生物大分子介導仿生礦化制備磁性納米粒子的研究進展

周雁紅，李夏蘭，張光亞

（華僑大學化工學院，福建廈門361021）

磁鐵礦（Fe3O4）納米粒子因其在固定化酶、生物材料的標記、磁性分離、核磁共振成像、定向給藥和熱療等方面的突出應用，而活躍于大眾視野中[1]。納米材料的應用很大程度上依賴于顆粒的大小和形貌，近年來針對其形貌和大小的研究報道也越來越多[2-4]。Fe3O4納米粒子在直徑低于一定尺寸（一般為25～30nm）時，可以表現出一種稱為超順磁性的獨特形式[5]，即在外界磁場作用下極易被磁化，外界磁場撤銷后在極短時間內退磁，沒有磁滯現象，矯頑力為零[6]。不同種類磁性納米顆粒顯現超順磁性的臨界尺寸是不同的。

然而，傳統共沉淀方法制備Fe3O4納米粒子需要使用有機溶劑和高溫條件，對反應條件要求較高，且因排放有毒氣體對環境造成污染或因反應劇烈造成事故。傳統共沉淀法制備出的Fe3O4納米粒子雖具有很高的分散性，但形貌難以精確控制[7]。為解決Fe3O4納米粒子因環境、反應條件及其顆粒尺寸、形貌帶來的重重困難，有研究者開始轉向應用仿生礦化的方法制備出大小、形貌均一的Fe3O4納米粒子[8-10]。本文介紹了在自然界中微生物體內存在的生物大分子（蛋白質）介導的生物礦化、人工模擬菌體內相關作用蛋白質的結構和組成介導體外仿生礦化制備Fe3O4納米粒子及人工合成多肽在介導產生Fe3O4納米粒子中的作用，總結了在生物礦化、仿生礦化、利用人工模擬生物礦化相關蛋白對Fe3O4的成核過程的影響及利用人工合成多肽對Fe3O4尺寸的影響，探索Fe3O4的成核機制，討論了核心氨基酸的作用原理，這有助于進一步闡明生物大分子在磁鐵礦成核過程中的機制，有望推動磁性納米材料在生物化工及醫學等領域的應用。

1 傳統磁性納米材料的制備方法

磁性納米粒子/磁性納米顆粒（magnetic nanoparticles,MNPs）是近年來發展迅速且極具應用價值的新型材料，在現代科學的眾多領域如生物醫藥、磁流體、催化作用、核磁共振成像、數據儲存和環境保護中得到越來越廣泛的應用。在眾多研究人員的共同努力下，納米技術在生命科學和生物醫藥領域取得重大研究進展，推動了分子生物學和細胞生物學的發展。磁性納米粒子是納米級的顆粒，一般由鐵、鈷、鎳等金屬氧化物組成的磁性內核及包裹在磁性內核外的高分子聚合物/硅/羥基磷灰石殼層組成。最常見的內核是由具有超順磁或鐵磁性質的Fe3O4制成，基于這一磁性性能，磁性納米粒子可以實現定向移動和介質分離，常用于生物醫藥方面諸如蛋白質、酶、抗原、抗體、核酸提取的磁性分離、磁性轉染、腫瘤熱療和傳感器等[11]。傳統常用制備磁性納米粒子的方法包括熱分解法[12]、微 乳液 法[13]、水 熱 法[14]、化 學 沉 淀 法[15]，見表1。

合成Fe3O4磁性納米粒子的方法在過去幾十年里得到了廣泛研究，常見方法合成納米粒子的透射電鏡圖見圖1。其中熱分解法是在含有表面活性劑作為穩定劑的高沸騰有機溶劑中控制氧化得到Fe3O4納米粒子，試劑比例、反應時間和反應溫度對控制其粒徑和形態均具有決定作用。如Li等[16]以高沸點、強極性的2-吡咯烷酮作為反應傳熱介質，以乙酰丙酮鐵作為原料，采用熱分解法制備出粒徑分布較窄（平均尺寸為9.8nm±1.4nm）、磁響應強且具有良好生物相容性的Fe3O4納米粒子，可用于核磁共振造影劑。微乳液法常用于制備粒徑分布較好的磁流液，反應物在微乳液滴作為微型反應器的內部進行化學反應，有效避免粒子之間的團聚現象，從而有效控制顆粒大小，使制備出的粒子具有較窄的粒度分布，獲得各種粒徑的單分散納米粒子。如Asab等[17]采用油包水微乳液法（W/O）制備了3種不同溫度下（30℃、50℃和80℃）的具有熱穩定性的高結晶度花朵狀Fe3O4納米粒子（粒徑 分 別 為7.85nm±0.01nm、8.41nm±0.13nm和10.83nm±0.02nm），通過改變反應溫度和前體濃度獲得不同尺寸的納米粒子，微乳液法是獲得可控尺寸納米粒子的一種有效方法。但在實際應用中，微乳液技術合成納米材料條件苛刻、產量低、難以規模化生產。水熱法采用水作為反應介質，在高溫高壓的反應條件下生成反應物，經分離和熱處理得到納米粉體，制備的Fe3O4納米粒子具有晶體尺寸可控、高單分散性和粒徑一致的特點，但采用水熱法制備納米材料的反應過程對其設備要求苛刻，需要高溫高壓的反應環境，因此這種方法仍需進一步改良。從近年發展趨勢看，化學共沉淀法仍然是制備Fe3O4最常用的方法。以二價鐵離子與三價鐵離子的混合鹽溶液（Fe2+∶Fe3+=1∶2）為前體，在室溫條件下，增強溶液的堿性可直接產生磁性納米粒子，機制較為復雜[18]。經過早期的開拓工作，許多研究小組報道了鐵氧化物之間的各種相變，堿性介質中鈣鈦礦（akaganeite）向針鐵礦（goethite）和/或赤鐵礦（hematite）的相變[19]、針鐵礦（goethite）轉變為赤鐵礦（hematite）的 過 程[20]、赤 鐵 礦（hematite）轉 變 為 磁 鐵 礦（magnetite）[21]和 磷 云 母（lepidocrocite）轉 變 為磁鐵礦（magnetite）[22-23]以及相變中間體的針鐵礦（α-FeOOH）、鈣鈦礦（β-FeOOH）、磷云母（γ-FeOOH）[24]，其中Fe2+和Fe3+在制備磁性納米粒子的途徑中各自獨立但又相互關聯。該工藝因其可規模化生產、可重復性好、反應條件友好而被認為具有重要的工業價值。然而，通過這種方法制備出的納米粒子尺寸分布范圍較廣[11]。因此，改變方法制備Fe3O4磁性納米粒子、改善磁性納米粒子的尺寸分布和形貌具有重要意義。

表1 常見合成Fe3O4納米粒子方法的比較

圖1 常見方法合成納米粒子的透射電鏡（TEM）圖

2 生物礦化

生物系統是一個非常優秀的自我組裝實例。生物自組裝的例子廣泛活躍于一個大尺度范圍內，從形成納米病毒的蛋白質和核酸的組裝到多細胞動物[23]。生物礦化是指生物有機體指導無機礦物結構的組裝過程[24]，例如在單細胞放射蟲的細胞內微骨骼中可以觀察到生物礦化的產物，包覆硅藻、軟體動物殼和脊椎動物的骨骼和牙齒的形態各異的果子[27-29]。在實驗室中，這種定向的生物系統組裝常常會產生復雜的空間組織層次及精細的結構（如星形圖案和生長到中尺度或者大尺度的形貌），這與無機材料的生長過程形成了鮮明的對比[28,30]。雖然自然界中生物來源差異很大，產生的納米粒子形貌差異也很大，但仍然可以認為生物礦化的產物是通過有機模板中大分子支架和結合元件來協調納米粒子的成核過程，從而進一步控制納米粒子的大小分布及其形貌[31]。生物礦化過程除了具有明顯的生物學意義外，對無機結構在尺度和形貌上的精細控制也產生了重大的推動作用[32]。

相比之下，研究者們設計的具有多尺度自組裝結構元件的能力仍十分有限。但這并不意味著人們對于在納米尺度上精確定制具有特殊結構和功能材料的興趣會戛然而止。相反，這種產生新功能的可能性激發了持續增長的研究興趣，成為仿生礦化領域的研究熱點和前沿。

生物有機體借助生物礦化相關蛋白調節晶體成核過程[33]、形貌[34]以及晶體組裝[35]，產生精細結構的生物礦物。近年來，鑒定與磁小體緊密結合的相關蛋白質成為發現磁鐵礦生物礦化因子的主要途徑之一，目前已經鑒定與之相關的蛋白質結構和功能總結于表2，幾種生物礦化相關蛋白3D結構見圖2，因本文中提到的幾種蛋白質在蛋白質結構數據庫（protein data bank，PDB）中未能查找到完整的3D結構圖，故采用蛋白質結構預測（SWISS-MODEL）服務器進行了同源建模，圖2(f)為PDB中現有的生物礦化相關蛋白MamA完整3D結構，ID：3AS5。通過對生物礦化相關蛋白Mms5、Mms6、MamC和MamD進行序列相似性對比分析，發現它們序列上存在一定的相似性，而且二級結構和三級結構也頗為類似，以α-螺旋和無規則卷曲為主，這可能與它們具有類似的功能相關。研究表明，這幾種蛋白質中共同特征的酸性氨基酸殘基（或含有這些殘基的區域）負責與生物體的相互作用[36-37]。因此，為了進一步闡明生物礦物形態調控的特殊機制，對生物礦物相關蛋白中酸性氨基酸進行了詳細的研究。有科學家從Magnetospirillum magneticumAMB-1中合成的磁鐵礦納米粒子的表面分離出對晶體形態調控起著關鍵作用的Mms6蛋白，對其作用部位與產物進行重點研究[38]。實驗表明，Magnetospirillum magneticumAMB-1中表達缺失部分N端或C端區域基因的Mms6蛋白的突變體和轉化子，破壞了原本的蛋白質在晶體成核之前或期間定位到磁小體膜上，缺少與晶格相匹配的負電荷殘基，Mms6蛋白不能與晶體表面直接結合，晶體中{110}和高指數面異常生長，從而導致合成磁性納米粒子形貌的變化。另外，Mms6 C端區域的Asp123、Glu124和Glu125單個氨基酸的取代結果表明，Asp123、Glu124和Glu125的取代損害了Mms6蛋白調節磁鐵礦晶體在磁細菌中形態的功能，且影響自組裝蛋白的鐵結合能力和穩定性，晶體內{110}晶面異常生長，Fe3O4磁性納米粒子形貌發生改變，表明這3種氨基酸是調節Fe3O4形貌的核心殘基。此外，有研究者在被用作鐵離子生物礦化模型系統的趨磁細菌MTB（magnetotactic bacteria）中發現，與生物礦化作用有重要聯系的MamC蛋白在控制磁小體在地磁場的定向移動中起關鍵作用[39]。MTB細菌中，MamC蛋白通過生物礦化過程產生具有非等距形態、高化學純度、單個磁疇尺寸范圍內分布且幾乎完美晶體結構特征的單磁疇磁鐵礦（Fe3O4）或greigite（Fe3S4）納米晶體。納米晶體被形成磁小體細胞器的脂質雙層包圍，因此具有這些特征的磁小體在地球磁場線上被動地排列和主動地運動。

表2 生物礦化相關蛋白結構及功能特征

圖2 幾種生物礦化相關蛋白的3D結構

相較于Mms6和MamC，研究者對其他生物礦化蛋白如Mms16、MamD、MamG和MmsF了解較少，但其作用不可忽視。其中，MamD、MamG在生成磁性納米粒子中發揮的作用類似于Mms6，但其在菌體中的含量遠低于Mms6，獲取較困難。Mms16蛋白作為一種磁小體膜外周蛋白，具有細菌磁性顆粒（bacterial magnetic particles,BMP）膜特異性酶的特征，在形成磁小體時，啟動細胞質膜的內陷，形成細胞內囊泡[35]。此外，有研究表明，在沒有其他主要生物礦化蛋白調節的情況下，正常表達MmsF可以恢復磁鐵礦的合成，而缺失表達MmsF基因的突變體，則存在明顯的生物礦化缺陷。目前，MmsF在生物礦化中的具體功能尚不明確。但其缺失的影響表明，MmsF對晶體的成核生長和形態都有貢獻，而且這兩個特征可能是相互關聯的[40,47]。

3 體外仿生礦化制備磁性納米粒子

雖然自然界中的生物礦化是通過生理、化學和生物過程的復雜相互作用來進行的，但從生物礦化的機理上看，生物礦化是通過有機支架才能夠對礦物成核和生長的空間定位進行精確控制[30,41]。因此，通過仿生模板設計合成的磁性納米結構可以與自然界中生物礦化的產物的結構相比擬，二者有類似的結構及其功能，為此需要逐步摸索分析反應條件控制產物的表觀特征及性能。其中，基于對生物、物理和化學的深刻認識，了解晶體成核和生長的基本原理對控制仿生礦化的過程起著關鍵的作用。目前，基于生物大分子的體外仿生礦化制備磁性納米粒子的研究尚處于起步階段。

3.1 人工模擬Mms6羧基端基序仿生礦化制備Fe3O4磁性納米粒子

在生物體內，Fe3O4磁性納米粒子是在專用的脂質體中產生的（磁小體），這一過程由脂質體膜內的一系列蛋白質控制，Mms6是被認為在生物礦化作用中發揮重要作用的一類蛋白質，且研究較為廣泛[38]。Mms6具有一種特異性的羧基端基序（carboxylic acid motifs），這種基序在生物礦化成核蛋白中很常見[36,42]。亞鐵離子和鐵離子通過鐵轉運體被吸收到磁小體的核心，在磁小體內腔的酸性氨基酸上積累鐵離子，鐵轉運體也作為反轉運體泵出內部質子，質子的流出導致酸堿度增加，促進磁鐵礦晶體沉淀，其形成的機理如圖3[43]所示。類似的酸性區域是磁小體中的Mms蛋白包括Mms7和MmsF，這種現象表明，在囊泡內腔的羧酸功能化可以輔助磁鐵礦的礦化過程。有研究者利用PEG113-PHPMA400和PMPC28-PHPMA400模擬這種羧基端基序制備了具有兩親性的人工磁小體，電穿孔法使鐵離子穿過膜進入囊泡中心沉淀的氧化鐵具有潛在的磁熱療的優勢特性，可以在10min內增加6℃。有可能未來會作為核磁共振成像（MRI）診斷應用的造影劑[39]。

圖3 天然和合成模擬Mms6羧基端基序仿生礦化制備Fe3O4磁性納米粒子[43]

磁小體中的蛋白家族經序列相似性對比表明，其N端具有一段共同的GL重復序列，該序列經生物信息學分析為跨膜片段，AMB-1菌體中Mms6部分基因缺失突變體及轉化子的分析表明，Mms6 N端區域的缺失破壞了蛋白質在磁小體表面的正確定位。此外，若Mms6 C端的酸性區域缺失，則導致產生的晶體不再為規則的球形[37-38,44-46]。對Mms6 C端區Asp123、Glu124或Glu125處的單氨基酸進行取代，結果顯示，這些氨基酸殘基對磁鐵礦晶體形態有直接的影響。因此，這些連續的酸性氨基酸殘基被認為是體外調節磁鐵礦晶體形態的核心殘基。這對人工模擬Mms6蛋白氨基酸序列設計具有極其重要的指導意義。

3.2 人工合成多肽Eka仿生礦化制備Fe3O4磁性納米粒子

基于以上研究，人們廣泛尋求模擬磁性納米粒子生物礦化的合成策略，既要創建能夠揭示關鍵礦化機制的簡化模型系統，又要實現可持續的低礦化[47-50]。有研究者將一種生物聚合物人工合成的多肽Eka用以協同調節合成納米粒子的尺寸大小和形貌[9,51]。通過調節多肽物Eka中3種氨基酸的所占比例，并與無生物聚合物的反應條件對比，來觀察生成晶體的情況。研究證實了生成晶體的尺寸和形貌明顯依賴于EKa，首先用一系列共聚肽進行了實驗，其中谷氨酸（E）物質的量分數為10%～100%，同時保持賴氨酸（K）和丙氨酸（A）含量相等，E含量增多會產生尺寸更小的晶體（從E10的42nm±10nm減小到E100的11nm±4nm），對于E含量較高的多肽，這種效果更明顯。事實上，對于K或A含量變化的多肽，磁鐵礦晶體尺寸也隨E含量的增加而減小。這說明谷氨酸殘基對磁鐵礦的成核有抑制作用，帶負電荷的谷氨酸殘基顯然與礦物相互作用，從而改變磁鐵礦晶體的尺寸。其次，產物的分散性主要取決于實驗中所使用多肽的pH和賴氨酸的含量。在高賴氨酸（物質的量分數＞25%）多肽存在時，生長的納米粒子由于磁性聚集而在pH=10時沉淀，在pH=7時分散良好。這表明，K殘基質子化后靜電穩定性的增加可以保護顆粒避免不受控制的團聚及隨后由于鐵磁性引力的沉淀。相反，低K含量的多肽存在時，生長的晶體在pH=7時缺乏足夠的穩定性，但在高pH下，由于磁鐵礦的zeta電位增加而實現穩定分散。因此，帶負電荷的氨基酸（谷氨酸）通過電荷相互作用穩定鐵水合物/鐵(Ⅱ)前體，起到磁鐵礦成核抑制劑的作用，多肽分子中谷氨酸的含量可以系統地調節晶體的大小和形狀，從而調節晶體的磁性。通過添加此類組合的共聚肽優化Fe3O4磁性納米粒子的合成似乎成為一種流行趨勢。值得注意的是，此類優化過程需要足夠的時間進行多代優化，且使用的組合策略對于Fe2+濃度和pH水平至關重要反應，這些反應條件是影響共聚肽控制結晶的重要因素。

此外，雖然可從表觀上發現共聚肽對Fe3O4磁性納米粒子合成的影響，但其內在機制尚不明了。因此，有研究者從存在這些多肽的條件入手，同時消除結構效應及電荷密度對產物合成的影響，設計出最佳共聚肽的組成含量，在鐵氧化物形成的條件下，多肽驅動Fe3O4的形成。研究結果表明，EKa多肽通過結合Fe2+改變了成核的條件，與礦物相互作用影響晶體的成核和生長，控制磁性納米離子的形狀和大小[52]。多肽與磁鐵礦表面的相互作用產生可分散的、膠體穩定的單疇磁性納米顆粒，可用于分離技術和合成固體材料，對于將仿生礦化擴展到技術生產上具有重要的戰略意義[53-55]。

3.3 其他人工合成分子仿生礦化制備Fe3O4磁性納米粒子

近年來，除了人工模擬生物礦化蛋白Mms6及人工合成多肽EKa仿生礦化外，還有一些其他人工合成的分子也用于制備磁性納米粒子Fe3O4。如Rawlings等[40]人工合成了具有可溶性的、結構穩定的Mms13cc和MmsFcc螺旋蛋白，利用莖環結構顯示生物礦化蛋白的活性，將其用于合成磁鐵礦的添加劑時成功地控制了MNP的形成，且調控合成的效果與天然的Mms13和MmsF生物礦化蛋白相當；Lenders等[56]人工合成了具有Mms6活性序列（DIESAQSDEEVE）的生物衍生肽M6A，水相中室溫沉淀，優化后的方法可以有效控制晶體的成核和組裝，控制鐵氧化物前體相的形成及與Fe2+在pH≈8時的反應轉化，制備出顆粒尺寸可達60nm的磁性納米顆粒Fe3O4。Kuhrts等[57]通過使用聚-L-精氨酸模擬細菌的蛋白質，僅控制pH即可選擇性地產生超順磁性和穩定的單疇磁性納米粒子，見圖1(e)，這顯示在聚-L-精氨酸存在的條件下，產物對pH具有極高依賴性，只要增加pH，Fe3O4的尺寸就會增加，誘導晶體從單晶到中晶的轉變，見圖4。這些充分顯示利用人工合成多肽進行仿生礦化具有廣闊的應用前景。需要注意的是，在實驗室研究的同時，研究者們必須注重生物合成分子的活性及結構特征在仿生礦化中的實際影響。

圖4 酸堿度和添加劑對制備Fe3O4磁性納米粒子的影響[57]

除多肽類生物分子能介導磁性納米粒子的產生外，也有使用現有的聚合物仿生合成磁性納米粒子。如由不同的陰離子、陽離子和疏水單體構成的丙烯酸酯聚合物等[58]。在實際生產中，綜合考慮其優缺點和應用目的進行選擇，如使用現有的聚合物減少了在原材料購買上的選擇性難題，但對構成聚合物的原材料具體來源并不足夠了解；使用聚合物化學方法制備磁性納米粒子周期較短，但容易對周圍環境及操作人員造成污染性傷害；使用聚合物合成磁性納米粒子操作過程簡便且產品純度高，但反應過程中影響因素很多且苛刻，很難實現工業化大批量生產[59]。而使用多肽類生物分子介導生成磁性納米粒子可以對多肽進行多元化的設計，以實現設計的預期目的，但此過程需要大量實驗研究作為依據；多肽類分子能夠更好地模擬磁性細菌本身蛋白的結構，以保證生物分子的活性，在效能方面發揮更大的優勢。但生物分子的儲存時間較短；以多肽類分子介導生成磁性納米粒子操作過程雖然相對安全，對環境污染較小，但純化制備大量蛋白質（多肽）等費用昂貴[51]。

3.4 人工設計類彈性蛋白多肽序列制備Fe3O4磁性納米粒子

基于傳統色譜柱純化蛋白質或多肽遇到的一系列難題，如昂貴和耗時的過程，且不容易規模化。研究者開始另辟蹊徑尋找借助非色譜的方法純化蛋白質或多肽，類彈性蛋白多肽（ELPs）作為一類溫度響應型多肽在這一背景下脫穎而出[60]。本文作者課題組也曾設計了一種新型ELPs，并以ELPs作為純化標簽，對目標蛋白酶進行分離純化，純化后酶回收率約為66.3%，純化倍數約為12.5，效果良好[61]。在此同時，本文作者課題組還發現該ELPs具有介導四甲氧基硅烷（TMOS）仿生硅化的能力，與眾不同的是，該ELPs能在很寬pH范圍內（2.2≤pH≤9.6）介導仿生硅化；在更低濃度下，所需時間更短（約100s，僅為上述多肽的1/6）；其仿生硅化能力不依賴于磷酸根離子。元素分析結果證實ELPs被固定于所形成的二氧化硅粒子中。因此，ELPs還可以作為一種非常有效的自固定化載體，以提高固定化酶的pH穩定性、熱穩定性及儲藏穩定性[62-65]。此外，本文作者課題組最新的研究結果顯示，利用ELPs-Spycather的仿生硅化能力，可以實現在Fe3O4磁芯表面包覆二氧化硅，制備表面修飾的包硅磁性納米顆粒，可以更有效地保留磁性，利于酶的分離和提高蛋白質的負載量。該方法制備條件溫和，所需時間短（11min），遠低于其他文獻中的用時（4.5～120h）。此外，ELPs-Spycather可長時間被固定于載體上，56h的蛋白泄漏率小于2%。有望成為一種全新的酶自固定化與分離純化集成的技術手段。

除此之外，本文作者課題組也對制備粒徑分布較窄、晶體尺寸大小形貌均一、形貌具有可控性的Fe3O4納米粒子產生了濃厚的興趣。ELPs的設計源于自然界中彈性蛋白，除了是一種環境響應型多肽外，它的設計序列也具有重大的意義[66]。其中包含一段重復序列(VPGXG)n，X是除脯氨酸外的其他任意氨基酸，這種序列的可設計性及可編輯性有望賦予ELPs全新的仿生礦化制備磁性納米粒子的能力，在了解多肽仿生制備磁性納米粒子機制的基礎上，可以設計出具有此功能的ELPs分子，使其在制備Fe3O4中發揮重要作用，本文作者課題組前期利用ELPs仿生制備的磁性納米粒子經X射線衍射（XRD）確認為Fe3O4磁性粒子，其電鏡照片如圖1(f)所示，經計算其平均粒徑約為32nm。有望開辟人工設計生物大分子介導制備磁性納米粒子的新領域，相關的研究工作正在不斷有序推進中。

由于磁性納米粒子常常具有獨特的物理（結構、電子、磁性和光學）和化學（催化）性質。在全球納米材料市場，其價值數十億美元，對從藥品到電池生產[67]的應用來說是巨大而深遠的。但由于磁性納米粒子的尺寸往往不受控制，而且合成的條件對環境和人工操作技術要求較為嚴格，因此其應用受到很大的阻礙。經過研究者的不懈努力，發現利用生物方法在化學共沉淀的基礎上，有效地利用生物大分子或者多肽介導制備出的磁性納米粒子大小分布范圍較為集中，相對傳統方法分散性更低，形貌具有可確定性，而且通過調節反應的酸堿性可控制其粒徑大小[38]。人工合成模擬生物礦化的相關結合蛋白也可以高效產生預期的磁性納米顆粒，與其他介導仿生礦化的有機分子相比，多肽類生物分子存在諸多優勢[68-69]。例如，生物相容性更好，制備磁性納米材料的條件更加溫和；多肽類生物分子易通過基因工程技術或化學法制備；多肽豐富的結構和組裝驅動力可精確調控納米材料的形貌和尺寸。因此，人工合成的模擬生物礦化的蛋白質或多肽類生物大分子在藥品研發、癌癥治療和核磁共振成像等方面具有更為廣闊的應用前景[39,42]。目前，生物合成的磁性納米粒子在生物醫學領域中被應用于對各種疾病的檢測、治療和預防。如Strehl等[70]利用抗體、酶和藥物等生物相容性材料封裝磁性納米顆粒，通過外部磁場對其進行導向，從而到達特定的靶向組織或器官。Wang等[71]利用非功能化的磁性納米顆粒標記淋巴細胞或白細胞等。除此之外，簡便有效的生態友好型磁性納米顆粒當前的主要進展還在于對有毒農藥、染料、金屬和廢水的檢測、降解和處理，以維護穩定的生態系統。如，Das等[72]將尺寸為10～15nm左右的漆酶固定化于磁性納米顆粒并成功用于降解農藥毒死蜱。Guo等[73]將磁性納米顆粒用于去除2,4-二氯苯酚。

人工合成多肽促進合成磁性納米粒子仍然是當前及今后研究的重點和熱點。人工合成多肽或蛋白質在設計上相對簡單，也可以通過生物發酵法制備，但有不少科學問題亟需解決：①人工合成的蛋白質在其結構上無法與生物體內的天然蛋白質相比擬，無法在其應用方面發揮與生物礦化蛋白在細菌體內相當的作用，甚至可能由于人工合成的蛋白質在其結構或輔因子上的無法重復性造成功能的突變，這些是當前仿生礦化所遇到的最嚴重挑戰；②生物分子（多肽）容易受到環境中強酸、強堿以及保存周期的影響，導致其結構和性能發生變化，如果不加修飾直接將其投放于實際生產中，則不能充分體現其價值。因此，需要設計出高度模擬生物礦化蛋白中發揮核心作用的結構片段，并充分考慮生物體微環境中輔因子的參與，這成為目前該領域急需解決的關鍵問題；③多肽類分子調控磁性粒子合成過程及其對磁性粒子形貌、大小的影響規律不明，仿生礦化過程中多肽分子和磁性粒子間相互作用的微觀過程亟待闡明；④現有合成磁性納米顆粒的方法中，反應物被部分混合，未反應的組分影響最終產物，使得獲得所需產物的再現性極低，因此開發反應后純化最終產物的方法勢在必行[74-75]。

4 結語

生物合成綠色新型多功能化的磁性納米顆粒可通過發掘細菌、真菌、藻類、酵母和病毒等微生物以及生物分子有機酸、醛類物質的潛力來實現。縱觀磁性納米顆粒在化學、生物、醫學和環境資源等領域中應用，不難發現納米顆粒的尺寸、形貌、磁學性質等物理特征在其中至關重要。目前，已有研究表明，蛋白質等生物大分子可以控制仿生礦化制備磁性納米顆粒的尺寸及形貌，但由于生物分子通常表現出復雜的結構，因此研究生物大分子在仿生礦化中的具體影響機制變得非常困難。因此，今后的研究重點應包括（但不限于）以下幾點：①進一步闡明相關礦化蛋白在磁性粒子仿生礦化過程中所起的作用，在此基礎上，將人工合成的生物大分子與生物體內礦化蛋白進行同源性比對，以評估生物分子在仿生礦化過程中的決定性因素；②依據細胞內生物礦化相關蛋白結構和功能，設計人工合成蛋白應更多考慮蛋白質有活性的結構，如何使人工合成蛋白保持活性是精細合成綠色無機納米顆粒的一項重大挑戰；③生物合成磁性納米顆粒更多地用于生物醫學領域，如藥物靶向運輸及釋放。因此需充分保證其良好的生物相容性，以及在合成過程中采用溫和條件制備納米顆粒，以利于藥物、酶和蛋白質等充分保留其活性。隨著生物材料在醫療健康行業和生活中所占比重逐漸增加，生物方法制備磁性納米材料在藥物研發和醫學成像方面將承擔越來越重要的角色。并且，其應用的范圍也將進一步拓展。