Peptidmoleküle „brechen die Symmetrie“ und ermöglichen ferroelektrische Materialien mit ultraniedriger Spannung sowie die Förderung des neuronalen Wachstums.

Heute stellen wir Ihnen die bahnbrechende Forschung des Teams um Samuel I. Stupp vor, die in Advanced Materials veröffentlicht wurde. In dieser Studie wurde erfolgreich ein wasserlösliches, selbstorganisierendes, neuartiges organisches ferroelektrisches Material entwickelt, indem durch Peptidmoleküle eine Symmetriebrechung induziert wurde. Dieses Material zeichnet sich nicht nur durch eine extrem niedrige Ansteuerspannung (±2,5 kV/cm) aus, sondern fördert auch signifikant das Wachstum neuronaler Axone. Diese Arbeit eröffnet neue Wege für die Entwicklung von wasserverarbeitbaren, biokompatiblen ferroelektrischen Biomaterialien und damit neue Möglichkeiten für bioelektronische Bauelemente und die regenerative Medizin des Nervensystems.

01 Forschungshintergrund

Ferroelektrische Materialien besitzen aufgrund ihrer spontanen, durch ein externes elektrisches Feld umkehrbaren Polarisation ein hohes Anwendungspotenzial in Speichermedien, elektrooptischen Bauelementen und tragbarer Elektronik. Im Vergleich zu anorganischen Ferroelektrika bieten organische Ferroelektrika Vorteile wie geringes Gewicht, niedrige Toxizität und einfache Verarbeitung und sind daher besonders vielversprechend für biomedizinische Anwendungen wie Biosensorik und Tissue Engineering. Allerdings ist die Anzahl der beschriebenen organischen Ferroelektrika begrenzt, und ihre Designstrategien sind deutlich weniger ausgereift als die anorganischer Systeme. In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass Donor-Akzeptor-Ladungstransfer-Kokristalle durch Brechung der Zentrosymmetrie Frequenzverdopplung (SHG) und Ferroelektrizität erzeugen können. Allerdings sind diese Materialien in wässrigen Phasen oft schwer zu verarbeiten, was ihre biologischen Anwendungen einschränkt. Bioinspirierte supramolekulare Chemie bietet das Potenzial, wasserverarbeitbare, biokompatible funktionelle Nanostrukturen herzustellen. Studien deuten darauf hin, dass die Kopplung von Chromophoren mit Peptidsequenzen Chiralität induzieren und somit die Entwicklung von Symmetriebrechungseigenschaften in Ladungstransfersystemen ermöglichen kann. Ziel dieser Studie ist es, eine durch Peptide induzierte Symmetriebrechungsstrategie zur Entwicklung neuartiger supramolekularer ferroelektrischer Materialien zu erforschen und deren biologische Funktion bei der Regulierung des Verhaltens von Nervenzellen zu validieren.

02 Innovative Highlights

• Kovalente Integration von Donor-Akzeptor-Komplexen mit Peptiden:

Das Forschungsteam entwarf und synthetisierte eine neuartige Molekülklasse (DA-PAs), die einen Elektronendonor (alkoxysubstituiertes Naphthalin) und einen Akzeptor (Pyromellitsäurediimid oder Naphthalindiimid) kovalent über einen Linker an ein Oligopeptid (Einzel-, Di- oder Tetrapeptid) bindet. Dieses Design präorganisiert das Donor-Akzeptor-Paar intramolekular und steuert die supramolekulare Selbstorganisation über das Peptid, wodurch langreichweitig geordnete Nanostrukturen entstehen und die Grundlage für Ferroelektrizität gelegt wird.

• Peptidchiralität induziert nicht-zentrosymmetrisches Gitter:

Ein entscheidender Durchbruch dieser Studie ist die erfolgreiche Induktion einer Symmetriebrechung im gesamten Donor-Akzeptor-System durch Ausnutzung der inhärenten Chiralität der Peptideinheiten. Zirkulardichroismus-Spektroskopie (CD) zeigte, dass DA-PAs mit chiralen Aminosäuren (z. B. Lysin K, Valin V), wie DA1-K und DA1-VK, starke Signale im Absorptionsbereich der Chromophore erzeugten, was auf eine chirale Umgebung der Chromophore hindeutet. Messungen mittels Frequenzverdopplung (SHG) bestätigten weiterhin, dass diese Systeme eine nicht-zentrosymmetrische Kristallstruktur aufweisen, welche eine Voraussetzung für Ferroelektrizität ist.

• Erzielung einer ferroelektrischen und piezoelektrischen Reaktion bei Raumtemperatur:

Dem Forschungsteam gelang es, in getrockneten DA-PA-Proben klare Polarisations-Feldstärke-Hystereseschleifen (PE-Schleifen) zu messen und damit deren Ferroelektrizität zu bestätigen. Beispielsweise wies DA2-VK eine hohe Remanenzpolarisation (Pr) und eine Koerzitivfeldstärke (Ec) von etwa ±2,5 kV/cm auf. Unter Ultraschallanregung erzeugten ferroelektrische DA-PA-Proben (z. B. DA2-VK) piezoelektrische Spannungssignale, die mit der Anregungsfrequenz übereinstimmten, während nicht-ferroelektrische Proben (z. B. DA1) nur schwache Reaktionen zeigten. Dies belegt ihre Fähigkeit zur elektromechanischen Umwandlung.

• Ferroelektrische Materialien fördern neuronales Wachstum und Reifung:

Die Kultivierung primärer kortikaler Neuronen von Mäusen auf ferroelektrischen DA-PA-Beschichtungen (z. B. DA1-VK, DA3-VK) zeigte, dass diese Materialien nicht nur das Überleben der Neuronen förderten, sondern auch die Komplexität des axonalen Netzwerks und die Amplitude der Aktionspotenziale signifikant erhöhten. Dies deutet darauf hin, dass die inhärente ferroelektrische Polarisation des Materials neurotrophe Faktoren oder Ionen über elektrostatische Wechselwirkungen anreichern und so die Mikroumgebung nachahmen könnte, die das neuronale Wachstum in vivo steuert. Dadurch wird die funktionelle Reifung der Neuronen gefördert, ohne dass eine exogene elektrische Stimulation erforderlich ist.

03 Ergebnisse und Diskussion

3.1 Charakterisierung von Molekülsynthese, Selbstorganisation und Ladungstransfer

In der Studie wurden vier Donor-Akzeptor-Dyaden (DA1–DA4) und ihre entsprechenden Peptidkonjugate (DA-PAs) synthetisiert. Die Molekülstrukturen von DA1, DA2 und DA3 wurden mittels Röntgen-Einkristallstrukturanalyse aufgeklärt. Diese zeigen eine antiparallele Packung mit alternierenden Donor-Akzeptor-π-Stapeln. UV-Vis-Absorptionsspektroskopie ergab für DA1 in wässriger Lösung eine breite Absorptionsbande im Bereich von 400–550 nm, die in DMF verschwand. Dies belegt das Vorliegen intermolekularer Ladungstransfer-Wechselwirkungen in wässriger Lösung infolge supramolekularer Selbstorganisation. Diese Ladungstransferbande blieb auch nach Einführung von Peptidsequenzen (z. B. K, VK) erhalten, was auf den Erhalt der Selbstorganisation hindeutet.

Abbildung 1. Molekulare Strukturen und Selbstorganisation der Donor-Akzeptor-Peptidamphiphile.

3.2 Nanostruktur und interne kristallographische Charakterisierung

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigte, dass sich peptidfreies DA1 zu bandartigen Strukturen mit einer Länge von über 5 Mikrometern und einer Breite von etwa 200 Nanometern selbstorganisiert. Elektronenbeugung im ausgewählten Bereich (SAED) bestätigte die kristalline Struktur; die gemessenen Molekülabstände (a = 7 Å, b = 16 Å) stimmten mit Einkristalldaten überein. Die Einführung eines einzelnen Peptids (DA1-K) oder eines Dipeptids (DA1-VK) führte zu polydispersen Nanostrukturmorphologien, wobei jedoch einige bandartige Merkmale erhalten blieben. Die SAED-Analyse ergab, dass sich die kristallographischen Parameter von DA1-VK veränderten und ein neues zweidimensionales rechteckiges Gitter (a = 7 Å, b = 8 Å) entstand, was darauf hindeutet, dass die Peptideinführung die Molekülpackung veränderte. Weitwinkel-Röntgenstreuung (WAXS) bestätigte die SAED-Befunde.

Abbildung 2. Strukturelle Charakterisierung von Donor-Akzeptor-Peptidamphiphilen.

3.3 Experimenteller Nachweis der Symmetriebrechung und Ferroelektrizität

Die CD-Spektroskopie bestätigte, dass die Peptideinführung die Chiralität auf die Chromophoranordnung übertrug. SHG-Bildgebung zeigte deutlich, dass Proben wie DA1-K und DA1-VK starke Signale der zweiten Harmonischen aufwiesen, was die nicht-zentrosymmetrische Natur der Gesamtstruktur bestätigte, welche die Grundlage für Ferroelektrizität bildet. Wichtige ferroelektrische Tests ergaben, dass DA2-VK die besten ferroelektrischen Eigenschaften besaß. Seine langen, bandartigen Nanostrukturen (ca. 3 μm) konnten den Spalt zwischen den Elektroden überbrücken und so die Messung deutlicher PE-Hystereseschleifen ermöglichen. Im Gegensatz dazu zeigten DA1-VK mit kürzeren Nanostrukturen (

3.4 Validierung der biologischen Funktion: Förderung des neuronalen Wachstums und der elektrophysiologischen Reifung

In-vitro-Zellexperimente zeigten, dass die Überlebensraten von Neuronen auf Beschichtungen mit den ferroelektrischen Materialien DA1-VK und DA3-VK vergleichbar mit oder sogar besser als die der üblicherweise verwendeten Beschichtung Poly-D-Lysin (PDL) waren. Immunfluoreszenzfärbung und morphometrische Analysen ergaben, dass Neuronen, die auf DA1-VK und DA3-VK kultiviert wurden, im Vergleich zur PDL-Kontrollgruppe und der nicht-ferroelektrischen DA1-K-Gruppe signifikant größere Netzwerkbereiche für Axone (SMI312-positiv) und das gesamte neuronale Zytoskelett (Tuj1-positiv) aufwiesen. Patch-Clamp-Ableitungen an ganzen Zellen zeigten zudem, dass Neuronen, die auf dem ferroelektrischen DA1-VK kultiviert wurden, signifikant höhere Aktionspotentialamplituden aufwiesen als solche auf dem nicht-ferroelektrischen DA1-K, was auf reifere elektrophysiologische Eigenschaften hindeutet. Die Forscher vermuten, dass das vom ferroelektrischen Material erzeugte elektrische Feld bioaktive Faktoren über elektrostatische Wechselwirkungen geordnet im Kulturmedium verteilt und dadurch das neuronale Wachstum und die Reifung steuert und fördert.

Abbildung 3. Überleben und Wachstum primärer kortikaler Neuronen auf Beschichtungen aus Donor-Akzeptor-Peptid-Amphiphil-Nanostrukturen.

04 Schlussfolgerung und Zukunftsperspektiven

Diese Studie demonstriert erfolgreich eine generalisierbare Strategie zur Entwicklung supramolekularer ferroelektrischer Materialien durch Peptid-induzierte Symmetriebrechung. Kern dieser Strategie ist die kovalente Kopplung chiraler Peptide mit Donor-Akzeptor-Chromophoren. Dabei wird die supramolekulare Selbstorganisation der Peptide genutzt, um die Chromophore zur Bildung nicht-zentrosymmetrischer kristalliner Nanostrukturen zu lenken und so Ferroelektrizität zu erzeugen. Die erhaltenen DA-PA-Materialien weisen nicht nur exzellente ferroelektrische und piezoelektrische Eigenschaften auf, sondern fördern auch effektiv die neuronale Adhäsion, das axonale Wachstum und die elektrophysiologische Reifung in vitro und zeigen damit ein immenses Potenzial für biomedizinische Anwendungen.

Die Bedeutung dieser Arbeit liegt in der präzisen Abstimmung des „Bottom-up“-Assemblierungskonzepts der supramolekularen Chemie auf die Leistungsanforderungen funktionaler Materialien (Ferroelektrika). Peptide dienen hier nicht nur als strukturgebende Einheiten, sondern auch als wichtige funktionelle Elemente zur Symmetriebrechung. Zukünftig kann diese Strategie in folgende Richtungen weiterentwickelt werden: ① Durch das Screening von Peptidsequenzen mit unterschiedlichen Selbstassemblierungseigenschaften oder die Modulation der Assemblierungsbedingungen lässt sich die Nanostrukturmorphologie und -polarisation präzise steuern und somit die ferroelektrischen Eigenschaften gezielt anpassen. ② Die Anwendung solcher Materialien in breiteren biomedizinischen Bereichen wie der Nervenreparatur und dem Knochengewebe-Engineering kann erforscht werden. ③ Die Kombination mit fortschrittlichen Herstellungsverfahren wie der kontinuierlichen Durchflusssynthese fördert die Skalierung und Geräteintegration solcher ferroelektrischer Weichmaterialien und bietet eine neue Materialplattform für bioelektronische Schnittstellen der nächsten Generation und implantierbare medizinische Geräte.

Originalartikel:

Passarelli JV, Yang Y, Smith CS, Hao J, Dave DR, Narayanan A, Álvarez Z, Johnson BK, Marshall KA, Fithian I, Sai H, Qiu R, Stern CL, Palmer LC, Kiskinis E, Stupp SI. Peptidinduzierte Ferroelektrizität in supramolekularen Ladungstransfermaterialien. Adv Mater. 2026 Jan 10:e14940.

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202514940