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在自下而上的合成生物学中，制造具有协调和自适应功能的仿生材料颇具挑战。研究人员受活骨细胞 / 基质整合启发，开展原组织化学自调节钙化研究。结果显示可实现多种钙化模式及结构重塑，这推动了合成生物学发展，为组织工程等带来机遇。
在生命科学的探索之旅中，科学家们一直渴望揭开生物体奥秘，并将这些发现应用于医学和材料科学领域。其中，仿生材料的研究成为了一个热门方向，它旨在模仿生物体内的结构和功能，制造出具有特殊性能的材料。然而，制造能够实现协调和自适应功能的仿生材料，一直是自下而上合成生物学面临的重大挑战。就像搭建一座复杂的生物大厦，每一块 “积木” 的精准放置和协同工作都困难重重。
在骨骼研究方面，尽管科学家们在骨样复合材料的制备上取得了一些进展，比如开发出离子掺杂的纳米羟基磷灰石和壳聚糖支架、生物矿化的生物玻璃支架等，但如何构建宏观尺度的矿化原组织，使其具备类似真实骨骼的结构和功能，仍然是一个亟待解决的难题。
为了攻克这些难题，来自英国布里斯托大学（University of Bristol）等机构的研究人员展开了深入研究。他们受活骨中细胞与细胞外基质（ECM）整合机制的启发，试图构建一种类似骨骼组织的原组织模型，实现化学自调节的钙化过程。
研究人员通过一系列实验，成功构建了一种原细胞 / 基质集成的组织样材料，这种材料能够进行内源性钙化和脱钙。他们将含有碱性磷酸酶（ALP）的无机原细胞（胶体体）共价连接到交联的有机网络上，形成了具有粘弹性的原组织。通过调节化学环境，实现了选择性的细胞内钙化、基质特异性的细胞外钙化以及梯度钙化等不同的矿化模式。同时，他们还构建了包含能够进行内源性钙化和脱钙的二元胶体体群体的集成原组织，模拟成骨细胞和破骨细胞之间的相互作用，利用化学输入诱导结构重塑 。
这项研究成果意义重大，它为基于软组织样微结构的自调节钙化的仿生材料研究开辟了新途径，推动了自下而上合成生物学在化学材料研究中的发展。在生物启发的组织工程、水凝胶技术和骨仿生学等领域，该研究成果具有巨大的应用潜力，有望为未来的医学治疗和材料开发带来新的突破。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是材料制备技术，通过多步反应制备酶活性胶体体和构建原细胞 / 基质集成的原组织；二是多种显微镜成像技术，如共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、扫描电子显微镜（SEM）等，用于观察材料的微观结构和矿化情况；三是光谱分析技术，包括拉曼光谱、粉末 X 射线衍射（PXRD）等，用以分析材料的成分和相结构；四是热重分析和力学测试技术，分别用于确定材料的成分比例和力学性能 。
下面来看具体的研究结果：
- 原组织构建和钙化：研究人员通过多步制造工艺，成功制备了多种形状的原细胞 / 基质集成原组织，如圆形圆盘、矩形条带和薄圆形片材等。将含有 ALP 的胶体体与改性海藻酸盐水凝胶网络共价结合，形成了稳定的结构。在添加钙甘油磷酸（CaGP）后，原组织发生内源性钙化，逐渐变得不透明。通过多种表征手段发现，钙化过程中磷酸钙颗粒在胶体体内和基质中均有分布，且随着时间推移，矿化程度逐渐增加 。
- 位点特异性钙化：为了实现位点特异性钙化，研究人员采用了不同的策略。通过用聚乙二醇（PEG）基质替代海藻酸 - 甲基丙烯酸酯（Alg - MA）水凝胶，抑制周围基质中的无定形磷酸钙（ACP）成核，从而实现了仅在胶体体内的钙化。相反，通过在 Alg - MA 水凝胶中添加富含羧酸盐的聚合物（聚丙烯酸，PAA），并在胶体体内封装 PEG，促进了基质中的钙化，而抑制了胶体体内的钙化 。
- 梯度原组织中的基质特异性钙化：受控制原组织内钙化位点特异性的启发，研究人员制备了梯度原组织。通过部分沉降 ALP/PEG - 含有 MA - 胶体体，然后进行光辅助基质交联和原细胞 - 基质连接，得到了具有连续或不连续胶体体密度梯度的原组织。这些梯度原组织在添加 CaGP 后发生基质特异性钙化，并表现出化学 - 机械响应，如在离子交联时发生弯曲变形 。
- 多原细胞原组织中的钙化重塑：为了模拟骨骼重塑过程中，成骨细胞和破骨细胞的动态相互作用，研究人员构建了含有能够进行内源性酶介导钙化或脱钙的原细胞群落的合成原组织。通过添加 CaGP 诱导钙化，再添加乙酸乙酯（EA）诱导脱钙，实现了钙化 / 脱钙的循环。经过多个循环后，发现矿化 / 脱矿化效率在前两个循环中保持稳定，之后由于 ALP 活性降低而下降 。
研究结论和讨论部分指出，该研究成功设计并化学构建了能够内源性钙化和脱钙的原细胞 / 基质集成组织样材料。这种材料的杨氏模量（E）与软真皮组织相当，通过调节矿化模式，其力学性能可与软骨相媲美。虽然钙化原组织目前力学强度不足以作为骨替代材料，但可作为生物活性剂促进骨再生，尤其是化学 - 机械活性钙化梯度原组织，在肌肉骨骼 / 软骨界面建立生物活性梯度方面具有潜在应用价值 。
此外，该研究方法为调节无机矿物的多晶型结构和相行为提供了可能，未来可通过调整实验条件控制 ACP 颗粒大小和转化为结晶羟基磷灰石（HAP）的过程。同时，引入自然生物矿化机制和功能靶向胶体体群落，有望进一步提高原组织的复杂性和功能。不过，目前该研究基于合成环境，未来需要对原细胞 / 基质集成材料的生物相容性、细胞粘附特性、活力和生物降解性等方面进行研究，以评估其在实际应用中的潜力 。
