光诱导活性生物膜的梯度矿化实现动态响应和损伤修复！

来源：高分子科学前沿

在自然界中，一些活体生物能通过生物矿化过程产生出各种具有层次结构的有机-无机复合材料。这类天然的复合材料能根据成分、微观结构和几何形状的位置特性，实现相应的功能梯度性，如类鳞状鱼鳞和小龙虾的下颌骨等。它们的生物矿化机制是由活体细胞的精确介导实现的，以确保得到合适的结构和功能。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。

上海科技大学钟超教授等人受天然功能梯度材料的启发，通过将光诱导细菌生物膜的形成与仿生羟基磷灰石（HA）矿化相结合，开发了一种具有精确空间图案和梯度特征的活性复合材料。作者通过调整功能性生物膜的生长空间和生物质密度来调节矿化的位置和程度。该复合材料中的细胞具有活性，可以感知并响应环境信号，矿化后其杨氏模量可提升15倍，可用于实现空间控制的损伤修复技术。该研究不仅深入了解了天然梯度复合材料的形成机理，还提供了一种可行的制造具有动态环境响应性的活性复合材料的方法。该研究以题为“Living materials fabricated via gradient mineralization of light-inducible biofilms”的论文发表在《Nature Chemical Biology》上。

【光诱导生物膜的矿化】

作者选择了CsgA-Mfp3S-pep作为HA矿化的蛋白质模块（图1a，b），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。随后作者通过石英晶体微天平和单分子力谱进一步说明了该蛋白具有促进HA矿化和与HA矿物结合的特性。为了得到动态的活性复合材料，作者通过构建一种光诱导生物膜形成菌株（lightreceiver-CsgA-Mfp3S-pep），实现了可以感知和响应环境刺激并诱导HA矿化的功能性大肠杆菌生物膜（图1c，d）。作者通过透射电镜等方法证实了该菌株在光照下可以产生促进HA矿化的功能性生物膜材料（图1d）。

图1光响应性大肠杆菌功能生物膜作为HA矿化的支架

【空间、密度可控的活性复合材料】

作者利用光响应特性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2a）。作者先在特定图案上形成细菌生物膜（图2b），其矿化后生成的复合材料仍精确保留了原始图案（图2d）。基于这种光控法，可以通过改变图案来灵活地控制复合材料的形状。作者检验了复合材料的生命特性，即使在矿化7 天后，其中仍存在74％±9％的活性细菌（图2g），表明仍具有出色的动态响应能力。接着，作者通过调整光强度以改变复合材料的密度，从而调控其机械性能（图3a）。从梯度生物膜不同区域的图像显示，生物膜的厚度随光强减弱而降低（图3e），因此可以基于光强来调节生物膜的生物质密度。作者通过计算机断层扫描技术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，从而实现通过简单的仿生矿化作用来调节活性复合材料的机械性能。

图2光诱导生物膜的空间可控矿化作用

图3生物膜密度的可控矿化作用

【活性复合材料用于损伤修复】

作者利用CsgA-Mfp3S-pep生物膜实现大规模的损伤修复（图4a），该过程包括光诱导的生物膜胶结以及活性复合物的形成。作者首先在培养基中添加了大量游离PS的微球，然后将光精确投射到培养皿表面的受损区域（图4b）。在光诱导下生长生物膜后，许多游离的微球以空间可控的方式被固定在受损区域周围（图4c）。矿化7天后，形成的矿物质沉积并嵌入微球之间（图4d）。该HA矿化复合材料表现为一种致密层，填充了损伤区域。这些结果展现了该活性复合材料的矿化功能如何实现特定区域的损伤修复。

图4可控矿化作用在特定位置的损伤修复

总结：作者利用光诱导的生物膜形成技术，开发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，在矿化后能对环境刺激做出响应。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，并为制造具有响应性、自修复和其他此前无法实现的材料性能的功能性有机-无机复合材料开辟了新的路径。