自然界中生物體的組成材料經(jīng)過漫長的自然選擇與進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)與性能都令人驚嘆。生物體可以利用簡單的礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)作為原材料，巧妙組裝后滿足不同組織器官復(fù)雜的力學(xué)與功能需求。其中，梯度組織是生物體在適應(yīng)環(huán)境變化過程中形成的高度進(jìn)化的結(jié)構(gòu)形式。這些結(jié)構(gòu)精巧的生物硬組織是通過生物礦化過程形成的。有別于實(shí)驗(yàn)室材料制備，生物礦化是一種溫和且高度可控的自然過程，其最為顯著的特征是通過有機(jī)大分子與無機(jī)離子的界面相互作用，在分子水平控制礦物的成核、生長、取向和組裝，使所得材料具有特殊的分級結(jié)構(gòu)和組裝方式，并隨之帶來優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度與豐富的功能。盡管目前仿生礦化研究取得了不少進(jìn)展，但仍難以生產(chǎn)出具有天然同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征和具有“活性”的礦化復(fù)合材料，如自修復(fù)的能力、環(huán)境響應(yīng)性。因此，如何利用細(xì)胞控制的方法來生產(chǎn)具有功能梯度性的復(fù)合材料在很大程度上還是一個尚未探索的領(lǐng)域。

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院/上�？萍即髮W(xué)鐘超教授與其合作者受天然功能梯度材料的啟發(fā)，提出了一種實(shí)現(xiàn)可調(diào)控仿生礦化的新思路：利用細(xì)菌能夠感知環(huán)境和分泌生物分子的能力，工程改造大腸桿菌生物膜這個活體功能材料平臺來實(shí)現(xiàn)光調(diào)控的礦化，制備形狀、厚度、密度可調(diào)控的復(fù)合功能材料。該工作以“Living materials fabricated via gradient mineralization of light-inducible biofilms”為題，于2020年12月21日在線發(fā)表在Nature Chemical Bioligy雜志上。
  在該項(xiàng)研究中，研究人員首先篩選出了Mfp3S-pep作為羥基磷灰石（HA）礦化的蛋白質(zhì)模塊，通過透射電鏡和選區(qū)電子衍射，發(fā)現(xiàn)CsgA-Mfp3S-pep生物膜在礦化5 天后形成了致密的礦物質(zhì)，并具有明顯的晶體特征，證實(shí)了該蛋白在促進(jìn)HA礦化和結(jié)晶中的作用（圖1）。隨后利用石英晶體微天平（圖2）和單分子力譜進(jìn)一步說明了該蛋白與HA礦物之間具有較強(qiáng)的結(jié)合力。研究人員利用石英微晶天平分別測試了蛋白單體和自組裝后的蛋白纖維在HA芯片表面的吸附量，結(jié)果顯示引入Mfp3S-pep后蛋白質(zhì)在HA表面的吸附量顯著增加，且實(shí)驗(yàn)后期研究人員通入緩沖液沖洗芯片表面，吸附的蛋白質(zhì)也基本沒有脫落。

為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)可控的調(diào)控，研究人員引入了藍(lán)光光控元件，改造后的細(xì)菌可以感受外界藍(lán)光啟動融合蛋白的表達(dá)，產(chǎn)生的生物膜進(jìn)一步礦化形成復(fù)合材料（圖1）。
    利用光響應(yīng)的特性，研究人員可以實(shí)現(xiàn)在空間和時間上控制生物膜的生長，從而進(jìn)一步控制復(fù)合材料的形成（圖3）。借助投影儀將繪制的藍(lán)色圖案從正上方投影到加了培養(yǎng)液的培養(yǎng)皿底，經(jīng)培養(yǎng)后可獲得完美復(fù)刻投影圖案的生物膜，隨后將培養(yǎng)液替換成1.5倍的模擬體液，經(jīng)礦化過程后可獲得同樣圖案的復(fù)合材料。值得一提的是制備得到的復(fù)合材料中74%的細(xì)菌依然是活性狀態(tài)，這對于該材料后續(xù)的應(yīng)用具有非常重要的意義。
  為了模擬制備功能梯度組織，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個藍(lán)光強(qiáng)度呈梯度變化的圖案，成功制備了具有密度梯度、力學(xué)性能梯度的活體復(fù)合材料（圖4）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光強(qiáng)度與重組蛋白表達(dá)量在一定范圍內(nèi)具有正相關(guān)關(guān)系,導(dǎo)致了無機(jī)物梯度沉積。這種活體梯度復(fù)合材料的制備方式可能為未來軟骨損傷修復(fù)提供了一個很好的研究基礎(chǔ)。 最后，研究人員結(jié)合生物膜的粘性特征以及藍(lán)光對于空間分布的準(zhǔn)確控制，利用粘性生物膜固定聚苯乙烯（PS）小球填料實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)裂縫填補(bǔ)，再通過礦化作用沉積羥基磷灰石對裂縫進(jìn)一步填充提高力學(xué)強(qiáng)度完成裂縫的修復(fù)。 總結(jié)：研究團(tuán)隊(duì)將光誘導(dǎo)生物膜的形成與生物礦化相結(jié)合，制備了一種具有精確空間圖案和梯度特征的活體復(fù)合材料。與常規(guī)的非生物復(fù)合材料相比，所得的活體復(fù)合材料內(nèi)部的細(xì)胞仍保持活力，能對環(huán)境刺激做出響應(yīng)。因此，該研究為制造具有精細(xì)結(jié)構(gòu)的、具有動態(tài)響應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性的活體復(fù)合材料開辟了新的途徑。
 
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41589-020-00697-z#Sec8
 
QCM-D技術(shù)簡介：
 
具有耗散因子檢測功能的石英晶體微天平（QCM-D）是瑞典百歐林科技有限公司的QSense產(chǎn)品系列的專利技術(shù)，可提供多個頻率和耗散因子數(shù)據(jù)，用于測定非常薄層的吸附層的質(zhì)量，并同步提供粘彈性等結(jié)構(gòu)信息。耗散型石英微晶體天平技術(shù)(QCM-D)作為一種實(shí)時界面多維跟蹤技術(shù)，可以對多種不同類型的界面進(jìn)行實(shí)時在線無需標(biāo)記的表征。
 
該儀器應(yīng)用范圍包括：食品、蛋白質(zhì)、核酸，多糖等生物分子和細(xì)胞/細(xì)菌、自組裝材料、生物傳感器、高分子聚合物、環(huán)境膜處理、納米顆粒、石墨烯等，從納米到微米尺度的物質(zhì)與界面之間的相互作用及物質(zhì)的環(huán)境響應(yīng)。