利用 DNA 作为合成聚合物水凝胶的基本单元,可以充分调控其溶胶/凝胶转变温度,灵活设计键合的持久程度,确保材料与生物环境的高度相容,并且能够有效参与酶、细胞及生长因子等生物分子的互动。不过,要实现这种材料的批量生产和规模化应用,同时建立起精确的组分与性能之间的关联性,目前还存在相当大的技术挑战。

美因茨大学 教授团队新近研发出一种可扩展的液相寡核苷酸合成方法，将其接枝到星形聚（乙二醇）（PEG）上形成 DNA 分子，随后该团队又发表了利用这种 DNA 与其他分子结合形成的凝胶材料，以及能够调节双链结合长度的二价 DNA 结构，通过逐步调整双链熔化时的温度、溶液中的盐分含量以及基本单元的浓度等条件，该团队成功绘制出这种凝胶材料的力学性能分布图。

展示了数帕到千帕区间的可变力学特征，探讨了自我修复和化学键重组的速率，以及可变溶胶凝胶相变点。这些细致的考察，揭示了以可扩展单元为基的 DNA 水凝胶材料的未来构建方案，其星状和可变的单元拓扑构造，促成近似理想网络的生成。这类材料适合应用于生物医疗和细胞培育行业。那篇关联性文章，是以《DNA与大规模模型》为题，刊登在某个期刊之中。

图 1. -DNA 水凝胶形成的示意图。

此前消息透露，首个构造单元T20于OP-LPOS中制备而成，其后借助自动固相寡核苷酸合成技术制备出第二个连接体结构。-DNA水凝胶的生成，源于两种构造单元内T20与A20突出端之间发生的双链杂交作用。

图 2. 自互补 DNA 接头的构思和检测。(a) 含有 5-20 个 oligo-A 延续的 DNA 接头的图解。(b) oligo-T20/A20 与镜像 DNA 链 L/L* 在 150 mM NaCl+变化 MgCl2 条件下的解链曲线，借助模拟软件完成。(c) AGE 电泳显示两侧含 50 bp 和 1 kbp DNA 梯度的纯化 DNA 接头, 使用 2 wt% 琼脂糖凝胶进行电泳, 以 Roti- 染色, 在 80 V 电压下分离 75 分钟。(d) 经脱保护和制备型 HPLC 纯化后的 DNA 接头链, 通过 HPLC 色谱图进行分析。

图 3, 当 c* 接近 0.75 毫摩尔每升, 盐度对 -T20/A20-L/L*-A20 水凝胶流变学性质的作用, 其中 Mg2+ 浓度在 0 到 50 毫摩尔每升之间变化, Na+ 浓度稳定维持在 150 毫摩尔每升, (a) -T20 和 A20-L/L*-A20 构成水凝胶的示意图(b) 对含有 0 和 50 毫摩尔 MgCl2 的水凝胶进行温度检测，频率设定为 1 赫兹，应变比例调整到 6%，温度范围从 50 摄氏度降至 5 摄氏度，降温速度为每分钟 0.4 摄氏度，凝胶化转变温度 Tco 在图中用箭头标出。(c) 对不同 MgCl2 浓度下制备的水凝胶执行温度扫描实验。对0摩尔浓度与50毫摩尔浓度MgCl2水凝胶进行频率扫描，扫描范围是0.001赫兹到100赫兹dnastar 11，应变幅度为0.1百分之之一，环境温度为10摄氏度。含有0摩尔浓度MgCl2的水凝胶其键弛豫时间τ由图示箭头指示，对应的是灰色曲线，而含有50毫摩尔浓度MgCl2的水凝胶在全部测量频率区间内均不发生弛豫，其表现如蓝色曲线所示。该图表呈现了在各种 MgCl2 浓度条件下，凝胶在 10°C、G10°C' 以及 Tco 环境中的储能模量变化情况。

图 4 展示了 DNA 接头牢固程度以及单元浓度如何作用在水凝胶的力学特性上。-T20/A20-L/L*-A20 和 -T20/A10-L/L*-A10 这两种水凝胶，是在各种 -T20 含量条件下制备的，这些条件包括高于、低于以及 c*（对应于 0 mM MgCl2 和 150 mM NaCl 的环境）。将 (a,b) 组合采用 -T20 接头，以及 (a) 通过 A20-L/L*-A20 和 (b) 经由 A10-L/L*-A10 接头，这些方式用于制作水凝胶的示意图进行了说明。在 1.5 毫摩尔、0.75 毫摩尔和 0.38 毫摩尔 -T20 浓度下进行温度扫描，扫描频率为 1 赫兹，阻尼系数为 6%，温度范围从 50 摄氏度到 5 摄氏度，升温速率为 0.4 摄氏度每分钟。展示不同 -T20 浓度下 G10°C' 与 Tco 之间的关联性。(f,g) 组在 1.5、0.75 和 0.38 毫摩尔 -T20 浓度环境中进行频率扫描，扫描范围从 0.001 至 100 赫兹，相对强度为 0.1%，温度为 20 摄氏度。（h）在多种 -T20 浓度条件下，键弛豫时间 τ 的测量值。

图 5 展示了 -T20/A10-L/L*-A10 以及 -T10/A10-L/L* 在 c* 接近 0.75, 且 MgCl2 浓度为 0 mM 条件下制备的水凝胶的力学特性。温度依次从四十度降至五度，每分钟变化零点四度，期间进行频率为一赫兹的扫描，强度调整至六分之零点七五，浓度大致维持在零点七五毫摩尔，镁离子浓度为零，整个过程持续进行。接着进行频率范围从千分之一赫兹到一百赫兹的扫描，强度固定为百分之一，温度保持在二十度。

图 6. 自修复能力与凝胶的稳固程度。(a) -T20/A20-L/L*-A20 的幅值检测（角度为 0.1-1000%，频率为每秒一赫兹，温度为二十五摄氏度；镁离子浓度为五十毫摩尔，钠离子浓度为一百五十毫摩尔）。(b) A20-L/L*-A20 水凝胶的流变学行为，在固定频率下承受 6% 和 500% 的周期性形变，频率为 1 Hz，在 25 °C 条件下随时间进行记录，水凝胶经过数次变形后能够完全复原。(c) 通过视觉方式展示了染色与未染色 A20 水凝胶的自我修复过程。十分钟左右，两片水凝胶合并为一整块没有瑕疵的片状物。对（d,e）-T20/A10-L/L*-A10型水凝胶的持久性进行时间历程研究。在（d）首日及第85日测量温度状况，并在（e）开展频率检测。

图 7 展示了 -T20/A20-L/L*-A20 类型水凝胶的立体制造过程。(a) 部分呈现了用于生物制造所需的墨盒、喷嘴以及活塞的立体构建装置。(b) 部分展示了在狗骨骼与 DNA 双螺旋形态中立体制造的该类水凝胶，照片清晰表明凝胶在常温状态下具备可打印特性且能够形成自支撑结构。

团队首次深入探究了采用含双连接臂的 DNA 构建模块形成的近似理想模型网络水凝胶的表征情况,这项研究涉及材料设计。该设计立足于团队先前研发的 OP-LPOS 合成方法,该方法为生产大规模聚合物/DNA 复合材料提供了新途径。通过调整连接臂的尺寸,或改变溶液中的盐浓度,以及控制构建模块的多少,可以探索出各种不同的材料特性组合。凝胶 G' 值能够变动于 20 Pa 到 3.1 kPa 之间，这一范围涵盖了细胞机械感应发生的情况，并且，松弛时间尺度也特别可以通过盐度进行控制。在二价阳离子 (Mg2+) 存在时合成的所有水凝胶，在 10 °C 的测试频率区间 (f = 0.001–100 Hz) 内，均未观察到弛豫时间现象，而在其他情形下，它们会在宽广的频谱范围内呈现出相应的变化特征。这种基于-DNA的水凝胶结构非常稳固，其力学强度足以经受多次温度变化，而且在水凝胶构建完成数月之后，Tco和τ等特性依然稳定。

水凝胶构建模块的获取，包括运用 OP-LPOS 技术制备的 -T20 以及借助自动化固相方法合成的 DNA 接头，都显示出极大的便捷性与规模化潜力，这些优势应当有助于推动该水凝胶在生物材料领域内诸多用途的发展。这项研究提供了初步依据dnastar 11，然而，采用特定适配体、酶催化作用单元或针对目标（比如借助更为精密的DNA连接体构建的应变硬化水凝胶）的更高级反应具备充分实现的条件。

论文链接：

doi.org/10.1021/acs..

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