在自然界中，生物體可以通過生物礦化製備具有多級有序結構的功能材料，例如珍珠質、牙齒、骨骼和貝殼等。不同於實驗室的材料製備，在生物礦化過程中大量的有機基質，特別是蛋白質介入到無機材料的形成過程中，控制材料的成核、生長、取向和組裝可以構建性能優異的複合材料。傳統的生物礦化研究強調模仿自然開展材料的仿生設計和製備，突出了有機體系對無機結晶的調控，從而提高材料的性能。近日，浙江大學的唐睿康教授課題組在Advanced Materials上發表的綜述總結了生物礦化領域近年來的研究進展，並提出了生物礦化研究的轉型。該綜述強調了生物礦化研究的新趨勢是借鑑自然策略，通過無機材料實現對生物有機體的調控，突出了利用材料體系實現生物功能化改造，並全面介紹了該課題組利用放手礦化策略實現熱穩定性新型疫苗、藻類光合產氫以及為腫瘤治療提供的新途徑。
作者首先介紹了傳統生物礦化研究中對結晶機制研究的最新進展。由於生物礦物的形成往往是以無定相、團簇或者液態前驅體作為前驅相進行結晶，不同於傳統水溶液結晶中直接利用離子或原子作為生長單元。因此生物礦化的研究有助於人們對非傳統晶體生長機制的理解，從而更好地製備功能化材料。他們還進一步展示了最近人們利用非傳統結晶途徑實現膠原的仿生礦化、硬組織的仿生修復以及人工合成珍珠質材料等（圖1）。
圖片來源：Adv. Mater.
生物礦化不僅是生物界中材料製備的策略，更是自然演變過程中所產生的生物策略，例如硅藻、一些真菌和放射蟲可以利用生物礦化過程獲得額外的保護。唐睿康課題組則在2008年成功實現了對酵母細胞的礦化改造，提出借鑑生物礦化策略可以通過材料外殼賦予更多生物物種的新功能。例如，疫苗的保存高度依賴於冷鏈，該課題組通過仿生礦化構建新型疫苗—磷酸鈣複合體，在保持原有功效不變的基礎上大幅度增強了疫苗的熱穩定性，初步實現了不依賴冰箱的熱穩定疫苗構建。仿生礦化不僅可以通過材料增強生物體的結構穩定性，而且還能改變生物體原有的功能。該課題組通過對綠藻仿生礦化改造誘導綠藻的自發聚集，可以在保證光合系統II活性的同時激活氫酶，從而改變綠藻的光合途徑，實現在自然條件下直接分解水產生氫氣（圖2），其產氫效率等同於正常的光合作用效率。
圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
唐睿康課題組還發現生物礦化策略在腫瘤治療方面有著巨大的應用前景。他們針對部分腫瘤細胞富含葉酸受體，將葉酸作為細胞礦化的介導分子，實現針對腫瘤細胞的靶向礦化（CCTC）。該方法不僅能有效抑制腫瘤的增殖，達到普通化療的效果，而且還通過礦化外殼限制了腫瘤細胞的轉移，從而大幅度提高了疾病的存活率。特別需要指出的是，所使用的葉酸和鈣離子在人體中廣泛存在，因此該方法提出了一種無需藥物的腫瘤治療方法，是一種全新的思路(圖3)。
圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.
生物礦化作為生物進化過程中的功能性策略，能使生物體更加適應環境、能產生更有利於自身發展的進化鏈，也為人類通過材料實現對生物有機體的調控提供了借鑑的方向。通過向自然界學習，生物礦化研究實現了從生物體系對材料結晶的調控到利用材料改進生物體的轉型，為人類的可持續發展提供了新的方向。
該論文作者為：Shasha Yao, Biao Jin, Zhaoming Liu, Changyu Shao, Ruibo Zhao, Xiaoyu Wang, Ruikang Tang
原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：
Biomineralization: From Material Tactics to Biological Strategy
Adv. Mater., 2017, 29, 1605903, DOI: 10.1002/adma.201605903
導師介紹
唐睿康：浙江大學化學系、求是高等研究院教授，教育部長江學者獎勵計劃特聘教授，國家傑出青年科學基金獲得者，中國青年科技獎獲得者；主要從事生物礦化及仿生學研究，結合仿生調控在類骨材料合成和牙修複方面取得重要成果；同時將生物礦化發展為基於材料的生物功能化策略，實現了礦化綠藻光合產氫、礦化疫苗的常溫保存及針對腫瘤的靶向細胞礦化；在PNAS、Angew. Chem. Int. Ed. 及Adv. Mater. 等學術刊物上發表論文150餘篇。
http://www.x-mol.com/university/faculty/14397
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