生命有機體已經(jīng)進化出生物礦化的機制，以構建結構有序且具有環(huán)境適應性的復合材料。盡管研究團隊已大大改善了實驗室中的仿生礦化研究，但仍難以像他們的本國同行一樣對具有結構特征和活性成分的礦化復合材料進行工程設計。在目前發(fā)表在《自然化學生物學》上的新報告中，王彥義和物理學，高級材料，合成生物學以及工程學的研究團隊開發(fā)了受自然梯度材料啟發(fā)的活性圖案和梯度復合材料。他們將光誘導細菌生物膜形成與仿生羥基磷灰石結合在一起(HA)礦化，以說明如何控制礦化的位置和程度。復合材料中的細胞在感知和響應環(huán)境信號時仍保持活力。礦化后，復合材料的楊氏模量(即剛度，應力與應變之比)增加了15倍。該工作為開發(fā)具有動態(tài)響應能力和環(huán)境適應性的活性復合材料提供了啟發(fā)。

實驗室生物礦化

活生物體可以基于生物礦化作用產(chǎn)生各種分層的有機-無機復合結構，其中著名的例子包括能夠滿足多種生物學功能的Chiton的齒狀齒，魚鱗和小龍蝦下頜骨。生物礦化的時間和程度必須由細胞精確控制，以在活生物體中形成準確的結構和功能。仿生礦化的最新研究強調了探索細胞控制方法以產(chǎn)生生命模式和分級復合材料的重要性，這是一個有前途但尚未開發(fā)的領域。的學科合成生物學和材料科學已經(jīng)釋放了一系列復雜的和環(huán)保的基因電路，以生物工程一系列新的細胞功能。在這項工作中，王等人。通過利用可光誘導的大腸桿菌生物膜和仿生礦化作用，開發(fā)出了具有生物啟發(fā)性的活性復合材料。這項工作將為整合工程細胞打開大門，以生產(chǎn)具有結構和生命特征的礦化材料。

該團隊選擇了融合蛋白來工程化礦化促進大腸桿菌的生物膜?；谙惹暗膶嶒?，他們選擇了源自藍藻的Mefp5蛋白，然后選擇了源自加州紫My的Mfp3S和Mfp3S肽的另一種變體(Mfsp3S-pep)，以啟動礦化作用并促進粘附。該團隊構建了包含大腸桿菌生物膜主要蛋白結構域的融合蛋白。形成CsgA-Mfp融合蛋白，并證實了它們從工程細胞中的潛在分泌能力。然后，他們選擇了CsgA–Mfp3S-pep融合蛋白作為羥磷灰石礦化的代表，并進行了實驗以驗證該蛋白的功能，以突出其在礦化和晶體形成過程中的作用。此后，王等。他構建了一種可光誘導的生物膜形成菌株，稱為光接收器-CsgA-Mfp3S-pep，該菌株可以通過藍光照射進行嚴格調節(jié)。

光敏菌株在光照后可以產(chǎn)生功能性的生物膜材料，從而促進羥基磷灰石(HA)的礦化。為了驗證這一點，科學家將光敏菌株在培養(yǎng)皿中暴露于藍光，并使用組織學染色和透射電子顯微鏡(TEM)成像來顯示生物膜中淀粉樣蛋白纖維的產(chǎn)生。相比之下，他們在黑暗中生長的樣品中未觀察到淀粉樣蛋白纖維。經(jīng)過工程改造的細胞外基質還可以及時用作HA礦化的模板，他們根據(jù)X射線衍射(XRD)和能量分散X射線光譜(EDS)技術在孵育7天后證實了這一點。

形成受控的活性復合材料

基于工程生物膜的光敏性質，Wang等人。時空操縱生物膜的形成，以控制復合材料的形成。他們通過照亮聚苯乙烯陪替氏培養(yǎng)皿中液體細菌培養(yǎng)物上的葉子圖案來實現(xiàn)這一目標，這些葉子圖案忠實地概括了投射到細菌生物膜上的光圖案。礦化7天后，在皮氏培養(yǎng)皿中生成的復合材料保留了使用掃描電子顯微鏡觀察到的原始圖案。光調節(jié)方法可根據(jù)網(wǎng)格圖案投影和微尺度的光的空間分辨率(與活菌的大小相比)控制復合材料的形狀。然后，該團隊通過對活的復合材料進行工程改造以表達熒光蛋白，從而驗證了完整的活細胞的活力，這一點已通過共聚焦顯微鏡圖像得到了證實。此后，他們使用熱重分析法來量化礦化復合材料的無機成分，其中無機材料在浸入模擬體液(SBF)中時隨時間成比例增加。Wang等。還使用微壓痕技術比較了生物膜的楊氏模量，以顯示礦化作用如何增強大腸桿菌生物膜 保護細胞。

密度控制的梯度復合材料

組織工程學方法強調必須在硬組織和軟組織之間進行精確識別為了獲得成功的生理性能，因此可以調整光強度以控制工程生物材料的密度和機械性能。張等。通過將大腸桿菌培養(yǎng)物暴露于不同強度的光照下，以揭示生物膜厚度如何隨藍光強度的降低而降低，從而實現(xiàn)了這一目標。他們進一步證明了工程化的Mfsp3S-pep融合蛋白如何緊密而局部地控制礦化作用。然后，他們用微壓痕研究了照明區(qū)域的局部機械性能，觀察到楊氏模量增加了四倍，從而突出顯示了具有可調節(jié)礦物梯度和機械性能的活性復合材料，這些材料可用于骨組織工程中的再生組織與骨之間的界面。

部署活性復合材料以修復特定地點的損壞

科學家們還研究了工程化生物膜通過膠合聚苯乙烯微球以及HA礦化來聚集以修復損傷的能力。。作為概念驗證，他們使用了活性礦物復合材料來填充和修復聚苯乙烯培養(yǎng)皿表面上的工程裂縫。在實驗過程中，光誘導的粘附生物膜將溶液中的微球捕獲，以填充故意造成的受損溝槽，而生物膜中的納米纖維則充當羥磷灰石礦化的模板，以鞏固在藍光下的光誘導膠結作用。使用掃描電子顯微鏡，王等。展示了細菌和周圍的細胞外基質與微球如何粘附在一起，以說明活生物膜的粘附功能。HA礦化復合材料形成致密的類混凝土層，形成了皺紋，突出了活性復合材料的礦化功能，從而增強了耐久性和修復性。

外表

通過這種方式，王彥義及其同事通過光控生物膜平臺生產(chǎn)了具有生物啟發(fā)性的活體花紋復合材料和活體漸變復合材料。所得復合材料顯示出與天然復合材料相似的環(huán)境響應性。復合材料中的細胞即使在礦化后仍保持活力并對環(huán)境刺激做出反應。這項工作為創(chuàng)建具有適應性和自我修復功能的功能性有機功能無機活性復合材料開辟了道路，并將其應用于生物醫(yī)學，再生醫(yī)學和生物修復領域。