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.

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.

Tissue cells lack the ability to see or hear but have evolved mechanisms to feel into their surroundings and sense a collective stiffness. A cell can even sense the effective stiffness of rigid objects that are not in direct cellular contact—like the proverbial princess who feels a pea placed beneath soft mattresses. How deeply a cell feels into a matrix can be measured by assessing cell responses on a controlled series of thin and elastic gels that are affixed to a rigid substrate. Gel elasticity E is readily varied with polymer concentrations of now-standard polyacrylamide hydrogels, but to eliminate wrinkling and detachment of thin gels from an underlying glass coverslip, vinyl groups are bonded to the glass before polymerization. Gel thickness is nominally specified using micron-scale beads that act as spacers, but gels swell after polymerization as measured by z-section, confocal microscopy of fluorescent gels. Atomic force microscopy is used to measure E at gel surfaces, employing stresses and strains that are typically generated by cells and yielding values for E that span a broad range of tissue microenvironments. To illustrate cell sensitivities to a series of thin-to-thick gels, the adhesive spreading of mesenchymal stem cells was measured on gel mimics of a very soft tissue (e.g. brain, E ∼ 1 kPa). Initial results show that cells increasingly respond to the rigidity of an underlying 'hidden' surface starting at about 10–20 µm gel thickness with a characteristic tactile length of less than about 5 µm.