C端残基对β-折叠自组装肽水凝胶相行为与性能的调控作用及生物医学应用前景

　　本研究针对如何通过调控自组装肽C端残基的疏水/亲水性以优化水凝胶性能这一关键问题，系统开展了基于KFEFEFKFK（KbpK）的四种C端修饰变体（KbpK-K/KbpK-F/KbpK-KF/KbpK-FK）的构效关系研究。通过pH-浓度相图、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术证实疏水性修饰显著促进β-折叠形成并拓宽凝胶pH范围，亲水性修饰则削弱纤维横向结合强度。显微结构与流变学分析表明，疏水性增强可形成更致密纤维网络，获得更高储能模量与剪切稀变特性。该研究为可注射性肽基水凝胶的精准设计提供了重要理论依据。

　　

在生物材料领域，自组装肽水凝胶因其优异的生物相容性和可调控的物理化学性质，已成为组织工程和药物递送系统的研究热点。特别是由β-折叠二级结构主导形成的纳米纤维网络，能够模拟天然细胞外基质的结构特征，为细胞生长提供三维支撑环境。然而，这类材料的临床应用仍面临关键挑战：一是传统肽序列的凝胶形成条件苛刻，往往需要特定pH或离子强度环境；二是力学性能与降解速率难以兼顾，缺乏精准调控手段。现有研究表明，肽链末端的化学修饰可能显著影响自组装过程，但关于C端残基特性如何系统性调控β-折叠形成动力学及宏观性能的机制尚不明确。

为破解这一难题，由Nastaran Zoghi、Chao-Yu Yang、Richard Bryce、Aline F. Miller和Alberto Saiani组成的研究团队在《Biomacromolecules》发表了创新性研究成果。他们以经典β-折叠形成肽KFEFEFKFK（简称KbpK）为分子模板，通过在其C末端分别引入亲水性赖氨酸（Lys, K）和疏水性苯丙氨酸（Phe, F），精心设计了KbpK-K、KbpK-F、KbpK-KF和KbpK-FK四种变体，系统探究了末端化学特性对自组装行为、纳米结构演变及宏观流变性能的调控规律。

研究团队综合运用pH-浓度相图构建、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）和流变学分析等关键技术手段，其中肽样品通过固相合成法制备，所有实验均采用超纯水配置肽溶液并严格控制温度条件。

相行为与二级结构分析

通过绘制pH-浓度相图发现，疏水性修饰肽KbpK-F在宽pH范围（pH 3-11）内均能形成稳定凝胶，而亲水性变体KbpK-K的凝胶区显著缩小。FTIR光谱证实所有变体均形成抗平行β-折叠结构，但疏水性肽在1620 cm^-1处特征峰强度显著增高，表明F末端修饰促进了氢键介导的分子间交联。

纳米结构与自组装机制

TEM图像显示所有肽均形成直径10-20 nm的纤维结构，但疏水性变体纤维网络密度显著增加。SAXS数据进一步验证了纤维直径的一致性，并通过散射强度变化证实KbpK-F具有最强的自组装驱动力。研究表明疏水性C端通过增强π-π堆积作用促进纤维横向结合。

流变学性能表征

振幅扫描显示所有水凝胶的储能模量（G'）均高于损耗模量（G''），证实典型的弹性凝胶行为。频率扫描中KbpK-F的G'值达到最高（15 kPa），较亲水性变体提升两个数量级。流动曲线测试表明所有样品均呈现剪切稀变特性，其中KbpK-F的零剪切粘度最高，恢复性实验证实其具备快速结构恢复能力。

研究结论表明，C末端疏水性修饰通过增强分子间相互作用力，显著促进β-折叠形成速率和纤维网络密度，从而拓宽凝胶形成条件并提升力学性能。相反，亲水性修饰因静电排斥作用抑制纤维横向结合，导致凝胶强度下降。特别值得注意的是，双残基修饰变体KbpK-FK与KbpK-KF表现出介于单修饰变体之间的中间特性，证明残基序列位置对自组装过程存在显著影响。

该研究的创新价值在于建立了肽序列-结构-性能的定量构效关系，揭示了末端化学特性调控自组装动力学的分子机制。所提出的"通过简单末端修饰实现性能精准调控"的策略，突破了传统依赖复杂序列设计的技术瓶颈，为开发新一代可注射性智能水凝胶提供了重要理论基础。这类可调控材料在创伤敷料、三维细胞培养支架和靶向药物递送系统等领域具有广阔应用前景。