超分子水凝膠材料研究進展

李旋，蔣瑤，謝千秋，高旖純，南柏鑫，唐鈺瑩，陳盛明

(重慶工商大學 環(huán)境與資源學院 催化與環(huán)境新材料重慶市重點實驗室，重慶 400067)

超分子水凝膠材料主要是指通過小分子間的非共價作用而結合在一起的生物材料。超分子水凝膠材料通過分子的自組裝形成具有有序結構的超分子，并被越來越多的應用在生物醫(yī)學中[1]。例如，Hamachi和同事以超分子水凝膠為平臺，結合不同的人工受體，開發(fā)了一類半濕式傳感器芯片，它能夠識別陽離子、糖類、陰離子熒光染料、磷酸鹽衍生物、多胺和多元醇[2]。Stupp等使用pH值控制的自組裝肽(PA)開發(fā)了一組具有良好生物學應用的超分子纖維scaf-折疊，如指導羥基磷灰石在體外模仿生物礦化[3]或誘導祖細胞快速分化為神經元[4]。2004年首次報道了關于整合酶促反應和自組裝的新進展，建立了超分子水凝膠材料在生物醫(yī)學中的應用，如癌癥治療、感染性疾病和藥物輸送等應用[5]。此外，除了對自組裝藥物分子的研究外，抵抗內源性蛋白質和新型生物功能材料D-肽的發(fā)展也取得了豐碩的成果[6]。

1 超分子水凝膠作為生物功能材料

1.1 多聚水凝膠和超分子水凝膠

在對超分子生物功能材料[7]的探索中，最為突出的一類功能材料就是超分子水凝膠。將超分子水凝膠與常規(guī)聚合物水凝膠進行比較，常規(guī)聚合物水凝膠是由大分子形成的，具有3D彈性網絡的常規(guī)聚合物水凝膠能夠通過表面張力和毛細作用力保持或固定住大量的水。根據交聯(lián)性質，聚合物水凝膠可以進一步分類為I型和II型[8]。I型聚合物水凝膠是通過共價鍵連接組成的聚合物，通常是永久的和不可逆的，但是仍然可以具有一定的動態(tài)自由度。由于共價鍵交聯(lián)，這種類型的水凝膠不能自我修復，并且I型水凝膠通常對外界刺激不敏感，這些缺點在很大程度上限制了I型聚合物水凝膠在生物醫(yī)學中的應用。相比之下，II型聚合物水凝膠易受外部刺激的影響，這種動態(tài)瞬變的性質使聚合物水凝膠能夠自我修復[9]，因此，II型聚合物水凝膠在生物學研究中具有更廣泛的應用。自1955年捷克化學家Drahoslav Lim和Otto Wichterle開發(fā)出第一種可用于生物醫(yī)學應用的聚合物水凝膠以來，多聚水凝膠已經用于多種生物學領域，如超吸收材料[10]、藥物儲存和生物醫(yī)學遞送[11]、重構人造細胞外基質[12]的支架、隱形眼鏡工程[13]等領域，這些聚合物水凝膠的應用范圍仍在擴大。而超分子水凝膠是水凝膠在水中自組裝形成的超分子“鏈”，納米纖維或其他納米級組裝體作為水凝膠的三維網絡來固定水。因此得到的水凝膠被命名為超分子水凝膠或分子水凝膠。在非共價鍵的相互作用下，超分子“鏈”，納米纖維或其他納米粒子自組裝形成小分子是瞬態(tài)的和可逆的。與聚合物水凝膠中的交聯(lián)不同，超分子水凝膠的納米纖維之間的交聯(lián)是非共價的。因此，超分子水凝膠通常是熱可逆的或容易受刺激的。由于超分子水凝膠相比于聚合物水凝膠具有更加優(yōu)良的性質，因此超分子水凝膠成為了生物功能材料中舉足輕重的一部分。

1.2 超分子水凝膠的優(yōu)點

超分子水凝膠擁有非共價性，成為了生物功能材料的重要組成部分之一，并且不斷的被深入研究。分子自組裝是分子在不受人類外力的介入下，自行聚集、組織成規(guī)則結構的現(xiàn)象。作為超分子化學中的關鍵概念，自組裝主要基于分子之間的非共價相互作用，在這些非共價相互作用中，疏水相互作用對于水中的水凝膠自組裝非常重要。這種分子過程可以很容易地與各種生物系統(tǒng)中的細胞事件相互作用，從而得到各種全新的生物和生物醫(yī)學應用[14]。分子自組裝的非共價性使得超分子水凝膠材料具有幾個獨特的優(yōu)點。

1.2.1 響應性 由于非共價相互作用的動態(tài)性，超分子水凝膠的生物功能材料對各種物理、化學或生物刺激都會做出反應，如溫度、超聲、光、磁場、pH、離子強度、氧化還原劑、配體-受體相互作用等。利用這一特性，不僅能夠控制自組裝和自拆卸過程，而且能夠對外部刺激做出反應，還能夠生產出化學、物理和生物傳感器用于檢測各種外部刺激。另外，水凝膠膠化的途徑也十分重要，其中探索的越來越多的是配體-受體之間的相互作用。金屬-配體相互作用是一種重要的配體-受體相互作用，Jong和Kim設計并制備了一種基于γ-環(huán)糊精與偶氮染料的主客體相互作用的新型超分子水凝膠。由于含有8-羥基喹啉的偶氮染料也是金屬離子的配體，因此金屬離子導致了不同的結合模式，這是水凝膠中超分子組裝的不同形態(tài)的轉變原因[15]。

1.2.2 可逆性 由于非共價相互作用的瞬時性質，超分子網絡能夠在變形和破壞后恢復其機械性能。換句話說，瞬態(tài)特性賦予了超分子水凝膠材料的可逆性，這對于延長材料的使用壽命和提高材料的安全性和性能是至關重要的。例如，由Schneider等開發(fā)的兩種肽MAXI和MAXB對機械剪切高度敏感，當暴露于剪切應力時，由MAXI或MAX8剪切稀化形成的水凝膠以非常低的粘度流動[16]。超分子水凝膠的這種內在特性允許水凝膠通過注射器精確地遞送到目標位置。均質的細胞分布和細胞活力不受剪切變稀過程的影響，并且水凝膠能夠在引入點處重建并保持固定，因此這些水凝膠可用于將細胞遞送至靶向疾病部位用于組織再生。

1.2.3 可調性 為了調節(jié)共價聚合物水凝膠的力學性能，材料科學家通常根據聚合物凝膠的傳統(tǒng)網絡理論調節(jié)交聯(lián)點之間的密度或距離[17]。這種方法通過簡單的改變自組裝單元的濃度或分子識別基序的密度來對超分子水凝膠進行機械性質的調節(jié)。由于疏水相互作用是超分子水凝膠中最重要的相互作用之一，它比離子相互作用弱得多，所以芳香族和離子相互作用的結合將成為調整超分子水凝膠彈性的有效方法[18]。此外，分子識別也能夠增強超分子水凝膠的彈性[19]。改變超分子材料結構單元的分子結構直接導致宏觀性質如光學性質、細胞相容性和生物穩(wěn)定性的變化，例如通過利用非天然氨基酸如D-氨基酸來實現(xiàn)選擇性靶向或增強生物穩(wěn)定性。

1.2.4 生物相容性和仿生學 生物系統(tǒng)非常復雜，但開發(fā)合成材料離不開它們，因為它們能夠模仿自然界中生物材料的結構和功能。由于超分子水凝膠的網絡在很大程度上依賴于小分子間的非共價相互作用，所以這種水凝膠通常是生物相容的，并且在大多數(shù)情況下是可生物降解的。這一特點使超分子水凝膠成為細胞培養(yǎng)和組織工程的優(yōu)秀平臺，例如可以模擬支持細胞存活的細胞外基質，輔助細胞粘附和分裂，甚至促進細胞增殖和分化。Ulijn及其同事[20]報道了使用水凝膠培養(yǎng)2D和3D細胞，結果表明，使用超分子水凝膠作為細胞相容的生物功能材料是可行的[21]。

1.2.5 模塊化和多種功能 超分子水凝膠劑具有靈活的分子支架，能夠結合多種功能實體來制造多功能生物材料。有趣的是，這些水凝膠劑可以與許多臨床使用的用于生產水凝膠的藥物綴合為“自遞送”藥物，從而消除了藥物封裝的步驟。在大多數(shù)情況下，用藥物修飾自組裝分子幾乎不會破壞它們的自組裝性質。通過合理的分子設計，自組裝和藥物分子的結合為臨床使用的治療劑提供了一種全新的產生方法，而且不影響藥物的生物活性，實現(xiàn)了未共價包封的藥物仍可能迅速散開，通過可生物降解的接頭直接將疏水性抗癌藥物喜樹堿(CPT)摻入親水性肽骨架中，以獲得較高的定量載藥量。除了摻入藥物之外，摻入熒光團(NBD)以產生熒光水凝膠劑使細胞內小分子的自組裝也成為了可能。

2 由基本的生物構件組成的超分子水凝膠

2.1 氨基酸-超分子水凝膠材料最流行的構建模塊

生命主要依賴非共價相互作用來維持生物大分子的3D-結構以及控制生物系統(tǒng)中的特異性結合和識別。這一基本事實為材料科學家提供了使用基本生物構建模塊構建自組裝分子以生成超分子生物功能材料的藍圖。與其他小型有機分子相比，使用統(tǒng)一的生命構建塊[22]更適合于生物醫(yī)學應用。當然，這樣的超分子生物功能材料的設計需要理解由這些基本生命結構塊產生非共價相互作用的基本原理。以下部分使用由肽或肽衍生物制成的超分子水凝膠來說明來源于氨基酸的功能性生物材料的優(yōu)點和多功能性。

2.1.1 分子設計的空間很大 作為蛋白質的構建模塊，氨基酸是生成超分子水凝膠材料的理想選擇。首先，根據排列組合規(guī)則，22個天然氨基酸與非天然氨基酸一起為產生自組裝肽提供了巨大的分子空間[23]。其次，即使是微妙的差異也會對自組裝的能力以及隨之而來的物理和生物特性產生深遠的影響。例如，僅在一個甲基上不同的二肽Ile-Phe和Val-Phe顯示出顯著不同的自組裝行為，前者能夠形成由持續(xù)納米纖維組成的水凝膠，而后者甚至不能自組裝[24]。第三，在肽末端和側鏈上的羧酸(—COOH)、胺(—NHZ)和巰基(—SH)允許將各種小分子實體容易地結合到自組裝骨架中，以產生更多樣化的自組裝分子[25-26]。

2.1.2 易于合成 固相肽合成(SPPS)的開發(fā)和肽合成儀的商業(yè)化大大減少了肽合成的負擔。SPPS是有上限的，其通常只能連接大約50個氨基酸[27]，但通過使用天然化學連接法綴合兩個寡肽就可以合成更長的序列[28]。而且，肽的反應性末端(—NHZ，—COOH和 —SH)容易提供將一個或多個功能性基序結合到分子中的位點，從而提供具有進一步定制功能的綴合物。同時，在難以研究天然生物大分子的結構、組裝和生物化學的情況下，合成肽衍生物的容易性刺激了合成生物大分子模擬物的發(fā)展。例如，糖生物學和糖化學中的合成是困難的，這就阻礙了糖生物材料的發(fā)展，但通過自組裝肽，就能夠通過使用小糖苷和氨基酸的綴合物的自組裝來模擬糖蛋白和蛋白聚糖的功能[29]。

2.1.3 手性的結構多樣性 除了甘氨酸(G)以外，所有的天然氨基酸都是手性的并且僅以L-構型的形式存在。 L-氨基酸在自然界中形成L-肽，其在大多數(shù)情況下與細胞相容，因此被應用于一系列生物醫(yī)學當中，如細胞培養(yǎng)、組織工程和藥物遞送。由D-氨基酸組成的D-肽通常是抵抗內源性蛋白酶，并且可能對大多數(shù)酶不敏感，因此能夠被應用于癌癥治療和免疫調節(jié)等領域。例如，萘基與D-Phe-D-Phe的結合提供了一個自組裝分子，形成了一個水凝膠，該水凝膠能夠抵抗蛋白水解，并且能夠提供長期的生物穩(wěn)定性。由該D肽衍生物形成的納米纖維有效地抑制了膠質母細胞瘤細胞，但是對神經元細胞系表現(xiàn)出微弱的毒性。為了延長肽、蛋白質或抗體的壽命以維持其生物活性，Merrifield率先開發(fā)了使用D-氨基酸(即逆反肽)的天然肽序列的類似物[30]。逆向多肽，由反向序列中的D-氨基酸組成，盡管它們的末端羧基和氨基指向相反的方向，但它們具有和L-肽相似的側鏈排列。如果小肽與靶標的結合不依賴于肽的二級結構，則其反向反轉肽可能與靶標具有相似的結合親和力[31]。

2.1.4 多肽-完美的自組裝骨架 超分子水凝膠作為一種生物材料，是一種高含水量的非共價交聯(lián)納米纖維網絡?？紤]到蛋白質在水環(huán)境中會產生折疊，并且許多蛋白質能夠自組裝成更大的結構，它們似乎是開發(fā)水凝膠劑或前體的理想候選者。實際上，大自然早就使用蛋白質來制造了水凝膠，比如膠原蛋白就是其中一種。此外，蛋白質肽的片段適合于自組裝，在自組裝和水凝膠化過程中，肽骨架中的酰胺結構提供氫鍵供體和受體以促進分子堆積。小肽水凝膠的超分子納米纖維的共同構象是β-片。例如，Zhang等在研究來自酵母蛋白質的Ac-(AEAEAKAK)2-NH2(EAK16)的序列時，觀察到由相反的帶電殘基和疏水性殘基組成的自補體肽的凝膠化。交替的丙氨酸(A)和谷氨酸(E)或賴氨酸(K)殘基的模式促進了β-片的形成，其中疏水性和帶電側鏈指向肽骨架的相反方向，肽之間的氫鍵導致形成包含疏水性丙氨酸面和帶電的谷氨酸或賴氨酸面的分子間片層[32]。X螺旋肽水凝膠化的例子很少，這需要更復雜的設計[33]。例如，Woolfson報道了基于具有純α-螺旋結構的線性肽，合成設計并充分表征具有多于99個水的自組裝肽水凝膠的第一實例，兩個螺旋由28個氨基酸形成，彼此纏繞形成二聚體[34]。目前發(fā)現(xiàn)某些細菌淀粉樣蛋白是x螺旋[35]，這意味著使用α-螺旋來產生超分子水凝膠應該是可行的。

2.1.5 終端或側鏈模式 肽的一個吸引人的方面是其C— 和N— 末端以及具有 —NH2、—COOH、—SH或 —OH基團的側鏈，這些側鏈易用于進一步的官能化。這樣的綴合適應較寬范圍的非肽類結構部分，并且不會損害肽優(yōu)異的自組裝能力。肽的修飾主要分為兩類：一是為肽的自組裝提供附加的定向驅動力；二是功能化肽而不妨礙其自組裝能力。前者能夠生成許多優(yōu)良的超分子水凝膠或前體，如帶有烷基鏈的肽兩親物或用芳香族基團修飾的肽[36]。后者很容易在生物和生物醫(yī)學領域找到應用。Stupp及其同事率先開發(fā)了用自組裝形成水凝膠的肽兩親物(PA)。Ulijn等報道了小分子水凝膠劑之一的Fmoc-二苯丙氨酸的發(fā)展，其通過調節(jié)水溶液的pH或與其他水凝膠劑混合而形成水凝膠[37]。天然存在的核肽已經通過連接核堿基和小肽來刺激自組裝分子的發(fā)展，以增加氫鍵的相互作用[38]。例如，核堿基與簡單的二肽形成一組水凝膠或前體，通過適當?shù)囊l(fā)，這些核肽在水中自組裝，以形成新型的超分子水凝膠，其不僅僅是生物相容的，而且還對蛋白酶顯示出良好的抗性[39]。將糖摻入肽骨架通常會增加肽的溶解度，從而降低了分子的自組裝趨勢，然而，其形成的超分子水凝膠可能具有生物相容性，因為它們類似于天然糖肽，并且應該易于酶促降解。利用糖、肽和核堿基作為生物大分子產生的基本構件啟發(fā)了由糖、氨基酸和核堿基組成新類分子結合物的創(chuàng)造[40]。令人驚訝的是，這些綴合物作為水凝膠劑，能夠在水中自組裝形成有序的納米結構和具有多種功能的超分子水凝膠。

2.2 其他構建塊核酸圖案和糖類

核酸基序與超分子化學原理的結合提供了另一種強大的方法來制造具有生物學性質和功能的超分子水凝膠。例如，對pH敏感的鳥苷酰肼，作為一種優(yōu)秀的水凝膠因子，能夠形成一種穩(wěn)定的超分子水凝膠[41]。此外，具有由尿素接頭連接的辛基脂質尾部的2′-脫氧腺苷在超聲波照射下能夠凝膠化[42]。巴氏合金和同事已經開始發(fā)起了對糖基-核苷-脂質(GNL)兩親物的研究[43]。2005年，Barthelemy報道了一種在糖環(huán)上連接著兩個油鏈和一個葡萄糖的中性兩親物[44]，證明了這種兩親物能夠有效的與核酸雙螺旋結構結合。最近，核酸的自組裝分子在生物學和生物醫(yī)學中發(fā)現(xiàn)了更多的應用[45]。多糖，如藻酸鹽這一組生物材料，已經發(fā)現(xiàn)了許多的生物醫(yī)學應用，它們中的大多數(shù)能在溫和條件下形成水凝膠，這在傷口愈合、藥物遞送和組織工程中都能得到應用[46]。然而，對于小糖類超分子水凝膠的探索仍然較少，并且大部分糖類衍生的水凝膠都以脂質綴合物作為基礎，例如Thorton等合成并表征了3個系列的甲基x-D-吡喃葡萄糖苷衍生物，它們大多數(shù)是優(yōu)秀的水凝膠，能夠形成不同的自組裝結構，包括雙折射纖維和小管[47]。Wang和同事也報道了基于4，6-O-芐基-nea-D-methyl-glucopyranoside的水凝膠劑，通過銅催化的疊氮炔[3+2]環(huán)加成，再將不同的糖類作為極性頭連接到疏水鏈上[48]。Oriol等開發(fā)了幾種糖脂水凝膠，在室溫下自組裝形成纖維狀超分子結構作為穩(wěn)定水凝膠的基質。Hamachi等報道了由糖衍生物形成的超分子水凝膠的經典實例，在高濃度下，所得到的水凝膠對于不同的應用表現(xiàn)出足夠的穩(wěn)定性和機械強度，例如保持各種形狀，充當凝膠膠囊，用作細胞培養(yǎng)平臺，以及感測和靶向前列腺癌細胞[49]。Wang和同事將不同的糖與小肽(Nap-Phe)綴合為新型糖肽水凝膠，這種方法將多種類型的糖肽整合到一個單分子中，極大地擴展了超分子水凝膠的候選庫。

3 展望

超分子水凝膠利用生物構建模塊，通過自組裝和非共價相互作用構建了各種生物功能材料，為解決藥物傳送、生物醫(yī)學以及其他領域的問題提供了無限的幫助。自然界展示了許多生物生存和繁榮的策略，實質上，這些策略在很大程度上都是分子現(xiàn)象，超分子水凝膠材料的進展將加深和拓寬對生物系統(tǒng)的理解，因此，超分子水凝膠材料無論是在發(fā)現(xiàn)問題還是在解決方案上，都會繼續(xù)依賴生物系統(tǒng)作為靈感的來源。另一方面，對生物學理解的進步將推動超分子水凝膠材料的發(fā)展，也會帶動生物醫(yī)學的創(chuàng)新，這就是為什么超分子水凝膠材料能在超分子生物材料領域占據重要地位的原因。在過去的30年中，超分子水凝膠材料已經在生物醫(yī)學中大放異彩，在未來幾年，超分子水凝膠材料將成為制造生物功能材料的戰(zhàn)略關鍵，這種材料將為生物醫(yī)學和臨床實踐提供無限的機會和應用。