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1、中國科學:化學2014年第44卷第4期:601~610《中國科學》雜志社SCIENTIASINICAChimicawww.scichina.comchem.scichina.comSCIENCECHINAPRESS評述慶祝計亮年院士80華誕?？谏锏V化的生物殼工程①②①①②楊宇玲,王廣川,唐睿康①浙江大學求是高等研究院,杭州310027②浙江大學化學系及生物物質與信息調控中心,杭州310027通訊作者,E-mail:rtang@zju.edu.cn收稿日期:2013-10-10;接受日期:2013-11-11;網(wǎng)絡版發(fā)表日期:2014-02-10doi:10.1360/0
2、32013-306摘要生物礦化是生物體提高自身存活能力的重要手段,可以通過無機非生命體實現(xiàn)對關鍵詞有機生命體的保護和功能化.得益于這些自然現(xiàn)象的啟發(fā),我們將生物礦化原理應用于各種生物礦化殼工程生物單元的功能化改造,進一步提出了仿生殼工程概念.經(jīng)過生物礦化改造后,生物體系可生物活性以維持原有生物性質但又被人工材料賦予了新功能,在材料、生物、醫(yī)學等各個領域有著重界面修飾要的價值.本文對基于生物礦化的殼工程修飾方法及其應用進行了介紹,并對該領域的研究前景進行了展望.1引言有機基質調控無機物的成核和組裝,進而獲得具有[9]高度有序結構的無機材料的能力,但是更多的生物[1]生物礦化是自
3、然界中普遍存在的現(xiàn)象,它能夠單元并不具備自發(fā)礦化的功能.因此通過仿生礦化將自然界中的有機物和無機物、軟材料和硬物質聯(lián)系手段為生物單元構建功能礦化外殼具有一定的挑戰(zhàn)起來,指導生物體形成具有各種結構和功能的有機-性.我們認為,基于生物礦化的生物體殼工程技術是無機復合材料.生物礦物按照其成分主要可分為兩通過化學生物學合成手段,以無機礦物為材料,對有[2]大類：含鈣礦物和非鈣化礦物.含鈣礦物約占生物機生物體界面進行仿生修飾.該技術能為生物體提礦物總數(shù)的50%,其中碳酸鈣鹽最為廣泛,磷酸鹽次供具有保護作用的外殼,有利于生物體維持生命,進[3]之,它們約占所有生物礦物的25%.非鈣化生物
4、礦一步還可以通過功能化修飾改變生物體原有的理化物種類繁多,最主要是硅石類礦物、氧化鐵以及硫化性質甚至生物學功能.本文對基于生物礦化的殼工鐵等.迄今為止,已有60多種生物礦物被鑒定分離程修飾方法及其應用進行了介紹,并對其發(fā)展前景出來,例如趨磁細菌中的磁性氧化鐵,軟體動物中碳進行了展望.酸鈣外殼,以及脊椎動物的牙齒和骨中羥基磷灰石[4,5]等.生物體系根據(jù)不同的功能需要,又賦予這些2生物殼工程修飾方法[6]礦物以獨特的機械、光學、以及磁學等特性.此外,生物礦化還是生物體提高自身存活能力的重要手段,殼工程修飾方法主要分為兩大類：有機殼化修飾例如,一些海洋生物包括軟體動物和節(jié)肢動物利
5、用和無機殼化修飾.有機殼化修飾一般采用功能性的[7]生物礦物保護自身不受外界壓力的侵襲,硅藻則通高分子聚合物作為修飾材料.無機殼化修飾除了溶[8]過由二氧化硅形成的細胞壁對自身進行保護.膠凝膠法外,則常常由于生物體表面缺乏有效的礦在進化過程中,雖然一部分生物已經(jīng)具有利用物相成核位點,而采用在有機修飾的基礎上特異性楊宇玲等:基于生物礦化的生物殼工程地引入某些具有一定特性的無機礦物進行再修飾.乙烯磺酸(PSS)修飾后的酵母細胞依然保持良好的新無機礦物一般選擇生物相容性良好的二氧化硅、磷酸陳代謝活動和正常的分裂增殖活動.隨后,層層自組鈣等.通過合適的殼工程修飾方法不但可以強化生裝技
6、術又被廣泛應用于哺乳動物細胞的表面殼化修[16][17]物體自身活性,還能賦予生物體額外的功能.飾.例如,Fournier課題組使用聚二甲基二烯丙基氯化銨(PDADMAC)和聚對苯乙烯磺酸(PSS)對貼2.1有機殼化修飾壁狀態(tài)下的MELN細胞進行修飾,修飾后的細胞不生物單元的無機殼化修飾往往是在有機殼化修僅保留了細胞活性,還能夠維持原有的代謝活動.隨飾的基礎上進行的.而有機殼化修飾的關鍵是在不后,Langer課題組和Mills課題組分別通過層層自組影響生物體自身活性的溫和條件下將礦化功能基團裝技術用多聚賴氨酸和透明質酸對貼壁狀態(tài)下的小或者分子引入到生物單元表面,所以其核心是生
7、物鼠胚胎干細胞[18]和懸浮狀態(tài)下的小鼠骨髓間充質干表面修飾.層層自組裝技術和水凝膠技術由于其良細胞[19]進行了修飾,修飾后的細胞同樣保持著原有好的生物相容性,成為生物單元有機殼化修飾的兩的形狀和良好的活性.這些研究表明,層層自組裝技種主要修飾方法.術在細胞殼化修飾中具有良好的應用前景,能夠很好地維持細胞的活性以及代謝活動,可以拓展細胞2.1.1層層自組裝法在組織工程領域的應用.受這些研究啟發(fā),我們課題[10]層層自組裝(layer-by-layer)技術已經(jīng)被廣泛應組注意到該方法所修飾在細胞表面上的
