功能细胞/二氧化硅核壳材料的仿生制备及其矿化机制研究

Encapsulation of cell with biomimetic mineral shell has attracted a great deal of attention as a new approach to cell-surface modifications, which has a great potential in the storage, protection, delivery, modification of living cells, and applications of cell-based sensors, bioreactors, microfluidic devices. In this project, a series of functional cell@silica core-shell materials will be prepared with the aid of a catalyst (silicatein or silicatein mimic) and natural polyelectrolytes. Next, the physiological behavior of enclosed cells is also investigated. As the polymers used in this project are biocompatible and enzymatic silicification reactions are carried out under mild conditions, such a strategy is especially benefit to construction of fragile cells-based (e.g., mammalian cells) nanohybrid. Accordingly, by comparing the performance of different types of functional nanohybrid, we choose several special functional materials and look forward to seeing other applications. In addition, by utilizing diverse techniques and through careful physical chemical analyses of nucleation and crystallization pathways, we hope to gain novel insights into the process of bio- and biomimetic mineralization. Taken together, the results of this project will help to resolve the presently exist problems in this area (e.g., the relatively harsh reaction conditions), understand the mechanisms of nucleation and crystallization, and design various advanced materials.

近年来，细胞矿化封装作为细胞表面改性新方法引起了国内外学者的广泛关注。该方法在细胞的储存、保护、运输、改性以及基于细胞的传感器、生物反应器、微流控装置等方面具有广阔的应用前景。该项目拟通过引入硅聚合酶或其模拟酶以及天然高分子，合成一系列具有不同结构和功能的细胞硅壳化材料，并考察壳化层对细胞生理行为的影响。由于本项研究涉及的各种高分子材料生物兼容性好且酶催化的硅化过程条件温和，该方法可适用于各种细胞复合材料的构建，包括脆弱的哺乳动物细胞。基于此，通过考察各种功能复合材料的性能，提供几种具有特定功能和重要应用前景的细胞壳化材料，并将其应用于新领域。此外，利用不同的技术以及通过对成核和结晶途径的详细物理化学分析，对生物和仿生硅化过程中的机制展开深入研究。因此，本项目研究有利于解决目前国内外存在的合成条件相对苛刻等问题，明白成核和结晶机制及设计各种先进材料。

近年来，细胞封装作为细胞表面改性新方法引起了国内外学者的广泛关注。该方法在细胞的储存、保护、运输、改性以及基于细胞的传感器、生物反应器、微流控装置等方面具有广阔的应用前景。本项目在基于蚕丝高分子的细胞封装方向开展了一系列工作。主要的研究内容及科学意义包括以下几个方面：.（1）细胞封装通常需要有一层传统的静电吸附的高分子层，而聚阳离子通常具有细胞毒性。我们首次选用生物兼容性好的丝素蛋白高分子间氢键和疏水相互作用引起的自组装来代替。.（2）实验发现丝素蛋白高分子在自组装过程中伴随着其二级结构及晶体结构的改变。揭示蚕丝多级网络结构的形成过程在本质上是一个成核结晶的过程。因此，丝素蛋白高分子容易在纳米材料、细胞等表面异质成核生长。根据这一原理，已得到多个新型蚕丝封装的细胞复合材料。.（3）为解决目前细胞封装矿化所需的成条件相对苛刻的问题，该项目引入了多种不同的硅聚模拟酶。这些仿生催化剂容易吸附到包覆的细胞表面，且能有效改善硅化所需的外界条件，可进一步拓展硅化体系的适用性。.（4）丝素蛋白高分子容易将各种功能材料复合，已设计出具有各种功能化的细胞封装材料，并表征了各种功能复合材料的性能。这些特定功能化材料具有实际的运用前景。. 在项目资助下，共已经发表9篇论文在高水平的学术刊物上，包括生物科技趋势、先进功能材料、化学科学、ACS应用材料界面。其中作为第一作者或者通讯作者的论文共7篇，有2篇影响因子大于10, 5篇影响因子大于7。