自组装多肽纳米纤维支架的结构特点及应用优势

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.29.018

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (29): 5379-5386.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.29.018

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自组装多肽纳米纤维支架的结构特点及应用优势

元亮亮，梁鹏

哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科，黑龙江省哈尔滨市 150001

收稿日期:2013-02-04 修回日期:2013-03-31 出版日期:2013-07-22 发布日期:2013-07-22
通讯作者: 梁鹏，教授，博士生导师，哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科，黑龙江省哈尔滨市 150001 liangpengd@yahoo.cn
作者简介:元亮亮★，男，1985年生，山东省潍坊市人，汉族，哈尔滨医科大学在读硕士，主要从事脊髓损伤修复的研究。 erallo@163.com

Structural characteristics and advantages of a self-assembling peptide nanofiber scaffold

Yuan Liang-liang, Liang Peng

Department of Neurosurgery, the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China

Received:2013-02-04 Revised:2013-03-31 Online:2013-07-22 Published:2013-07-22
Contact: Liang Peng, Professor, Doctoral supervisor, Department of Neurosurgery, the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China liangpengd@yahoo.cn
About author:Yuan Liang-liang★, Studying for master’s degree, Department of Neurosurgery, the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University, Heilongjiang Province, China erallo@163.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：3D自组装肽纳米纤维凝胶支架能很好模拟体内的微环境，提供一种能促进细胞生长、改善细胞功能、具有合理构成细胞外基质的结构模式。
目的：综述自组装多肽纳米纤维支架的基础研究及其在神经组织工程中的研究现状。
方法：检索2000至2013年PubMed数据库、维普数据库有关自组装多肽纳米纤维支架研究进展的文献，关键词为“自组装多肽，纳米纤维支架，神经组织工程，神经干细胞；self-assembling peptide，nanofiber scaffold，RADA16，Nerve tissue engineering，Neural stem cell”。
结果与结论：自组装多肽纳米纤维支架作为新型组织工程支架材料不仅解决了材料与细胞相容性差的问题，而且在维持材料的三维特性、促进细胞活性、模仿细胞外基质等方面均优于其他支架材料，是一种理想的组织工程材料，为神经损伤修复研究提供了新的方法。但自组装多肽领域内仍面临一些挑战，短期的问题包括自组装多肽与新型生物高分子的整合，以及与相对成熟传统移植物的整合；长期问题涉及如何更好地应对体内免疫系统，如何对细胞内的靶点进行治疗，以及如何预测未来高整合支架的发展方向等。

关键词: 生物材料, 生物材料综述, 神经组织工程, 再生医学, 自组装多肽纳米纤维, 神经干细胞, 凝胶支架

Abstract:

BACKGROUND: Three-dimensional self-assembling peptide nanofiber hydrogel scaffold can simulate the in vivo microenvironment and provide a structural model for cells, which promotes the right composition of extracellular matrix and cell growth, as well as improves the cell functions.
OBJECTIVE: To review the fundamental research and the experimental study of the self-assembling peptide nanofiber scaffold in the nerve tissue engineering.
METHODS: Literatures concerning basic and experimental studies on the self-assembling peptide nanofiber scaffold in the nerve tissue engineering were reviewed via searching PubMed and VIP databases (2000/2013) using the key words of “self-assembling peptide, nanofiber scaffold, RADA16, nerve tissue engineering, neural stem cell.
RESULTS AND CONCLUSION: Self-assembling peptide nanofiber scaffold is a novel and ideal tissue engineering material which provides new method for nerve injury repairing, for it not only solves the problem of poor compatibility between the material and cells, but also plays a much more pivotal role in maintaining three-dimensional properties, promoting cell activities and mimicking the extracellular matrix, which is superior to other materials. However, there still exist some challenges in the area of self-assembling peptides, including short-term issues such as integrating of self-assembling peptide with bio-macromolecular material or relatively developed traditional transplant; and long-term issues such as adapting immune system in vivo, treating targets within cells and anticipating the future fate of highly integrated scaffolds.

Key words: biomaterials, biomaterial review, nerve tissue engineering, regenerative medicine, self-assembling peptide nanofiber, neural stem cells, gel scaffold

中图分类号:

R318

元亮亮，梁鹏. 自组装多肽纳米纤维支架的结构特点及应用优势[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(29): 5379-5386.

Yuan Liang-liang, Liang Peng . Structural characteristics and advantages of a self-assembling peptide nanofiber scaffold[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(29): 5379-5386.

图/表（结果） 3

2.1 纳米纤维支架的自组装 自组装是小分子自发聚集形成具有一定连结和空间构象更大一级结构的过程。生物界中广泛存在自组装过程，从最简单的原核生物内到最复杂的生物体内普遍存在。不少天然存在的多肽、DNA、RNA、酶、蛋白，乃至病毒等都可以自发形成高度组织化、信息化和功能化的复杂结构。20年前生物起源的组分(如氨基酸和核苷酸)通常不被认为是组织工程的构建组分，随着生物技术、基因工程技术、材料工程技术和化学技术的发展，传统观念发生了急剧的转变。自从1993年存在于天然zuotin蛋白中的EAK16-Ⅱ(EAEAKAKAEAEAKAKA)被发现以来，基于自组装多肽体系的纳米材料设计获得了人们越来越多的关注，其中的离子互补型多肽近年来得到了较为广泛深入的研究。EAK16-Ⅱ属于离子互补型多肽，亲水残基和疏水残基交替出现，在培养基或生理盐水条件下形成三维纳米基质^[8]。RADA16-I (RADARADARADARADA)是通过这一原则设计合成的多肽，见图1。

在过去15年中借助天然氨基酸和核苷酸人工合成的多肽(通常将10-50个氨基酸组成的肽称为多肽)、脂肽、DNA成为组织工程材料，标志着组织工程在生物材料方面取得了巨大的突破和进展^[5-6]。生物界广泛存在的分子级别自组装所形成的组合体往往具有独特的生物功能，自组装多肽的研究重点是仿照自然界的自组装过程设计出化学上互补、结构上相容的同时具备独特功能的多肽。分子自组装已经被公认为是制造涵盖一系列广泛而独特应用的新材料的重要路线^[1]。

当前，纳米纤维支架的制备通常有3种技术：静电纺丝技术、相态分离技术和自组装技术^[5]。借助多肽间的自组装，自组装多肽可在液态离子环境或水溶液中自组装形成3D结构。自组装多肽多以粉末的状态保存于-20 ℃冷冻干燥的条件，粉末溶解的过程即为多肽自组装的过程。由于多肽易受细菌降解，通常应用无菌纯化水溶解或肽溶液用0.2 μmol滤膜过滤。对于含半胱氨酸、蛋甲硫氨酸或色氨酸的多肽，脱氧缓冲剂对其溶解必不可少，因为这种多肽易在空气中氧化。溶液肽远比冻干形式不稳定，溶液应为中性pH值，-20 ℃保存。多肽自组装形成多肽水凝胶的分子内部和分子间主要作用途径包括：①多肽分子可逆的共价键形成。②多肽分子的金属与配体结合。③分子内部的氢键。④静电相互作用(含电荷)。⑤静电相互作用(含偶极子)。⑥疏水的相互作用。⑦芳香族的π重叠效应及电荷转移。⑧范德华力。借助上述8种作用方式，自主装多肽可以在一定条件下自发形成稳定的结构^[4]。通常一个氨基酸由一个中心碳原子组成，它由4个其他基团包围：氨基、羰基、羟基和侧链，任何多肽链的关键连接均为由一个氨基酸的氨基与另一氨基酸缩合形成的肽键，某些侧链含有影响肽键形成的功能团。

多肽经离子触发可自组装成为纳米凝胶支架材料，形成与细胞外微环境相似的立体网状结构，可以构建类似体内正常的细胞外环境，区别于通常用于细胞培养的2D环境(培养皿、培养板、培养瓶等)，同时又因其表面积大和多孔的特性，形成了细胞和基质间独特的接触，这种支架材料具有以下特点：①肽序列基本单位易于设计修改，可获得特异生物学活性的双亲分子，具有良好的表面活性。②形成水凝胶，类似体内微环境的3D纳米级结构，表面积和体积比大，含水量大，具有良好的结构相容性，利于细胞的黏附、增殖、分化、迁移。③不易引起毒副反应及免疫反应。④生物降解性好，即可自行降解,降解产物为氨基酸，可作为生物体营养物质的来源。⑤黏弹性好，与脊髓的物理强度相近，便于移植，可注射到靶位点^[4]。以上的特点使得自组装多肽支架材料成为了一种具有良好应用前景的支架材料，逐步被应用于神经组织工程中，并且取得了理想的效果。当前，已经设计并且合成了多种不同结构的自组装多肽纳米纤维支架材料，并在生物组织工程中得到广泛的应用。例如，来源于层粘连Protein-Ⅰ的YIGSR多肽片断以及来源于Ⅳ型胶原的TAGSCLRKFSTM多肽片断，两者都具有促内皮细胞附着、生长的功能。Genové等^[20]通过固相多肽合成法合成了包含活性多肽片断的自组装多肽水凝胶，在此种支架材料中培养内皮细胞时内皮细胞的分化得以促进。由于在神经系统中神经细胞与细胞外微环境紧密接触，神经细胞活性受基质的直接影响，上述优点使多肽自组装三维支架凝胶作为神经干细胞培养的支架，为神经细胞的黏附、增殖、迁移和分化提供良好的细胞外基质，为组织工程中细胞在体外的研究创造稳定的类似体内的3D微环境。作为一种新型的组织工程基质材料，自组装多肽纳米纤维支架可以为神经细胞生长和细胞功能提供优良的纳米级基质^[3]。纳米自组装多肽的研究是纳米技术发展中重要的一环，已成为当前组织工程和再生医学中的研究热点。

2.2 自组装多肽的结构特点和设计策略^[9-21] 早期神经组织工程材料主要是高分子聚合材料和生物高分子聚合物等，虽然这些材料都可为神经细胞黏附提供支架，对脊髓损伤修复有一定的促进作用，但由于它们通常存在细胞-材料界面不相容的问题，并且在降解过程中会产生有害的酸性物质，加之它们的生物学活性较低，因而没有在神经组织工程中取得良好的效果。第2代材料的改进之处包括在上述材料之中加入了生物活性成分，将活性成分固定于支架材料的表面对其进行修饰。虽然进行了一系列的尝试，并且在一定的程度上提高了支架材料的生物活性和细胞-界面的相容特性，但存在的问题在于包裹于支架内部有活性的生物分子位点不能得到充分暴露，限制其活性作用的发挥，由于多肽表面加入活性位点的过程复杂繁琐，并且连接于多肽之上的活性位点数量有限，此外，此类生物支架仍存在生物活性低及降解产物的生物毒性问题，因而第2代支架材料也未能在神经组织工程领域中得到广泛应用。

近年来一些研究发现多肽经离子触发可自组装成为纳米凝胶支架材料，形成与细胞外微环境相似的立体网状结构。双亲多肽是一类简单的人工设计修饰的自组装多肽，由天然氨基酸合成，分子横断面直径小于10 nm，自发组装成具有规则结构的多肽水凝胶，含水量99%，内部孔隙在5-200 nm。它们大多拥有疏水的尾部和亲水的头部。在通常的N-C型多肽序列中大多数多肽疏水部在N端，亲水部在C端。这类多肽的结构和化学特性都和多肽表面活性位点相关。多肽在水溶液中能够形成具有良好秩序的纳米结构，包括多肽双分子层、纳米管、纳米棒、纳米囊和微粒等。自组装多肽材料显示了对环境条件的敏感性，如pH值、温度、离子强度、离子种类、细胞培养介质和光等都可以诱导其发生自组装或改变其状态。多肽RADA16-I(分子式Ac(RADA)₄CONH₂)是人工设计合成的多肽，它在一定条件下可自组装形成具有β-折叠结构的纳米纤维材料，这种纤维材料可以促进细胞生长、损伤组织修复等，见图2。

当多肽暴露于pH值为1.0-4.0的环境时可自组装形成典型的β-折叠状结构并形成相当长度的纳米纤维。双亲多肽的尾部通常由3-9个无极性的氨基酸(G，A，V，I，L，P，F)组成，这些氨基酸的大小、形状和疏水性各不相同，使得多肽特性不同。多肽的尾部也可以由12-16个碳的酰基链组成，或者由酰基链和无极性氨基酸共同组成。一条或多条碳水化合物和亲水多肽序列相连形成的分子类别称为脂肽。这类分子的亲水头部可以由带正电荷的氨基酸(H，K，R)或带负电荷的氨基酸(D，E)或者两者兼有所构成。通常情况下尾部越长多肽的溶解性越差。另一方面，随着尾部长度的减小，多肽的溶解度增加，多肽聚集的趋势减小。但尾部长度的减小可通过增加主链中疏水氨基酸或酰基支链获得补偿，将多肽溶解性维持在正常范围。此外，影响自组装多肽亲水性的除了多肽尾部长度外还有其分子横断面的直径。多肽不溶的主要问题是形成二级结构，这在有多重疏水残基的肽中更显著，残基Ala，Cys，Ile，Leu，Met，Phe和Val将全增加多肽的溶解难度。盐会促进二级结构形成，先在无菌蒸馏水或去离子水中溶解多肽，如需要增加溶解率可用声处理。溶解仍有问题，加少量稀乙酸(10%)或氨水会便于溶解。这些方法不溶的多肽，需要DMF、脲、guanidiniam chloride或acetonitnle来溶解，这些溶剂可能某些实验有不良反应，设计多肽时应该注意到这点。自组装多肽的带电基团在多肽中的位置还可以影响多肽功能，在多肽链中的位置不同导致多肽的功能也不尽相同。多肽长度则取决于多肽序列和多肽尾部的选择。多肽序列和酰基不同结构可导致自组装过程中多肽之间相互作用和自组装多肽纳米纤维支架结构上的差异。

孙丽娟等^[8]研究了氨基酸序列和组装时间对多肽二级结构和自组装形成纳米结构的影响。非结晶区序列插入RADA16-1后，R1(n-RADARADAGGASRA DARADA-c)和R2(n-RADARADAGPGGYRADARA DA-c)形成的长度仅达200nm的短纳米纤维和球状纳米结构。随着时间的延长，R1和R2形成的β-折叠的含量升高，纤维变长变宽，R1形成数量少但长达几十微米的纤维，R2形成约1 μm但数量多的纤维。通过改变这些条件可以达到控制自组装形成的纳米结构的目的。

多肽特定的残端或侧链基团可使其在自组装后具备特定的功能。脯氨酸残端和其他氨基酸相比具有刚性构象，这在发卡结构、α-螺旋的开端和β-折叠的边缘很常见。由于这种优点，脯氨酸被应用在自组装多肽分子的内部折叠。利用脯氨酸制造具有发卡结构的多肽，Schneider等^[7]在这方面做了大量工作，这类自组装多肽被用于药物控释和细胞培养，通常还具有一定的抗菌活性。此外，生物功能基团(如生物素、细胞黏附肽RGDS)应用在多肽中，这些生物活性基团的应用可导致多肽的新功能，在自组装多肽领域有广阔的应用空间。自然界的生物大分子(如蛋白质)中包含一些最具有活性的小分子多肽，这些多肽决定了生物大分子的功能，通过对这些小分子功能多肽进行特别地修饰，使其能够借助静电、疏水键等分子间的作用力，自发地形成规则的结构，形成有功能的多肽支架，新形成的纳米纤维支架不仅具备原生物大分子的生物学功能，而且由于结构的紧凑使其生物学活性有所提高。修饰后的自组装多肽由于其出色功能和生物相容性，已作为优良的纳米材料应用于药物控释、基因传递、稳固膜蛋白、3D细胞培养和组织工程中等领域^[1]。

2.3 自组装多肽纳米纤维支架在神经组织工程中的应用^[24-31] 随着生物技术、基因工程、材料技术和合成技术的发展，研究人员希望通过体外模拟组织的再生来修复损伤组织，研究难点在于寻找合适的基质支持材料。目前常用的基质材料如透明质酸、壳聚糖、胶原衍生物及纤维蛋白等，虽具备一定促进细胞黏附、生长和分化的作用，但与细胞外微环境的纳米结构仍有一定差异，而且其稳定细胞外微环境和调控细胞生物活性的能力较低，这已成为制约组织工程发展的难点问题。

在神经系统中神经细胞或胶质细胞的变性，或者任何神经组织的细胞外基质的改变都会导致多种临床病变。神经组织修复是一项令人畏惧的挑战，因为几乎所有神经损伤都会导致不可逆的神经功能缺失^[5]。组织工程是目前研究神经损伤修复的一个重要手段，方法是将神经干细胞接种于适宜生物材料中，随后移植至受损神经组织，修复损伤的神经组织。神经组织工程的目标是借助生物工具(正常的基因工程细胞和细胞外微环境类似物)设计出生物材料支架，对损伤神经组织进行有效地修复。神经细胞在体内包被、浸润、生长于细胞外微环境中，细胞外微环境中含有大量层粘连蛋白，可为神经细胞的黏附、生长、迁移和分化提供构架支撑和活性调节，并使神经前体细胞向神经元分化，增强神经元黏附和引导神经轴突生长。来自细胞外微环境的生物信号对神经细胞的存活和功能起到关键作用。Matson等^[2]证实了自组装多肽对细胞间信号传导的有效性和可靠性。

Yang等^[17]研究了纳米纤维支架对神经干细胞的影响，结果显示无方向性的纳米纤维(150-350 nm)不仅可以支持神经干细胞黏附，而且可以促进神经干细胞分化。他们将这一发现归因于纳米纤维的无序性和表面积体积比高。Yang等又进一步研究了均衡有序的纳米纤维在组织工程中的表现，结果显示神经干细胞在结构规则的纳米纤维支架上生长较好，轴突沿有序的纳米纤维方向伸长。体外实验的满意结果让研究人员进而开始支架在体内实验。Tysseling- Mattiace等^[25]将含有IKVAV自组装多肽的两亲性分子在一定离子条件下使其自组装成三维纳米纤维，并将其注入脊髓损伤动物模型，实验结果表明自组装多肽可抑制神经胶质瘢痕的形成，促进少突胶质细胞增殖，并使神经元轴突延伸，有利于损伤脊髓的再生修复。

Semino等^[23]设计了一种自组装多肽支架，研究3D细胞培养和细胞捕获，他们将海马和齿状回的薄层切片贴附于自组装纳米纤维支架表面培养，在接触面神经干细胞和神经祖细胞发生迁移并被纤维支架捕获。培养1周以后，迁移进支架的细胞深度为400-500 μm。被捕获的细胞用于新的培养并获得满意结果，作者将结果归因于自组装多肽类似体内细胞外微环境的结构。实验还为神经祖细胞的体外分离培养提供了一种新的方法。Guo等^[22]则从绿色荧光蛋白转基因小鼠中分离出神经祖细胞和许旺细胞，并将两种细胞在自组装多肽支架共培养后注入脊髓背侧柱横断小鼠动物模型，研究证实自组装多肽支架可促进神经元细胞、毛细血管和轴突的生长。

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引言

细胞、支架和生长信息是组织工程的3要素，获取优良的支架是组织工程的重要研究方向。组织工程支架材料是指能与组织活体细胞结合并能够植入生物体内的材料。在过去的几年中，组织工程生物材料研究取得了很大进展，近年来对生物材料的研究更加强调了对生物材料几何特性进行精确控制的重要性，目的是更好地模拟体内正常的细胞外微环境，起到细胞外微环境替代物的重要作用。所以说新型生物材料是对细胞外微环境结构和功能的仿生应用，因而，如何选择具有良好生物相容性的支架材料已成为当今组织工程领域研究的重点课题之一。

早期神经组织工程材料主要是高分子聚合材料和生物高分子聚合物等。虽然这些材料均可为神经细胞的生长提供支架，并且对损伤脊髓修复有促进作用，但它们通常存在材料-细胞界面不相容的问题，并且在降解过程中会产生有害的酸性产物，加之其生物学活性低，因而并未在神经组织工程中取得良好的效果。第2代材料的改进之处包括在上述材料之中加入了生物活性成分，将活性成分固定于支架材料的表面对其进行修饰。虽然进行了一系列的尝试，并且在一定程度上提高了支架材料的生物活性和细胞-界面的相容特性，但是存在的问题包括：①包裹于支架材料内部的活性生物分子位点不能得到有效暴露，在很大程度上限制其活性作用的发挥。②由于在多肽表面加入有活性生物分子的过程复杂繁琐，最终导致与多肽分子相连接的活性分子数量有限，因而这一代支架材料仍然存在着生物活性差的缺点。③降解产物的毒性作用问题。鉴于以上的缺点，第2代神经支架材料也未能在神经组织工程领域得到广泛应用。

随着纳米技术的发展及对纳米生物材料认识的提高，具备高度仿生结构和良好生物相容性的纳米纤维支架成为细胞3D培养和组织工程的优先选择。为了使生物材料能够更加适合细胞的生长、迁移、分化，设计出能形成3D几何结构的、具有生物学和物理学特性优良的人造细胞外基质，3D自组装肽纳米纤维水凝胶支架应运而生，它能够在分子水平自发组装成几何形状的纳米结构，自组装多肽纳米纤维支架可以自组装形成水凝胶构建类似体内正常的细胞外微环境，为细胞的黏附、增殖、迁移和分化提供良好的细胞外基质。这些自组装肽在水溶液中能形成具有两个不同表面的β层结构，即亲水面和疏水面。疏水面的存在促进了肽在水中的自组装，类似于蛋白质折叠，这种几何形状的纳米级薄层可使营养物质、一些大分子物质及代谢产物自由通过，同时它们又可将细胞包裹在一个真正的3D环境中。3D自组装肽纳米纤维支架能更好地模拟体内微环境，纳米纤维直径为10- 20 nm，孔径为10-200 nm，既能为细胞生长提供必要的细胞外结构模式，同时促进纤维间微环境的正确组成，以达到促进细胞生长，改善细胞功能的作用。自组装多肽纳米纤维支架是生物材料制造领域的一项新的研究成果，自组装多肽在溶液中可以自发组装形成水凝胶，形成3D纤维支架，构建类似体内正常的细胞外微环境，为包括神经干细胞在内多种细胞的黏附、增殖、迁移和分化提供良好的细胞外基质，并且改善细胞功能，进而在神经组织工程和再生医学中得到广泛的应用。

材料方法

1.1 资料来源 检索检索2000至2013年PubMed数据库、维普数据库有关自组装多肽纳米纤维支架的内容；中英文关键词：自组装多肽(self-assembling peptide)，纳米纤维支架(nanofiber scaffold)，RADA16，神经组织工程(nerve tissue engineering)，神经干细胞(neural stem cell)。

1.2 纳入与排除标准

纳入标准：纳入与研究目的相关性较强包括国外神经组织工程研究进展，自组装多肽的分子结构特点、设计策略，影响其多肽自组装的相关因素等，借助多肽支架培养不同种类的细胞，介绍细胞黏附、生长、迁移和分化表现的，体现自组装多肽纳米纤维支架作为细胞培养基质特点和优点的，以及内容较新、体现最新研究进展的文献。

排除标准：排除与研究目的相关性差及内容陈旧、重复的文献，不能体现自组装多肽纳米纤维支架分子结构、自组装、作为细胞培养基质和在组织工程中应用的最新研究进展的文献。

1.3 数据提取 共检索到文献1 206篇，其中中文文献502篇，英文文献704篇，排除与研究目的相关性差及内容陈旧、重复的文献1 164篇，纳入42篇符合标准的文献进行综述。

1.4 质量评价 纳入标准的40篇文献中，文献[1-5]探讨了国外自组装多肽纤维支架的最新研究进展；文献[6-14]探讨了自组装多肽的分子结构特点、设计策略，影响其自组装的因素等；文献[15-21]证实了不同种类细胞在支架上的黏附、生长、迁移和分化表现，探讨了自组装多肽纳米纤维支架作为细胞培养基质的优点；文献[22-30]探讨了自组装多肽纳米纤维支架对各种神经细胞轴突生长的促进作用，以及其对脊髓损伤修复的效果；文献[31-42]探讨了自组装多肽纳米纤维支架在组织工程各领域中的应用。

讨论

RADA16-Ⅰ多肽即是据此原则设计合成，该多肽支架已被证实能够支持海马神经细胞的附着，生长，并提高其增殖率和促进其分化活性的作用，继而有利于损伤神经的修复和神经间突触的形成^[18-19]。为了使生物支架材料能够更加适合细胞的黏附、生长、增殖、迁移和分化，设计出具有立体结构和生物活性的模拟体内细胞的外环境基质材料，研究人员做出了很多努力，3D自组装多肽纳米纤维支架应运而生，它能够在分子水平自发组装形成具有纳米级纤维构成的内部几何构造的凝胶状生物支架，自组装多肽在水溶液中能够自发形成具有两个不同表面(包括亲水面以及疏水面)的β-结构，其中疏水面对于促进多肽的自组装过程中类似于蛋白质折叠，这种纳米级别的纤维构造，可使小分子蛋白、激素、营养物质、生长因子或其他因子以及代谢产物缓释，不至于迅速消散，不利于细胞的生长，同时支架材料的纳米纤维又可使细胞附着其上，生长于一个真正的3D环境中。这是由于纳米纤维的直径介于10-20 nm之间，孔径大小介于10-200 nm之间^[18]，二者均小于大多数细胞的直径(5-10 μm)。自组装多肽三维纳米纤维水凝胶更好地模拟了细胞在体内生长的微环境，能为细胞提供黏附，生长，增殖，迁移和分化的必要的物理结构模式，改善了细胞外基质的正确组成，容纳充足的细胞培养液，最终达到促进细胞生长以及改善细胞功能的作用。组成多肽的氨基酸在过去几十年中不被认为是构建组织工程的组分，但是随着生物技术，基因工程，材料技术和合成技术的发展，这种观念发生了急剧转变。在过去一段时期内天然氨基酸得到很好地应用，由其组成的自组装多肽开始被研发构成有潜力的支架。在先前的报道中自组装多肽纤维支架得到有各种不同的应用，如组织工程中的细胞培养支架，皮肤的护理和美容，药物和基因的转运，膜蛋白的稳固^[1]。神经组织工程和再生医学的难点在于生物支架材料的获得，传统的基质材料，如早期的第1代神经组织工程材料主要是高分子聚合材料和生物高分子聚合物等，虽然这些材料均可为神经细胞提供支架，并且对损伤脊髓修复有促进作用。但它们通常存在材料-细胞界面不相容的问题，并且在降解过程中会产生有害的酸性产物，加之生物学活性低，因而并未取得良好的效果。第2代材料的改进之处包括在上述材料之中加入了生物活性成分，将活性成分固定于支架材料的表面对其进行修饰。虽然进行了一系列的尝试，并且在一定的程度上提高了支架材料的生物活性和细胞-界面的相容特性，但存在的问题在于包裹于支架内部的有活性的生物分子位点不能得到充分暴露，限制其活性作用的发挥，由于多肽表面加入活性位点的过程复杂繁琐，并且连接于多肽之上的活性位点的数量有限，此外此类生物支架仍存在生物活性低以及降解产物的生物毒性问题，因而第2代支架材料也未能在神经组织工程领域中得到广泛应用。鉴于传统基质材料的缺陷，如很难模拟细胞外微环境的纳米结构，不能有效调节细胞的生物活性，并且这些材料的材料-细胞界面相容性较低，不利于细胞的生长。模拟生态基质的材料成功设计模拟了细胞在体内的生长环境，自组装多肽纳米纤维支架作为组织工程的支架材料不仅解决了材料与细胞相容性差的问题，而且在材料的3D特性、促细胞活性、仿细胞外微环境等方面均优于其他支架材料，是组织工程的一个转折点^[32-40]。但是，自组装多肽领域内仍面临一些挑战，短期的问题包括：自组装多肽与新型生物高分子的整合，以及与相对成熟传统移植物的整合。长期问题涉及：如何获得适应体内免疫系统的抗移植物，如何对细胞内的靶点进行治疗，以及高整合支架的发展方向等。

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延伸阅读

在过去的几年中，组织工程中具备生物活性的支架材料的相关研究已取得了实质性的进展。近年来的研究重点更加强调了对生物支架材料内部几何结构的控制。为了使生物支架材料能够更加适合细胞的黏附、生长、增殖、迁移和分化，设计出具有立体结构和生物活性的模拟体内细胞的外环境基质材料，研究人员做出了很多努力，3D自组装多肽纳米纤维支架应运而生，它能够在分子水平自发组装形成具有纳米级纤维构成的内部几何构造的凝胶状生物支架，自组装多肽在水溶液中能够自发形成具有两个不同表面（包括亲水面以及疏水面）的β-结构，其中疏水面对于促进多肽的自组装过程中类似于蛋白质折叠，这种纳米级别的纤维构造，可使小分子蛋白、激素、营养物质、生长因子或其他因子以及代谢产物缓释，不至于迅速消散，不利于细胞的生长，同时支架材料的纳米纤维又可使细胞附着其上，生长于一个真正的3D环境中。这是由于纳米纤维的直径介于10-20 nm之间，孔径大小介于10-200 nm之间，二者均小于大多数细胞的直径（5-10μm）。自组装多肽三维纳米纤维水凝胶更好地模拟了细胞在体内生长的微环境，能为细胞提供黏附，生长，增殖，迁移和分化的必要的物理结构模式，改善了细胞外基质的正确组成，容纳充足的细胞培养液，最终达到促进细胞生长以及改善细胞功能的作用。组成多肽的氨基酸在过去几十年中不被认为是构建组织工程的组分，但是随着生物技术，基因工程，材料技术和合成技术的发展，这种观念发生了急剧转变。在过去一段时期内天然氨基酸得到很好地应用，由其组成的自组装多肽开始被研发构成有潜力的支架。在先前的报道中自组装多肽纤维支架得到有各种不同的应用，如组织工程中的细胞培养支架，皮肤的护理和美容，药物和基因的转运，膜蛋白的稳固。

自组装多肽纳米纤维支架的结构特点及应用优势

Structural characteristics and advantages of a self-assembling peptide nanofiber scaffold

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