A general peptide design is presented that links the pH-dependent intramolecular folding of β-hairpin peptides to their propensity to self-assemble, affording hydrogels rich in β-sheet. Chemical responsiveness has been specifically engineered into the material by linking intramolecular folding to changes in solution pH, and mechanical responsiveness, by linking hydrogelation to self-assembly. Circular dichroic and infrared spectroscopies show that at low pH individual peptides are unstructured, affording a low-viscosity aqueous solution. Under basic conditions, intramolecular folding takes place, affording amphiphilic β-hairpins that intermolecularly self-assemble. Rheology shows that the resulting hydrogel is rigid but is shear-thinning. However, quick mechanical strength recovery after cessation of shear is observed due to the inherent self-assembled nature of the scaffold. Characterization of the gelation process, from the molecular level up through the macroscopic properties of the material, suggests that by linking the intramolecular folding of small designed peptides to their ability to self-assemble, responsive materials can be prepared. Cryo-transmission electron and laser scanning confocal microscopies reveal a water-filled porous scaffold on both the nano- and microscale. The environmental responsiveness, morphology, and peptidic nature make this hydrogel a possible material candidate for biomedical and engineering technology.

A peptide-based hydrogelation strategy has been developed that allows homogenous encapsulation and subsequent delivery of C3H10t1/2 mesenchymal stem cells. Structure-based peptide design afforded MAX8, a 20-residue peptide that folds and self-assembles in response to DMEM resulting in mechanically rigid hydrogels. The folding and self-assembly kinetics of MAX8 have been tuned so that when hydrogelation is triggered in the presence of cells, the cells become homogeneously impregnated within the gel. A unique characteristic of these gel–cell constructs is that when an appropriate shear stress is applied, the hydrogel will shear-thin resulting in a low-viscosity gel. However, after the application of shear has stopped, the gel quickly resets and recovers its initial mechanical rigidity in a near quantitative fashion. This property allows gel/cell constructs to be delivered via syringe with precision to target sites. Homogenous cellular distribution and cell viability are unaffected by the shear thinning process and gel/cell constructs stay fixed at the point of introduction, suggesting that these gels may be useful for the delivery of cells to target biological sites in tissue regeneration efforts.

Curcumin, a hydrophobic polyphenol, is an extract of turmeric root with antioxidant, anti-inflammatory and anti-tumorigenic properties. Its lack of water solubility and relatively low bioavailability set major limitations for its therapeutic use. In this study, a self-assembling peptide hydrogel is demonstrated to be an effective vehicle for the localized delivery of curcumin over sustained periods of time. The curcumin-hydrogel is prepared in-situ where curcumin encapsulation within the hydrogel network is accomplished concurrently with peptide self-assembly. Physical and in vitro biological studies were used to demonstrate the effectiveness of curcumin-loaded β-hairpin hydrogels as injectable agents for localized curcumin delivery. Notably, rheological characterization of the curcumin-loaded hydrogel before and after shear flow have indicated solid-like properties even at high curcumin payloads. In vitro experiments with a medulloblastoma cell line confirm that the encapsulation of the curcumin within the hydrogel does not have an adverse effect on its bioactivity. Most importantly, the rate of curcumin release and its consequent therapeutic efficacy can be conveniently modulated as a function of the concentration of the MAX8 peptide.

A small de novo designed peptide (MAX3) is described that exhibits complete thermoreversible self-assembly into a hydrogel network. Importantly, a prerequisite to hydrogelation is that the peptide must first fold into a conformation conducive to self-assembly. At ambient temperature, MAX3 is unfolded, resulting in a low viscosity aqueous solution. On increasing the temperature, the peptide undergoes a unimolecular folding event, affording an amphiphilic β-hairpin that consequently self-assembles into a hydrogel network. Increasing the temperature serves to dehydrate the nonpolar residues of the unfolded peptide and trigger folding via hydrophobic collapse. Cooling the resultant hydrogel results in β-hairpin unfolding and consequent complete dissolution of the hydrogel. The temperature at which folding and consequent self-assembly into a rigid hydrogel occur can be tuned by altering the hydrophobicity of the peptides.

Intramolecular folding events, triggered by the presence of salt, induce the self-assembly of β-hairpin peptides into hydrogel networks at physiological conditions. At pH 7.4 and low ionic strength solution conditions, dilute, homogeneous solutions of peptide (≤2 wt %) exhibit the viscosity of pure water. Circular dichroism spectroscopy shows that, at pH 7.4 in the absence of salt, peptides are unfolded. By raising the ionic strength of the solution, electrostatic interactions between charged amino acids within the peptide are screened, and a β-hairpin conformation is adopted. Folded β-hairpin molecules supramolecularly assemble via hydrophobic collapse and hydrogen bonding into a three-dimensional hydrogel network. FTIR and X-ray scattering data demonstrate that these hydrogels are rich in β-sheet. Dynamic oscillatory rheological measurements demonstrate that the resultant supramolecular structure forms an elastic material whose structure, and thus modulus, can be tuned by salt concentration and temperature. Storage moduli of hydrogels increase with increasing salt concentration. Robust hydrogelation is also observed in cell growth media at physiological conditions. Transmission electron microscopy reveals that the hydrogel elasticity arises from a network nanostructure consisting of semiflexible fibrillar assemblies.

Photopolymerization can be used to construct materials with precise temporal and spatial resolution. Applications such as tissue engineering, drug delivery, the fabrication of microfluidic devices and the preparation of high-density cell arrays employ hydrogel materials that are often prepared by this technique. Current photopolymerization strategies used to prepare hydrogels employ photoinitiators, many of which are cytotoxic and require large macromolecular precursors that need to be functionalized with moieties capable of undergoing radical cross-linking reactions. We have developed a simple light-activated hydrogelation system that employs a designed peptide whose ability to self-assemble into hydrogel material is dependent on its intramolecular folded conformational state. An iterative design strategy afforded MAX7CNB, a photocaged peptide that, when dissolved in aqueous medium, remains unfolded and unable to self-assemble; a 2 wt % solution of freely soluble unfolded peptide is stable to ambient light and has the viscosity of water. Irradiation of the solution (260 < lambda < 360 nm) releases the photocage and triggers peptide folding to produce amphiphilic beta-hairpins that self-assemble into viscoelastic hydrogel material. Circular dichroic (CD) spectroscopy supports this folding and self-assembly mechanism, and oscillatory rheology shows that the resulting hydrogel is mechanically rigid (G' = 1000 Pa). Laser scanning confocal microscopy imaging of NIH 3T3 fibroblasts seeded onto the gel indicates that the gel surface is noncytotoxic, conducive to cell adhesion, and allows cell migration. Lastly, thymidine incorporation assays show that cells seeded onto decaged hydrogel proliferate at a rate equivalent to cells seeded onto a tissue culture-treated polystyrene control surface.

Among several important considerations for implantation of a biomaterial, a main concern is the introduction of infection. We have designed a hydrogel scaffold from the self-assembling peptide, MAX1, for tissue regeneration applications whose surface exhibits inherent antibacterial activity. In experiments where MAX1 gels are challenged with bacterial solutions ranging in concentrations from 2 x 10(3) colony forming units (CFUs)/dm2 to 2 x 10(9) CFUs/dm2, gel surfaces exhibit broad-spectrum antibacterial activity. Results show that the hydrogel surface is active against Gram-positive (Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus, and Streptococcus pyogenes) and Gram-negative (Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli) bacteria, all prevalent in hospital settings. Live-dead assays employing laser scanning confocal microscopy show that bacteria are killed when they engage the surface. In addition, the surface of MAX1 hydrogels was shown to cause inner and outer membrane disruption in experiments that monitor the release of beta-galactosidase from the cytoplasm of lactose permease-deficient E. coli ML-35. These data suggest a mechanism of antibacterial action that involves membrane disruption that leads to cell death upon cellular contact with the gel surface. Although the hydrogel surface exhibits bactericidal activity, co-culture experiments indicate hydrogel surfaces show selective toxicity to bacterial versus mammalian cells. Additionally, gel surfaces are nonhemolytic toward human erythrocytes, which maintain healthy morphologies when in contact with the surface. These material attributes make MAX1 gels attractive candidates for use in tissue regeneration, even in nonsterile environments.

β-Hairpin peptide-based hydrogels are a class of injectable hydrogel solids with significant potential use in injectable therapies. β-hairpin peptide hydrogels can be injected as preformed solids, because the solid gel can shear-thin and consequently flow under a proper shear stress but immediately recover back into a solid on removal of the stress. In this work, hydrogel behavior during and after flow was studied in order to facilitate fundamental understanding of how the gels flow during shear-thinning and how they quickly recover mechanically and morphologically relative to their original, pre-flow properties. While all studied β-hairpin hydrogels shear-thin and recover, the duration of shear and the strain rate affected both the gel stiffness immediately recovered after flow and the ultimate stiffness obtained after complete rehealing of the gel. Results of structural analysis during flow were related to bulk rheological behavior and indicated gel network fracture into large (>200 nm) hydrogel domains during flow. After cessation of flow the large hydrogel domains are immediately percolated which immediately reforms the solid hydrogel. The underlying mechanisms of the gel shear-thinning and healing processes are discussed relative to other shear-responsive networks like colloidal gels and micellar solutions.

Abstract Liver cancer ranks as the fifth leading cause of cancer-related death globally. Direct intratumoral injections of anti-cancer therapeutics may improve therapeutic efficacy and mitigate adverse effects compared to intravenous injections. Some challenges of intratumoral injections are that the liquid drug formulation may not remain localized and have unpredictable volumetric distribution. Thus, drug delivery varies widely, highly-dependent upon technique. An X-ray imageable poloxamer 407 (POL)-based drug delivery gel was developed and characterized, enabling real-time feedback. Utilizing three needle devices, POL or a control iodinated contrast solution were injected into an ex vivo bovine liver. The 3D distribution was assessed with cone beam computed tomography (CBCT). The 3D distribution of POL gels demonstrated localized spherical morphologies regardless of the injection rate. In addition, the gel 3D conformal distribution could be intentionally altered, depending on the injection technique. When doxorubicin (DOX) was loaded into the POL and injected, DOX distribution on optical imaging matched iodine distribution on CBCT suggesting spatial alignment of DOX and iodine localization in tissue. The controllability and localized deposition of this formulation may ultimately reduce the dependence on operator technique, reduce systemic side effects, and facilitate reproducibility across treatments, through more predictable standardized delivery.