细胞外基质为构成组织提供了支架。组织的3D结构是由细胞-基质和细胞-细胞间的相互作用决定的。过去的20年已被证明了许多基质支架蛋白和它们的构成性的生物活性黏附基序[1]。发育生物学的研究增加了我们对这些基序的时空表达方面的知识—生物活性黏附或抗黏附作用在组织发育过程中短暂发生或在器官的整个生命过程中永久存在以确保成体组织的结构。许多在发育阶段负责组织构成的分子信号在成体动物体内是不存在的。因此，在胞外基质中组织构成的信号存在或不存在决定组织的再生能力。这些分子信号也负责例如轴突再生的特定细胞功能。对组织修复的需要已经刺激能用于人造组织和诸如生物传感器的可移植装置的生物材料支架的发展。
理想的候选生物材料支架应严格符合以下标准: (1)有易于设计和修饰的基本单元；(2)该材料的生物降解速度可调控；(3)没有细胞毒性；(4)具有能特异促进或抑制细胞-材料相互作用的特性；(5)能引发的免疫反应和炎症最小；(6)材料的生产、纯化和处理是容易的并可升级和(7)有与水溶液和生理条件的化学相容性。与这些条件中的任何一项不符将给该候选生物材料的潜在应用带来限制。
从蛛丝到胞外基质蛋白来的材料给生物材料支架提供了良好的样本。自然产生的生物材料支架（如胶原蛋白）能经化学修饰而授予合意的特性。但是，自然界仍然是最完美的材料工程师，而对可塑性的需求又鼓动人类材料工程师。生物相容性的合成材料正越来越多用作生物材料支架。自我组装的多肽、有机多聚物、无机材料或混合的同聚物已用于制造人工的生物材料支架。最近在组织工程方面的文献报道强调了控制生物材料几何特性的重要性。为了出现合意的细胞分化，就必须存在具有促进细胞-基质和细胞-细胞间几何结构形成的物理特性的基质。从基质传导来的机械力的几何分布影响细胞的形状，甚至决定细胞是死还是活。显然，这些现象与基质蛋白本身的类型无关。
自然来源的材料
基于细胞的治疗方法是治疗许多疾病的另一种替代治疗方法。在一些病例中，疾病对小分子药物具有抵抗性。几种自然来源的动物产物如基于胶原蛋白的生物支架，它们的衍生物和生物相容性同聚物已用于细胞吸附的支架。
但是，对所有动物来源的生物材料来说，一个潜在的问题是他们能携带危险的病原菌。传播性海绵状脑病(TSE)是能够跨物种传播的最令人担心的病原菌[6]。伴随脘病毒跨物种传播到人类的脘病毒介导的海绵状脑病的出现，更加重了这种担心。尽管用极端的pH或温度可以摧毁许多致病因子，但是脘病毒（TSE的病因）对化学或物理降解具有极端的抵抗力。因此，现在正在进行巨大的努力来加强动物来源产品的TSE检验及创造人工重组胶原蛋白。其他病毒也可能在动物来源的生物材料中作为病原体而携带。
合成的肽生物材料支架
所有合成的生物材料有一个优点即它们能将携带生物源性的病原体或污染物的危险降低到最低程度。在控制药物释放、组织修复和组织工程等方面合成的生物材料存在一些吸引人的特性。最近发展的合成生物材料展示了体内生物兼容性的可喜进步。合成生物材料的最大优点是他们能被设计成符合特定的需要的东西。通过插入能促进细胞吸附的生物活性基序的例子表明了这样设计的可塑性：（例如，细胞黏附基序精氨酸、甘氨酸和天门冬氨酸(RGD)是整合素即细胞黏附受体的配体）。在某些情况下，合成的生物材料由自然产生的诸如氨基酸等的小生物分子的多聚物组成。合成的生物材料的碱性单元表现出良好的生理兼容性和最小的细胞毒性，并且来自生物分子的生物材料的降解产物能插入至新合成的生物分子或在宿主体内被代谢掉。其他合成的生物材料由体内不存在的诸如陶瓷的物质分子组成。这些材料（例如骨组织替代材料）展示出如高抗拉性等另人满意的特性。
最近发现一类由自发自我组装的寡肽组成的生物材料[9–11]。这些生物材料支架的成分是自我互补的两性寡肽组成，它们有规则的重复单位：带正电的氨基酸残基（赖氨酸或精氨酸）和带负电的氨基酸残基（天冬氨酸或谷氨酸）被亲水性残基（丙氨酸或亮氨酸）分开。自我互补的两性寡肽包含50%的带电残基，并且以交替的离子亲水性和不带电的憎水性氨基酸的周期重复为特征。这些例子包括RAD16-I（以单个字母代替氨基酸，其序列为AcN-RADARADARADARADA-CNH2）和RAD16-II（其序列为AcN-RARADADARARADADA-CNH2）。尽管RAD16-I 和 RAD16-II长度相同，氨基酸数目相同，但是RAD16-I有(RADA)n的空间模式（其中n代表重复数），而RAD16-II只有两个(RARADADA)n的空间模式。图1显示了来自RAD16-II的有代表性的肉眼可见的基质支架（摘自文献10）。等浮力（在溶液中自由漂浮，既不下沉也不升至表面）的基质支架能被编织成有相对粘稠的各种各样的几何形式，要么象带子(Fig. 1a)，要么象线条(Fig. 1b)，要么成片状(Fig. 1c)。肽和盐浓度，连同处理仪器的维数，决定宏观基质的几何结构和维数。圆性二色性分光镜显示基于RAD, ELK, 和EAK的具有如前描述的典型周期性的肽链在水溶液中展示强的β片层二级结构。其他几个实验室也描述了由具有β片层二级结构的其他自我组装的寡肽形成的生物材料。因此，按照这些简单的氨基酸构成和空间序列排列的规则形成的自我互补的两性肽链战时了两个不同的极性和非极性表面。
RAD、 ELK 和 EAK 多肽的规则β片层二级结构与基于蛋白螺旋参数的Chou-Fasman统计结果相反。谷氨酸、亮氨酸和赖氨酸在Chou-Fasman模型中均具有a-螺旋倾向。Hecht及其同事对此矛盾作出了完美的解释[12]。在一个迷人的研究中，他们发现了决定二级结构的局部和非局部的分子内影响的竞争结果。采用自我组装的合成蛋白的家族来检测这些竞争的影响。决定二级结构的局部影响包括氨基酸的内在螺旋特性（正如Chou-Fasman模型预测的一样）。非局部的影响是被在肽序列中的氨基酸的周期性和位置排列例证的--周期性和位置排列决定所有被测试的合成肽的二级结构。因此，非局部效应超过局部效应。周期性和氨基酸的位置排列的相对优势说明已观察到周期性交替两性多肽的β片层结构倾向，而不是预测的a螺旋结构。值得注意的是局部和非局部对二级结构的影响是分子内的而不是分子间的。这个结果是采用CD证明相对浓度不依赖于EAK16-II的规则β片层结构而获得。更近一点的是，Broome 和 Hecht采用一个包含250 514个自然产生的蛋白序列的数据库对包含周期性的交替极性和非极性氨基酸的序列作了统计搜索。他们发现交替极性和非极性氨基酸的序列在自然发生蛋白中相当稀少。他们的发现表明对由交替极性和非极性氨基酸的序列导致的严重的寡聚化倾向存在很强的选择压力。
有兴趣地是，来自两性多肽的生物材料基质的形成高条件依赖性的。诸如RAD16 和EAK16的两性多肽在无盐的水溶液中溶解度是毫摩尔级。但是，当这种肽暴露在生理介质或盐溶液中时，两性多肽形成水凝胶基质。毫摩尔级的单价阳离子负责整齐基质的形成。整齐的生物材料基质是水浓度>99%的水凝胶。与在单价阳离子存在的情况下自发形成的整齐的生物材料基质相反的是，毫摩尔级的二价阳离子用EAK16及其相关肽形成高度不规则的材料。这个盐触发的分子开关是如何工作的？其中一个解释是盐促进个体肽的触发排列，而基质的形成是临近多肽的带正负电的残基的静电相互作用的结果。可是，增加盐浓度并不破坏基质的稳定性，这表明了一个替代机制。如果这些多肽是互补的，水溶液中的单体多肽可能折叠而形成分子内的静电相互作用。加盐可能破坏分子内的静电相互作用，从而多肽采用一种构成形式来迎合临近多肽间的分子间的增水作用。
对这个模型的支持来自对肽链长度和脂肪族残基的憎水性程度的研究。含丙氨酸的两性肽链（如EAK16）至少需要16肽来形成盐诱导的稳定基质。相反含亮氨酸的两性肽链（如ELK8）由18肽形成盐诱导的稳定基质。这些结构表明增加脂肪族残基的憎水性导致基质的形成。第三个分级模型包括前两个模型的特性。临近多肽的带电残基间的分子间的静电相互作用可能在分子间憎水性相互作用的形成后导致基质的稳定。RAD16多肽及它们的潜在的分子间的相互作用如图2所示。这些基质形成和稳定的替代模型迄须实验的直接证明。自我组装材料也能从包含合成的氨基酸（自然产生的蛋白中不存在）的多肽组装--这些分子被称作多肽模拟物。处理条件（ pH、温度和盐浓度）能够改变从而影响自我组装的多肽模拟物的几何构象。
这些肽基质对什么有效？基于RAD的两性多肽的序列与细胞黏附受体整合素配体RGD有相似性。一些胞外基质蛋白包含结合在整合素异构体的RAD序列。第一个被测试的假想是细胞是否在整合素依赖模式的肽基质上吸附和生长。细胞吸附在基于EAK和 RAD基质上是整合素依赖模式，并且基于EAK和 RAD的基质支持细胞吸附和生长。RAD序列能结合在某种细胞黏附受体的整合素上，而EAK却不能。此外，高浓度的RGD肽对EAK和 RAD基质的吸附和生长没有作用，从而证明基于整合素的黏附对吸附于这些肽基质的细胞吸附并不是必须。EAK和 RAD肽基质支架支持各种哺乳动物和禽类原代和转变的组织培养细胞的细胞吸附。
再近一些，已证明了在肽基质支架上的原代和培养的神经元细胞的吸附、分化、神经丝的长出和功能性突触的形成[10,11]。这样充满神经元的基质支架能够在不同的环境间运输。这对用于移植的神经元/基质的潜在应用是一个重要的问题。
神经丝的长出需要神经元吸附于允许的底层。一些胞外基质蛋白如：层粘连蛋白、纤维连接蛋白和胶原蛋白，在原位影响神经丝的长出[1]。这些胞外基质蛋白包含特异的特别适合细胞吸附和神经丝长出的基序[1,2]。要么与多聚物相连，要么单独，胞外基质分子和它们的黏附结构域部分已用于包被表面（如玻璃和聚丙乙烯），如果不这样包被，这些表面将对神经丝的长出支持不良[2]。另外一些诸如多聚L赖氨酸和基质胶也能为神经丝的长出提供良好的支持。玻璃和塑料的几种体外包被已用于检测神经元和单体蛋白材料的相互作用，也用于检测它们对神经丝的长出的作用[19]。可是，这样的体外包被对诸如组织修复和组织工程的某些应用存在严重的局限性。一旦神经元吸附于包被板，如果没有插入诸如多聚体或玻璃的非生物材料它们就不能随时被运输至组织。包被基质胶的盖玻片上生长的神经元展示了控制神经丝的长出和功能性突触联系（图3）。但是，培养的海马神经元在等密度的RAD16生物材料支架基质上能形成广泛的神经丝和功能性突触联系(Fig. 3b)。在RAD16生物材料基质上长成的充满神经元的培养物能随时从一种介质转移至另一种介质中。因此，建立在组织培养中的神经元/肽基质培养物能用于移植。初步的体内研究表明EAK16 和 RAD16基质有良好的容忍性，正如将肽注射入肌肉和大脑及随后的炎症组织分析的研究所表明的一样。
组织工程和修复
生物材料已广泛用于组织工程。最近在生物材料和细胞相互作用的工作集中在空腔（膀胱）和骨组织工程的生物材料的物理特性和维度。组织工程在这两方面的突破强调了模仿自然发生的细胞-细胞和细胞-生物材料支架相互作用的几何构象的生物材料的重要性。为建立新组织和理解掌管细胞分化成合适的新型组织的因子的可得到的前体细胞（如干细胞）的出现对新组织的成功构建也是一个重要因子。最近有几篇关于用于膀胱和骨/软骨组织工程的生物材料的综述[20,21]。
Atala及其同事出版了一本《力的旅游》的书，书中描述了他们成功地将一个组织工程的新膀胱移植入狗体内[22]。一个新器官支架是用合成的混合多聚物的生物材料构建的。生物材料支架是在自体尿道上皮和平滑肌供体细胞中种植出来的，而这些饲养细胞从宿主动物体内收集、分散并扩大培养成尿道上皮和平滑肌细胞库。用共聚物poly-DL-lactideco- glycolide (PLGA)包被的可生物降解的多聚羟基乙酸(PGA)用来构建新膀胱支架。选择这些合成的生物材料是基于它们的生物兼容性和机械特性。PGA 和 PLGA共聚物已比肽生物材料研究得更广泛，而且编织结构的良好处理方法也已得到发展。 细胞种植的新器官移植给亚全去膀胱的狗（即保留部分膀胱的狗）。对照组包括无移植物的和移植没有在细胞中饲养的新膀胱支架的亚全去膀胱的狗。接受在细胞中种植的新膀胱的狗具有正常的留尿功能、膀胱尿动力依从性和移植后长达11个月的组织构造性。这些狗似乎完全恢复，但是，对照组没有表现这些指征中的任何一个的完全恢复。
骨组织工程的需要不同于空腔器官替代所需的.但是，有几篇令人振奋的论文表明骨组织工程与前面的例子有相同的主要元素.其中一个相同点是为保持与天生组织相同的细胞-细胞几何结构的生物材料支架的重要性。3维的细胞-细胞间相互作用和细胞浓度对导致骨组织的形成成熟的正确细胞分化特别重要。另一个主要元素是小心选择和处理用来饲养生物材料支架的前体细胞。软骨再生是另一个对组织工程和生物材料研究的有希望的目标。软骨组织治疗效果差是因为它大部分没有血管。滋养在生物材料支架上的软骨细胞的移植对软骨再生有巨大的前景[25]。另一个对生物材料支架设计和组织工程的考虑包括应用自身供体细胞以防止组织排斥。
对由再生能力较弱的细胞组成的组织来说，组织工程溶液可能更难获得。另外，特别的细胞功能，例如轴突再生和对的神经元形成新的功能性联系，特别在成体动物体内可能受到损害—这些问题是与中枢神经系统(CNS)修复有关。可是，最近的结果表明弱的再生能力与抗生长和抗吸附的信号有关，这些信号要么来自基质（如软骨素硫酸蛋白糖和某些胶原蛋白），要么来自CNS的髓磷脂成分[3]。这些令人鼓舞的结果表明CNS轴突的弱再生能力并不是神经元本身所固有的。因此，这些由人造生物材料基质支架所允许的负面信号的掩盖可能克服这些功能性缺陷。
设计更好的人工肽生物材料支架
最近在组织工程的各个方面的研究强调了协助正确的细胞分化的生物材料支架的几何和物理性质的重要性[22–24]。如果能如同控制非肽生物材料（如PGA 和/或 PLGA 共聚物[2]）一样成功控制肽生物材料的编织，那将是令人满意的。未来在合成的生物材料支架的工作将注重具有更复杂的材料几何构象和诸如更强的抗拉能力的生物材料的设计。将生物活性基序插入肽生物材料中将刺激编织这些材料成良好结构的处理过程的发展。
在自我组装肽支架过程中，有可能限制多肽自我组装成2D结构[26]。这种方法可与半胱氨酸末端修饰的RAD寡肽和以前发展的微接触印刷术联合使用[27]。网格表示半胱氨酸末端修饰的RAD寡肽或乙烯乙二醇硫醇盐的交替形式（见图4）。通过他们各自的SH基团这些分子将与金单层表面形成共价连接。细胞与网格的RAD肽包被区牢固结合，但与乙二醇硫醇盐包被的表面结合不牢（见图5）。令人感兴趣的是这些方法是否能用于翻译更复杂的自我组装肽的3D几何构象。
插入合成生物材料支架的细胞吸附基序（如RGD基序）的特定形式将是另一种控制吸附于支架的不同类型细胞的分组，从而模仿组织。最终目的是合成影响细胞黏附、分化和特定类型的细胞迁移而产生人造组织的生物材料支架。蛋白-蛋白相互作用的基序，而不是细胞吸附基序，也可能应用于合成的生物材料支架。例如，正如蛋白的嵌合插入一样，富含脯氨酸结合在同系序列3(SH3)结构域的配体授予(SH3)结构域与被修饰蛋白的相互作用[28]。更好的合成生物材料支架设计的未来目标包括构建包含能导致生物材料更强的抗拉能力的无机分子或金属结合基团的混合材料。材料设计者能从自然获得灵感。具有高抗拉能力和硬度的自然材料鲍鱼壳是一种有机和无机材料的混合物[29]。生物矿物化的支架对骨修复和其他硬组织修复来说是物理基础。源着这条线，Hecht及其同事构建了来自组合肽文库的自我组装单层[30]。这个文库中的肽是因其具有能折叠成6链两性β片层的特性而入选的。这些两性肽的单层自我组装发生在空气-水的交界面。这些另人兴奋的结果表明了构建由有机蛋白和无机矿物质片组成的片状生物材料的可能性。
结论
本文描述的新肽生物材料支架是生物学灵感的合成材料。正在涌现的技术包括细胞治疗的新支架、组织工程和硬组织修复的生物矿物化。一些最具前景的方法是将新生物材料与干细胞技术结合。这些具有生物兼容性和生物可降解性的新肽生物材料支架可能在新医药方面具有广泛的应用前景。