基于肽小分子自组装凝胶的分子设计、性能调控和3D生物打印

3D bio-printing shows significant promise for creating complex tissue and organ mimics to solve transplant needs and to provide platforms for drug testing and studying tissue morphogenesis. However, the lack of 3D-printable and cell-compatible bio-inks as well as the limited ability to tune bio-ink material properties is cited as significant inhibitors to the growth of bio-printing. Biomimetic or bio-inspired materials, such as short peptide building blocks, with ordered organization at micro- or nanoscale are increasingly important for applications in biomedicine and nanotechnology. We demonstrate here the use of self-assembly of short peptides to prepare fast-gelation and self-supporting hydrogels for 3D bio-printing. We will build the connections and models among the design of peptide sequences, modulation of self-assembly behaviors and rheological properties of hydrogels to fabricate a series of peptide-based bio-inks with controllable properties. Subsequently, we will develop the 3D cell printing and cell culture in order to build the tumor micro-environment in vitro.

3D生物打印技术在解决组织和器官仿生、移植等方面已成为全球瞩目的新热点。然而目前缺乏可3D打印、性能可调控、细胞相容的生物墨水成为阻碍生物打印技术发展的根本问题。作为生物体系的重要结构单元之一，申请人拟利用短肽分子在分子结构设计和合成技术上的可灵活操作特性，结合分子间弱相互作用力的调控手段，制备能够快速成胶并形成自我支撑层层结构的组装凝胶材料，并通过调控自组装的微环境（如浓度、pH值、温度等）实现组装凝胶的3D打印。通过深入研究分子结构与自组装行为、凝胶形成过程和流变性能之间的关系，结合分子动力学模拟等手段阐明分子结构、超分子组装、纳米结构和宏观力学性能之间的内在关联，筛选优化出适合打印的肽链氨基酸序列，构筑从分子层面上设计3D打印凝胶性能的模型并阐明其普适规则。进而实现细胞在三维凝胶内的可控生物打印，构建能够保证细胞生长以及与周围环境相互交流的体外肿瘤微环境和仿生器官模型。

项目通过合理的肽链氨基酸序列设计和调节，如增加肽链中可形成氢键、可增强疏水及静电作用力的官能团数量或者外来掺杂分子，调控二肽分子有序组装，得到具有不同组装结构的二肽材料，赋予其特殊的物理化学性能，并调控其生物力学性能，应用于光动力治疗、外科手术填充材料制备及3D生物打印。首先我们筛选并合成了多种功能性的二肽分子及其衍生物：Fmoc-YD、 Fmoc-YK、Fmoc-YL、Fmoc-YT、 Fmoc-LL、Fmoc-L3及PBI-[GD]2和PBI-[GY]2等。其中二肽衍生物分子PBI-[GD]2和PBI-[GY]2中段有相同的疏水基团，两端具有不同的亲水基团，通过改变分子自组装过程中动力学参数，例如改变溶剂，可以有效的调控PBI-[GD]2和PBI-[GY]2自组装行为，形成纳米颗粒或者纤维结构，所得纳米组装体具有不同的亲疏水性和荧光特性，可用于细胞染色。另一方面，利用酶催化作用，合成具有自组装行为的短肽分子，控制组装条件可以得到不同结构的纳米组装体或功能性水凝胶材料。此外，功能性分子如卟啉具有优良的光电、光热转化特性，将其与二肽分子共组装，通过调控组装条件，可得到具有高效光电转化效率的凝胶材料或具有光动力治疗效果的纳米颗粒。另外，通过筛选二肽分子，如Fmoc-YL，调控二肽分子内外非共价键作用力平衡，使其所形成的凝胶材料具有剪切变稀且可以快速恢复成凝胶的特性，开发了可注射的二肽凝胶填充材料，用于外科手术填充，相对于市售的外科手术填充材料，其具有优良的机械性能、生物兼容性和可降解性。在上述工作的基础上，通过筛选适合形成水凝胶二肽分子，例如Fmoc-YD和Fmoc-YK，具有相同的疏水端基，但相反的电荷亲水端，同时富含可形成氢键的官能团的二肽分子，快速凝胶化，赋予其优良的力学及生物性能。通过对包括氢键、疏水力、静电作用、π-π堆叠等分子间相互作用力的调控，实现了在水凝胶宏观力学性能调控方面的重要进展，以及其组装体结构的调控及其在三维空间上的生长、排列等组装行为的调控，并将上述短肽凝胶材料应用于3D生物打印领域，并取得了突破性进展，并将此3D打印凝胶应用于细胞三维培养，取得了较好的实验结果。