周玥旻，王曉雨，唐?？?

1浙江大學(xué)化學(xué)系，杭州 310027

2浙江大學(xué)求是高等研究院，杭州 310027

生物礦化作為自然界中普遍存在的現(xiàn)象，是指有機(jī)生命體調(diào)控?zé)o機(jī)礦物形成的過(guò)程。在生物礦化的過(guò)程中有機(jī)基質(zhì)如有機(jī)小分子、多肽、蛋白質(zhì)、核酸等作為礦物的成核位點(diǎn)，在生物環(huán)境中誘導(dǎo)晶體的定向生長(zhǎng)和自組裝，進(jìn)而產(chǎn)生具有多級(jí)有序結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)。在生物體的調(diào)控作用下生物礦物通常具有優(yōu)異的理化特性，比人工合成材料具有更高的硬度、強(qiáng)度和韌性，能夠?yàn)樯矬w提供支撐保護(hù)、代謝調(diào)控等特殊的功能[1]。例如天然貝殼由95%的文石和5%的有機(jī)物質(zhì)組成，其強(qiáng)度和韌性比合成的碳酸鈣提高了約3000倍[2]；甲殼類昆蟲球鼠婦在周期性換殼過(guò)程中，降低甲殼中鎂離子和天冬氨酸的含量來(lái)減緩無(wú)定形相到結(jié)晶相的轉(zhuǎn)變過(guò)程，有效保證了新外殼的復(fù)雜結(jié)構(gòu)[3]；哺乳動(dòng)物的骨骼和牙本質(zhì)是由沿膠原纖維方向生長(zhǎng)的羥基磷灰石晶體組成，其多級(jí)有序結(jié)構(gòu)保證了自身的韌性和強(qiáng)度[4]。由此可見(jiàn)，在自然進(jìn)化過(guò)程中，生物體根據(jù)自身特性和需求獲得了對(duì)礦物合成的精準(zhǔn)調(diào)控能力，通過(guò)無(wú)機(jī)礦物與生物體巧妙的組裝產(chǎn)生更加優(yōu)越的性能[5]。

受到天然生物礦化的啟發(fā)，人們提出了仿生礦化的策略。有機(jī)基質(zhì)通過(guò)其表面活性官能團(tuán)能夠降低晶體的成核能壘，促進(jìn)無(wú)機(jī)礦物的異相成核過(guò)程[6]，故通過(guò)有機(jī)基質(zhì)能夠調(diào)控?zé)o機(jī)物結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)可控?zé)o機(jī)礦物的沉積。因此，仿生礦化的策略能夠用于模仿自然界中生物礦物的結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)能夠合成出結(jié)構(gòu)可控、理化性質(zhì)優(yōu)異、生物相容性好的多級(jí)有序的復(fù)合材料，即實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)仿生。例如：通過(guò)冷凍誘導(dǎo)組裝和乙?；^(guò)程得到β-幾丁質(zhì)基質(zhì)，經(jīng)Ca(HCO3)2的分解對(duì)基質(zhì)進(jìn)行礦化，再由絲素蛋白滲透和熱壓過(guò)程即可獲得與天然珍珠層的成分和結(jié)構(gòu)高度相似的材料，具有良好的極限強(qiáng)度和斷裂韌性的仿生材料[7]；對(duì)于骨缺損[8]和牙釉質(zhì)[9]的修復(fù)，可通過(guò)在修復(fù)液中添加蛋白質(zhì)或多肽實(shí)現(xiàn)對(duì)羥基磷灰石(HAP)的成核、生長(zhǎng)、取向過(guò)程的控制，實(shí)現(xiàn)晶體的原位再礦化，制備出具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和摩擦性能的無(wú)機(jī)仿生修復(fù)層；I型膠原蛋白能夠組裝成三螺旋結(jié)構(gòu)[10]，并誘導(dǎo)磷酸鈣在膠原纖維內(nèi)成核和礦化，實(shí)現(xiàn)晶體的定向生長(zhǎng)和組裝，被廣泛用于軟骨和牙本質(zhì)的修復(fù)[11]。

在進(jìn)化過(guò)程中，精密的生物礦化結(jié)構(gòu)能使生物體獲得感光、趨磁、保護(hù)等特殊的功能。如趨磁細(xì)菌合成磁鐵礦晶體作為磁傳感器[12]；硅藻借助二氧化硅骨架來(lái)預(yù)防紫外線的輻射和掠食者的捕獲[13]。值得注意的是，處于極端環(huán)境中的生物通常具有特殊功能的生物礦化結(jié)構(gòu)。例如沙漠地區(qū)的微生物通常產(chǎn)生二氧化硅礦化外殼來(lái)抵御高溫、輻射、干燥的影響[14]；火山口附近的多毛類蠕蟲體內(nèi)管道中通常具有較高含量的硫化鐵和二氧化硅，其在鈣化結(jié)構(gòu)中有利于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[15]。盡管生物礦化結(jié)構(gòu)在不同生物體中表現(xiàn)出許多優(yōu)異的功能，但許多生物體并不具備自發(fā)生物礦化的能力。而通過(guò)仿生礦化的方法，將無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)引入這類生物體中，經(jīng)材料與生物體的結(jié)構(gòu)整合和功能調(diào)控可以產(chǎn)生“新功能生命體”，在保證生物體自身功能的同時(shí)，賦予其更多的新特性，即實(shí)現(xiàn)功能仿生。與結(jié)構(gòu)仿生不同，功能仿生強(qiáng)調(diào)無(wú)機(jī)礦物的摻雜對(duì)生物體功能的改善。例如在雞蛋殼功能的啟發(fā)下，病毒經(jīng)可降解的磷酸鈣外殼修飾后能夠成為“特洛伊木馬”，既能逃避細(xì)胞外抗體的清除，還能通過(guò)非特異性的內(nèi)吞途徑進(jìn)入細(xì)胞，在酸性條件下脫去外殼恢復(fù)感染能力，賦予病毒新的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力[16]。

綜上，本文通過(guò)闡述生物礦化基本原理和舉例說(shuō)明自然界中生物礦化現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)了生物礦化的重要性，提出模擬生物礦化進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生的策略。在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了生物體和功能材料整合的方法，包括自發(fā)礦化、界面修飾礦化、胞內(nèi)礦化和基因工程礦化。隨后討論不同仿生策略下通過(guò)病毒、原核生物和真核生物與材料的整合實(shí)現(xiàn)的新功能，包括在環(huán)境保護(hù)、能源化工、生物催化和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。最后，總結(jié)仿生礦化領(lǐng)域進(jìn)展，提出該研究領(lǐng)域的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，對(duì)構(gòu)筑“新功能生命體”的研究前景進(jìn)行展望。

1 生物礦化

1.1 生物礦化和仿生礦化

早在35億年前，從原核生物到真核生物，生物體逐漸發(fā)展出合成礦物的能力，并通過(guò)體內(nèi)基因調(diào)控礦化“程序”的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身新陳代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)環(huán)境和生物應(yīng)力的變化[17]。

在生物體中，生物礦化是指生物利用細(xì)胞活動(dòng)來(lái)指導(dǎo)礦物沉積的過(guò)程[18,19]。首先，細(xì)胞分泌產(chǎn)生礦化相關(guān)的有機(jī)基質(zhì)，如聚合物、蛋白質(zhì)、多糖、膠原等作為模板，為礦化提供成核位點(diǎn)；其次，通過(guò)調(diào)節(jié)環(huán)境中陰離子和陽(yáng)離子的濃度，細(xì)胞能夠?qū)⒌V化所需的離子運(yùn)輸?shù)匠练e位點(diǎn)，促進(jìn)成核并生長(zhǎng)出復(fù)雜的特異性產(chǎn)物。其中陽(yáng)離子主要通過(guò)離子通道主動(dòng)運(yùn)輸，而陰離子則是通過(guò)由陽(yáng)離子傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的pH梯度驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)擴(kuò)散。受細(xì)胞調(diào)控形成的生物礦物相通常具有特殊的形貌、尺寸、結(jié)晶度和微量元素組成，其中有機(jī)組分不僅增強(qiáng)了復(fù)合材料的機(jī)械性能，還對(duì)礦化過(guò)程起著至關(guān)重要的控制作用，使材料顯示出有趣的特性和受控的分級(jí)結(jié)構(gòu)，與人工合成的整塊無(wú)機(jī)材料完全不同。

此外，生物礦化結(jié)構(gòu)能夠在細(xì)胞水平上對(duì)外部刺激做出反應(yīng)，進(jìn)行自我修復(fù)和結(jié)構(gòu)的重塑。例如骨鈣素作為骨骼中最豐富的非膠原蛋白，可協(xié)調(diào)鈣礦物的沉積，當(dāng)出現(xiàn)骨折情況時(shí)可招募破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞進(jìn)行骨吸收和再沉積[20,21]。因此，深入研究生物礦化的過(guò)程對(duì)于了解生物硬組織的形成方式至關(guān)重要，為仿生制備類似結(jié)構(gòu)的生物材料提供研究思路[22,23]。此外，生物礦化的研究還能夠解釋生理性和病理性礦化的相關(guān)疾病的病因，例如骨質(zhì)疏松[24]、牙釉質(zhì)修復(fù)[25]、心血管疾病[26]、白內(nèi)障[27]等。

近年來(lái)隨著生物礦化領(lǐng)域的不斷拓展，在生物礦化原理的指導(dǎo)下，研究者們通過(guò)模擬生物礦化過(guò)程，利用生物大分子的模板效應(yīng)對(duì)無(wú)機(jī)成核-結(jié)晶過(guò)程中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)加以控制，可實(shí)現(xiàn)仿生材料的可控合成，構(gòu)建出性能優(yōu)異的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料。唐?？嫡n題組[28]在雞蛋殼結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)下，首次提出了基于細(xì)胞殼工程策略的生物-材料整合概念，在單個(gè)細(xì)胞表面引入磷酸鈣外殼，通過(guò)化學(xué)修飾實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的生物功能多樣化。如圖1所示，與經(jīng)典的仿生礦化策略不同，通過(guò)仿生礦化策略構(gòu)筑新型生命體的研究將生物體作為一個(gè)整體而不是簡(jiǎn)單的有機(jī)模板[29]，突出了利用材料的結(jié)構(gòu)和理化特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生命體的結(jié)構(gòu)、功能、行為調(diào)控的目的，是一種基于化學(xué)和材料手段的生物體進(jìn)化新策略[30]。

圖1 材料與生物體整合構(gòu)筑“新功能生命體”[29]

1.2 生物礦物及其功能

生物礦物具有特殊的形貌結(jié)構(gòu)和組裝方式，可發(fā)揮出特定的功能，如骨架支撐[31]、重力傳感[32]、磁場(chǎng)傳感[33]等作用。早在寒武紀(jì)末期，來(lái)自不同種屬的生物體就進(jìn)化出了60多種不同的礦物種類[17]，主要由鈣、鐵、鎂、錳、鋇等金屬離子和陰離子結(jié)合形成碳酸鹽、磷酸鹽、草酸鹽、硫酸鹽、氧化物、硫化物、硅化物等礦物。

作為生物體內(nèi)重要的第二信使，鈣離子在生物的功能和新陳代謝中起到重要作用，因此鈣鹽在生物礦物中占主要部分，并主要以碳酸鈣和磷酸鈣的形式存在[34]。

碳酸鈣晶體主要包括文石、方解石、球霰石、一水合碳酸鈣(CaCO3·H2O)、六水合碳酸鈣(CaCO3·6H2O)[35]等晶型，并對(duì)應(yīng)著不同的礦物微結(jié)構(gòu)。除了碳酸鈣晶體，無(wú)定形碳酸鈣(ACC)也在生物體內(nèi)以相對(duì)穩(wěn)定的形式存在于礦物早期形成過(guò)程。在發(fā)育早期的海膽骨刺針狀體中，碳酸鈣以ACC的形式大量?jī)?chǔ)存，隨著海膽的發(fā)育成熟，ACC逐漸轉(zhuǎn)化為方解石[36]。

磷酸鈣礦物在生物體內(nèi)主要以無(wú)定形磷酸鈣(ACP)、羥基磷灰石(HAP，Ca10(PO4)6(OH)2)、磷酸八鈣(OCP，Ca8H2(PO4)6)、磷酸三鈣(TCP，Ca3(PO4)2)、磷酸氫鈣(DCP，CaHPO4)和二水磷酸氫鈣(DCPD，CaHPO4·H2O)等形式存在，其中HAP和TCP是生物體骨骼和牙齒的主要成分，賦予了生物硬組織優(yōu)異的物理和機(jī)械特性[37]。有趣的是，無(wú)脊椎動(dòng)物主要依賴于碳酸鈣礦物，而脊椎動(dòng)物除去以碳酸鈣形成的內(nèi)耳耳石外，幾乎只使用磷酸鈣。

硅礦物主要存在于硅藻、植物和海綿中。硅藻是單細(xì)胞藻類，主要通過(guò)從環(huán)境中吸收可溶性硅酸在細(xì)胞壁上催化納米二氧化硅(SiO2)形成，不同種類的硅藻細(xì)胞壁具有從納米到微米尺度上的結(jié)構(gòu)多樣性[38]。植物體內(nèi)的二氧化硅賦予了植物剛性結(jié)構(gòu)，在防止其偏倒的同時(shí)通過(guò)磨損捕食者的牙釉質(zhì)起到對(duì)自身的保護(hù)作用；此外，刺蓮花科植物的莖葉是由二氧化硅組成的細(xì)空心刺狀毛狀體，能夠穿透皮膚并注射炎癥物質(zhì)，引發(fā)蕁麻疹[39]；海綿則是通過(guò)酶促聚合二氧化硅，產(chǎn)生大量硅質(zhì)針狀體，以保證其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，抵制捕食者的侵襲[40]。

鐵礦物主要存在于軟體動(dòng)物的牙齒、微生物和飛禽中，具有研磨或磁傳感器的功能。例如結(jié)核分枝桿菌通過(guò)合成形態(tài)和尺寸可控的磁小體來(lái)利用地磁場(chǎng)進(jìn)行游動(dòng)，科學(xué)家通過(guò)仿生手段合成了這種磁小體，發(fā)現(xiàn)其在水溶液中具有較好的分散性，是一種理想的生物材料，目前被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[41]；帽貝牙齒主要由包裹在幾丁質(zhì)基質(zhì)中的針鐵礦(α-FeOOH)組成，作為有著不同取向的生物纖維納米復(fù)合材料，具有極高的機(jī)械承載功能[42]。

為了適應(yīng)外界環(huán)境的變化，生物通過(guò)調(diào)控?zé)o機(jī)礦物的形成，來(lái)提高自身的生存能力和增強(qiáng)生物功能，例如：趨磁改造、支撐保護(hù)、磨損咀嚼等。同時(shí)也將無(wú)機(jī)物與生命體有效地結(jié)合在一起，構(gòu)建出功能化的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料，由此啟發(fā)科學(xué)家們進(jìn)行仿生材料的制備，或通過(guò)人工整合策略構(gòu)建出功能化的生命體。

2 材料-生物體的整合策略

盡管生物體能夠通過(guò)生物礦化發(fā)揮保護(hù)、支撐、導(dǎo)航等作用，許多生物體不能自發(fā)地形成礦化結(jié)構(gòu)。因此，基于生物礦化的基本原理，可利用仿生礦化的策略人工誘導(dǎo)生物礦化，實(shí)現(xiàn)生物體-無(wú)機(jī)材料的結(jié)構(gòu)整合。如可通過(guò)化學(xué)或化學(xué)生物學(xué)的方法對(duì)生物界面進(jìn)行修飾，添加特異性礦化位點(diǎn)；也可在生物體內(nèi)植入功能性材料來(lái)調(diào)控礦物形成，并表現(xiàn)出優(yōu)異的特性；或通過(guò)基因工程增強(qiáng)生物體與礦物的親和力來(lái)實(shí)現(xiàn)仿生礦化[43]。

2.1 自發(fā)礦化

表面具有相對(duì)高密度的離子受體或電荷密度的生物體，可為無(wú)機(jī)材料提供成核位點(diǎn)。通過(guò)與帶相反電荷的材料或前驅(qū)體混合，如：金屬陽(yáng)離子、正電性聚合物或納米顆粒等，可以直接在生物體表面誘導(dǎo)礦物層的形成，即自發(fā)成礦過(guò)程。根據(jù)生物體與礦物材料間不同的相互作用，自發(fā)礦化又可分為原位礦化和礦物自組裝兩個(gè)方面。

2.1.1 原位礦化

表面富含負(fù)電荷的生物大分子能夠通過(guò)靜電作用與帶正電的無(wú)機(jī)金屬離子相結(jié)合，當(dāng)整個(gè)體系處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，礦物質(zhì)會(huì)在生物體表面自發(fā)形成，其中以富含羧基、羥基和氨基的生物大分子最為顯著。例如病毒表面富含帶負(fù)電荷的磷酸化絲氨酸、谷氨酸或天冬氨酸端基，能夠作為礦物成核位點(diǎn)，通過(guò)離子吸附-沉積的方式自發(fā)礦化[44,45]。但由于生理環(huán)境中的離子濃度普遍較低，同時(shí)生物體表面富集金屬離子的能力較弱，因此大多數(shù)生物體難以自發(fā)形成完整的礦化層。

在高濃度的離子環(huán)境下，生物體更易發(fā)生原位礦化。例如微堿性和富含鈣離子的禽腸道環(huán)境為禽流感病毒的礦化提供了有利的環(huán)境。為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究人員將禽流感病毒與腸道模擬液混合，發(fā)現(xiàn)了病毒顆粒表面的原位礦化現(xiàn)象。如圖2(a)，流感病毒顆粒表面的羧基能夠富集鈣離子并誘導(dǎo)鈣礦物的沉積從而構(gòu)建出礦化外殼。此外，作者還利用流感病毒礦化的現(xiàn)象解釋了禽流感病毒從禽類傳染給人類這一現(xiàn)象。由于人類上呼吸道細(xì)胞不含禽流感病毒的受體，在正常情況下很難被禽流感所感染，但在禽類腸道中發(fā)生自發(fā)礦化后的禽流感病毒，能夠不依賴受體進(jìn)入細(xì)胞，并利用溶酶體完成脫殼建立有效的感染[46]。而通過(guò)原位自發(fā)生物礦化的方法可將表面帶負(fù)電荷的日本腦炎疫苗(JEV)包裹在磷酸鈣礦物殼中，如圖2(b)，有效避免了疫苗與水溶液接觸發(fā)生氫鍵交換，在保證生物學(xué)特性的前提下實(shí)現(xiàn)疫苗的常溫穩(wěn)定儲(chǔ)存[47]。如圖2(c，d)，對(duì)于M13噬菌體，利用噬菌體展示技術(shù)在其p8衣殼蛋白上展示谷氨酸三聚體后，PdCl(OH2)3+可以高效吸附在其表面，并進(jìn)一步沿病毒外殼自發(fā)還原形成Pd多晶，利用生物還原反應(yīng)而無(wú)需加熱和添加還原劑[48]。

圖2 (a)模擬禽流感病毒礦化過(guò)程[46]；(b)礦化后JEV的TEM圖像[47]；(c)以E3-M13病毒為模板形成Pd納米線的示意圖；(d)病毒表面羧基與Pd配合物通過(guò)靜電作用絡(luò)合，在沒(méi)有任何還原劑或表面穩(wěn)定劑的情況下，Pd沿著病毒外殼蛋白自發(fā)礦化[48]

2.1.2 礦物自組裝

分子或納米粒子通過(guò)非共價(jià)作用能夠自組裝形成連續(xù)有序結(jié)構(gòu)，與原位礦化不同，自組裝過(guò)程強(qiáng)調(diào)組分間相互作用的自發(fā)性和可逆性，是在溫和條件下實(shí)現(xiàn)生物體修飾的重要策略。

研究表明由酸堿度誘導(dǎo)的肽-兩親物可用于自組裝形成礦物外殼，例如將氨基末端烷基化的肽與含磷酸絲氨酸基團(tuán)的親水酯分子(PA)連接，在水中自組裝形成圓柱形纖維膠束，顯示出高度磷酸化的表面，為無(wú)機(jī)物的沉積提供成核位點(diǎn)，礦化后羥基磷灰石(HAP)的結(jié)晶c軸與纖維的長(zhǎng)軸對(duì)齊，與骨中膠原纖維和HAP晶體之間觀察到的排列極其相似，可用于類骨納米纖維支架的制備[49]。同時(shí)親疏水作用也可用于制造可逆交聯(lián)的納米纖維，如圖3(a)，將親水性聚乙二醇(PEG)與疏水性磷脂酰絲氨酸(PS)連接可實(shí)現(xiàn)膠束的自組裝，再連接腫瘤靶向肽精氨酰甘氨酰天冬氨酸(RGD)，通過(guò)生物礦化的方法將耐藥抑制劑VER和化療藥物MIT包裹在殼和核中，根據(jù)磷酸鈣對(duì)pH的響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)藥物緩釋，用于耐藥肝細(xì)胞癌的治療[50]。

此外，近年來(lái)金屬-有機(jī)框架(MOFs)材料被廣泛用于生物體的改善，與致密礦物材料相比，MOF材料一般呈多孔的高表面積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傾向于通過(guò)自組裝過(guò)程與生物體相連接[51-53]。如圖3(b)，簡(jiǎn)單地將煙草花葉病毒(TMV)與2-甲基咪唑混合，再加入乙酸鋅溶液，由于鋅離子對(duì)蛋白質(zhì)的親和力導(dǎo)致局部濃度過(guò)高從而促進(jìn)礦化過(guò)程的發(fā)生，形成生物納米顆粒。該自組裝過(guò)程可將TMV封裝在ZIF-8外殼(TMV@ZIF)內(nèi)，為病毒提供抵抗外界環(huán)境變化的能力，保持長(zhǎng)期的生物活性[54]。如圖3(c)，受海膽啟發(fā)使用ZIF-8封裝的辣根過(guò)氧化物酶(HRP)即使放置在胰蛋白酶，甚至是沸水(100 °C)和沸騰的DMF(153 °C)溶液中均能保持生物活性，性能遠(yuǎn)高于其他常用的保護(hù)涂層，如CaCO3和SiO2等[55]。

圖3 (a)殼-核多功能納米粒子VM-RGD-NPs的合成路線[50]；(b)TMV病毒的封裝示意圖[54]；(c)由海膽啟發(fā)的MOF生物復(fù)合材料示意圖[55]

通過(guò)離子吸附和自組裝過(guò)程進(jìn)行生物礦化是最簡(jiǎn)單和直接的雜交方式，可快速構(gòu)建可控的新功能生命體。

2.2 界面修飾誘導(dǎo)礦化

由于大多數(shù)生物體表面存在的活性礦化位點(diǎn)較少，因此需要人為地引入礦化誘導(dǎo)層來(lái)加速仿生礦化過(guò)程的發(fā)生。層層自組裝(layer-by-layer，LBL)技術(shù)過(guò)程是通過(guò)交替沉積帶相反電荷或存在分子間相互作用的材料層進(jìn)而形成具有可控厚度的化學(xué)涂層的技術(shù)。除了靜電相互作用，LBL涂層還可通過(guò)非共價(jià)作用力如氫鍵、范德華力和親疏水等作用與生物體連接[56,57]。

LBL技術(shù)于2008年首次被用于增強(qiáng)酵母細(xì)胞的礦化能力，如圖4(a)，在帶負(fù)電荷的細(xì)胞表層依次引入帶正電荷的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDADMAC)和帶負(fù)電荷的聚丙烯酸鈉(PAA)，通過(guò)交替沉積兩種電荷相反的聚電解質(zhì)，在酵母細(xì)胞表面制備了一層富含羧酸根基團(tuán)的礦化誘導(dǎo)層，為磷酸鈣礦化提供了成核位點(diǎn)，從而在高鈣環(huán)境中形成磷酸鈣外殼，提高酵母細(xì)胞的儲(chǔ)存時(shí)間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)酵母細(xì)胞的保護(hù)和輸送[28,58]。此外，也可借助納米涂層的堆積實(shí)現(xiàn)纖維的礦化，在骨修復(fù)和再生方面有巨大潛力，如圖4(b)，電紡纖維經(jīng)聚多巴胺修飾后，依次吸附陽(yáng)離子I型膠原蛋白和陰離子硫酸軟骨素，可構(gòu)建仿生界面誘導(dǎo)HAP的沉積，具有促進(jìn)骨-植入物的粘合和骨誘導(dǎo)的作用[59]。

生物硅化也是另一重要的礦化過(guò)程，但由于細(xì)胞表面缺乏硅化相關(guān)的蛋白，如硅蛋白等。天然藍(lán)藻很難實(shí)現(xiàn)自發(fā)硅化，故光合作用的效率常受到環(huán)境的脅迫影響，如高光照、紫外線輻射和高溫，限制了它們?cè)诠I(yè)上的應(yīng)用[60]。如圖4(c)，通過(guò)引入帶負(fù)電的聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)來(lái)促進(jìn)帶正電季胺基團(tuán)的聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDADMAC)的沉積，可在室溫下快速誘導(dǎo)原位硅化，減弱強(qiáng)光對(duì)其的抑制作用，使得藍(lán)藻在強(qiáng)光下的光合作用更加高效[61]?；蛟趩渭?xì)胞藍(lán)藻表面引入Au@L-半胱氨酸構(gòu)成的納米生物界面和介孔二氧化硅層，穩(wěn)定的雙層外殼不僅能有效保護(hù)細(xì)胞免受酸堿度變化以及強(qiáng)紫外線輻射的影響，還能保證活細(xì)胞與外界環(huán)境之間的陽(yáng)光運(yùn)輸和質(zhì)量交換，從而創(chuàng)建出一種可重復(fù)使用、高活性的“光合生物反應(yīng)器”[62]。

圖4 (a)在酵母細(xì)胞上構(gòu)建人工CaP礦物殼[58]；(b)通過(guò)LBL過(guò)程制造具有生物功能的骨支架的示意圖[59]；(c)單個(gè)藍(lán)藻的二氧化硅封裝過(guò)程[61]

通過(guò)添加聚電解質(zhì)可以為不能自發(fā)成礦的生物體提供足夠的成核位點(diǎn)，為構(gòu)建新功能生命體提供強(qiáng)有力的支持，但還需注意成殼穩(wěn)定性和生物毒性的問(wèn)題，以預(yù)防其脫落并保證生物體的活性。

2.3 胞內(nèi)礦化

在通過(guò)與材料的整合來(lái)改造生物體的方法中，除了在生物體表面引入礦化外殼外，還可以在生物體內(nèi)部進(jìn)行仿生礦化，構(gòu)建一種特殊的“人工細(xì)胞器”或細(xì)胞內(nèi)支架，有助于調(diào)節(jié)細(xì)胞離子穩(wěn)態(tài)和發(fā)揮傳遞信號(hào)的作用，幫助生物體及時(shí)對(duì)外界刺激做出反應(yīng)，賦予生物體新的功能[63,64]。

盡管生物體內(nèi)構(gòu)建的功能材料展現(xiàn)出靈活、優(yōu)異的性能，但同時(shí)也存在著一定的空間約束。如圖5(b)，研究通過(guò)改變?nèi)芤旱膒H和金屬離子濃度來(lái)控制病毒衣殼上離子通道的打開(kāi)和關(guān)閉，并使用NaBH4還原[PtCl4]-生成純Pt NPs或加入額外金屬離子(Co或Fe)后可合成Co-Pt、Fe-Pt合金納米團(tuán)簇，與傳統(tǒng)方法相比，有效限制了納米粒子的聚集，也控制了合金的尺寸[67]。

圖5 (a)CaCO3納米顆粒的內(nèi)源性生成[65]；(b)限制納米團(tuán)簇生長(zhǎng)的病毒衣殼(左)及其截面圖(右)[67]

與形成礦化外殼的方法相比，生物體內(nèi)的改性對(duì)生物體的影響更大，效果更明顯，但也面臨著生存期短、合成路線復(fù)雜、具有潛在毒性等挑戰(zhàn)，需要科學(xué)家們進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

2.4 基因工程修飾誘導(dǎo)礦化

自然界中生物體的自發(fā)礦化能力受到生物礦化相關(guān)蛋白質(zhì)的調(diào)控[68]，因此，對(duì)于缺乏礦化蛋白的生物體來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)基因工程技術(shù)引入編碼生物礦化相關(guān)蛋白的基因，使生物體獲得具有遺傳效應(yīng)的礦化能力，能夠自發(fā)利用該蛋白與材料相互作用。

將誘導(dǎo)礦化的肽段整合在表面能夠?qū)崿F(xiàn)生物體的界面礦化。例如研究人員在人類腸道病毒71型(EV71)顆粒表面的合適位點(diǎn)插入成礦肽磷酸鹽螯合劑(N6p)或鈣螯合劑(NWp和W6p)，如圖6(a，b)，從而使疫苗能夠通過(guò)自主地將磷酸鈣引入表面來(lái)獲得礦化外殼，提高疫苗的熱穩(wěn)定性，并保證疫苗免疫原性[69]。外殼蛋白氨基端被插入半胱氨酸的基因工程化煙草花葉病毒(TMV)，可促進(jìn)各種金屬簇在其表面的沉積[70]。除了病毒，基因工程技術(shù)也被廣泛用于細(xì)菌[71]、酵母細(xì)胞[72]、硅藻[73]等其他多種生物。如圖6(c)，將衍生自DMP-1的兩個(gè)β結(jié)構(gòu)形成肽和HAP成核肽分別編碼到M13噬菌體的表面，通過(guò)相鄰噬菌體β結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)自組裝成束，再?gòu)腍AP過(guò)飽和溶液中精確成核到工程化的噬菌體束內(nèi)，形成的HAP晶體具有c軸優(yōu)先取向，可實(shí)現(xiàn)類骨生物材料復(fù)合體的合成[74]。

圖6 (a)EV71基因組及VP1的β-(BC)環(huán)插入位點(diǎn)；(b)攜帶成核肽的工程化EV71礦化示意圖[69]；(c)工程化M13噬菌體構(gòu)建生物納米纖維的過(guò)程[74]

細(xì)胞內(nèi)的生物礦化也可以通過(guò)基因工程的方法實(shí)現(xiàn)。例如在低鐵條件下，鐵響應(yīng)轉(zhuǎn)錄激活因子Aft1會(huì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中調(diào)節(jié)鐵的攝取。因此細(xì)胞內(nèi)引入Aft1上調(diào)的鐵蛋白(Ft)突變體，可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)鐵礦物的有效生成，構(gòu)建出磁傳感器，用于多尺度細(xì)胞成像[75]。受驅(qū)磁細(xì)菌的啟發(fā)，有研究開(kāi)發(fā)了一種結(jié)合鐵氧化和鐵螯合功能的新型基因構(gòu)建體，通過(guò)在細(xì)菌內(nèi)構(gòu)建結(jié)合深紅紅螺菌十聚鐵氧化酶與鐵結(jié)合肽M6A的融合蛋白，使細(xì)菌能夠在“超順磁性”大分子復(fù)合物中積累鐵，在磁場(chǎng)中被捕獲，用于體外和體內(nèi)的磁共振成像(MRI)成像[76]。

目前，多數(shù)生物體的蛋白序列和三維結(jié)構(gòu)已被解析，因此基因工程策略可以被廣泛且有效地應(yīng)用于生物體的改造，是一種新穎、目的性強(qiáng)的策略，但也同時(shí)面臨著操作復(fù)雜、可能引起基因突變等問(wèn)題，有待人們進(jìn)一步探索。

總的來(lái)說(shuō)，借助仿生礦化來(lái)構(gòu)建新功能生命體是一種行之有效且意義重大的策略，可根據(jù)不同的需求從形式多樣的構(gòu)筑方法中選取合適的途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存、保護(hù)和支撐等作用，對(duì)于生物體功能的改進(jìn)具有極大的推進(jìn)作用，值得人們繼續(xù)深入研究和擴(kuò)展其應(yīng)用。

3 構(gòu)筑新功能生命體

研究者們通過(guò)模仿生物體實(shí)現(xiàn)仿生礦化的策略，在細(xì)胞表面或內(nèi)部引入材料以構(gòu)筑新功能生命體，在保證生物體自身正常生命活動(dòng)的同時(shí)賦予其特殊的性質(zhì)，被應(yīng)用于環(huán)境控制、能源生產(chǎn)、生物催化、醫(yī)學(xué)治療等多個(gè)領(lǐng)域，具有非常廣闊的前景。

3.1 細(xì)胞殼化

3.1.1 剛性外殼

細(xì)胞表面殼工程化的策略是一種可控、簡(jiǎn)單且快捷的細(xì)胞修飾方法，常被用作保護(hù)生物體免受外界環(huán)境的傷害。由于功能外殼對(duì)生物體的內(nèi)環(huán)境和新陳代謝過(guò)程影響較小，是目前細(xì)胞工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的材料-生物體整合方法。金屬配合物、無(wú)機(jī)礦物材料和高分子聚合物常被用于制造生物體的剛性外殼，如MOF、CaP、SiO2以及天然或人工合成的聚合物等，具有御防外界的脅迫、疾病治療、環(huán)境保護(hù)、生物催化和導(dǎo)電傳感[77]等作用。

通過(guò)仿生礦化能在細(xì)胞外部引入“鎧甲”用于細(xì)胞的保護(hù)。酵母細(xì)胞壁主要由帶負(fù)電的多糖組成，難以引起二氧化硅的自發(fā)礦化和沉積，通過(guò)LBL技術(shù)用帶正電的PDADMAC和具有良好生物相容性的帶負(fù)電荷聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)包被酵母細(xì)胞，在近生理?xiàng)l件下，通過(guò)靜電相互作用吸附溶液中帶負(fù)電荷的二氧化硅納米粒子，可形成連續(xù)的均勻二氧化硅層，賦予細(xì)胞高溫防御能力，同時(shí)也不會(huì)損害細(xì)胞活力[78]。此外，依賴于二氧化硅良好的水合作用能力，能為病毒提供一個(gè)封閉的無(wú)水納米環(huán)境，有效避免化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，如圖7(a)，研究在EV71病毒表面引入二氧化硅層，可顯著改善疫苗的熱穩(wěn)定性，室溫下儲(chǔ)存35天后仍可保持90%的效果[79]。近來(lái)也有研究通過(guò)液-液相分離從帶相反電荷的聚電解質(zhì)混合物中構(gòu)筑凝聚層微滴外殼用于保護(hù)酵母免受氧化損傷[80]。

圖7 (a)熱穩(wěn)定病毒的仿生方法[79]；(b)鼻腔疫苗設(shè)計(jì)原理[85]；(c)由生物礦化誘導(dǎo)的可光合產(chǎn)氫綠藻聚集體；(d)聚集的小球藻的空間功能分化[87]

礦化外殼還可用于新型生物催化劑的開(kāi)發(fā)。生物催化劑如酶、微生物細(xì)胞等具有高催化效率和反應(yīng)速度，被廣泛應(yīng)用于精細(xì)化學(xué)品、藥物和燃料的制備和加工等領(lǐng)域[81]，但其容易受到高溫、有機(jī)溶劑和環(huán)境pH變化的影響而失活。因此將糞產(chǎn)堿菌與多孔磷酸鈣(CaP)礦物殼和Fe3O4納米粒子結(jié)合，CaP外殼可保護(hù)生物催化免受有機(jī)溶劑脅迫，F(xiàn)e3O4納米顆粒提供磁分離和回收的功能，礦化的細(xì)菌則作為循環(huán)的皮克林(Pickering)界面生物催化劑。無(wú)機(jī)-細(xì)菌復(fù)合結(jié)構(gòu)顯著提高了生物催化劑的催化效率和重復(fù)使用性[82]。近年來(lái)納米酶也因其高催化效率、強(qiáng)穩(wěn)定性和易于制備等優(yōu)點(diǎn)引起了人們的興趣[83]，其中具有多種酶活性的二氧化錳(MnO2)納米酶包裹的酵母細(xì)胞能夠用于增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)環(huán)境(包括脫水、裂解酶、紫外輻射等)的耐受性，保證細(xì)胞在儲(chǔ)存兩周后仍保持其高活性。并在去除外殼后，迅速恢復(fù)正常的生長(zhǎng)和功能，體現(xiàn)了生物體-材料復(fù)合體的多酶活性[84]。

礦化外殼在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，如黏膜免疫、抗體的有效釋放等?；诹姿徕}材料在細(xì)胞和組織上的強(qiáng)大粘附能力，如圖7(b)，用CaP納米殼包裹病毒，可增強(qiáng)與鼻粘膜組織的粘附作用，有利于不依賴受體的攝取和鼻腔內(nèi)局部IgA反應(yīng)的升高，從而引發(fā)增強(qiáng)性的全身抗體反應(yīng)[85]。單克隆抗體(mAb)只能識(shí)別和中和細(xì)胞外蛋白而無(wú)法進(jìn)入細(xì)胞，通過(guò)將抗體原位CaP礦化，經(jīng)過(guò)胞吞作用可以有效地輸送到受感染的細(xì)胞中釋放抗體，抑制病毒復(fù)制[86]。

此外，材料外殼的構(gòu)建也常被用于解決能源與環(huán)境問(wèn)題。綠藻體內(nèi)的氫酶會(huì)在缺氧環(huán)境下被激活進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氫氣，如圖7(c，d)，使用二氧化硅去包裹綠藻，多個(gè)綠藻會(huì)逐漸粘合形成綠藻復(fù)合體，外層的綠藻進(jìn)行正常的光合作用產(chǎn)生氧氣的同時(shí)，隔絕內(nèi)部綠藻和外界的接觸，內(nèi)部的綠藻通過(guò)光合產(chǎn)氧和呼吸作用的耗氧平衡，制造出一個(gè)既能維持綠藻細(xì)胞光合活性又能夠激活氫酶的無(wú)氧條件，從而實(shí)現(xiàn)光合產(chǎn)氫，效率等同于正常的光合作用，可在沒(méi)有破壞綠藻正常生命過(guò)程的前提下實(shí)現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫，工藝上更具操作性與便捷性，為化學(xué)手段改造光合生物提出了全新的思路[87]。

環(huán)境中大量繁殖的藍(lán)藻會(huì)消耗水中氧氣并釋放藍(lán)藻毒素，導(dǎo)致水生生物的大量死亡，對(duì)水資源和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成重大威脅，研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米粒子可以在PDADMAC聚合物的存在下自發(fā)地結(jié)合到藍(lán)藻上，得到的藍(lán)藻-SiO2復(fù)合物可以在水中保持沉積狀態(tài)，顯著抑制藍(lán)藻的光合生長(zhǎng)，減少水華事件的發(fā)生，是一種有效的環(huán)境控制策略[88]。

3.1.2 柔性外殼

與“硬”保護(hù)不同，細(xì)胞外“軟”保護(hù)主要采用柔韌的高分子材料和生物大分子，具有一定的流動(dòng)性，可以更好地保證生命體的基本功能和生物活性，最大限度地減少構(gòu)建新功能生命體過(guò)程中對(duì)生物體的損害。

利用仿生手段可在紅細(xì)胞表面構(gòu)建柔性外殼。俗稱“熊貓血”的Rh陰性血是稀有血型，因此將RhD陽(yáng)性血液轉(zhuǎn)化為RhD陰性血液具有極大的臨床應(yīng)用價(jià)值。有研究表明通過(guò)酶去除紅細(xì)胞(RBC)抗原可成功地將A型或B型紅細(xì)胞轉(zhuǎn)化為O型紅細(xì)胞[89]，但這一過(guò)程與Rh抗原的免疫原表位無(wú)關(guān)，且Rh相關(guān)多肽的缺失會(huì)導(dǎo)致整個(gè)紅細(xì)胞膜的裂解，對(duì)核酸酶血型的決定基因進(jìn)行編輯也有可能會(huì)引起突變，引發(fā)未知的風(fēng)險(xiǎn)[90]。為解決該問(wèn)題，如圖8(a)，研究構(gòu)建了一種唾液酸與鹽酸酪胺交聯(lián)的柔軟凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能保證紅細(xì)胞良好的變形性，使其能在動(dòng)物體內(nèi)各個(gè)部位進(jìn)行氣體及能量運(yùn)輸，并基于其優(yōu)越的生物親和性和對(duì)細(xì)胞膜表面抗原的掩蔽作用，實(shí)現(xiàn)了“通用熊貓血”的人工構(gòu)建和安全輸血，展示了良好的臨床轉(zhuǎn)化前景[91]。

圖8 (a)“通用熊貓血”的人工構(gòu)建[91]；(b)可用于細(xì)胞打印的水凝膠設(shè)計(jì)[92]

同時(shí)，可塑的生物活性水凝膠作為柔性外殼在組織工程領(lǐng)域也有廣泛研究，例如3D細(xì)胞培養(yǎng)和組織再生的平臺(tái)。如圖8(b)，一種交聯(lián)的、可生物降解的聚己內(nèi)酯-聚乙二醇-聚己內(nèi)酯(PCL-PEG-PCL)三嵌段聚合物水凝膠，兼具高彈性和高韌性，可以自由進(jìn)行拉伸、壓縮和扭曲過(guò)程而不會(huì)出現(xiàn)明顯的斷裂，用于細(xì)胞打印可實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在材料中至少7天的培養(yǎng)[92]。而用含有Arg-Gly-Asp序列的細(xì)胞粘附肽修飾的微尺度海藻酸鹽凝膠和未經(jīng)修飾的凝膠組成雙峰水凝膠，經(jīng)單軸冷凍干燥引入各向異性排列的微通道，可以驅(qū)動(dòng)骨髓基質(zhì)細(xì)胞在經(jīng)過(guò)修飾的凝膠微通道中粘附，并分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞粘附空間位置上的可控性[93]。

3.1.3 病理性外殼

除了生物體內(nèi)正常形成骨骼、牙齒等硬組織的礦化過(guò)程，也同時(shí)存在著異常的礦化現(xiàn)象，會(huì)形成如同結(jié)石、齲齒等對(duì)生物體有危害的物質(zhì)。通過(guò)對(duì)異常生物礦物的特征和形成機(jī)理的深入研究，并借鑒新功能生命體的構(gòu)建方法，可將其轉(zhuǎn)化為對(duì)人類有益的方式，達(dá)到預(yù)防和治療疾病的效果。

通過(guò)誘導(dǎo)病理鈣化可實(shí)現(xiàn)腫瘤治療?；诎┘?xì)胞中的葉酸受體(FR)上調(diào)的現(xiàn)象，研究提出了一種癌細(xì)胞靶向鈣化(Cancer-Cell-Targeting Calcification,CCTC)的無(wú)藥物癌癥治療方法，如圖9(a)，由于葉酸(FA)的羧酸基團(tuán)可以與生物液中的Ca2+特異性結(jié)合，從而促進(jìn)鈣礦物質(zhì)的成核，誘導(dǎo)選擇性吸附FA分子的癌細(xì)胞鈣化死亡，與傳統(tǒng)的化學(xué)療法相比，CCTC治療可以有效抑制腫瘤的生長(zhǎng)并限制其轉(zhuǎn)移，而不會(huì)損害正常細(xì)胞，從而大幅度地提高治療的存活率[94]。除了對(duì)生物體進(jìn)行界面修飾，還可增強(qiáng)磷酸鈣粒子與癌細(xì)胞的粘附程度。通過(guò)向磷酸鈣添加陰離子羧甲基纖維素(CMC)聚合物和光敏卟啉染料，再附著一層陽(yáng)離子聚乙烯亞胺(PEI)來(lái)反轉(zhuǎn)這些顆粒的電性，可大大增強(qiáng)癌細(xì)胞對(duì)磷酸鈣的吸收率，具有很好的治療效果[95]。

病理性鈣化還可用于腫瘤診療一體化。例如基于Ca2+獨(dú)特的細(xì)胞毒性機(jī)制，如圖9(b)，由pH敏感的透明質(zhì)酸鈉修飾的過(guò)氧化鈣納米顆粒，在酸性腫瘤微環(huán)境中可緩慢分解為游離的Ca2+和H2O2，從而改變鈣離子通道，阻礙鈣離子信號(hào)的準(zhǔn)確傳遞，導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡，同時(shí)在Ca2+富集的過(guò)程中，有利于產(chǎn)生腫瘤鈣化的傾向，抑制腫瘤在體內(nèi)的生長(zhǎng)，也可以通過(guò)CT成像應(yīng)用于治療效果的監(jiān)測(cè)；相反，由于正常細(xì)胞有足夠的過(guò)氧化氫酶使外源性Ca2+可通過(guò)鈣通道泵出或儲(chǔ)存，具有一定的耐受性，因而該項(xiàng)研究在臨床癌癥治療中顯示出巨大的潛力[96]。

圖9 (a)癌細(xì)胞靶向鈣化的無(wú)藥物治療原理[95]；(b)pH響應(yīng)性過(guò)氧化鈣納米粒子的設(shè)計(jì)[96]

3.2 胞內(nèi)仿生細(xì)胞器

仿生細(xì)胞器常被用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如在癌癥治療手段中，化療藥物并不能區(qū)分健康和病變細(xì)胞，因此研究構(gòu)建了一種用以捕獲和釋放化療藥物的仿生細(xì)胞器，如圖10(a)，通過(guò)巰基修飾將富含GC堿基雙鏈寡聚核苷酸(ODN)組裝到金納米籠中，由于化療藥物如阿霉素(DOX)進(jìn)入細(xì)胞核會(huì)優(yōu)先插入富含GC堿基的核酸序列，因此材料具有良好的藥物捕獲性，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)Au-ODN濃度高于臨界保護(hù)濃度時(shí)，能有效捕獲進(jìn)入肝細(xì)胞內(nèi)的DOX，保護(hù)肝臟免受損傷；當(dāng)腫瘤組織細(xì)胞內(nèi)的Au-ODN低于臨界保護(hù)濃度時(shí)，該材料對(duì)進(jìn)入腫瘤內(nèi)的DOX捕獲作用微弱，對(duì)藥物的抗腫瘤作用基本沒(méi)有影響。此外，金納米籠材料具有良好的近紅外光(NIR)熱效應(yīng)，對(duì)腫瘤進(jìn)行近紅外照射時(shí)，可使腫瘤細(xì)胞內(nèi)被Au-ODN捕獲的DOX再次釋放，繼續(xù)發(fā)揮抗癌作用，進(jìn)一步消除瘤內(nèi)Au-ODN對(duì)DOX的抗腫瘤作用的潛在影響，實(shí)現(xiàn)了在癌癥化療中既保證藥物抗癌效果又保護(hù)肝臟免受藥物損傷[97]。同時(shí)，還可利用胞內(nèi)仿生細(xì)胞器來(lái)靶向遞送藥物。如圖10(b)，表面葉酸(FA)功能化的胞內(nèi)礦化酵母細(xì)胞nHAP@yeasts-FA不僅保留了細(xì)胞原有的性質(zhì)和功能，還有極大的藥物負(fù)載能力，可以作為載體靶向腫瘤，進(jìn)行藥物的有效遞送和釋放，基于腫瘤的FA依賴性和羥基磷灰石(HAP)納米粒子的pH敏感性來(lái)實(shí)現(xiàn)雙重響應(yīng)釋放的效果，能顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)，同時(shí)顯示出低毒性，為納米礦物質(zhì)提供了一種生物友好的胞內(nèi)合成和應(yīng)用策略[66]。如圖10(c)，胰島素在礦化CaP相內(nèi)濃縮和復(fù)合產(chǎn)生CaP-胰島素納米顆粒(BINP)，可促進(jìn)胰島素的大規(guī)模細(xì)胞攝取，經(jīng)過(guò)溶酶體逃逸機(jī)制到細(xì)胞質(zhì)中有效釋放，模擬了細(xì)胞內(nèi)改善糖代謝的機(jī)制，保護(hù)胰島素免受生物降解，對(duì)胰島素抵抗可產(chǎn)生長(zhǎng)期的治療作用[98]?；?qū)e0納米顆粒錨定在腫瘤靶向紅細(xì)胞膜包覆的葡萄糖氧化酶內(nèi)腔中，形成鐵礦化葡萄糖氧化酶(GOx-Fe0@EM-A)，在腫瘤部位進(jìn)行近紅外光照射后，紅細(xì)胞膜破裂，通過(guò)光熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)超小納米GOx-Fe0的光驅(qū)動(dòng)釋放和腫瘤深度滲透，實(shí)現(xiàn)腫瘤的有效根除[99]。

此外，植入性生物燃料電池也引起了研究者的關(guān)注。以紅細(xì)胞為原料，通過(guò)嵌入超小羥基磷灰石(HAP、Ca10(PO4)6(OH)2)來(lái)制備生物燃料電池的正極材料，具有高電催化活性、穩(wěn)定性和選擇性，并在保持細(xì)胞的原始生物學(xué)特性的同時(shí)，通過(guò)HAP的-OH基團(tuán)與血紅蛋白的相互作用增強(qiáng)了催化氧還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了電子的直接傳輸，而無(wú)需轉(zhuǎn)移介質(zhì)[100]，展現(xiàn)了納米材料可以作為人工細(xì)胞器實(shí)現(xiàn)超級(jí)細(xì)胞的構(gòu)建，為材料和生物的功能化裝配提供了新概念和新思路。

胞內(nèi)細(xì)胞器還可用來(lái)開(kāi)發(fā)能源生產(chǎn)。例如研究以金納米團(tuán)簇(AuNCs)的形式引入了一種細(xì)胞內(nèi)的、生物相容性好的光吸收劑，以規(guī)避現(xiàn)有光合生物混合系統(tǒng)電子轉(zhuǎn)移緩慢的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，將AuNCs轉(zhuǎn)移到非光合細(xì)菌中，使得CO2光合作用產(chǎn)生乙酸成為可能，同時(shí)AuNCs還可以作為活性氧(ROS)的抑制劑來(lái)維持細(xì)菌的活力，有效地收集陽(yáng)光并將光生電子轉(zhuǎn)移到細(xì)胞代謝中，實(shí)現(xiàn)CO2的持續(xù)固定[101]。

3.3 其他特殊作用的仿生礦化策略

除了材料與生物體結(jié)合構(gòu)建仿生外殼或人工細(xì)胞器以外，還可設(shè)計(jì)出具有特殊作用的無(wú)機(jī)-生物復(fù)合材料，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

固廢煤矸石(CG)常與水泥混合作為地下回填材料，在中國(guó)各地的煤礦中得到廣泛應(yīng)用。但由于水泥的存在，這種材料在其生產(chǎn)、制備和運(yùn)輸過(guò)程中往往對(duì)環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重污染。而微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀技術(shù)作為一種無(wú)水泥環(huán)保技術(shù)，常被用于生產(chǎn)生物礦化材料，固結(jié)松散顆粒，同時(shí)微生物生長(zhǎng)環(huán)境也與地下溫度相適應(yīng)。因此如圖11(b)，研究模擬自然礦化作用，利用巴斯德氏芽胞桿菌來(lái)產(chǎn)生具有一定晶型和結(jié)合作用的碳酸鈣(CaCO3)晶體沉淀來(lái)以填充孔隙，將固體廢棄物煤矸石顆粒結(jié)合成一個(gè)具有高生物礦物質(zhì)含量的整體，達(dá)到很好固化廢料顆粒的目的，與水泥混合地下回填材料相比，對(duì)環(huán)境更加友好[103]。

圖11 (a)海洋細(xì)菌通過(guò)協(xié)同生物礦化抑制鋼鐵腐蝕[102]；(b)礦化固廢煤矸石作為環(huán)保地下充填材料[103]

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)師法自然，仿生礦化研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從生物體系對(duì)材料結(jié)晶的調(diào)控到利用材料改進(jìn)生物體性能的擴(kuò)展，并已經(jīng)取得了快速的進(jìn)展，為生物和材料的可持續(xù)發(fā)展提供了新的方向，但是該領(lǐng)域仍然存在一些改進(jìn)空間和挑戰(zhàn)。

首先，目前利用材料改性的生命體大多是病毒，酵母細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞，還有很大部分微生物和植物尚未被挖掘利用[104]，由于生物體具有選擇與特定材料結(jié)合的能力，表現(xiàn)出感知并適應(yīng)外界環(huán)境的能力，因此，研究者可以從目的出發(fā)，快速找到適合生物體的材料，從而構(gòu)建出更加智能的新功能生命體。

其次，生物體內(nèi)的材料通常是在溫和的條件下合成的，能耗相對(duì)較低，因此利用生物自身的生理環(huán)境進(jìn)行材料的合成和整合也是未來(lái)的研究趨勢(shì)之一[105]，而在人工構(gòu)筑新功能生命體的過(guò)程中，為減少對(duì)生物體損害，保證生物活性，整合條件包括溫度、壓力、離子濃度、pH、毒性、反應(yīng)時(shí)間、生物降解性、協(xié)調(diào)性等都應(yīng)被納入考慮范圍之內(nèi)[29]，避免高溫高壓等合成條件。

此外，為了更好地控制礦物生成的成核、生長(zhǎng)、相變和粒子組裝過(guò)程，還可在礦化過(guò)程中引入一些分子添加劑或穩(wěn)定劑[106]。例如，用小分子三乙胺(TEA)穩(wěn)定磷酸鈣離子團(tuán)簇，將其揮發(fā)可誘導(dǎo)離子團(tuán)簇聚集融合成一個(gè)結(jié)構(gòu)連續(xù)的整體，在牙釉質(zhì)表面構(gòu)建一個(gè)由結(jié)晶體到無(wú)定型前驅(qū)體的連續(xù)界面，隨后通過(guò)氟離子的誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)晶體的外延生長(zhǎng)[107]；添加富含羧酸的聚丙烯酸(PAA)作為一種很好的調(diào)節(jié)劑來(lái)穩(wěn)定磷酸鈣液體前驅(qū)體(PILP)，其良好的骨誘導(dǎo)性允許滲透入膠原纖維中進(jìn)行纖維內(nèi)礦化[108]，或用于合成尺寸分布均勻的納米磷酸鈣[109]。

總而言之，通過(guò)材料改性生物在細(xì)胞保護(hù)、疫苗儲(chǔ)存、信號(hào)屏蔽、活性增強(qiáng)等領(lǐng)域均取得了較為重大的成果，證明了仿生礦化策略的可行性和有效性，也進(jìn)一步模糊了生物和非生物的界限，相信隨著未來(lái)生物學(xué)和材料學(xué)的發(fā)展，新功能生命體的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。