矿化细菌纤维素复合材料的微生物原位制备及机制研究

The preparation of organic-inorganic composite materials by mineralization has very broad application prospects in the field of tissue engineering. Because of its unique natural structural characteristics and excellent biological activity, mineralized bacterial cellulose is becoming an ideal biological carrier in tissue engineering scaffolds. Researchers mostly used chemical biomimetic mineralization to prepare composite materials. However, the separate crystallization of every components result in weak binding force of each parts and poor characteristics between organic-inorganic interfaces. To solve these problems, this study intends to adopt the new way of microbial mineralization in situ preparation of mineralized bacterial cellulose. We choose Acetobacter xylinum as the model strain, and intend to add the mineralizing solution during the metabolic production of nanocellulose, to obtain inorganic mineral in situ deposit. We combine the intracellular biochemical reaction and metabolism regulation of microorganism, extracellular environment conditions of physical chemistry, to achieve mineralization bacterial cellulose in the controllable manner. Through exploring the disturbance effect between organic polymer crystallization process and inorganic mineral deposit under natural complex environment, we try to understand the regulation of material crystallization from biological system material to improve the transformation of the organism, providing new idea for the preparation of organic-inorganic composite functional materials.

通过矿化的方式制备有机无机复合材料在组织工程领域具有十分广阔的应用前景。矿化细菌纤维素因其独特的天然结构特性和优异的生物活性是组织工程支架的一种理想生物载体。目前研究工作者多采用化学仿生矿化法制备该类复合材料，因材料各组分是单独结晶所得，不可避免的会带来各部分结合力弱、有机无机材料界面特性差等缺点。针对这些问题，本研究拟采用微生物原位矿化的方式制备矿化细菌纤维素复合材料。通过在微生物代谢合成纤维素的过程中外加矿化液进行无机矿物在有机分子表面的原位沉积，结合微生物胞内生化反应与代谢调控、胞外环境条件的物理化学作用过程，协同实现有机大分子与无机矿物离子在复杂条件下的共同结晶，实现矿化细菌纤维素在有机无机杂化界面的可控制备。探究有机高分子结晶过程与无机矿物质沉积的相互扰动作用，帮助实现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，为有机无机复合功能材料的制备提供新的思路。

本项目采用了微生物原位矿化的方式制备了矿化细菌纤维素复合材料。通过在微生物代谢合成纤维素的过程中外加矿化液，成功实现了无机矿物在有机分子表面的原位沉积。结合微生物胞内生化反应与代谢调控、胞外环境条件的物理化学作用过程，协同实现了有机大分子与无机矿物离子在复杂条件下的共同结晶，实现矿化细菌纤维素在有机无机杂化界面的可控制备。并以成骨细胞为模型探究和证实了材料良好的生物相容。此外，我们还通过分子动力学模拟验证了有了机高分子结晶过程与无机矿物质沉积的相互促进作用，结合理论结算与实验验证阐述了微生物原位矿化过程中的分子机制，为有机无机复合功能材料的制备提供新的思路。在此过程中，申请人依托该项目以第一作者或者通讯作者共计发表SCI论文10篇（其中1区6篇）。申报发明专利3项，其中获授权1项。超额完成了发表3-5篇学术论文、申请国家发明专利2-3项的研究计划。合作培养了研究生6名。