Advanced Science:黑磷基水凝胶的光控原位生物矿化

生物矿化是指在生物体的特定部位,在一定的物理化学条件下,在生物有机物质的控制或影响下,将溶液中的离子转变为固相矿物的过程。生物矿化在人体硬组织如牙齿和骨骼等的形成与再生中起到至关重要的作用,不仅提供结构支撑和力学强度,还不断参与人体内的新陈代谢。然而,生物矿化受生物体内的生物大分子控制,很难在体外实现人为调控。因此,如果能够实现可调控的原位生物矿化过程,对于生物材料领域,特别是组织工程的发展具有重要意义。黑磷(BP)作为一种新型的含单一磷元素的二维半导体材料,不仅具有出色的近红外光吸收和光热特性,还具有独特的生物可降解性,它可以在生理环境中与水和氧气作用,降解产生在人体硬组织发育、生物矿化和细胞功能中起到重要作用的磷酸盐(PO43-)。

中国科学院深圳先进技术研究院喻学锋研究员与深圳大学邵俊东副研究员等合作,揭示了二维黑磷独特的光化学活性,通过构筑黑磷基水凝胶,实现了近红外光调控的原位生物矿化。相关研究结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.202000439)

研究结果显示,近红外光照不仅增强了黑磷的化学活性,促进了黑磷向磷酸盐(PO43-)转化的降解过程,还加剧了磷酸盐(PO43-)与钙离子(Ca2+)的反应过程,最终实现了可控的原位生物矿化。在此过程中,黑磷不仅是生物矿化的引发剂和调节器,还可以作为成核位点并提供生物矿化必需的磷源——磷酸盐(PO43-)。研究团队随后将黑磷与水凝胶复合,利用3D打印技术制备了骨组织工程支架,并通过近红外光控原位生物矿化,实现了对水凝胶的机械性能和生物矿化能力的调控。相关研究成果进一步拓展了黑磷的生物医学应用,并在生物材料领域,特别是组织工程中具有巨大的临床应用潜力。