浙江大学唐睿康教授课题组Adv. Mater.综述：生物矿化，从材料方法到生物策略

在自然界中，生物体可以通过生物矿化制备具有多级有序结构的功能材料，例如珍珠质、牙齿、骨骼和贝壳等。不同于实验室的材料制备，在生物矿化过程中大量的有机基质，特别是蛋白质介入到无机材料的形成过程中，控制材料的成核、生长、取向和组装可以构建性能优异的复合材料。传统的生物矿化研究强调模仿自然开展材料的仿生设计和制备，突出了有机体系对无机结晶的调控，从而提高材料的性能。近日，浙江大学的唐睿康教授（点击查看介绍）课题组在Advanced Materials 上发表的综述总结了生物矿化领域近年来的研究进展，并提出了生物矿化研究的转型。该综述强调了生物矿化研究的新趋势是借鉴自然策略，通过无机材料实现对生物有机体的调控，突出了利用材料体系实现生物功能化改造，并全面介绍了该课题组利用放手矿化策略实现热稳定性新型疫苗、藻类光合产氢以及为肿瘤治疗提供的新途径。

作者首先介绍了传统生物矿化研究中对结晶机制研究的最新进展。由于生物矿物的形成往往是以无定相、团簇或者液态前驱体作为前驱相进行结晶，不同于传统水溶液结晶中直接利用离子或原子作为生长单元。因此生物矿化的研究有助于人们对非传统晶体生长机制的理解，从而更好地制备功能化材料。他们还进一步展示了最近人们利用非传统结晶途径实现胶原的仿生矿化、硬组织的仿生修复以及人工合成珍珠质材料等（图1）。

图片来源：Adv. Mater.

生物矿化不仅是生物界中材料制备的策略，更是自然演变过程中所产生的生物策略，例如硅藻、一些真菌和放射虫可以利用生物矿化过程获得额外的保护。唐睿康课题组则在2008年成功实现了对酵母细胞的矿化改造，提出借鉴生物矿化策略可以通过材料外壳赋予更多生物物种的新功能。例如，疫苗的保存高度依赖于冷链，该课题组通过仿生矿化构建新型疫苗—磷酸钙复合体，在保持原有功效不变的基础上大幅度增强了疫苗的热稳定性，初步实现了不依赖冰箱的热稳定疫苗构建。仿生矿化不仅可以通过材料增强生物体的结构稳定性，而且还能改变生物体原有的功能。该课题组通过对绿藻仿生矿化改造诱导绿藻的自发聚集，可以在保证光合系统II活性的同时激活氢酶，从而改变绿藻的光合途径，实现在自然条件下直接分解水产生氢气（图2），其产氢效率等同于正常的光合作用效率。

图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

唐睿康课题组还发现生物矿化策略在肿瘤治疗方面有着巨大的应用前景。他们针对部分肿瘤细胞富含叶酸受体，将叶酸作为细胞矿化的介导分子，实现针对肿瘤细胞的靶向矿化（CCTC）。该方法不仅能有效抑制肿瘤的增殖，达到普通化疗的效果，而且还通过矿化外壳限制了肿瘤细胞的转移，从而大幅度提高了疾病的存活率。特别需要指出的是，所使用的叶酸和钙离子在人体中广泛存在，因此该方法提出了一种无需药物的肿瘤治疗方法，是一种全新的思路(图3)。

图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

生物矿化作为生物进化过程中的功能性策略，能使生物体更加适应环境、能产生更有利于自身发展的进化链，也为人类通过材料实现对生物有机体的调控提供了借鉴的方向。通过向自然界学习，生物矿化研究实现了从生物体系对材料结晶的调控到利用材料改进生物体的转型，为人类的可持续发展提供了新的方向。

该论文作者为：Shasha Yao, Biao Jin, Zhaoming Liu, Changyu Shao, Ruibo Zhao, Xiaoyu Wang, Ruikang Tang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Biomineralization: From Material Tactics to Biological Strategy

Adv. Mater., 2017, 29, 1605903, DOI: 10.1002/adma.201605903

导师介绍

唐睿康：浙江大学化学系、求是高等研究院教授，教育部长江学者奖励计划特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，中国青年科技奖获得者；主要从事生物矿化及仿生学研究，结合仿生调控在类骨材料合成和牙修复方面取得重要成果；同时将生物矿化发展为基于材料的生物功能化策略，实现了矿化绿藻光合产氢、矿化疫苗的常温保存及针对肿瘤的靶向细胞矿化；在PNAS、Angew. Chem. Int. Ed. 及Adv. Mater. 等学术刊物上发表论文150余篇。

http://www.x-mol.com/university/faculty/14397