近年来,多肽自组装逐渐成为材料学和生物医学等领域的研究热点。通过合理调控多肽的分子结构以及改变外界的环境,多肽分子可以利用氢键、疏水性作用、π-π堆积作用等非共价键力自发或触发地自组装形成形态与结构特异的组装体。由于多肽自身具有良好的生物相容性、可控的降解性能和种类多样性,利用多肽自组装技术构建的各种功能性材料在药物控制释放、组织工程支架材料以及生物矿化等领域内有着巨大的应用前景。本论文在大量前期工作基础上,设计和制备了一系列小分子肽,系统研究了这些小分子肽的自组装行为及其在生物医学领域内的应用。论文第一章概述了近年来有关多肽自组装的研究进展,包括多肽的分子设计、自组装机理、组装体形态及其在材料学和生物医学等领域内的应用。第二章中,我们利用固相合成技术制备了两类含有异性电荷的小分子肽。把这两类小分子肽混合溶于中性(pH7.0)水溶液中后,分子间静电吸引作用可以驱使它们共同自组装形成具有纳米纤维微观结构的超分子水凝胶。由于这两类小分子肽的链段柔韧性较弱以及在共同自组装初始阶段小分子肽的刚性N-芴-9-甲氧羰基(FMOC)端基间存在着空间位阻作用,它们的共同自组装速度较慢,而且需要较高的溶液浓度才能形成稳定的超分子水凝胶。本章中使用的共同自组装的方法可以方便地将不同的功能肽混合在一起形成多功能自组装材料。第三章中,我们设计合成了四种含有不同疏水性烷基链的两亲性小分子肽(PAsl-4)并系统研究了它们在不同pH下的自组装行为。四种小分子肽在中性条件下均可以自组装形成具有有p-折叠空间构象的紧密堆积的纳米线纤维。升高溶液的pH至碱性后(pH11),具有较长疏水性烷基链的小分子肽PA3和PA4仍可以自组装形成纳米纤维。由于小分子肽PA1的烷基链长度相对较短,其纳米纤维结构完全转变为具有p-折叠空间构象的松散的球状胶束。小分子PA2的疏水性烷基链长度适中,纳米纤维和球状胶束均可以在自组装体系中存在。富含电正性精氨酸残基的多肽具有独特的跨膜和运载质粒DNA的功能,仪用这一类多肽作为非病毒基因载体通常可以获得低毒高效的基因治疗效果。研究表明,多肽类基因载体的链段空间构象及其组装体的形貌对基因运载效率和基因表达效果有着显著的影响。第四章中,我们利用固相多肽合成技术制备了一系列富含精氨酸残基的两亲性多肽,系统地研究了它们在水相和有机相中的自组装行为。其中,含有刚性N-芴-9-甲氧羰基(FMOC)端基的两亲性多肽可以在二甲亚砜(DMSO)中利用多肽骨架间氢键作用以及FMOC端基间π-π堆积作用自组装形成纳米纤维。以柔顺的脂肪族烷基链为端基的多肽可以在水溶液中利用多肽骨架间氢键作用以及烷基链间疏水性作用进行自组装,而且组装体的形貌受溶液浓度的影响较大。第五章中,我们设计合成了一种含甘氨酸-甘氨酸(Gly-Gly)序列以及光敏感的芘甲酯端基的小分子二肽。将小分子二肽化学键连接到石英板上并插入到二肽水溶液中后,小分子二肽可以通过界面自组装在石英板表面形成化学键连接的垂直排列的纳米棒,而且纳米棒的数量随着小分子二肽水溶液的浓度增大而增多。荧光发射光谱表明小分子二肽的界面自组装驱动力为分子结构中芘甲酯端基间的π-π堆积作用。使用波长为365nm的紫外光照射石英板表面后,由于芘甲酯端基的光解,石英板表面上垂直排列的纳米棒消失。本章中提出的在石英板表面构建垂直排列的多肽纳米结构的方法为材料表面改性研究开辟了一条新途径。酶广泛广泛参与生物体内的各种反应,而生理葡萄糖代谢就是一个由多种酶调控的复杂过程。第六章中,我们体外模拟了由葡萄糖氧化酶介导的葡糖糖代谢过程并研究其对多肽自组装行为的影响。在本章中,我们设计合成了两种分别含有酸性天冬氨酸残基和碱性赖氨酸残基的多肽。在含酸性天冬氨酸残基的多肽体系中引入葡萄糖氧化酶介导的葡糖糖代谢后,由于其代谢产物为酸性的葡萄糖酸,多肽可以在葡糖糖代谢的调控下进行自组装并完成溶液态到凝胶态的相转变。向含碱性赖氨酸残基的多肽自组装体系中引入葡萄糖氧化酶介导的葡糖糖代谢后,其代谢产物葡萄糖酸能够破坏多肽自组装并导致凝胶态到溶液态的相转变。多肽可以自组装形成各种形状特异的组装体,由于多肽分子结构中含有多种功能基,因此可以利用这些功能基的化学活性在多肽组装体的表面进行各种反应,实现多肽自组装的后修饰。第七章中,我们以自组装硼酸肽纳米纤维为模板在其表面进行硼配位反应。在本章中,我们设计合成了三种含有苯基硼酸端基的小分子肽(称为硼酸肽)。它们在水溶液中可以自组装形成具有纳米纤维微观结构的超分子水凝胶。向这三种硼酸肽凝胶中加入含有邻二羟基结构的万古霉素和葡萄糖后,纳米纤维表面硼配位反应导其直径变大和表面粗糙度增加。由于固定在纳米纤维表面的万古霉素和葡萄糖与纳米纤维间氢键作用破坏了纳米纤维自身间的氢键作用,三种硼酸肽凝胶三维网络结构发生塌陷并转变为流动的溶液。青光眼是一种能够导致失明的眼科疾病,其临床症状为眼压过高压迫视盘和损伤视神经。目前滤过手术是一种治疗青光眼的常用方法,但是术后伤口组织瘢痕化往往导致青光眼滤过手术的失效。为此,临床上要多次注射抗增生药物如5-氟尿嘧啶的水剂来抑制术后瘢痕组织的形成。但是多次药物注射往往引起眼部组织的毒副作用。第八章中,我们设计并制备了一种具有良好生物相容性的小分子肽的水凝胶。使用该凝胶包裹抗增生药物5-氟尿嘧啶(5-Fu)并在滤过手术中注射到兔眼后,从凝胶中缓慢释放出的5-Fu可以有效抑制术后伤口组织的瘢痕化,使得兔眼的眼压在术后28天内都处于较低水平。和传统的5-Fu水剂多次注射法相比,本章中用于抑制术后伤口组织瘢痕化的方法操作方便,而且能有效避免5-Fu对眼部组织的毒副作用。为了抑制青光眼滤过手术后瘢痕组织的形成,临床上多是使用抗增生药物如5-氟尿嘧啶和丝裂霉素等。这些药物往往会引起眼部组织的毒副作用,如结膜切口或滤过泡渗漏、角膜内皮细胞损害等。第九章中,我们设计并合成了一种含有氨基葡萄糖单元的治疗型糖肽。在pH为7.4的磷酸缓冲溶液中,该糖肽可以自组装形成具有纳米纤维微观结构的超分子水凝胶。在兔眼滤过手术中使用该糖肽凝胶后,由于其结构中氨基葡萄糖单元能够有效抑制由成纤维细胞增殖导致的组织纤维化,滤过手术后形成的滤过道周围没有任何术后瘢痕组织形成,从而使得兔眼的眼压在术后21天内都处于较低水平。和传统的抗增生药物水剂相比,使用该治疗型的糖肽凝胶可以起到等同的抗瘢痕化效果。但糖肽凝胶使用方便而且不会引起眼部组织的毒副作用,因此可以替代传统的抗增生药物用于青光眼的治疗。