论文部分内容阅读
水凝胶是以水为分散介质的凝胶，由于它的孔结构和三维网状结构能够提供好的渗透性和机械支撑，因此在药物运输、组织工程等生物医学方面有着广泛的应用。水凝胶可以通过一些小分子自组装的方式得到，而肽分子无疑是一种较为理想的选择。肽分子的自组装现象广泛存于自然界中，通过自组装，肽分子可以形成不同功能的蛋白质分子，在生物进化及维持生物物种的多样性方面起着重要的作用。通过合理地设计调控肽分子的分子结构及改变相应的外界环境，肽分子通过疏水作用、氢键、静电作用、π-π堆积等非共价力可以自组装形成形态结构和功能特异的自组装体，其中较为重要的一种宏观表现就是水凝胶。肽分子的结构单元为氨基酸，自然界中常见的氨基酸有20种，通过设计不同肽序列可得到多种具有特殊功能的水凝胶材料，此外，肽分子自组装水凝胶还有着良好的生物相容性，在体内可降解，代谢终产物无毒，在材料科学、生物医药及临床医学等领域都有广阔的应用前景，近些年来，已经成为科学界的研究热点。本课题在实验室已有研究基础之上，对Ac-I3K-NH2分子进行了修饰，设计合成了三个不同系列的短肽分子，分别考察了氧化还原作用、pH、酶催化作用对所设计肽分子自组装成水凝胶的影响，并对所成水凝胶的性能进行了表征，分别考察了其在药物运输、组织工程及凝血方面的应用，具体的研究如下：(1)氧化还原作用下的成胶：Ac-I3K-NH2可以自组装成长纤维，并且在10mM的浓度下可以形成弱的水凝胶，在Ac-I3K-NH2分子基础之上，引入半胱氨酸残基Cys和甘氨酸残基Gly，设计合成了Ac-I3CGK-NH2分子，CD、FTIR及AFM、TEM说明半胱氨酸的引入并没有使分子在二级结构和自组装形貌上发生改变，依旧是β折叠的二级结构和纳米纤维的自组装体。然而，半胱氨酸上的巯基可以被氧化形成二硫键，使纳米纤维间发生化学交联，从而促进形成水凝胶，实验发现Ac-I3CGK-NH2在0.5mM的低浓度时就可以形成水凝胶，流变学实验证明Ac-I3CGK-NH2水凝胶的强度可以由环境氧化还原性调控。为了验证巯基在自组装成胶中的作用，实验中将半胱氨酸残基替换为甲硫氨酸，设计合成了对比分子Ac-I3MGK-NH2，分子中巯基被甲基化，无法氧化形成二硫键，实验证明Ac-I3MGK-NH2在相同的条件下无法成胶。此外，还设计合成了Ac-I3CCGK-NH2，Ac-I3KGCG-NH2两个分子，考察了巯基数量及位置对肽分子自组装成胶时间的影响。(2) pH诱导下的成胶：由于Ac-I3K-NH2中赖氨酸侧链含有伯胺基团，其对pH敏感，在不同的pH下，有着不同的带电荷情况，在此基础上，将丝氨酸和甘氨酸引入到分子序列中，设计合成了肽分子Ac-I3SGK-NH2。与Ac-I3K-NH2相比，此分子在8mM pH为8.6-10的范围里可以形成较为透明的水凝胶，而Ac-I3K-NH2只能形成较为浑浊的粘稠液体。通过pH滴定的方法，发现赖氨酸侧链上的伯胺基的pKa有一个偏移，从10.53减少至8，从而确定了在不同范围内Ac-I3SGK-NH2的带电情况。CD发现8mM的Ac-I3SGK-NH2在pH=9情况下比pH=3的情况下更加容易形成β折叠的二级结构，AFM和TEM结果表明两种pH下Ac-I3SGK-NH2的自组装形貌均为纳米纤维，pH=9时纤维的混乱度明显地增加。同时还设计了对比分子Ac-I3AGK-NH2、Ac-I3TGK-NH2，证明了分子亲疏水性之间的平衡对自组装成胶的影响。通过流变学实验证明，Ac-I3SGK-NH2水凝胶具有很好的机械性能和破坏恢复性能，基于该特性进一步研究了其在药物释放和组织工程方面的应用。同时还将赖氨酸残基换为同样对pH敏感的谷氨酸和组氨酸，设计合成了Ac-I3SGE-NH2和Ac-I3SGH-NH2，在8mM的浓度下，发现在合适的pH下，两种肽分子同样可以形成水凝胶，从而得到规律的存在，为以后的分子设计提供了思路。(3)酶催化下的成胶：谷氨酰胺转移酶可以催化转酰基反应，从而使多肽之间发生共价交联。利用这种酶的特点，在Ac-I3K-NH2的基础上，将谷氨酰胺残基和甘氨酸残基引入，设计合成了Ac-I3QGK-NH2，考察了谷氨酰胺转移酶对Ac-I3QGK-NH2分子自组装成胶的促进作用。质谱分析说明在酶的存在下，Ac-I3QGK-NH2分子发生了交联，以二聚体的形式存在。流变学实验说明在酶的催化作用下，Ac-I3QGK-NH2肽分子所成胶的强度明显增加。考虑到哺乳动物的血液中含有谷氨酰胺转氨酶，故而论文进一步研究了Ac-I3QGK-NH2所成胶在凝血方面的应用，发现Ac-I3QGK-NH2对血小板有很好的粘附凝聚作用。血浆氨氧化酶可以将伯胺转化为醛，从而使醛与伯胺反应生成西弗碱，促使多肽之间发生共价交联，利用这种酶的特点，考察了血浆氨氧化酶对Ac-I3SGK-NH2分子自组装成胶的促进作用，并进一步研究了Ac-I3SGK-NH2所成胶在细胞支架材料方面的应用。