探究C末端疏水/亲水修饰对KbpK肽自组装水凝胶性能的调控机制及其生物医学应用潜力

　　本研究针对肽基水凝胶性能可调控性需求，通过系统分析KbpK肽C端苯丙氨酸(F)与赖氨酸(K)修饰对β-sheet形成及凝胶行为的影响，揭示了疏水性增强可促进纤维网络密实化与广pH稳定凝胶化，而亲水性修饰则削弱自组装强度，为可注射型肽基水凝胶的精准设计提供了关键理论依据。

　　

在生物材料领域，肽基水凝胶因其优异的生物相容性和可调控的物理化学性质，已成为组织工程、药物递送和再生医学的研究热点。然而，如何通过分子设计精确控制水凝胶的微观结构和宏观性能，仍是当前面临的核心挑战。肽分子的自组装行为受多种因素影响，其中疏水性和电荷分布被认为是调控β-折叠（β-sheet）形成和纤维网络构建的关键。尽管已有研究尝试通过改变氨基酸序列来调节肽的组装行为，但对于C末端特异性修饰如何系统性影响水凝胶形成机制与性能，仍缺乏深入理解。

为此，由Nastaran Zoghi、Chao-Yu Yang、Richard Bryce、Aline F. Miller和Alberto Saiani组成的研究团队在《Biomacromolecules》上发表了一项研究，以模型肽KFEFEFKFK（简称KbpK）为基础，通过在其C末端引入疏水性苯丙氨酸（F）和亲水性赖氨酸（K），构建了四种变体：KbpK-K、KbpK-F、KbpK-KF和KbpK-FK，系统探究了这些修饰对肽自组装行为、水凝胶形成能力及材料性能的影响。

本研究主要采用了pH-浓度相图分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、透射电子显微镜（TEM）、小角X射线散射（SAXS）和流变学测量等关键技术方法。其中，FTIR用于鉴定β-sheet二级结构的存在与变化，TEM和SAXS用于观察纤维形貌与尺寸分布，流变学测试则用于评估水凝胶的机械性能和剪切稀化行为。所有实验样本为人工合成的多肽，未涉及临床样本队列。

pH–浓度相图与FTIR分析揭示修饰类型对β-sheet形成的影响

通过构建pH-浓度相图，研究人员发现疏水性修饰（如KbpK-F）显著拓宽了凝胶形成的pH范围，而亲水性修饰（如KbpK-K）则使凝胶区收缩。FTIR光谱进一步证实，疏水修饰促进分子间氢键形成和β-sheet结构堆积，亲水修饰则削弱肽链间的横向相互作用。

TEM与SAXS显示纤维形貌与组装强度的一致性

TEM图像显示所有变体均形成纤维状结构，直径分布均匀。随着疏水性增加，纤维网络更为密实。SAXS数据支持这一结果，表明KbpK-F具有最强的自组装倾向，其散射曲线符合圆柱形纤维模型，且相关长度显著增加。

流变学表征证实疏水性提升凝胶机械性能

所有样品均表现出典型的剪切稀化和 viscoelastic 行为。疏水性越强的变体，其储能模量（G′）越高，说明形成的水凝胶网络更具弹性与稳定性。KbpK-F在广泛pH范围内均保持较高模量，显示出优异的凝胶稳定性。

本研究通过多尺度分析表明，C末端的疏水性修饰是增强肽自组装能力和水凝胶性能的关键策略。该类修饰促进β-sheet形成和纤维交联，从而构建出更密实的纳米纤维网络，提升水凝胶的机械强度与稳定性。相反，亲水性修饰则不利于分子间相互作用和凝胶化过程。这些发现不仅深化了对肽自组装机制的理解，也为设计可注射、性能可调的肽基水凝胶提供了明确的分子工程策略，在组织支架、药物控释等生物医学领域具有重要应用前景。