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 自然界中生物体的组成材料经过漫长的自然选择与进化，其结构与性能都令人惊叹。生物体可以利用简单的矿物质与有机质作为原材料，巧妙组装后满足不同组织器官复杂的力学与功能需求。其中，梯度组织是生物体在适应环境变化过程中形成的高度进化的结构形式。这些结构精巧的生物硬组织是通过生物矿化过程形成的。有别于实验室材料制备，生物矿化是一种温和且高度可控的自然过程，其最为显著的特征是通过有机大分子与无机离子的界面相互作用，在分子水平控制矿物的成核、生长、取向和组装，使所得材料具有特殊的分级结构和组装方式，并随之带来优异的力学强度与丰富的功能。尽管目前仿生矿化研究取得了不少进展，但仍难以生产出具有天然同类产品的结构特征和具有“活性”的矿化复合材料，如自修复的能力、环境响应性。因此，如何利用细胞控制的方法来生产具有功能梯度性的复合材料在很大程度上还是一个尚未探索的领域。

中国科学院深圳先进技术研究院/上海科技大学钟超教授与其合作者受天然功能梯度材料的启发，提出了一种实现可调控仿生矿化的新思路：利用细菌能够感知环境和分泌生物分子的能力，工程改造大肠杆菌生物膜这个活体功能材料平台来实现光调控的矿化，制备形状、厚度、密度可调控的复合功能材料。该工作以“Living materials fabricated via gradient mineralization of light-inducible biofilms”为题，于2020年12月21日在线发表在Nature Chemical Bioligy杂志上。

在该项研究中，研究人员首先筛选出了Mfp3S-pep作为羟基磷灰石（HA）矿化的蛋白质模块，通过透射电镜和选区电子衍射，发现CsgA-Mfp3S-pep生物膜在矿化5 天后形成了致密的矿物质，并具有明显的晶体特征，证实了该蛋白在促进HA矿化和结晶中的作用（图1）。随后利用石英晶体微天平（图2）和单分子力谱进一步说明了该蛋白与HA矿物之间具有较强的结合力。研究人员利用石英微晶天平分别测试了蛋白单体和自组装后的蛋白纤维在HA芯片表面的吸附量，结果显示引入Mfp3S-pep后蛋白质在HA表面的吸附量显著增加，且实验后期研究人员通入缓冲液冲洗芯片表面，吸附的蛋白质也基本没有脱落。

为了实现动态可控的调控，研究人员引入了蓝光光控元件，改造后的细菌可以感受外界蓝光启动融合蛋白的表达，产生的生物膜进一步矿化形成复合材料（图1）。

图1 光诱导生物膜的矿化

 

图2 利用石英微晶天平验证功能蛋白与HA之间的结合作用力

利用光响应的特性，研究人员可以实现在空间和时间上控制生物膜的生长，从而进一步控制复合材料的形成（图3）。借助投影仪将绘制的蓝色图案从正上方投影到加了培养液的培养皿底，经培养后可获得完美复刻投影图案的生物膜，随后将培养液替换成1.5倍的模拟体液，经矿化过程后可获得同样图案的复合材料。值得一提的是制备得到的复合材料中74%的细菌依然是活性状态，这对于该材料后续的应用具有非常重要的意义。

图3 通过投影不同蓝色图案得到精确的图案化复合材料

为了模拟制备功能梯度组织，研究团队设计了一个蓝光强度呈梯度变化的图案，成功制备了具有密度梯度、力学性能梯度的活体复合材料（图4）。实验发现，蓝光强度与重组蛋白表达量在一定范围内具有正相关关系,导致了无机物梯度沉积。这种活体梯度复合材料的制备方式可能为未来软骨损伤修复提供了一个很好的研究基础。

图4 光控制备梯度复合材料

最后，研究人员结合生物膜的粘性特征以及蓝光对于空间分布的准确控制，利用粘性生物膜固定聚苯乙烯（PS）小球填料实现了定点裂缝填补，再通过矿化作用沉积羟基磷灰石对裂缝进一步填充提高力学强度完成裂缝的修复。

图5 应用可光控的复合材料定点修复裂缝

总结：研究团队将光诱导生物膜的形成与生物矿化相结合，制备了一种具有精确空间图案和梯度特征的活性复合材料。与常规的非生物复合材料相比，所得的活性复合材料内部的细胞仍保持活力，能对环境刺激做出响应。因此，该研究为制造具有精细结构的、具有动态响应性和环境适应性的活体复合材料开辟了新的途径。

 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41589-020-00697-z#Sec8

 

QCM-D技术简介：

具有耗散因子检测功能的石英晶体微天平（QCM-D）是瑞典百欧林科技有限公司的QSense产品系列的专利技术，可提供多个频率和耗散因子数据，用于测定非常薄层的吸附层的质量，并同步提供粘弹性等结构信息。耗散型石英微晶体天平技术(QCM-D)作为一种实时界面多维跟踪技术，可以对多种不同类型的界面进行实时在线无需标记的表征。

该仪器应用范围包括：食品、蛋白质、核酸，多糖等生物分子和细胞/细菌、自组装材料、生物传感器、高分子聚合物、环境膜处理、纳米颗粒、石墨烯等，从纳米到微米尺度的物质与界面之间的相互作用及物质的环境响应。

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