氧化物等功能性无机纳米粒子杂化，并通过自组装方法构建具有特殊光、电、磁功能的三维生物纳米杂化纤维。基于这种新型三维生物纳米杂化纤维的构建策略，申请人设计并合成出多种功能性多肽序列（如AEAKAEAKYWYAFAEAKAEAK， TATAEAKAEAKYWYAFGSH，VIAGASLWWSEKLVIA，RGDAEAKAEAKYWYAFAEAKAEAKRGD，NGRAEAKAEAKYWYAFCCY等），并成功实现对多肽分子自组装结构、形貌和性能的精确调控，制备出一系列具有优异性能的多肽纳米杂化纤维。通过该项目的研究，我们从理论上揭示了生物纳米纤维与功能性无机纳米材料的杂化、自组装、界面作用机制；在实践上制备出多种高性能的三维生物纳米杂化纤维材料，并成功应用于生物传感、生物矿化、荧光成像、药物控释等领域。.通过对蛋白质拟肽分子进行功能化修饰和自组装研究，赋予多肽纳米纤维复合的生物性能，有效地实现了对其结构、形貌、性质的调控，为制备新一代生物大分子纳米纤维材料提供了可能。