自组装超分子生物材料相较于传统高分子材料具有众多优势,包括结构功能可调性、响应性、可逆性,以及良好的生物相容性。蛋白质是生命体所有活动的执行分子,利用多肽链来构建自组装超分子生物材料,除了具备一般超分子材料的优点,也能最大化地实现其活性与功能,具有丰富的生物应用场景,为新型生物材料的开发提供了无限可能。然而,尽管已有了很大进展,人们仍然对多肽自组装超分子体系的设计、结构和功能的关系缺乏规律性的认识。本论文聚焦于多肽自组装超分子的生物功能化材料的设计及应用,希望能为制备更安全有效的生物材料提供一些解决方案。论文的主要研究内容概述如下。第一部分:设计了靶向细菌膜的自组装抗菌肽。抑菌肽作为天然的抗菌分子,可作用于微生物磷脂膜,因其能抵抗细菌产生耐药性而备受关注。其中,聚合阳离子肽能与病原菌的负电微生物膜相互作用,导致细菌死亡。但共价聚合阳离子肽成本高、效率低,对细菌磷脂膜的靶向作用和破坏作用也不强。本文基于多肽自组装超分子,开发了一种可增强抗菌活性的抗菌肽。我们在六价阳离子肽的序列中插入具有自组装功能的双苯丙氨酸(FF)的核心基序,得到新型抑菌肽KRRFFRRK(FF8)。FF8在中性环境下表面具有大量的正电荷,能稳定地溶于水中而不发生聚集。当遇到病原菌带负电微生物膜时,FF8通过长程静电力吸附到细菌膜上,多肽表面电荷被屏蔽而发生去质子化,暴露出疏水的自组装核心序列,响应性的诱发FF8在微生物膜上自组装成多肽纳米纤维。FF8多肽纤维的张力导致膜发生无法修复的破裂,由此对病原菌产生致命性伤害。通过对比FF8与无自组装序列的六价阳离子八肽GG8(KRRGGRRK),FF自组装基序的嵌入能提高抑菌肽近32倍的抗菌性能。这种全新的自组装抗菌肽的设计思路与理论机制,为新型抗菌肽的开发提供新的可能,并能进一步推动抗菌肽的应用。第二部分:设计了具自由基清除能力并可生物降解的多肽自组装水凝胶用于心肌细胞的三维培养。心肌缺血再灌注会产生大量的活性氧(ROS),从而造成心肌组织的持续性损伤。清除心肌组织中的过量ROS将减少组织损害,但全身性ROS的清除会引起代谢紊乱。传统的具自由基清除功能的高聚物水凝胶可定点清除局部过量ROS,但存在着不明确的毒性、难以体内降解等问题。在本文中,利用多肽自组装序列结合具有活性的巯基短肽,得到的五肽分子ECAFF(ECF-5)可自组装成超分子水凝胶,具有很强的自由基清除能力并可生物降解。ECF-5多肽水凝胶不影响心肌细胞的正常活力,且能显著减少ROS对细胞造成的损伤。另外,多肽水凝胶具有良好的生物降解性能,避免难降解水凝胶对毛细血管造成栓塞的风险。ECF-5水凝胶高效的ROS清除能力使其能用于治疗因活性氧引起的局部组织损伤,并且可用作心肌细胞的三维培养,使得心肌细胞在短时间内生长成组织样细胞球。ECF-5水凝胶的这些能力使其在未来的心肌组织工程领域有很大的应用潜力。第三部分:基于多肽自组装超分子纤维构建了特异性吸附外泌体的微流控芯片。外泌体是由细胞主动分泌到胞外环境中的完整的磷脂囊泡,携带了包括蛋白质和核酸在内的众多生物活性分子,含有大量母细胞的信息,参与和其他细胞交流的过程。但当前外泌体的分离手段极为有限,获得的不均质外泌体缺乏稳定性,限制了其在液体活检中的应用。我们利用噬菌体展示技术淘选得到能与外泌体标志蛋白CD63分子特异性亲和的多肽(D17)。在此基础上,设计了具有自组装功能的、包含D17序列的多肽Fmoc-FH13。多肽Fmoc-FH13自组装后形成纤维,将CD63特异性结合表位(D17)展示在多肽纤维表面。这种自组装超分子聚合平台,放大了CD63亲和表位,提高了结合效率。该多肽纤维能响应pH进行CD63阳性外泌体的高效分离。我们还将CD63特异亲和的多肽纤维固定在微流控芯片内部,分离捕获CD63阳性外泌体,通过ELISA检测肿瘤细胞外泌体的PD-L1含量。