仿生材料，又一篇Nature子刊！

自然界的生物是精妙绝伦的工程师。在自然界中，活生物体擅长通过生物矿化过程生产各种层次结构的有机-无机复合材料。天然复合材料中特别吸引人的一类是功能梯度复合材料，其特征是分布在矿化材料中的特定位置特性，这些特性源自成分、微观结构和几何形状的变化（如小龙虾下颌骨）。
无机矿物在这些天然复合材料中的严格控制沉积通常依赖于有机组分的受控时空有序性，这些组分既包含不溶性支架又包含可溶分子，它们共同决定了矿化开始的位置和晶体的最终尺寸。此外，生物矿化的时间和程度必须由细胞精确控制，以保证生物矿化材料在生物体内的结构和功能。

仿生矿化研究的最新进展导致了各种层次有序结构的发展，这些结构类似于甚至优于天然结构。目前的研究主要集中在以非活性聚合物为基础的支架（例如合成聚合物、多糖、肽和蛋白质）作为无机材料矿化的模板。仿生矿化的另一种方法是直接利用特殊细胞的结构和功能来生产复合材料。

然而，当仅使用非活性细菌上层结构或用户定义的静态支架时，所制备的复合材料缺乏天然复合材料的独特“活性”属性，包括自我修复能力、响应环境提示的重塑能力和进化能力。因此，回顾生物体如何利用活性支架在时空上协调生物矿化，很明显，利用细胞控制的方法来生产活性模式化甚至功能梯度的复合材料是一个很有前途但很大程度上尚未探索的领域。

成果简介

鉴于此，受自然界中功能分级的复合材料的启发，上海科技大学钟超教授等人利用光诱导的大肠杆菌生物膜与仿生矿化技术，开发了具有精确空间图案和矿物质密度逐步梯度控制的活性复合材料。成果发表在Nature Chemical Biology期刊上。

光诱导生物膜的矿化

研究人员通过合理选择能满足三个要求的融合蛋白模块，来设计促进矿化的大肠杆菌生物膜：

第一，融合蛋白能够被curli系统的分泌机制所耐受；

第二，它对生物膜生长的影响很小，不会破坏粘附纤维的固有自组装；

第三，它会引发HA矿化，同时对矿化的HA层表现出很强的界面粘附性。

经分析，研究人员选择了CsgA–Mfp3S-pep融合蛋白作为HA矿化功能模块的代表。实验也表明突出了Mfp3S-pep融合蛋白在促进HA矿物质形成和结晶中的作用，以及其结合HA的能力。且构建的细菌可在蓝光照下可以产生功能性生物膜材料，促进HA的矿化。

图|工程光响应性大肠杆菌功能生物膜作为HA矿化的支架

活性且高模量

鉴于该工程化的生物膜的细胞外基质分泌和组装功能是可通过光控制的，那么，应该能够以能够随后控制复合物形成的方式来控制时空的生物膜形成。经研究发现，投射的光图案忠实地概括为图案化的细菌生物膜，且在7天矿化后，生成的复合材料保留了原始图案，且图案化生物膜的表面覆盖有板条状矿化HA结构。

此外，即使在矿化7 d后，复合材料中仍存在74％±9％的细菌，因此，这种生物膜-HA材料可以被认为是活性复合材料。而且，矿化作用能增强大肠杆菌生物膜的机械性能，其杨氏模量高出15倍。因此，但该技术可能会扩展为制造可配置的自支撑矿化结构，从而概括出非常复杂的三维多孔结构，例如硅藻壳。

图|光诱导生物膜在生物图案化复合材料中的空间可控矿化

光强度间接调控机械强度

许多生物组织表现出梯度矿化作用，这是此类材料的机械性能必不可少的。此外，组织工程方面的大量工作强调，硬组织和软组织之间的界面必须精确分级，以获得成功的生理性能。那么能否通过调节光强度来实现机械性能的调节呢？实验证明，可以基于光照强度来调节生物膜中的生物质密度，进而控制其机械性能。

微型X射线计算机断层扫描数据分析证实了在不同光照强度下形成的复合材料的梯度矿物密度。具有可调节的矿物梯度和机械性能的活性复合材料的这一成功展示表明，在组织工程中具有梯度矿物含量的组织与骨骼界面的再生中可能具有应用。

图|光强度调节梯度生物膜中的密度可控矿化作用用于制造活性梯度复合材料

用于特定位置的损坏修复

基于Mfp3S-pep的粘附特性和PS微球在损伤修复应用中的应用，研究人员继续探讨了工程生物膜聚集和粘附PS微球的能力，以及随后在损伤修复应用中的HA矿化。

研究表明，所有的样品都成功地捕获了一系列致密的微球，这些微球通过粘附的纳米纤维粘附在玻璃表面并相互粘附。此外，对于光诱导的骨水泥形成，在蓝光照射下，矿物优先沉积在附着生物膜最初生长的光诱导区域。此外，羟基磷灰石矿化复合材料表现为密实的混凝土状层，填充了损伤沟槽，从而突出了活性复合材料的矿化功能如何提高修复应用的耐久性。

图|可控的生活矿化在特定地点的损害修复中的应用

小结：

该课题组从自然界中汲取灵感，利用光调节的生物膜平台生产了有图案的复合材料和有梯度的复合材料。与常规的非生物复合材料相比，所得的复合材料实质上利用了生物材料对环境的响应能力。复合材料内部的细胞仍保持活力，甚至在矿化后仍能对环境刺激做出反应。此外，发现生物膜的生物质密度决定了矿物密度，从而决定了复合材料的最终机械性能。

因此，该研究揭示了自然界中功能梯度复合材料形成的可能机制，并为创建具有适应性，自我修复和其他以前无法实现的材料性能的功能性有机-无机复合材料打开了大门。

最后，再次提醒人们，活性复合材料仍然是可行的，它们可以在环境耐受性较差的环境中进一步用作受保护的、封装的活性工厂，用于生物医学（例如，生产疗法）和生物修复应用（例如，生产毒素降解酶）。

值得注意的是，在12月23日，钟超等人还在Nature Reviews Materials上发表重要综述，主题为：通过合成生物学进行材料设计。

课题组简介

钟超博士, 本科毕业于天津大学材料科学专业，2009年获得美国康奈尔大学博士学位，曾先后在美国华盛顿大学（西雅图分校）材料系和麻省理工学院合成生物学中心从事博士后工作。回国后于2014年7月～2020年3月在上海科技大学任课题组长和研究员，并于2019年12月晋升为学校常聘教授（Tenured Professor)。自2019年3月起担任先进院合成所材料合成生物学中心主任和研究员。

钟博士的研究领域是国际上兴起的材料合成生物学前沿领域，课题组主要研究方向是利用合成生物学技术发展新材料，包括活体功能材料和蛋白水下粘合材料。目前钟博士发表30多篇学术论文，包括发表在Nature Nanotechnology, Nature Chemical Biology, Science Advances, Nature Communications, National Science Review, Materials Today, Advanced Materials等杂志内的一作或通讯论文。相关成果授予世界或美国专利3项，在申请世界专利和国内专利各4项。获得上海曙光学者、上海浦江人才以及中国科学人杂志2019年度人物等荣誉，主持国家自然基金联合基金重点项目以及面上项目，国家海洋科学重点实验室开放基金，上海市基础专项重点项目基金以及等项目。

参考文献：

Wang, Y., et al. Living materials fabricated via gradient mineralization of light-inducible biofilms. Nat Chem Biol (2020).

https://doi.org/10.1038/s41589-020-00697-z

信息来源: 奇物论

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