大量具有生物活性的肽类为将生物功能引入材料提供了多样化的工具。这些肽类库涵盖了广泛的生物活性，包括细胞黏附、蛋白酶敏感性、信号激活以及免疫调节等。因此，这些肽已被广泛应用于生物材料设计中，以指导细胞行为并调控生物学效应。鉴于天然细胞微环境的复杂性和高度动态性，新兴研究正致力于开发多功能且对外界刺激响应的生物材料，以更好地模拟这些生物系统。设计此类材料需要整合驱动特定细胞反应的生化机制，同时优化材料性能以增强所需功能。本文综述了肽功能化材料的新兴设计策略及关键考虑因素，重点阐述了指导其设计的分子相互作用与生化机制。我们探讨了如何利用协同信号、肽的结构构象以及基序呈现方式来调控细胞与材料之间的相互作用及下游信号传导。同时，我们强调了基于分子和材料的策略，以赋予材料对内源性和外源性刺激的响应特性，并分析了材料固有性质对肽生物活性的影响。随着计算方法和数据驱动技术在新型生物活性肽及生物材料发现与优化方面的进步，结合对生物学机制和蛋白质结构的新认识，正加速推动材料的设计，使其更精确地模拟天然环境，从而拓展其在多种生物医学应用中的潜力。

2 将肽类分子引入生物材料的方法

由于建立了成熟且优化的合成方法，尤其是自动化固相肽合成（SPPS），多肽如今已广泛可得。除了合成之外，人们还开发了多种化学策略，将多肽连接到不同的材料网络和界面。在选择将多肽固定于材料的方法时，必须仔细考虑材料的化学和物理特性，以及对多肽-材料连接所需特性的要求，例如是否需要动态、柔性或可降解的连接子。目前已有多种偶联化学方法可用于将多肽连接至材料（图2）。例如，可通过1-乙基-3-[3-(二甲氨基)丙基]碳二亚胺盐酸盐/ N-羟基琥珀酰亚胺（EDC/NHS）化学或其他偶联试剂形成酰胺键。同样，通过半胱氨酸形成的二硫键被广泛应用，并能产生具有氧化还原响应性的连接。此外，包括应变促进的叠氮-炔烃环加成（SPAAC）在内的多种点击化学方法，以及光化学方法，也正日益普及。除了共价结合方法外，还可以利用亲和力相互作用将肽定位到材料表面。其中，最显著的是将互补的适配体与目标材料和肽偶联，从而实现特异性的超分子结合。通过这些策略，已成功将肽接枝到多种材料上，包括聚乙二醇（PEG）等聚合物网络、多糖（如壳聚糖、葡聚糖）、蛋白质基材料（如明胶）以及DNA。此外，金纳米颗粒、脂质和聚合物基纳米颗粒以及金属表面也易于通过肽进行功能化修饰。开发多样且正交的化学方法以促进肽的偶联，对于实现对肽展示的精确控制，并拓展多功能材料的构建工具至关重要。

3 生物材料内生化机制的回顾

细胞通过膜受体与其配体（如蛋白质、生物活性肽、糖链等）之间的复杂相互作用来响应细胞外刺激，从而触发特定的信号通路和细胞行为。这些机制包括受体二聚化、聚集、与其他共受体形成复合物以及激活构象的释放等结构变化。此外，这些机制通常需要多种生物分子或生物活性位点之间的协同作用，从而进一步增强细胞反应的选择性和特异性。因此，在选择并整合生物活性肽到生物材料中时，若已知这些机制和相互作用，则必须予以充分考虑。

3.1. 协同与增效肽

整合素结合肽Arg-Gly-Asp（RGD）是探索如何在生物材料中重现配体-受体相互作用的一个范例。这种三肽存在于多种细胞外蛋白中，包括纤连蛋白和维他命蛋白，并能非特异性地结合多种整合素亚型。因此，RGD三肽常被引入材料中，以促进多种细胞类型的黏附，且一旦与材料结合，其分子构象通常不再影响功能。然而，通过引入不同蛋白结构域中存在的协同位点或限制特定的分子构象，可调控RGD基序对整合素的结合选择性。例如，纤连蛋白中的第9个III型结构域含有Pro-His-Ser-Arg-Asn（PHSRN）序列，可通过与α5β1整合素的协同作用增强RGD介导的结合，该序列通过与α5亚基相互作用，有助于稳定RGD与整合素之间的结合（图3）。RGD与PHSRN基序之间的最佳距离为30–40 Å，在将这些基序引入材料时应予以考虑。协同的RGD/PHSRN活性已被用于生物材料中，以研究特定细胞类型与纤连蛋白之间的相互作用，尤其是在与α5β1整合素相关的炎症、疾病和癌症背景下。

最近，RGD/PHSRN系统被用于开发更能模拟肿瘤微环境的材料，以构建更先进的体外癌症模型。Below等人设计了一种合成的细胞外基质（ECM）水凝胶，可模拟胰腺组织微环境的关键特征，用于培养胰管腺癌类器官。首先，作者对从正常到癌变状态的胰腺组织中的基质组分（即ECM蛋白）进行了表征，以确定应纳入材料中的相关细胞黏附信号。研究结果表明，癌变组织中纤连蛋白、层粘连蛋白-332及其他黏附蛋白的表达水平升高，且癌细胞和间质细胞均表达了与纤连蛋白介导的细胞黏附相关的整合素。因此，研究人员将RGD和PHSRN肽段整合到聚乙二醇（PEG）水凝胶中，以更好地重现胰腺组织微环境中纤连蛋白介导的细胞黏附特性。本研究证明，通过仔细考虑目标组织中存在的细胞及细胞外基质微环境，并调控功能化材料的生化组成，可以开发出更精确的体外模型，用于探究疾病生理状态下的细胞相互作用。RGD/PHSRN系统在生物制造领域的其他新兴应用还包括用于制备细胞相容性可打印生物材料。例如，Boyd-Moss等人开发了一种混合生物墨水，其中包含带有RGD和PHSRN结构域的自组装肽纳米纤维，以及甲基丙烯酰化明胶基质。该生物墨水具有良好的可打印性和力学性能，同时支持成肌细胞的黏附、存活及其向肌管的分化。这种杂化材料在组织工程和肌肉打印方面具有潜在应用前景。

RGD/PHSRN双功能化策略也被用于提升现有生物材料的性能和组织整合能力。例如，目前正处于临床评估阶段的脱细胞心脏瓣膜可能引发不良免疫反应和组织钙化，从而限制其长期功能。为解决这些问题，吴及其同事将RGD和PHSRN功能化的透明质酸引入脱细胞瓣膜基质中。这种复合材料不仅减少了钙化和与免疫相关的不良反应，还促进了内皮细胞的黏附和增殖。这些实例表明，协同呈现肽段在改善多种材料（包括天然来源和合成支架）的生物相容性和功能性方面具有巨大潜力。同样，RGD/PHSRN系统已被应用于开发多功能材料，通过结合生化和理化信号来增强钛植入物的性能。Fraioli及其同事研究了不同整合素结合配体（包括RGD/PHSRN以及合成的αvβ3和α5β1选择性配体）功能化钛表面的纳米拓扑结构特征的影响（图3B）。他们发现，这些材料表面的改变能够通过抑制细菌生长来预防感染，同时促进间充质干细胞（MSCs）的存活与附着。在此情况下，粗大钛表面结构上的αvβ3选择性肽模拟配体相较于其他功能化表面，能诱导更高的成骨基因表达。

不同受体之间也可能发生协同作用，因为细胞反应通常依赖于多个受体的同时激活或异源受体复合物的形成来启动信号通路。这种共激活机制在生长因子活性调控中尤为突出，其中整合素与生长因子受体之间，甚至不同生长因子受体之间都可能存在信号串扰，从而产生单一配体单独作用时所无法实现的多种效应。例如，BMP-2信号可调控人成骨细胞表面αvβ和αβ1整合素的表达，而整合素的结合则有助于增强BMP-2介导的基质矿化等响应。基于这一机制，Neal等人设计了一种海藻酸盐水凝胶，将BMP-2的指节表位肽（KE）与环状RGD（cRGD）共同呈现在同一材料上，旨在增强BMP-2模拟肽诱导间充质干细胞（MSC）成骨分化的效力。他们发现，当KE与cRGD以5.5 ± 0.5 nm的距离间隔呈现在同一海藻酸链上时，可显著提高MSC中成骨标志物的表达水平。另一个共受体介导的例子是血管内皮生长因子受体2（VEGFR-2）与神经纤毛蛋白-1（NRP-1），两者协同激活可触发促进血管生成的VEGF信号通路。基于这一机制，Lu及其同事设计了一种基因递送平台用于治疗胶质瘤。具体而言，他们将一种融合肽TATAT7修饰到聚乙烯亚胺基纳米复合物上，该融合肽由TAT肽段（Arg-Lys-Lys-Arg-Arg-Gln-Arg-Arg-Arg，RKKRRQRRR）和AT7肽段（Ala-Thr-Trp-Leu-Pro-Pro-Arg，ATWLPPR）组成。其中，TAT肽有助于穿透血脑屏障（BBB）并结合NRP-1，而AT7则可同时与VEGFR-2和NRP-1相互作用。这种融合肽对VEGFR-2和NRP-1的结合亲和力高于单独的TAT或AT7，并且具有较高的血脑屏障穿透效率。通过融合多种功能结构域的方法，可以增强材料的整体生物活性，同时充分考虑其与细胞膜受体之间的生化相互作用。

协同生物活性基序的概念在免疫工程用生物材料设计中尤为重要，因为免疫细胞需要协调的共信号事件来激活或抑制特定的细胞表型。T细胞就是典型的例子，它们具有多种共刺激和共抑制受体超家族，例如CD3-CD28共信号配对，可调节其功能与命运。尽管T细胞的活化并不直接依赖于生物活性肽，但目前通常使用工程化材料来实现对T细胞上CD3和CD28受体的共刺激。例如，市售的Dynabeads是一种表面修饰有抗CD3和抗CD28抗体的磁性微球，被广泛用于T细胞的活化与扩增，以应用于CAR-T细胞制造等领域。类似地，Hou及其同事开发了一种利用温和条件下形成的二氧化硅微胶囊构建的人工抗原呈递细胞。这些微胶囊经表面功能化处理，可向T细胞展示抗体，并负载荧光染料和磁性纳米颗粒，以实现对其运动的调控与追踪。这些微胶囊表现出比Dynabeads更强的T细胞激活作用，这归因于微胶囊的尺寸比Dynabeads更大，更接近树突状细胞的大小，从而能更好地模拟天然抗原呈递过程。

郑等人最初计划通过将一种结合程序性死亡配体1（PD-L1）的肽段（Trp-His-Arg-Ser-Tyr-Tyr-Thr-Trp-Asn-Leu-Asn-Thr，WHRSYYTWNLNT）与一种免疫调节肽连接，利用蛋白酶可裂解的PLGLAG（Pro-Leu-Gly-Leu-Ala-Gly）作为连接链，来构建一种用于肿瘤免疫治疗的融合肽，以抑制PD-L1免疫检查点。然而，他们意外发现，其中一种裂解产物——该产物包含PD-L1结合肽序列，并在其N端连接了LAG（Leu-Ala-Gly）片段（LAGWHRSYYTWNLNT）——不仅能阻断PD-L1免疫检查点，还能直接诱导T细胞的活化和增殖。这种肽可被整合到生物材料支架中，从而调控材料内T细胞的行为，引发免疫调节反应。

最后，协同免疫调节肽可作为生物材料平台，用于开发更高效的疫苗和免疫疗法。其中包括所开发的自组装肽纳米纤维Q11（Gln-Gln-Lys-Phe-Gln-Phe-Gln-Phe-Glu-Gln-Gln；QQKFQFQFEQQ），该纳米纤维易于与多种肽表位（如IL-1的B细胞表位、T辅助细胞表位）、糖蛋白（如血凝素HA）以及佐剂（如随机序列的Lys-Glu-Tyr-Ala，KEYA）进行功能化修饰，从而诱导特异性免疫反应。例如，Collier研究团队通过将血凝素偶联至Q11纳米纤维并添加肽佐剂KEYA，开发出一种流感亚单位疫苗，形成多价展示结构，其引发的免疫应答显著强于可溶性血凝素对照组。作者指出，这种增强的免疫反应源于血凝素在纳米纤维表面比在溶液中排列更紧密，从而增强了B细胞受体（BCR）的激活效果，因为抗原之间25–30 nm的间距最有利于BCR的活化。

3.2. 结构构象

除了协同位点外，整合素的选择性还受到RGD基序结构构象的影响。例如，弯曲构象的RGD更倾向于与α5β1和αvβ3整合素结合，而伸展构象则更有利于与αIIbβ3结合。这种依赖于结构的特异性已被用于开发新型环状RGD类肽及肽模拟物，以应用于治疗和成像领域。例如，Rechenmacher等人设计了一种环状RGD模拟肽c(RGDf(NMe)Nal)，该肽可选择性地结合高表达于平滑肌细胞并参与其增殖的αvβ3和αvβ5整合素。这种环状RGD衍生物能够抑制冠状动脉平滑肌细胞的增殖，而不影响内皮细胞，因此有望用于药物洗脱支架中，以防止冠状动脉疾病或心肌梗死后血管再狭窄。在此情况下，材料充当了药物递送载体；然而，类似的特异性和整合素介导的相互作用也可被整合到生物材料中，以调控细胞行为。

在生物材料领域，环状-RGD衍生物已被固定于固体表面和水凝胶网络中，用于多种应用。例如，Moreira等人将两种整合素结合肽——环状-Arg-Gly-Asp-D-Phe-Cys（cyclo-RGDfC）和T1肽（Gly-Gln-Lys-Cys-Ile-Val-Gln-Thr-Thr-Ser-Trp-Ser-Gln-Cys-Ser-Lys-Ser，即GQKCIVQTTSWSQCSKS）——功能化到结冷胶水凝胶上，这两种肽分别优先靶向αvβ3和α6β1整合素。这两种整合素在血管内皮细胞中含量丰富，并与新血管形成（血管发生）密切相关。有趣的是，他们发现，无论是否包含T1肽，只要存在环状-RGD肽并由此激活αvβ3整合素，即可在无需外源性生长因子的情况下诱导内皮细胞表现出血管生成行为。研究推测，这种血管生成效应可能源于αvβ3介导的信号通路调控了内皮细胞的存活与迁移。采用类似策略，谭及其同事开发了一种基于海藻酸盐的凝胶，该凝胶共轭了环状精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-D-苯丙氨酸-赖氨酸（cyclo-RGDfK）肽和一种与硫酸乙酰肝素结合的肽（AG73），旨在诱导先前已发生退变的髓核细胞恢复健康、年轻的表型。这些细胞是髓核的重要组成部分，髓核是位于椎间盘中心的柔软凝胶状组织，正常情况下可吸收冲击力；一旦发生退变，则会导致脊柱疼痛和僵硬。实验表明，无论是否含有AG73，环状RGD肽均比线性RGD肽能支持更强的细胞黏附能力。

与线性形式相比，环状RGD肽在多种材料上表现出增强的生物活性，这表明稳定的环状构象更有利于整合素的结合。这一观察结果符合肽类治疗药物中的一个普遍原则：将肽分子约束为具有生物学意义的构象，可提高其活性和稳定性，因为短肽由于骨架相对灵活，通常缺乏明确的二级结构。这种结构限制广泛应用于肽类药物的设计中，包括抗菌肽、生长因子激动剂和蛋白抑制剂。在肽模拟物方面，另一种源自纤连蛋白的黏附三肽Leu-Asp-Val（LDV）在经过序列优化和环化后，对靶向α4β1整合素表现出更强的生物活性。值得注意的是，LDV基序在纤连蛋白的连接区段（CS）域中存在一种协同肽（Arg-Glu-Asp-Val，REDV），该肽也对细胞黏附产生叠加效应。肽环化和 stapling 化学方法的进步将进一步拓展结构受限的生物活性肽在生物材料开发中的应用。

4 生物活性肽的展示

除了肽序列本身，肽的呈现方式在决定材料性能以及引发预期生物反应的能力方面也起着重要作用。研究表明，连接子的性质、肽的密度和空间排列等因素会直接影响细胞与生物活性基序之间的相互作用。Yamada及其同事在设计一种能选择性结合αvβ5整合素的优化RGD肽序列时发现，用于展示生物活性肽的连接子的长度和化学性质需要进行优化，以确保肽基序与其靶标之间能够实现适当的相互作用。他们筛选了不同的连接子，结果发现，在其连接子组合中刚性最强的寡脯氨酸表现最佳，可有效在表面展示RGDNY（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-天冬酰胺-酪氨酸），从而促进HeLa细胞的黏附。更具体地说，随着脯氨酸间隔子长度的增加，细胞黏附能力也随之增强，当脯氨酸残基数达到三个后趋于稳定，表明存在一个使RGD-整合素相互作用最优化的临界长度。在另一项研究中，Kozuka 等人将抗菌肽 KR12（Lys-Arg-Ile-Val-Gln-Arg-Ile-Lys-Asp-Phe-Leu-Arg，KRIVQRIKDFLR）通过不同长度的聚乙二醇（PEG）连接链偶联到防污共聚物薄膜上，结果表明，较长的 PEG 连接链结合较高的 KR12 密度可有效抑制大肠杆菌的生长。类似策略常用于材料或表面展示蛋白质。例如，Racca 等人发现，通过更长、更柔韧的 PEG 基连接链将 PD-L1 融合蛋白偶联至微凝胶上，能更有效地与 T 细胞上的 PD-1 受体结合，从而增强 PD-1 蛋白的免疫调节信号传导。

生物活性肽的密度也可能影响材料的效果，因为较高的基序含量并不一定意味着更好的生物学响应。Carballo-Molina 等人发现，含有 15%（体积/体积）胶质细胞系来源神经营养因子模拟肽（GDNF-PA）的肽两亲分子（PA）共组装体，其神经元细胞存活率与常规细胞培养方案相当。相比之下，含 10% 和 33%（体积/体积）GDNF-PA 的配方则未能在同等程度上维持神经元的存活（图 4A）。这表明，存在一个最佳的肽密度，能够更好地结合 PA 纳米纤维表面的可及性以及纳米纤维的形貌特征。Lei 等人研究了基于 RGD-PEG 水凝胶中 RGD 密度对人角膜上皮细胞（HCECs）的影响，发现通常情况下更高的 RGD 密度有助于 HCEC 在水凝胶中的黏附、铺展和增殖。Mulero-Russe 及其同事的补充观察显示，在 PEG 水凝胶中，极低浓度的环状 RGD 即可促进人诱导多能干细胞向内胚层分化。在此浓度以上，其他所有配方对细胞黏附和分化的影响均相似。在某些情况下，降低整合素结合配体的密度有助于逆转材料刚度对细胞表型的影响。然而，最佳配体密度似乎高度依赖于材料的化学和物理特性，因此需要具体确定。

材料网络结构通过决定其上偶联肽的展示方式，间接调控肽的生物活性。例如，具有抗菌肽的PEG凝胶在星形和梳状结构中表现出不同程度的抗菌活性。具体而言，梳状结构的抗菌活性高于星形结构，并且随着主链长度的增加，活性进一步提升。这种活性差异可能源于梳状结构上肽的局部密度更高。此外，还需考虑生物活性配体具有动态性，在与细胞（如整合素）相互作用时，常会调整其空间分布，这些整合素会在细胞表面聚集形成黏着斑。为了模拟细胞外基质中天然存在的细胞黏附配体的可移动性，Moghaddam等人设计了一种水凝胶，由PEG网络与自组装肽系统相互贯穿构成，后者表面修饰有RGD肽（图4B）。该材料结合了共价交联的聚合物网络，可调节凝胶的刚度并实现刚性RGD的展示，以及超分子网络，由于纤维具有柔性，因而赋予RGD较高的或较低的移动性。如预期所示，RGD配体的移动性和基质的黏弹性均影响了粘着斑的形成及其大小和形状。最佳配方包含高移动性的RGD自组装肽网络与低移动性的RGD-PEG聚合物链。因此，自组装结构的变化可导致这些结构表面生物活性基序的空间排列和密度发生改变，从而引起与周围细胞的不同相互作用，并产生不同的生物学响应。

5. 动态与刺激响应材料

生物活性肽通常被固定在材料网络或表面，使其在整个材料中持续可与靶标受体相互作用并发挥生物学功能。这类方法导致肽的生物活性在空间上呈均匀分布，模拟出一种恒定的“激活”状态，而缺乏对肽生物活性的时间或空间调控。相比之下，天然生物系统对蛋白质和信号分子的局部及时间性激活和生物活性具有高度精确的调控。这种调控的一个典型例子是转化生长因子β（TGF-β），它以与潜伏相关肽和蛋白结合的非活性潜伏复合物形式释放到细胞外基质（ECM）中。该潜伏复合物通过响应不同刺激（如整合素结合、pH依赖性的构象变化以及细胞外基质内的蛋白水解切割）而受控解离，从而调节TGF-β的激活。这一机制确保了TGF-β信号通路在组织中的适当阶段和位置发挥作用。从宏观角度看，时空调控对于在组织水平上协调生物过程至关重要。例如，在皮肤伤口愈合过程中，暂时性细胞外基质（ECM）的组成会随愈合进程发生时空变化：在血凝块形成的早期阶段，其主要为富含纤维蛋白的网络结构；随着组织重塑的进行，逐渐转变为富含纤连蛋白和蛋白聚糖的基质。这些基质成分的时空变化调控了生物活性信号（包括与基质结合的生长因子）的可利用性，从而精确调节细胞在伤口愈合过程中的行为。在生物材料中复制这种空间和时间上的控制激活仍具有挑战性，因此，如何更好地模拟细胞外基质环境的动态特性，正日益成为先进肽功能化生物材料设计中的一个重要考量因素。

将时空控制和刺激响应行为引入生物材料的常用策略，通常依赖于生物活性信号或药物的可控局部递送，以及对内在或外在信号（如酶、pH值、光或氧化还原电位）的响应。然而，这些方法通常仅针对单一刺激，限制了具有多刺激响应特性的“智能”材料的设计。Gharios 等人的突破性研究提出了一种新方法，通过结合遵循布尔逻辑函数（YES/OR/AND 门控）的酶解降解连接子，实现对蛋白质从生物材料中释放的编程控制。在该研究中，YES 门控连接子设计为可被单一酶降解；OR 门控连接子则串联包含两个可降解基序，可被两种酶中的任意一种切割；而 AND 门控连接子需要同时存在两种酶才能降解，因其内部的降解基序呈并联排列（图5）。这些不同类型的连接子可嵌套组合，构建出具有不同拓扑结构的基于逻辑的分子电路，从而仅在特定组合的酶输入存在时才触发蛋白质释放。这种方法为材料引入更精确的多刺激生物活性调控提供了灵活的策略，有助于我们实现类似天然组织的动态行为编码。

  材料科学中另一个值得探索的机制是支架内存在一些隐蔽位点，这些位点在与细胞及细胞微环境相互作用时可被暴露。Zhu 等人设计了一种基于海藻酸盐的水凝胶，通过引入非功能性的肽类化合物来模拟这些隐蔽位点，这些化合物在酶切后可重排为具有细胞黏附功能的肽序列 Tyr-Ile-Gly-Ser-Arg（YIGSR）。这种“掩蔽”方法提供了一种精确控制材料中肽基序活性随时间变化的方式，既可通过外部刺激（如添加酶）实现，也可通过细胞分泌酶至支架中而介导的重塑过程实现。类似地，还可通过pH值、适配体与互补核苷酸结合、点击释放化学以及光响应型光开关和光笼等手段，改变分子结构和肽构象，从而调控生物活性肽的呈现。例如，Hammer 等人利用光敏蛋白，通过按需照射蓝光，在聚乙二醇（PEG）基水凝胶中调控信号分子的释放。本研究中，光遗传学工具被用作一种“开关”装置，将光响应性LOV2蛋白与其高亲和力配体Z-affibody（Zdk）一起固定在PEG基质中。Zdk可选择性地结合到LOV2的“松弛”构象；然而，当受到蓝光（400–500 nm）照射时，LOV2的C端螺旋结构展开，显著降低Zdk的结合亲和力。该方法能够精确释放或呈现生化信号，并可用于构建局部响应所需的生化模式。

从组织层面来看，材料的动态特性可通过分层结构、空间图案化技术或结合多种功能组分的新兴3D打印生物制造技术来实现。在此背景下，Yi等人开发了一种双层水凝胶，由两种不同浓度的甲基丙烯酰化透明质酸（MeHA）组成，实现了抗炎和促血管生成信号的pH依赖性顺序释放，用于治疗烧伤和冻伤创面。该释放策略基于伤口愈合过程中发生的pH变化：下层密度较低（0.8% MeHA）的水凝胶降解速度比上层更密的层（2% MeHA）更快。因此，在伤口初期酸性环境下，下层优先降解，促进抗炎药物释放；同时，上层缓慢释放促血管生成因子bFGF，模拟了伤口愈合过程中天然信号的演进过程。通过多层功能化水凝胶的堆叠，可设计具有空间有序排列的生物活性模块。例如，设计了一种三维多层水凝胶结构，以重现骨组织和神经组织的天然空间排列，用于研究这些组织微环境中细胞间的相互作用。成骨层功能化修饰了BMP-2模拟肽，并负载了骨髓间充质干细胞；而神经生成层则含有神经营养因子（NGF）模拟肽和施万细胞。在分子和宏观层面实现时空控制与动态响应的整合，对于开发更精确模拟组织结构与生物学特性的先进生物材料日益重要，同时也能提供可调控的工具，构建更准确的体外模型以及能够无缝整合并指导体内细胞的材料。然而，选择作为基础并整合这些策略的材料支架至关重要，最终决定了该材料技术的性能和整体生物活性。

6. 材料固有性质对肽活性的影响

材料不仅作为展示生物活性信号的平台，还具有内在的化学、物理和力学特性，这些特性可独立地影响细胞行为。因此，理解生物系统如何与材料本身相互作用，以及这些相互作用如何影响所连接的生物活性肽的功效至关重要。当功能化材料在体外或体内使用时，最早可能出现的物理现象之一就是蛋白质吸附。当材料表面暴露于含血清的细胞培养基或生物液体中时，会迅速被一层吸附蛋白覆盖，其种类和数量取决于表面化学性质。这些吸附蛋白反过来可决定后续的细胞-材料相互作用，在某些情况下甚至决定了所观察到的生物活性和细胞反应。多项研究表明，吸附在自组装肽或聚合物基水凝胶上的蛋白质是促进细胞存活、黏附和增殖的主要因素。这一点在高静电荷材料中尤为明显，Yamada 等人的研究已证实了这一点。一种带正电荷的自组装肽凝胶被证明对细胞具有细胞毒性，并在接触细胞时诱导细胞凋亡。然而，当培养基中的血清蛋白吸附到肽纳米纤维表面时，这种细胞毒性便消失了。其中含量最丰富的蛋白质是常用的牛血清白蛋白、 fetuin-A 和纤连蛋白，它们通过钝化材料表面而减轻了其细胞毒性。类似地，在一种缺乏细胞黏附配体的导电琼脂糖水凝胶中，研究发现间充质干细胞（MSCs）仍能黏附并扩散至整个材料中。从机制上分析，发现纤连蛋白和白蛋白通过静电相互作用吸附到凝胶表面，形成富含纤连蛋白的环境，使细胞得以附着和迁移。作者得出结论：蛋白质的吸附是细胞对琼脂糖凝胶产生响应的主要驱动因素。

通过调控材料与特定目标蛋白之间的分子间相互作用，可利用蛋白质在材料表面的吸附来控制其生物活性。一种方法是在材料制备过程中直接添加目标蛋白，从而获得具有所需功能化的蛋白涂层表面。另一种策略是通过化学修饰材料以促进特定相互作用，例如将海藻酸盐进行磺化，以模拟肝素捕获生长因子的能力。当细胞在磺化海藻酸盐中培养时，其分泌的蛋白会附着于支架上，并捕获仍保持活性的生长因子。基于同样的原理，Yaylaci 等人设计了模拟糖胺聚糖（GAG）的肽两亲分子，以重现GAG与多种生长因子相互作用并将其捕获的能力。这些GAG肽两亲分子能够自组装形成纳米纤维水凝胶，无需外源性生长因子即可促进间充质干细胞向软骨细胞分化。

在发现过程中，某些生物活性肽在体外表现出的活性，当其共价结合到材料中时可能会发生变化。Su 等人报道了VEGF模拟肽（QK）在激活VEGFR-2方面存在显著差异，且该差异依赖于细胞类型。当QK以游离形式存在于溶液中或与明胶-PEG水凝胶共轭时，在人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中均表现出相似水平的VEGFR-2磷酸化，从而保持了QK激活VEGF通路的能力。然而，当条件性永生化的人肾小球内皮细胞（GEnCs）被可溶性或固定化的QK处理时，结果却相反：暴露于可溶性QK的GEnCs，其VEGFR-2磷酸化水平与未处理的对照组相似；而当GEnCs培养在功能化QK的水凝胶上时，则表现出升高的VEGFR-2磷酸化水平。这些差异可能归因于材料对生物活性肽呈现方式的细胞依赖性，如前所述。然而，细胞对其他化学和力学信号（如凝胶刚度和网孔大小）也表现出不同的响应，这使得难以将这些效应与肽的生物活性完全区分开来。在开发一种用于治疗性抗体控释的肽基水凝胶过程中，观察到了另一种意外的肽类活性。该研究中，一种自组装肽纳米纤维水凝胶被修饰上了一种能够结合IgG抗体Fc区的六肽。通过表面等离子体共振验证了该六肽的结合亲和力，将结合肽引入纳米纤维网络后，所得到的功能化水凝胶可实现FITC标记的人IgG（FITC–hIgG）的持续释放。抗体的释放曲线可通过调节结合肽的浓度轻松调控。然而令人意外的是，无论水凝胶组成如何，基于未标记hIgG的市售抗体药物均表现出相似的突释动力学行为。这些结果表明，该六肽更倾向于与FITC荧光团相互作用，而非与抗体自身Fc结合区域的预期作用位点发生作用。如前所述，导致这些意外结果的原因可能有多种，包括材料表面的肽展示、未被表征的生物活性，以及影响肽与其配体相互作用的局部环境。

不同材料与生物系统的相互作用正日益被视为调节免疫细胞的有前景的方法，其优势在于无需依赖外源信号或复杂的材料设计。这些相互作用会因材料的来源和特性而异。例如，透明质酸（HA）被广泛用作支架材料，可通过共价修饰生物活性基团或用于蛋白质的控释。然而，细胞表面表达可特异性结合HA的受体，并能分泌降解HA的酶，因为HA是一种天然存在的聚合物，也是细胞外基质（ECM）的组成部分。HA的分子量或摩尔质量决定了其不同的生物学特性：高分子量HA通常具有抗炎作用，促进免疫抑制环境的形成；而低分子量HA则具有免疫刺激性，可激活巨噬细胞。通过添加额外的信号分子，如在HA中引入细胞黏附基团，可增强材料固有的生物活性。此外，材料的电荷性质和化学官能团也被证明能够调控免疫细胞的反应。例如，在皮下注射模型中，自组装肽凝胶的电荷特性影响了中性粒细胞的迁移和活化。整体带正电的富含赖氨酸的肽纳米纤维可快速诱导中性粒细胞募集和浸润，并使其被激活以释放中性粒细胞胞外诱捕网（NETs）作为对凝胶的反应。相比之下，带负电的肽凝胶主要引发巨噬细胞主导的免疫反应，且不诱导NET形成。这两种相反电荷材料所触发的不同免疫反应，可通过设计分离递送方式实现对NET形成的时空调控。同样，通过将两种肽凝胶进行整体混合制备复合材料，也有助于调节炎症反应的程度。

在另一种自组装肽平台中，根据化学功能的不同观察到了不同的免疫反应。含赖氨酸的肽凝胶可引发急性炎症反应，其特征为细胞快速浸润、血管生成和组织重塑，且无需使用任何外源性药物或生长因子。相反，含有羟脯氨酸和谷氨酸的肽则被巨噬细胞迅速降解，且不促进血管生成。赖氨酸基凝胶所引发的急性炎症反应在组织工程方面前景良好，因为它能促进血管形成和神经支配。因此，该肽支架被功能化修饰了层粘连蛋白和腱生蛋白C模拟肽，以支持坐骨神经再生过程中的神经生长。有趣的是，在本研究中，无论是否存在生物活性模拟肽，或其具体类型如何，凝胶引发的炎症反应似乎是推动轴突生长和组织再生的主要驱动力。这些例子强调了除了考虑肽本身可能引发的免疫原性或免疫激活作用外，还需了解材料在目标系统中的固有效应的重要性，因为这些知识有助于更好地指导生物活性肽的引入方式，以确保其发挥预期的活性。

7. 展望与未来发展方向

由于对具有生物指导性和动态特性的材料的需求，肽和蛋白质的功能化将继续成为生物材料科学中的重要工具，并朝着更加机制化、多功能化和可编程的设计策略不断发展。这些策略在更复杂材料中的有效性，需要从分子层面理解如何设计多种肽-受体相互作用，同时兼顾支架的高阶物理化学特性。正如本文综述中所讨论的，为确保所选功能基团的正确展示和生物活性，需考虑并优化多个因素，包括生物活性基团的选择、连接子化学、配体密度、网络结构以及未功能化材料的性质。

易于编程的化学体系（如逻辑门控可降解连接物和隐秘序列）的出现，为利用生物材料调控细胞和组织反应开辟了新的途径。依赖多种信号的动态材料将增强我们模拟天然微环境的能力。这些方法可与先进的工程技术（包括3D打印和表面图案化）相结合，将分子响应转化为宏观尺度上的动态材料。同样重要的是，需持续阐明现有及新型材料的内在生物活性以及细胞与材料之间的相互作用，因为支架的选择可能增强或削弱目标肽的功能。深入理解化学性质、尺寸、形状和力学性能如何影响生物响应，有助于在无需高度复杂系统的情况下开发多功能材料，从而简化材料研发过程，并促进其向临床应用转化。

尽管本综述的重点并非计算与机器学习方法，但它们在加速生物活性肽和生物材料发现方面的巨大潜力值得简要探讨。已有若干综述全面概述了用于肽类发现的计算策略，特别是基于深度学习框架的方法，可作为极佳的参考资料。近年来，研究者越来越致力于将“实验认知”融入发现模型中，以减轻对从头设计的肽进行生物活性实验验证的工作量。近期的研究包括构建能够迭代筛选和优化潜在肽候选物的计算框架，从而缩小候选库规模，并考虑所设计分子的合成可行性。此外，研究还高度关注提升模型的易用性，例如通过强化学习提高大规模肽库筛选效率，以及允许用户在无需重新训练模型的情况下，自定义探索不同的设计标准。分类计算工具也已开发用于重新定义肽的生物活性，包括识别其多功能特性。在生物材料设计方面，已开发出用于从头生成自组装肽和基于蛋白质材料的计算工具，并结合分子建模以优化肽基序的展示与可及性。当前计算工具的设计考量有望显著加速肽类发现和材料设计进程，综合考虑上述所有设计策略，以获得具有动态性、仿生性和指导功能的材料。

参考文献：doi.org/10.1021/acs.biochem.6c00018