一、研究背景

工程生物材料（elm）代表了材料科学与工程领域的重大进步，有望通过增强自主性、实现智能响应、实现自我修复和自我复制，超越当前的“智能”、活性或多功能材料。尽管大多数elm是基于软聚合物和水凝胶，但更硬的elm也可以通过生物矿化来实现，生物矿化是指生物体通过其代谢活动来生产生物陶瓷。在生物矿化生产的各种生物陶瓷中，碳酸钙（CaCO3）是最受欢迎的一种。微生物诱导的尿素水解碳酸钙沉淀（MICP）是实现高产CaCO3沉淀的常用工艺。在这一过程中，溶尿菌分泌脲酶，将尿素水解成铵和碳酸盐，这进一步使得Ca2+离子过饱和时CaCO3析出。微生物诱导碳酸钙沉淀的潜力已经在各种应用中得到证实，包括胶凝材料的裂缝修复、砂的固结、多孔膜的胶结和砖的强度增强。最近的研究更多地关注于使用MICP来创建刚性elm，主要用于开发活建筑材料。然而，这些生物矿化的elm大多以散装形式生产。生物矿化模式在生产结构活陶瓷方面仍未得到充分的探索。几何图案的活陶瓷可以表现出特殊的结构特性。在这里，我们假设静电纺丝是一种强有力的方法，用于在纤维形式的生物矿化材料中开发活陶瓷纤维。

通过静电纺丝设备制备的电纺丝是制造纤维结构最常用的方法。它被定义为在强电场（1kv /cm）的作用下，从聚合物溶液液滴中制备具有微/纳米直径的纤维的技术。近年来，静电纺丝作为一种简单、经济的方法在一维聚合物纤维中封装细胞。通常，制备具有活细胞分散体的生物相容性聚合物溶液用于静电纺丝。在电场作用下，聚合物液滴变形为纤维射流。分散的细胞被拉入纤维射流，从而实现细胞封装。在电纺丝辅助细胞封装的不同类型的细胞中，细菌因其对高电场的抵抗力而受到特别关注。单片电纺丝和核壳电纺丝两种方法都成功地用于细菌包封，并被证明在生物修复、食品生物技术、农业和组织工程等领域有广泛的应用。然而，这些细胞封装的生物杂交系统不被认为是elm。在这些研究中，细菌静电纺丝的目的主要是为了将细菌对应物包装并运送到它们的应用地点。被封装状态下的细菌不能产生自我生成的生物材料以符合生物elm的要求，或者不能与被封装材料协同作用以产生新的功能以符合杂交生物材料的要求。

这项工作首次将静电纺丝和生物矿化相结合，为陶瓷纤维的发展奠定了基础。我们使用静电纺丝将解尿细菌巴氏孢子孢杆菌（S. pasteurii）包封在海藻酸盐纤维中，通过过度暴露于钙源进一步进行生物矿化以获得碳酸钙纤维，如图1所示。我们还在液体培养基中进行了MICP，以获得用我们的系统进行生物矿化的最佳条件。生物矿化纤维进一步表征其组成和形态。最后，我们讨论了这些发现对开发活陶瓷纤维的意义及其在相关领域的后续影响。

图1.利用静电纺丝法通过细菌包封获得生物陶瓷纤维的制备过程示意图，然后进行生物矿化。

二、摘要

由于其预期的性能，包括改进的机械稳定性和性能，活性陶瓷材料被提出作为高性能工程活性材料，这可能会影响各个领域的广泛应用。特别是，考虑到其纤维性质，预计活陶瓷纤维将表现出甚至优越的机械和结构性能。这一工作为发展陶瓷活纤维家族奠定了基础。溶尿细菌，巴氏孢子孢杆菌，被包裹在电纺海藻酸盐纤维中，进一步受到生物矿化。一项活体实验表明，被封装的细菌在静电纺丝过程中存活了下来。成功的生物矿化纤维导致近球形碳酸钙纳米颗粒沉淀在纤维部位。纤维内的细胞密度对碳酸钙纳米颗粒的填充有显著影响。虽然需要进一步的广泛研究来充分发挥活性陶瓷纤维的潜力，但这项研究的发现代表了其发展的重要一步。

三、结论

总之，这项工作提出了结合静电纺丝和生物矿化的开创性演示，从而为开发活陶瓷纤维奠定了基础。在电纺丝海藻酸盐纤维中包裹了溶尿细菌巴氏杆菌，并对其进行生物矿化处理。在静电纺丝过程中，细菌在高电场和剪切应力下存活下来，这一点在活死实验中被封装的细菌的高活力中得到了证明。包裹的巴氏杆菌导致CaCO3颗粒的形成，具有近球形的形态。然而，这些颗粒的分布出现不连续和松散堆积，可能是由于低电池负载。尽管如此，这一结果对于陶瓷纤维活性方面的发展和陶瓷纤维活性方面的未来和广泛表征具有重要意义。

图2.cacl2 -尿素混合物的细胞培养基，(a)不含巴氏杆菌，(b)含巴氏杆菌，强调在有细菌存在的培养基底部形成白色物质的进化。(c)干燥后白色沉淀剂的XRD，证实碳酸钙的形成，进一步证实微生物诱导CaCO3沉淀（MICP）的发生。（d, e）析出CaCO3的SEM图像。