二价金属离子对短异手性肽自组装水凝胶的调控作用及生物材料设计意义

　　本综述系统探讨了Ca2+、Mg2+、Zn2+、Cu2+四种二价金属离子对异手性六肽FINyVK水凝胶形成能力的影响，通过圆二色谱（CD）、流变学、扫描电镜（SEM）等技术揭示金属配位可精准调控纤维形态、网络孔隙率和凝胶动力学，为设计功能化肽基生物材料提供了创新策略。

　　

引言

肽自组装在过去二十年中已成为开发超分子智能材料的重要策略。通过短肽序列的精确组织，能够构建模拟生物架构并响应环境信号的纳米结构材料。在影响肽组装的各种设计要素中，金属离子的引入作为调节材料特性和赋予生物功能的手段日益受到关注。本研究聚焦四种二价金属离子——钙（Ca²⁺）、镁（Mg²⁺）、锌（Zn²⁺）和铜（Cu²⁺）——对异手性六肽Ac-(L-Phe)-(L-Ile)-(L-Asn)-(D-Tyr)-(L-Val)-(L-Lys)-CONH₂（FINyVK）水凝胶形成能力的影响。该肽序列源自核仁蛋白Nucleophosmin 1（NPM1）C末端结构域的第二螺旋片段，具有淀粉样蛋白形成特性并在适当条件下形成水凝胶。

材料与方法

FINyVK肽（等电点pI=10.38，分子量M_w=823.98 g/mol）通过固相合成法制备，并在每次实验前经六氟异丙醇（HFIP）处理进行单体化。纯水凝胶根据改良协议在硼酸盐缓冲液（20 mM，pH 8.5）中制备，通过超声和涡旋促进凝胶化。金属离子水凝胶则在肽溶液中以1:1摩尔比添加氯化物盐（MgCl₂、CaCl₂、ZnCl₂、CuCl₂）后同样处理。凝胶形成通过倒管法评估，最小凝胶浓度（MGC）确定为2 mM。

形态分析采用场发射扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散X射线光谱（EDS）映射技术，样品经金溅射涂层后于15 kV加速电压下成像。圆二色谱（CD）分析涵盖单体和凝胶状态，在190-260 nm波长范围记录光谱，并进行20°C至90°C的热应力实验。流变学测试使用应力控制剪切流变仪进行，通过凝胶化测试、频率扫描和温度扫描监测存储模量（G′）和损失模量（G″）的变化。

结果与讨论

自组装异手性肽：二价阳离子对凝胶化的影响

倒管法显示，FINyVK在2 mM浓度形成自支撑水凝胶，而添加Ca²⁺和Mg²⁺时同样产生自支撑三维网络；相反，Zn²⁺和Cu²⁺仅导致部分非自支撑凝胶化。这一差异源于金属离子的配位化学：碱土金属Ca²⁺和Mg²⁺通过天冬酰胺（Asn）的酰胺侧链或赖氨酸（Lys）的ε-氨基基团形成非特异性、易变相互作用，强化肽-肽关联而不干扰组装过程；过渡金属Zn²⁺和Cu²⁺则与氮/氧供体（如Asn、Lys）及D-酪氨酸的酚羟基发生强配位，可能改变芳香残基取向，破坏π-π堆积（涉及Phe和D-Tyr）和氢键等弱非共价力平衡。

形态学分析

SEM揭示纯肽水凝胶具有紧密纤维网络，平均纤维网格厚度0.55 ± 0.06 μm，孔径约0.7 ± 0.1 μm。Ca²⁺添加使网格厚度增至2.9 ± 0.5 μm，孔径扩至3.6 ± 0.6 μm，形成更厚更 porous 结构；Zn²⁺也增厚网格（2.4 ± 0.4 μm）和孔径（2.1 ± 0.5 μm），但程度较低；Mg²⁺仅轻微增加纤维厚度（0.70 ± 0.09 μm），且无明确孔隙；Cu²⁺导致部分有序网络。EDS映射显示所有金属离子在凝胶网络中均匀分布，表明有效掺入。

构象分析

CD光谱显示，单体FINyVK在204 nm和227 nm处有两个最小值，且不受金属离子或时间影响。热应力实验中，纯肽凝胶在加热至65°C时220.6 nm处CD信号强度意外增加，随后在90°C回落至初始水平，最小波长从220.6 nm移至222.6 nm，可能与温度诱导脱水/相变改善分子排列有关。纯肽凝胶表现出中度热可逆性，但非连续加热导致有序结构部分破坏。Ca²⁺存在下，CD信号减少且最小红移（224→227 nm），部分去折叠不可逆；Mg²⁺则稳定构象，无显著变化；Cu²⁺类似Mg²⁺，但非连续加热引起最小移至233 nm和信号降低；Zn²⁺诱导经典不可逆变性谱。

流变学研究

凝胶化测试表明所有配方在10分钟内开始凝胶化，存储模量G′显著高于损失模量G″。纯肽凝胶动力学最慢，但tan δ（G″/G′）稳定；金属离子（除Cu²⁺外）加速凝胶过程。频率扫描显示所有凝胶（除Zn²⁺外）具频率无关行为，tan δ ≤0.1，呈强凝胶特性；Zn²⁺凝胶tan δ 0.2–0.1（至4 Hz），为中等强度凝胶。Mg²⁺使G′增加约3倍，Ca²⁺低频区略增G′，而Cu²⁺和Zn²⁺显著降低粘弹模量，与形态学部分凝胶观察一致。温度扫描显示所有凝胶在65°C前基本稳定，75°C起Cu²⁺和Mg²⁺凝胶机械性能部分下降，Ca²⁺凝胶则保持稳定至95°C。

结论

通过协调二价金属离子，可有效调控异手性短肽FINyVK的自组装行为和水凝胶特性。Ca²⁺和Mg²⁺的弱配位加速溶胶-凝胶转变，增强肽-肽相互作用，产生纤维更厚、孔隙更大的可逆热响应水凝胶，为载药递送提供理想平台。相反，Cu²⁺和Zn²⁺与D-Tyr的强配位及与Phe的阳离子-π相互作用损害水凝胶完整性。鉴于Zn²⁺和Cu²⁺的固有抗菌活性，将具有互补结构功能（如Mg²⁺用于凝胶完整性）和生物功能（如Cu²⁺用于抗菌）的金属离子理性组合，可代表开发多功能仿生材料的创新策略。